CN104923890B - 声源入射角度及位置可调超声辅助氩弧焊方法及辅助装置 - Google Patents

声源入射角度及位置可调超声辅助氩弧焊方法及辅助装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种声源入射角度及位置可调超声辅助氩弧焊的方法及辅助装置，该装置包括超声焊接夹具和超声随动***，所述超声随动***通过超声波设备中的超声变幅杆与超声焊接夹具接触；该方法包括：焊前准备：机械加工待焊接工件对接坡口呈V形，采用超声焊接夹具夹持待焊接工件，将焊接夹具固定在焊接平台上，将超声波设备的超声变幅杆装夹在超声随动***上，使超声变幅杆的末端与焊接夹具中的角度可调镶块的斜面接触；焊接：确定氩弧焊的工艺参数，启动氩弧焊机电源，焊枪引弧，待电弧稳定后，启动超声波设备的超声电源输出声波。本发明能有效的解决有色金属熔焊时热裂纹严重的问题，并且能有效改变结晶方向、球化细化晶粒。

Description

声源入射角度及位置可调超声辅助氩弧焊方法及辅助装置
技术领域
本发明涉及焊接冶金技术领域，具体涉及一种声源入射角度及位置可调超声辅助氩弧焊方法。
背景技术
虽然铜合金与铝合金在物理性能、机械性能上表现完全不同，但是在焊接特别是钨极氩弧焊(GTAW)过程中均会出现焊接热裂纹，制约着铜合金及铝合金的应用。除去焊接应力及变形的外部因素外，热裂纹的出现均与凝固过程中低熔共晶出现的温度区间、成分、比例及分布有关。对于铜及铜合金来说，熔焊过程中由于氧元素侵入熔池，凝固时会形成由Cu2O和Cu组成的低熔点共晶组织分布于已凝固的α-Cu晶粒之间，提高了铜及铜合金焊接的热裂倾向。对于铝及铝合金来说，熔焊时由于合金元素Cu、Si及Mg的存在，与Al组成一系列的低熔点共晶体聚集在树枝晶的枝晶间形成液态薄膜，在收缩拉伸应力作用下被撕开，形成热裂纹。
功率超声具有空化及声流效应。空化效应是超声波在液体中传播时，液体分子受到周期***变声场的作用。在声波稀疏相内液体受到拉应力，若声压值足够大则液体被拉裂而产生空化泡或空穴；在随后来临的声波正压相内，这些空化泡或空穴以极高的速度闭合或崩溃，从而在液体内产生瞬间的局部高温和高压。声流效应则是超声波在液体中的有限振幅衰减使液体内形成一定的声压梯度，从而形成一个流体的喷射。
功率超声在金属材料连接及冶金中的应用主要有超声金属焊接、超声波辅助钎焊工艺、超声细化工艺及超声除气及除杂工艺。利用超声的空化效应可以使局部液体产生瞬间高压冲击波，破碎正在生长的金属晶粒，起到细化晶粒的效果。利用超声的声流效应会使作用流体产生高速对流，类似于机械搅拌作用，加速了液体在固态晶粒间的流动性。
中国专利201410778002.3公开了一种超声波非熔化极氩弧焊工艺及装置，该工艺是在非熔化极氩弧焊过程中实时地对熔池和焊缝附近的母材进行超声波振动，使熔融金属组织致密均匀，焊缝处金属晶粒细化，加速熔池气体析出，提高焊接质量。但是其缺点是此工艺中超声波声源的入射角度及位置不可以调节，不能实现超声变幅杆与焊枪运动轨迹同时与同步性，保证焊接稳定性。
发明内容
针对有色金属如铜合金、铝合金弧焊时焊接热裂纹严重的问题，在传统弧焊方法基础上引入超声波作用，提出一种声源入射角度及位置可调的超声辅助氩弧焊方法及其辅助装置。
本发明采用以下技术方案：
一种声源入射角度及位置可调的超声辅助氩弧焊辅助装置，包括超声焊接夹具和超声随动***，所述超声随动***通过超声波设备中的超声变幅杆与超声焊接夹具接触。
其中：
所述超声焊接夹具，包括一具有斜面的角度可调镶块、距离可调垫块、高度可调压块和底座，所述角度可调镶块的竖直面与距离可调垫块的第一侧面连接，所述距离可调垫块的第一侧面的相对面的上部分与高度可调压块连接，且高度可调压块能相对垫块作上下移动，所述距离可调垫块的第一侧面的相对面的下部分连接底座，高度可调压块的底表面与底座的上表面设有放置待焊接工件的空隙。
所述连接均为活动连接。
进一步，角度可调镶块的斜面与其底表面的角度范围为0＜α≤90°，声波可以以横波纵波复合波或者横波的形式入射，当角度在0＜α＜90°时，声波以横波纵波复合波的形式入射，当α为90°时，声波以横波的形式入射，调节声波的入射角度从而考察各种声波入射角度对焊接后金属力学性能的影响情况，从中择优选择所需入射角度。
进一步，所述角度可调镶块的竖直面设有燕尾型凹槽，距离可调垫块的第一侧面设有与燕尾型凹槽相配合连接的凸型燕尾块。所述凸型燕尾块与燕尾型凹槽配合连接实现角度可调的镶块的固定。
进一步，所述距离可调垫块的第一侧面的相对面设有燕尾型凹槽，高度可调压块的侧面设有与燕尾型凹槽相配合连接的凸型燕尾块，且所述的凸型燕尾块可在距离可调垫块的第一侧面的相对面的燕尾型凹槽内上下滑动。
进一步，所述距离可调垫块的厚度为10～50mm。调节距离可调垫块的厚度，可以使超声变幅杆与焊缝的距离在110-160mm范围内变化，使声波可以在近焊缝区及远焊缝区入射。
该超声焊接夹具由角度可调镶块、距离可调垫块和高度可调压块组成，实现超声不同入射角度、不同焊材厚度以及焊接中焊缝区位于超声波远峰、近峰的调整。
所述角度可调镶块的斜面与超声波辅助***的变幅杆接触，通过更换具有不同斜面角度的镶块，实现超声波入射角度的改变。
当需要调整超声施加位置与焊缝位置间距离时，选用合适厚度的距离可调垫块，实现超声施加位置与焊缝位置间距离的可调。
所述高度可调压块主要针对不同板厚的焊接工件，所述高度可调压块通过在距离可调垫块的燕尾型凹槽内上下滑动，压紧焊接工件，以适应不同焊材厚度。高度可调压块压紧焊接工件，为了进一步压紧焊接工件，可采用U形夹具在侧面做刚性固定。
所述超声随动***，包括水平运动***、竖直运动***和底座，所述竖直运动***设置在底座上；所述水平运动***和竖直运动***均包括步进电机、丝杠和导柱；所述步进电机通过联轴器与丝杠连接，竖直运动***的丝杠上设有能上下运动的第二丝杠螺母，第二丝杠螺母连接水平运动***，水平运动***的丝杠上设有能水平运动的第一丝杠螺母；第一丝杠螺母与连接件连接，所述连接件连接能固定超声变幅杆的套筒块。
进一步，所述步进电机通过联轴器与丝杠的一端连接，丝杠的另一端与导柱底座连接，导柱固定于联轴器和导柱底座之间。
进一步，所述竖直运动***的轴线与水平运动***的轴线相垂直。所述第二丝杠螺母连接水平运动***的导柱的外侧。
进一步，所述连接件的形状为U型，U型连接件连接套筒块，所述套筒块设有固定超声变幅杆的孔径，所述套筒块能在U型连接件内转动。另一种实施方式为：套筒块径向设有顶丝，夹紧超声变幅杆。
进一步，U型连接件的两侧设有螺孔，套筒块通过螺孔连接在U型连接件上。
进一步，为了更好地配合U型连接件，所述套筒块为削边套筒块，套筒块内固定超声变幅杆的杆部，通过U型连接件两侧的螺孔实现给定角度下超声变幅杆的加紧。
进一步，所述丝杠为滚珠丝杠。
进一步，所述步进电机还连接控制***，控制***控制步进电机的运行方式。
当焊接时，将超声波设备的超声变幅杆装夹在超声随动***的套筒块内，超声变幅杆的末端与超声焊接夹具中的角度可调镶块的斜面或距离可调垫块的上表面完全接触，然后启动超声波设备和氩弧焊机进行焊接。
采用所述辅助装置的声源入射角度及位置可调的超声辅助氩弧焊方法，包括以下方法：
(1)焊前准备：机械加工待焊接工件对接坡口呈V形，采用超声焊接夹具夹持待焊接工件，将焊接夹具固定在焊接平台上，将超声波设备的超声变幅杆装夹在超声随动***上，使超声变幅杆的末端与焊接夹具中的角度可调镶块的斜面或距离可调垫块的上表面接触。
(2)焊接：确定氩弧焊的工艺参数，启动氩弧焊机电源，焊枪引弧，待电弧稳定后，启动超声波设备的超声电源输出声波；
焊枪以设定速度起焊，超声波施加设定时间后，水平运动***的丝杠控制超声波变幅杆使之与角度可调镶块或距离可调垫块分离，与焊接方向同向运动一定距离后，控制超声变幅杆落下与角度可调镶块或距离可调垫块接触继续施加超声，以此类推，实现超声变幅杆与焊枪同步性及同时性。
(3)焊至待焊接工件尾部收弧，关闭焊机电源，抬起超声变幅杆，停止超声作用关闭超声电源。
步骤(1)中，所述待焊接工件为有色金属，如铜、铜合金或铝合金，其厚度为6-15mm。
根据大量实验的焊接效果，本发明的方法更加适合厚度为6-15mm的有色金属铜、铜合金或铝合金的焊接。
步骤(1)中，所述待焊接工件的非坡口侧面与底座紧密刚性接触，为了使超声焊接夹具更加牢固，然后采用普通夹具(U型夹具)将超声焊接夹具固定在焊接平台上。
步骤(1)中，通过选用不同角度的角度可调镶块接触，使超声变幅杆的施加角度在0～90°可调，变幅杆末端直接作用于角度可调镶块斜面或距离可调垫块的上表面上，使声波分别以纵波、横波及纵波横波复合波形式入射。施加角度是指角度可调镶块的斜面与其底表面的角度，当使用超声变幅杆时，其端部表面与可调镶块的斜面完全接触，即超声变幅杆与斜面相垂直。
当角度在0＜α＜90°时，声波以横波纵波复合波的形式入射，当α为90°时，声波以横波的形式入射，当α为0°时，即拆除角度可调镶块，入射声波作用在距离可调垫块的上表面上。
步骤(1)中，通过选用不同的厚度的距离可调垫块，使超声变幅杆与焊缝的距离在110-160mm范围内变化，使声波分别在近焊缝区及远焊缝区入射。
步骤(2)中，确定氩弧焊的工艺参数：根据待焊接工件的材质和板厚确定起弧电流、焊接电流、收弧电流、焊接速度及保护气体流量。所述起弧电流为150～190A，焊接电流为170～230A，收弧电流150～190A，焊接速度2～4mm/s，保护气体流量为5～10L/min。经过大量实验验证得到了上述工艺参数，使焊接效果最好。
优选的，以6mm厚T3紫铜板为例，起弧电流170-190A，焊接电流210-230A，收弧电流170-190A，焊接速度2mm/s，保护气流量10L/min；以6mm厚7075铝合金板为例，起弧电流150-170A，焊接电流170-190A，收弧电流150-170A，焊接速度3.5mm/s，保护气流量8L/min。
步骤(2)中，当启动超声波设备的超声电源输出声波后，经换能及超声波变幅杆放大后入射超声波工作频率为15-25KHz，振幅为20-50μm。经过大量实验与分析，得到此工作频率与振幅可以使最终焊接效果达到最好，晶粒最接近圆球状且尺寸最小，综合力学性能最好。
步骤(2)中，超声变幅杆具有以下运动轨迹：下降(接触角度可调镶块或距离可调垫块施加超声)—抬起(分离)—沿预设路线运动—下降(接触角度可调镶块或距离可调垫块施加超声)。实现声波与焊枪运动轨同时与同步性，保证焊接稳定性。
本发明的有益效果是：本发明通过专有的超声焊接夹具来改变超声变幅杆的入射角度及施加位置，调节入射纵波及横波的比例、熔池区域的振动参数如振幅、位移、声强及声压，一方面改变晶粒的生长方向，让最后结晶区域的低熔液相排出到熔池表面，不在枝晶间形成裂纹源，延长使用寿命；另一方面，改变晶粒的形态，由粗大树枝晶变为球状晶，提高焊缝力学性能，最终形成组织均匀细密的无热裂纹的焊缝。
此外，本发明在氩弧焊接过程中，通过水平运动***中步进电机控制的丝杠来实现超声变幅杆达到以下运动轨迹：下降(接触镶块或垫块施加超声)—抬起(分离)—沿预设路线运动—下降(接触镶块或垫块施加超声)。实现超声变幅杆与焊枪运动轨迹同时与同步性，保证焊接稳定性。
超声变幅杆与焊枪运动轨迹的同步性同时性控制：首先根据待焊接金属试板尺寸确定相应的焊接速度即焊枪移动速度；根据焊枪移动速度，确定变幅杆抬起后的水平移动速度及垂直下落后的超声施加时间，形成变幅杆水平移动—竖直下落超声施加—竖直抬起，实现焊枪焊接与变幅杆施加超声的同时开始及同时结束。例：焊枪以2mm/s速度起焊。开启超声电源，声波施加4s时间后，滚轴丝杠***控制变幅杆抬起使之与超声焊接夹具的镶块或垫块分离，以6mm/s的速度沿焊接方向同向水平运动2s后，控制变幅杆落下与镶块或垫块接触继续施加超声，施加时间4s，以此类推。实现变幅杆与焊枪同步性及同时性。
本发明能有效的解决有色金属如铜合金、铝合金熔焊时热裂纹严重的问题，并且能有效改变结晶方向、球化细化晶粒，改善焊缝金属力学性能。本发明工艺适应性强，稳定性好，实用性广，对各种易出现热裂纹的合金焊接也具有良好的改善效果。该方法具有焊接过程稳定，成型效率高，操作简单的优点。
附图说明
图1是本发明中超声焊接夹具的结构示意图；
图2是本发明中超声随动***的结构示意图；
图3为不采用超声辅助条件下钨极氩弧焊接T3铜板的晶粒形态及热裂纹；
图4为本发明采用超声辅助条件下钨极氩弧焊接T3铜板的晶粒形态；
图5a、图5b、图5c和图5d为采用本发明中可调角度及厚度夹具时焊缝微观组织。
图6a、图6b和图6c为采用本发明中可调角度及厚度夹具时焊缝力学性能。
其中，1-1、角度可调镶块，1-2、距离可调垫块，1-3、高度可调压块，1-4、工件，1-5、底座，1、超声随动***底座，2、第一步进电机，3、第一滚珠丝杠，4、第一导柱，5、第一联轴器，6、第一丝杠螺母，7、第一导柱底座，8、第二步进电机，9、第二滚珠丝杠，10、第二导柱，11、第二联轴器，12、第二丝杠螺母，13、第二导柱底座，14、U型连接件，15、削边套筒块，16、超声变幅杆。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
实施例1
如图1和2所示，一种声源入射角度及位置可调的超声辅助氩弧焊辅助装置，包括超声焊接夹具和超声随动***。
其中，所述超声焊接夹具包括一具有斜面的角度可调镶块1-1、距离可调垫块1-2、高度可调压块1-3和底座1-5，所述夹具用于超声辅助钨极氩弧熔焊并且声源角度及位置可调的焊接。
所述角度可调镶块1-1的竖直面与距离可调垫块1-2的第一侧面活动连接，具体的连接方式为：角度可调镶块1-1的竖直面设有燕尾型凹槽，距离可调垫块1-2的第一侧面设有与燕尾型凹槽相配合连接的凸型燕尾块，从而实现角度可调镶块1-1的固定。角度可调镶块1-1的斜面与超声波辅助***的变幅杆接触，通过更换不同角度的镶块，实现超声波入射角度的改变。
所述距离可调垫块1-2的第一侧面的相对面的上部分与高度可调压块1-3活动连接，具体的连接方式为：所述距离可调垫块1-2的第一侧面的相对面设有燕尾型凹槽，高度可调压块1-3的侧面设有与燕尾型凹槽相配合连接的凸型燕尾块，凸型燕尾块在距离可调垫块2内燕尾型槽内上下滑动。
所述距离可调垫块1-2的第一侧面的相对面的下部分活动连接底座1-5，高度可调压块1-3的底表面与底座1-5的上表面设有放置待焊接工件1-4的空隙。
所述超声随动***，包括水平运动***、竖直运动***和超声随动***底座1。所述竖直运动***设置在超声随动***底座1上。所述水平运动***的轴线和竖直运动***的轴线相互垂直。
所述水平运动***包括第一步进电机2、第一滚珠丝杠3、第一导柱4、第一联轴器5，第一丝杠螺母6、第一导柱底座7，其中，第一步进电机2通过第一联轴器5与第一滚珠丝杠3的一端连接，第一滚珠丝杠3上设有第一丝杠螺母6，第一丝杠螺母6能随着第一滚珠丝杠3的旋转而水平运动；第一滚珠丝杠3的另一端与第一导柱底座7连接，所述第一导柱4固定在第一联轴器5之间。
所述竖直运动***包括第二步进电机8、第二滚珠丝杠9、第二导柱10、第二联轴器11，第二丝杠螺母12、第二导柱底座13，其中，第二步进电机8通过第二联轴器11与第二滚珠丝杠9的一端连接，第二滚珠丝杠9上设有第二丝杠螺母12，第二丝杠螺母12能随着第二滚珠丝杠9的旋转而上下垂直运动；第二滚珠丝杠9的另一端与第二导柱底座13连接，所述第二导柱10固定在第二联轴器11之间。
所述第二导柱10的外侧固定在超声随动***底座1上，从而实现随动***的固定。
所述第一导柱4外侧的一端固定在第二丝杠螺母6上，当第二丝杠螺母6上下垂直运动时，水平运动***也随着第二丝杠螺母6作上下垂直运动。
所述第一丝杠螺母6还与U型连接件14连接，U型连接件14的两侧设有螺孔，通过螺孔以及紧固螺栓连接有削边套筒块15。削边套筒块15径向设有顶丝，顶丝夹紧超声变幅杆16。通过调节紧固螺栓，削边套筒块15能在U型连接件14内转动，从而调节超声变幅杆对夹具或工件的施加角度。
所述第一步进电机2和第二步进电机8还连接控制***，控制***控制步进电机的运行方式。
实施例2
采用上述辅助装置，对待焊接有色金属板为180*100*6mm紫铜板进行超声辅助钨极氩弧焊接，其焊接步骤如下：
(1)将紫铜板开V型坡口，采用超声焊接夹具夹持紫铜板，使得紫铜板非坡口侧面与超声焊接夹具的底座1-5紧密刚性接触，如图1所示。然后将紫铜板与超声焊接夹具固定在焊接平台上。
(2)更换角度可调镶块1-1，所述角度可调镶块1-1的斜面与其底表面的角度为90°，使声波以横波形式入射，距离可调垫块1-2的厚度取10mm，然后采用U形夹具固定，实现超声焊接夹具的上下面及侧面与紫铜板紧密刚性接触。
(3)将超声变幅杆16装夹在超声随动***上，调整焊接夹具的高度使超声变幅杆16末端与超声焊接夹具中的角度可调镶块1-1的斜面完全接触。
完全接触是指超声变幅杆16末端端部表面与可调角度镶块1-1的斜面完全接触，即超声变幅杆16与斜面相垂直。
(4)启动钨极氩弧焊机电源，焊枪引弧，待电弧稳定后，启动超声电源输出声波，焊枪以2mm/s速度起焊，起弧电流180A，焊接电流220A，收弧电流180A，焊接速度2mm/s，保护气流量10L/min。超声电源的工作功率为1500W、经换能及超声波变幅杆放大后入射超声波工作频率为20kHz，振幅为20μm，声波施加2s时间后，运动***中的丝杠控制超声变幅杆16抬起使之与角度可调镶块1-1分离，以6mm/s的速度沿焊接方向同向水平运动2s后，控制超声变幅杆16落下与角度可调镶块1-1接触继续施加超声，施加时间为4s，以此类推，实现超声变幅杆16与焊枪同步性及同时性。
(5)焊至工件尾部收弧，关闭焊机电源，抬起超声变幅杆16，停止超声作用关闭超声电源。
焊接效果见图5d和图6a、图6b和图6c。
实施例3
采用上述辅助装置，对待焊接有色金属板为180*100*6mm的紫铜板进行超声辅助钨极氩弧焊接，其焊接步骤如下：
(1)将紫铜板开V型坡口，采用超声焊接夹具夹持紫铜板，使得紫铜板非坡口侧面与超声焊接夹具的底座1-5紧密刚性接触，如图1所示。然后将紫铜板与超声焊接夹具固定在焊接平台上。
(2)去掉角度可调镶块1-1，使超声变幅杆16直接施加在距离可调垫块1-2的上表面上，距离可调垫块1-2的厚度取10mm，使声波以纵波形式入射。
(3)将超声变幅杆16装夹在超声随动***上，调整焊接夹具的高度使超声变幅杆16末端与超声焊接夹具中的距离可调垫块1-2的上表面完全接触。
(4)启动钨极氩弧焊机电源，焊枪引弧，待电弧稳定后，启动超声电源输出声波，焊枪以2mm/s速度起焊，起弧电流180A，焊接电流220A，收弧电流180A，焊接速度2mm/s，保护气流量10L/min。超声电源的工作功率为1500W、经换能及超声波变幅杆放大后入射超声波工作频率为20kHz，振幅为20μm，声波施加2s时间后，运动***中的丝杠控制超声变幅杆16抬起使之与角度可调镶块1-1分离，以6mm/s的速度沿焊接方向同向水平运动2s后，控制超声变幅杆16落下与角度可调镶块1-1接触继续施加超声，施加时间为4s，实现一个周期的超声施加。以此类推，实现超声变幅杆16与焊枪同步性及同时性。
(5)焊至工件尾部收弧，关闭焊机电源，抬起超声变幅杆16，停止超声作用关闭超声电源。
焊接效果见图6a、图6b和图6c。
实施例4
采用上述辅助装置，对待焊接有色金属板为180*100*6mm的紫铜板进行超声辅助钨极氩弧焊接，其焊接步骤如下：
(1)将紫铜板开V型坡口，采用超声焊接夹具夹持紫铜板，使得紫铜板非坡口侧面与超声焊接夹具的底座1-5紧密刚性接触，如图1所示。然后将紫铜板与超声焊接夹具固定在焊接平台上。
(2)更换角度可调镶块1-1，所述角度可调镶块1-1的斜面与其底表面的角度为30°，距离可调垫块1-2的厚度取10mm，使声波以纵波横波复合波形式入射，然后采用U形夹具固定，实现超声焊接夹具的上下面及侧面与紫铜板紧密刚性接触。
(3)将超声变幅杆16装夹在超声随动***上，调整焊接夹具的高度使超声变幅杆16末端与超声焊接夹具中的角度可调镶块1-1的斜面完全接触。
完全接触是指超声变幅杆16末端端部表面与角度可调镶块1-1的斜面完全接触，即超声变幅杆16与斜面相垂直。
(4)启动钨极氩弧焊机电源，焊枪引弧，待电弧稳定后，启动超声电源输出声波，焊枪以2mm/s速度起焊，起弧电流180A，焊接电流220A，收弧电流180A，焊接速度2mm/s，保护气流量10L/min。超声电源的工作功率为1500W、经换能及超声波变幅杆放大后入射超声波工作频率为20kHz，振幅为20μm，声波施加2s时间后，运动***中的丝杠控制超声变幅杆16抬起使之与角度可调镶块1-1分离，以6mm/s的速度沿焊接方向同向水平运动2s后，控制超声变幅杆16落下与角度可调镶块1-1接触继续施加超声，施加时间为4s，实现一个周期的超声施加。以此类推，实现超声变幅杆16与焊枪同步性及同时性。
(5)焊至工件尾部收弧，关闭焊机电源，抬起超声变幅杆16，停止超声作用关闭超声电源。焊接效果见图5a和图6a、图6b和图6c。
实施例5
采用上述辅助装置，对待焊接有色金属板为180*100*6mm的紫铜板进行超声辅助钨极氩弧焊接，其焊接步骤如下：
(1)将紫铜板开V型坡口，采用超声焊接夹具夹持紫铜板，使得紫铜板非坡口侧面与超声焊接夹具的底座1-5紧密刚性接触，如图1所示。然后将紫铜板与超声焊接夹具固定在焊接平台上。
(2)更换角度可调镶块1-1，所述角度可调镶块1-1的斜面与其底表面的角度为45°，距离可调垫块1-2的厚度取10mm，使声波以纵波横波复合波形式入射，然后采用U形夹具固定，实现超声焊接夹具的上下面及侧面与紫铜板紧密刚性接触。
(3)将超声变幅杆16装夹在超声随动***上，调整焊接夹具的高度使超声变幅杆16末端与超声焊接夹具中的角度可调镶块1-1的斜面完全接触。
完全接触是指超声变幅杆16末端端部表面与可调镶块的斜面完全接触，即超声变幅杆16与斜面相垂直。
(4)启动钨极氩弧焊机电源，焊枪引弧，待电弧稳定后，启动超声电源输出声波，焊枪以2mm/s速度起焊，起弧电流180A，焊接电流220A，收弧电流180A，焊接速度2mm/s，保护气流量10L/min。超声电源的工作功率为1500W、经换能及超声波变幅杆放大后入射超声波工作频率为20kHz，振幅为20μm，声波施加2s时间后，运动***中的丝杠控制超声变幅杆16抬起使之与角度可调镶块1-1分离，以6mm/s的速度沿焊接方向同向水平运动2s后，控制超声变幅杆16落下与角度可调镶块1-1接触继续施加超声，施加时间为4s，实现一个周期的超声施加.以此类推，实现超声变幅杆16与焊枪同步性及同时性。
(5)焊至工件尾部收弧，关闭焊机电源，抬起超声变幅杆16，停止超声作用关闭超声电源。焊接效果见图5b和图6a、图6b和图6c。
实施例6
采用上述辅助装置，对待焊接有色金属板为180*100*6mm的紫铜板进行超声辅助钨极氩弧焊接，其焊接步骤如下：
(1)将紫铜板开V型坡口，采用超声焊接夹具夹持紫铜板，使得紫铜板非坡口侧面与超声焊接夹具的底座1-5紧密刚性接触，如图1所示。然后将紫铜板与超声焊接夹具固定在焊接平台上。
(2)更换角度可调镶块1-1，所述角度可调镶块1-1的斜面与其底表面的角度为60°，距离可调垫块1-2的厚度取10mm，使声波以纵波横波复合波形式入射，然后采用U形夹具固定，实现超声焊接夹具的上下面及侧面与紫铜板紧密刚性接触。
(3)将超声变幅杆16装夹在超声随动***上，调整焊接夹具的高度使超声变幅杆16末端与超声焊接夹具中的角度可调镶块1-1的斜面完全接触。
完全接触是指超声变幅杆16末端端部表面与可调镶块的斜面完全接触，即超声变幅杆16与斜面相垂直。
(4)启动钨极氩弧焊机电源，焊枪引弧，待电弧稳定后，启动超声电源输出声波，焊枪以2mm/s速度起焊，起弧电流170-190A，焊接电流210-230A，收弧电流170-190A，焊接速度2mm/s，保护气流量10L/min。超声电源的工作功率为1500W、经换能及超声波变幅杆放大后入射超声波工作频率为20kHz，振幅为20μm，声波施加2s时间后，运动***中的丝杠控制超声变幅杆16抬起使之与角度可调镶块1-1分离，以6mm/s的速度沿焊接方向同向水平运动2s后，控制超声变幅杆16落下与角度可调镶块1-1接触继续施加超声，施加时间为4s，实现一个周期的超声施加。以此类推，实现超声变幅杆16与焊枪同步性及同时性。
(5)焊至工件尾部收弧，关闭焊机电源，抬起超声变幅杆16，停止超声作用关闭超声电源。焊接效果见图4、图5c和图6a、图6b和图6c。
实施例7
采用上述辅助装置，对待焊接有色金属板为180*100*6mm的紫铜板进行超声辅助钨极氩弧焊接，其焊接步骤如下：
(1)将紫铜板开V型坡口，采用超声焊接夹具夹持紫铜板，使得紫铜板非坡口侧面与超声焊接夹具的底座1-5紧密刚性接触，如图1所示。然后将紫铜板与超声焊接夹具固定在焊接平台上。
(2)更换角度可调镶块1-1，所述角度可调镶块1-1的斜面与其底表面的角度为90°，使声波以横波形式入射，更换距离可调垫块1-2，厚度取50mm，使得超声变幅杆处于远离焊缝区施加。然后采用U形夹具固定，实现超声焊接夹具的上下面及侧面与紫铜板紧密刚性接触。
(3)将超声变幅杆装夹在超声随动***上，调整焊接夹具的高度使超声变幅杆16末端与超声焊接夹具中的角度可调镶块1-1的斜面完全接触。
完全接触是指超声变幅杆16末端端部表面与角度可调镶块1-1的斜面完全接触，即超声变幅杆16与斜面相垂直。
(4)启动钨极氩弧焊机电源，焊枪引弧，待电弧稳定后，启动超声电源输出声波，焊枪以2mm/s速度起焊，起弧电流170-190A，焊接电流210-230A，收弧电流170-190A，焊接速度2mm/s，保护气流量10L/min。超声电源的工作功率为1500W、经换能及超声波变幅杆放大后入射超声波工作频率为20kHz，振幅为20μm，声波施加2s时间后，运动***中的丝杠控制超声变幅杆16抬起使之与角度可调镶块分离，以6mm/s的速度沿焊接方向同向水平运动2s后，控制超声变幅杆16落下与角度可调镶块1-1接触继续施加超声，施加时间为4s，实现一个周期的超声施加。以此类推，实现超声变幅杆16与焊枪同步性及同时性。
(5)焊至工件尾部收弧，关闭焊机电源，抬起超声变幅杆16，停止超声作用关闭超声电源。
实施例8
采用上述辅助装置，对待焊接有色金属板为180*100*6mm紫铜板进行超声辅助钨极氩弧焊接，其焊接步骤如下：
(1)将紫铜板开V型坡口，采用超声焊接夹具夹持紫铜板，使得紫铜板非坡口侧面与超声焊接夹具的底座1-5紧密刚性接触，如图1所示。然后将紫铜板与超声焊接夹具固定在焊接平台上。
(2)去掉角度可调镶块1-1，使超声变幅杆16直接施加在距离可调垫块1-2上表面上，距离可调垫块1-2的厚度取10mm，使声波以纵波形式入射，然后采用U形夹具固定，实现超声焊接夹具的上下面及侧面与紫铜板紧密刚性接触。
(3)将超声变幅杆16装夹在超声随动***上，调整焊接夹具的高度使超声变幅杆16末端与超声焊接夹具中的角度可调镶块1-1的斜面完全接触。
完全接触是指超声变幅杆16末端端部表面与角度可调镶块1-1的斜面完全接触，即超声变幅杆16与斜面相垂直。
(4)启动钨极氩弧焊机电源，焊枪引弧，待电弧稳定后，启动超声电源输出声波，焊枪以2mm/s速度起焊，起弧电流170A，焊接电流210A，收弧电流170A，焊接速度2mm/s，保护气流量10L/min。超声电源的工作功率为1500W、经换能及超声波变幅杆放大后入射超声波工作频率为20kHz，振幅为20μm，声波施加2s时间后，运动***中的丝杠控制超声变幅杆16抬起使之与角度可调镶块1-1分离，以6mm/s的速度沿焊接方向同向水平运动2s后，控制超声变幅杆16落下与角度可调镶块1-1接触继续施加超声，施加时间为4s，以此类推，实现超声变幅杆16与焊枪同步性及同时性。
(5)焊至工件尾部收弧，关闭焊机电源，抬起超声变幅杆16，停止超声作用关闭超声电源。
实施例9
采用上述辅助装置，对待焊接有色金属板为180*100*6mm紫铜板进行超声辅助钨极氩弧焊接，其焊接步骤如下：
(1)将紫铜板开V型坡口，采用超声焊接夹具夹持紫铜板，使得紫铜板非坡口侧面与超声焊接夹具的底座1-5紧密刚性接触，如图1所示。然后将紫铜板与超声焊接夹具固定在焊接平台上。
(2)去掉角度可调镶块1-1，使超声变幅杆16直接施加在距离可调垫块1-2上表面上，距离可调垫块1-2的厚度取10mm，使声波以纵波形式入射，然后采用U形夹具固定，实现超声焊接夹具的上下面及侧面与紫铜板紧密刚性接触。
(3)将超声变幅杆16装夹在超声随动***上，调整焊接夹具的高度使超声变幅杆16末端与超声焊接夹具中的角度可调镶块1-1的斜面完全接触。
完全接触是指超声变幅杆16末端端部表面与角度可调镶块1-1的斜面完全接触，即超声变幅杆16与斜面相垂直。
(4)启动钨极氩弧焊机电源，焊枪引弧，待电弧稳定后，启动超声电源输出声波，焊枪以2mm/s速度起焊，起弧电流190A，焊接电流230A，收弧电流190A，焊接速度2mm/s，保护气流量10L/min。超声电源的工作功率为1500W、经换能及超声波变幅杆放大后入射超声波工作频率为20kHz，振幅为20μm，声波施加2s时间后，运动***中的丝杠控制超声变幅杆16抬起使之与角度可调镶块1-1分离，以6mm/s的速度沿焊接方向同向水平运动2s后，控制超声变幅杆16落下与角度可调镶块1-1接触继续施加超声，施加时间为4s，以此类推，实现超声变幅杆16与焊枪同步性及同时性。
(5)焊至工件尾部收弧，关闭焊机电源，抬起超声变幅杆16，停止超声作用关闭超声电源。
经试验表明：
在不施加超声波作用时，对6mm厚的紫铜板进行无填丝TIG堆焊，焊后焊缝组织为柱状α-Cu，晶粒结晶方向垂直于熔合线的法线方向，向焊缝中心生长。在最后结晶的熔池中心区域，在柱状晶晶间位置形成了热裂纹(如图3所示)。
在施加超声波作用时，对6mm紫铜板进行无填丝TIG堆焊，焊后在熔合区无热裂纹出现。焊缝组织为颗粒状分布的α-Cu，晶粒尺寸明显小于无超声作用的焊缝晶粒，并且在熔合区中心区域的晶粒的长大方向是向熔池表面生长，这种生长方向有利于将最后凝固区域的富氧、硫、磷液相排到熔池表面，避免其在α-Cu晶界上形成易导致热裂纹的液态薄膜，从而有效避免了热裂纹出现(如图4所示)。此外，进一步观察发现，在α-Cu晶粒内部，形成了小尺寸球状的α-Cu，这是由于超声的空化及声流作用在结晶过程中发生了以下2个作用：一是增大了α-Cu的形核率；二是破碎了粗大的柱状α-Cu。使得晶粒尺寸明显变小，形状由柱状过渡到球状。达到了改善结晶过程，细化晶粒效果的目的。当超声入射角度变化时，即声波以纵波及横波的入射量在变化，发现晶粒的走向、细化效果及焊缝力学性能明显不同(如图5、图6a、图6b和图6c)，综合组织及力学性能发现，当超声以60°施加复合波时，晶粒最接近圆球状且尺寸最小，综合力学性能(硬度、抗拉强度和延伸率)最好。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (11)

1.一种声源入射角度及位置可调的超声辅助氩弧焊辅助装置，其特征是，包括超声焊接夹具和超声随动***，所述超声随动***通过超声波设备中的超声变幅杆与超声焊接夹具接触；
其中：
所述超声焊接夹具，包括一具有斜面的角度可调镶块、距离可调垫块、高度可调压块和底座，所述角度可调镶块的竖直面与距离可调垫块的第一侧面连接，所述距离可调垫块的第一侧面的相对面的上部分与高度可调压块连接，且高度可调压块能相对垫块作上下移动，所述距离可调垫块的第一侧面的相对面的下部分连接底座，高度可调压块的底表面与底座的上表面设有放置待焊接工件的空隙，所述连接均为活动连接；
所述超声随动***，包括水平运动***、竖直运动***和超声随动***底座，所述竖直运动***设置在超声随动***底座上；所述水平运动***和竖直运动***均包括步进电机、丝杠和导柱；所述步进电机通过联轴器与丝杠连接，竖直运动***的丝杠上设有能上下运动的第二丝杠螺母，第二丝杠螺母连接水平运动***，水平运动***的丝杠上设有能水平运动的第一丝杠螺母；第一丝杠螺母与连接件连接，所述连接件连接能固定超声变幅杆的套筒块。
2.如权利要求1所述的装置，其特征是：所述角度可调镶块的斜面与其底表面的角度范围为0＜α≤90°。
3.如权利要求1所述的装置，其特征是：所述距离可调垫块的厚度为10～50mm。
4.采用权利要求1～3任一所述辅助装置的声源入射角度及位置可调的超声辅助氩弧焊方法，其特征是，包括以下方法：
(1)焊前准备：机械加工待焊接工件对接坡口呈V形，采用超声焊接夹具夹持待焊接工件，将焊接夹具固定在焊接平台上，将超声波设备的超声变幅杆装夹在超声随动***上，使超声变幅杆的末端与焊接夹具中的角度可调镶块的斜面或距离可调垫块的上表面接触；
(2)焊接：确定氩弧焊的工艺参数，启动氩弧焊机电源，焊枪引弧，待电弧稳定后，启动超声波设备的超声电源输出声波；
焊枪以设定速度起焊，超声波施加设定时间后，水平运动***的丝杠控制超声波变幅杆使之与角度可调镶块分离，与焊接方向同向运动一定距离后，控制超声变幅杆落下与角度可调镶块接触继续施加超声，以此类推，实现超声变幅杆与焊枪同步性及同时性；
(3)焊至待焊接工件尾部收弧，关闭焊机电源，抬起超声变幅杆，停止超声作用关闭超声电源。
5.如权利要求4所述的方法，其特征是：步骤(1)中，所述待焊接工件为有色金属，其厚度为6-15mm。
6.如权利要求5所述的方法，其特征是：所述有色金属为铜、铜合金或铝合金。
7.如权利要求4所述的方法，其特征是：步骤(1)中，所述待焊接工件的非坡口侧面与底座紧密刚性接触，然后采用U型夹具将超声焊接夹具固定在焊接平台上。
8.如权利要求4所述的方法，其特征是：步骤(1)中，通过选用不同角度的角度可调镶块，使超声变幅杆的施加角度在0～90°可调，变幅杆末端直接作用于角度可调镶块斜面上或距离可调垫块的上表面上，使声波分别以纵波、横波或纵波横波复合波形式入射。
9.如权利要求4所述的方法，其特征是：步骤(1)中，通过选用不同厚度的距离可调垫块，使超声变幅杆与焊缝的距离在110-160mm范围内变化，使声波分别在近焊缝区及远焊缝区入射。
10.如权利要求4所述的方法，其特征是：步骤(2)中，所述氩弧焊的工艺参数为：起弧电流为150～190A，焊接电流为170～230A，收弧电流150～190A，焊接速度2～4mm/s，保护气体流量为5～10L/min。
11.如权利要求4所述的方法，其特征是：步骤(2)中，当启动超声波设备的超声电源输出声波后，经换能及超声波变幅杆放大后入射超声波工作频率为15-25KHz，振幅为20-50μm。
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