CN107009039A - 一种随焊超声振动装置及方法 - Google Patents

一种随焊超声振动装置及方法 Download PDF

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初雅杰
李建
韩昕宸
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Abstract

本发明是一种随焊超声振动装置及方法，所述装置包括超声波电源、换能器、变幅杆、振动针、钨极氩弧焊设备、焊接平台及行走小车。该装置适用于铝合金、镁合金等低熔点有色金属的焊接，先由钨极氩弧焊设备对镁合金或铝合金工件进行焊接，并同时采用超声振动针对焊枪后方熔池进行振动处理，通过超声波对熔池的流动和凝固的影响作用，可以细化焊接接头的晶粒，排除气孔、夹渣，减小或消除残余应力，提高焊接接头的力学性能。

Description

一种随焊超声振动装置及方法
技术领域
本发明专利属于焊接工艺领域，具体的说是涉及一种随焊超声振动装置及方法。
背景技术
镁合金及铝合金等低熔点有色金属，由于具有高比强度、耐腐蚀、导热性能好、工艺性能好、质量轻等良好的物理、化学性能受到广泛应用，随着科学技术的发展，镁合金及铝合金被广泛的应用于航天航空，汽车工业、及机械制造等领域，具有较好的发展前景。焊接技术是镁（铝）合金产品制造的关键加工技术，但镁（铝）合金焊接性能不好，很难实现可靠连接。为此镁（铝）合金结构件以及镁（铝）合金与其它材料结构件之间的连接，成为制约镁（铝）合金应用的技术瓶颈和亟待解决的关键技术之一。
以镁合金为例，在焊接镁合金时，由于镁合金具有高导热率、大膨胀系数、更低的熔点和沸点等特性，使得在镁合金焊缝及近缝区易产生过热组织且晶粒粗大，这种粗大晶粒会直接影响接头的力学性能；由于焊缝金属的收缩性，在接头附近会产生残余应力，降低接头的力学性能；由于镁合金的化学性质活泼，焊接过程中不可避免的会有气孔、夹渣等焊接缺陷出现。这些焊接接头的缺陷严重影响了镁合金焊接结构件的可靠性，限制了镁合金的应用与发展。
目前已有很多研究采用了不同的焊接方法或手段来消除或减弱镁（铝）合金焊接接头的上述缺点，例如利用超声波间接对熔池进行振动，但受到熔池冷却速率快，能量利用率较小，对熔池的影响能力有限，对焊接接头的力学性能的改善，仍有提升和改进的空间。
发明内容
本发明为了解决现有技术中存在的不足，提供了一种随焊超声振动装置及方法，利用超声波振动对熔池的空化作用，可以细化焊接接头的晶粒，排除气孔、夹渣，减小或消除残余应力，提高焊接接头的力学性能。
为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明一种随焊超声振动装置，装置包括超声波电源、换能器、变幅杆、振动针、焊枪、钨极氩弧焊设备、焊接工作平台及行走小车，在焊接工作平台上放置待焊工件，待焊工件上有熔池，行走小车设置在焊接工作平台的上方，在行走小车的上方设置有与超声波电源连接的换能器，在换能器上通过变幅杆连接振动针，在行走小车上还设置有与钨极氩弧焊设备相连接的焊枪。
优选地，特制的振动针采用的是钴基合金材料，耐高温，具有较好的韧性，所述钴基合金材料包括如下重量份的原料：Co：45-66%；Cr：22-26%；W：3-8%；Ti：10-18%；Nb：5-9%；Al:5-8%。
优选地，振动针直径为1-3mm，长度为4-6cm，振动针端部形状为半球形。
优选地，超声振动装置采用的换能器为高转换率的压电换能器，超声振动***工作频率为40-60KHz。
优选地，超声波电源的振动与焊枪的焊接同步，焊接速度为3-6mm/s。
优选地：焊枪与待焊工件的距离为10-18mm，振动针与焊枪的距离为4-6mm，振动针与待焊工件的距离为2-3mm，振动针与待焊工件的夹角为45°。
优选地，超声振动中的换能器及焊枪夹持装置的高度、角度均可调节。
优选地，所述钨极氩弧焊设备的焊接电压24V、焊接电流160A、焊接速度3.0mm/s、填丝直径3mm、电弧高度4mm、氩气流量16L/min、氩气纯度99.99%。
一种随焊超声振动的方法，振动的方法包括以下步骤：
1）对待焊工件采用钨极氩弧焊进行施焊，待焊工件为镁合金工件或铝合金工件；
2）在施焊同时，将振动针（4）深入熔池（9）进行振动。
优选的：所述步骤1）采用钨极氩弧焊实施焊接，焊接电压24V、焊接电流160A、焊接速度3.0mm/s、填丝直径3mm、电弧高度4mm、氩气流量16L/min、氩气纯度99.99%。
优选的：所述步骤2）施焊时振动针位于焊枪后方10-18mm，且振动针与熔池成45°夹角，并伸入熔池的2/3。
本发明的有益效果是：
①在熔池中引入超声振动，利用超声波对熔池的空化作用，使焊缝组织得到细化，消除柱状晶，焊接接头主要呈现细晶粒组织；
②利用超声振动，可促进熔池中的气体、夹渣的溢出与上浮，有助于消除焊缝中的气孔与夹渣，提高焊接接头的力学性能；
③利用振动针在熔池中进行超声振动，可以平衡熔池中的应力场，减小或消除残余应力。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明焊缝经随焊超声振动处理后的金相组织图片。
图3是本发明未经随焊超声振动化处理后的金相组织图片。
图4是本发明焊态焊缝、母材和超声焊缝的力学性能曲线图谱。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。
如图1所示，本发明是一种随焊超声振动装置及方法，包括超声波电源、换能器、变幅杆、特制的振动针、钨极氩弧焊设备、焊接平台及特制的行走小车。该装置及方法是将振动针直接伸入到熔池中，由于熔池温度较高，所以该装置及方法适用于镁合金及铝合金等低熔点有色金属的焊接。
装置包括超声波电源1、换能器2、变幅杆3、振动针4、焊枪5、钨极氩弧焊设备6、焊接工作平台8及行走小车10，在所述焊接工作平台8上放置待焊工件7，所述待焊工件7上有熔池9，所述行走小车10设置在焊接工作平台8的上方，在所述行走小车10的上方设置有与超声波电源1连接的换能器2，在所述换能器2上通过变幅杆3连接振动针4，在所述行走小车10上还设置有与钨极氩弧焊设备6相连接的焊枪5，振动针4采用的是钴基合金材料，所述钴基合金材料包括如下重量份的原料：Co：45-66%；Cr：22-26%；W：3-8%；Ti：10-18%；Nb：5-9%；Al:5-8%，所述振动针4直径为1-3mm，长度为4-6cm，所述振动针的端部形状为半球形；所述换能器2为高转换率的压电换能器，工作频率为40-60KHz，所述超声波电源1的振动与所述焊枪5的焊接同步，焊接速度为3-6mm/s
先将待焊工件置于焊接平台上，装好超声振动装置及焊枪，调整好焊枪与待焊工件的距离10-18mm，振动针与焊枪的距离4-6mm，振动针与工件的距离2-3mm，以及振动针与工件的夹角45°，启动及钨极氩弧焊设备，调节焊接工艺参数，焊接电压24V、焊接电流160A、焊接速度3.0mm/s、填丝直径3mm、电弧高度4mm、氩气流量16L/min、氩气纯度99.99%，然后启动超声波电源，选择工作频率，引弧后等待3秒，调节振动针至熔池的2/3处，对熔池进行超声振动，并启动行走小车，直至焊接结束，关闭各机器的电源，整理工作平台。
实施例一
为了说明本发明焊接接头处理效果，选用山东银光镁业有限公司提供的Mg-Al系AZ31镁合金板材作为试验用母材。
1)原材料的选择
试板尺寸为2000mm ×600mm×2mm，焊接材料选用该公司提供的与母材同质的AZ31镁合金焊丝，规格为3.0mm。镁合金母材的主要化学成分及力学性能见表1和表2：
表1 AZ31镁合金的化学成分（wt.%）
Al Zn Mn Si Fe Cu Ni Mg
3.38 0.88 0.48 0.01 0.0027 0.0015 0.0005 Bal.
表2 AZ31镁合金的力学性能
屈服强度/MPa 抗拉强度/MPa 伸长率/% 硬度HV
125.8 212.5 18 38
2)焊接方法及设备选取
用尺寸为2000mm×600mm×2mm的两块板材组成一副对接焊试板，焊接试板开60°的V型坡口，根部间隙控制在3～4mm，用丙酮清除试板表面的油污，将焊接区域20-30mm以内用砂纸打磨至露出金属光泽，坡口面经刮削清除氧化膜，保证在焊接开始前的待焊区域没有污染物，试验采用TPS4000数字化氩弧焊/钎焊多功能焊接设备及超声振动设备进行随焊振动焊接，钨极端部用砂轮打磨成半球形，直径为2.5mm、喷嘴直径7mm、电弧高度4mm、焊接电压24V、焊接电流160A、焊接速度3.0mm/s、填丝直径3mm、氩气流量16L/min、氩气纯度99.99%，焊枪与工件的距离5mm，振动针与焊枪的距离4mm，振动针与工件的距离2mm，振动针与工件的夹角45°，振动针直径为2mm，长度为5cm，振动针端部形状为半球形。超声振动***工作频率为50KHz。
3)结构和性能表征
如图2所示，其中图2为焊缝经随焊超声振动处理后的金相组织图片，图3为未经随焊超声振动化处理后的金相组织图片。由图2和3可以看出，随焊超声振动处理后的镁合金焊接接头焊缝区晶粒非常细小，且无气孔、夹渣等焊接缺陷。
如图4经随焊超声振动处理后的焊接接头的力学性能曲线图谱可知，随焊超声振动处理后的焊接接头的抗拉强度可达225.8MPa，AZ31镁合金（无焊缝）母材的抗拉强度实测结果为212.5MPa，说明焊接接头经随焊超声振动处理后，抗拉强度已超过母材金属。而未经随焊超声振动处理的接头的抗拉强度在150～180MPa之间，仅有母材金属抗拉强度的70%～84%，因此可以认为随焊超声振动处理的焊接接头强度达到甚至超过母材金属的强度水平，对焊接接头的力学性能有显著提高。
综上所述，由随焊超声振动装置焊接的AZ31镁合金板材的焊接接头的各种力学性能指标均得到明显提高，且无气孔，夹渣等焊接缺陷，同时也减小或消除了残余应力，极大的增加了镁合金焊接接头的可靠性。

Claims (10)

1.一种随焊超声振动装置，其特征在于：所述装置包括超声波电源（1）、换能器（2）、变幅杆（3）、振动针（4）、焊枪（5）、钨极氩弧焊设备（6）、焊接工作平台（8）及行走小车（10），在所述焊接工作平台（8）上放置待焊工件（7），所述待焊工件（7）上有熔池（9），所述行走小车（10）设置在焊接工作平台（8）的上方，在所述行走小车（10）的上方设置有与超声波电源（1）连接的换能器（2），在所述换能器（2）上通过变幅杆（3）连接振动针（4），在所述行走小车（10）上还设置有与钨极氩弧焊设备（6）相连接的焊枪（5）。
2.根据权利要求1所述一种随焊超声振动装置，其特征在于：所述振动针（4）采用的是钴基合金材料，所述钴基合金材料包括如下重量份的原料：Co：45-66%；Cr：22-26%；W：3-8%；Ti：10-18%；Nb：5-9%；Al:5-8%。
3.根据权利要求1所述一种随焊超声振动装置，其特征在于：所述振动针（4）直径为1-3mm，长度为4-6cm，所述振动针（4）的端部形状为半球形。
4.根据权利要求1所述一种随焊超声振动装置，其特征在于：所述换能器（2）为高转换率的压电换能器，工作频率为40-60KHz。
5.根据权利要求1所述一种随焊超声振动装置，其特征在于：所述超声波电源（1）的振动与所述焊枪（5）的焊接同步，焊接速度为3-6mm/s。
6.根据权利要求1所述一种随焊超声振动装置，其特征在于：所述焊枪（5）与所述待焊工件（7）的距离为10-18mm，振动针（4）与所述焊枪（5）的距离为4-6mm，所述振动针（4）与所述待焊工件（7）的距离为2-3mm，所述振动针（4）与所述待焊工件（7）的夹角为45°。
7.根据权利要求1所述一种随焊超声振动装置，其特征在于：所述钨极氩弧焊设备的焊接电压24V、焊接电流160A、焊接速度3.0mm/s、填丝直径3mm、电弧高度4mm、氩气流量16L/min、氩气纯度99.99%。
8.根据权利要求1所述一种随焊超声振动的方法，其特征在于：所述振动的方法包括以下步骤：
1）对待焊工件（7）采用钨极氩弧焊进行施焊；
2）在施焊同时，将振动针（4）深入熔池（9）进行振动。
9.根据权利要求8所述一种随焊超声振动的方法，其特征在于：所述步骤1）采用钨极氩弧焊实施焊接，焊接电压24V、焊接电流160A、焊接速度3.0mm/s、填丝直径3mm、电弧高度4mm、氩气流量16L/min、氩气纯度99.99%。
10.根据权利要求8所述一种随焊超声振动的方法，其特征在于：所述步骤2）施焊时振动针位于焊枪后方10-18mm，且振动针与熔池成45°夹角，并伸入熔池的2/3。
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