CN113070595A - 交替超声场辅助窄间隙焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交替超声场辅助窄间隙焊接方法，包括1）将加工好的被焊工件放在焊接平台上，将被焊接工件开坡口，四角压紧，坡口上方两侧分别放置一个超声装置，超声发生器下端分别指向坡口的相对另一侧，电极在两超声中间布置；2）焊接，左右超声装置交替工作，促使电弧左右摆动；3）焊接过程中，调整超声装置的功率和频率参数，改变电弧偏摆幅度，使电弧参数大小合理搭配超声参数，4）焊接完成后，关闭***，空冷至室温，擦拭干净，完成焊接。本发明保证超声场能够有效控制电弧偏转，压缩电弧，增强电弧能量，有效解决窄间隙侧壁难熔的关键问题。

Description

交替超声场辅助窄间隙焊接方法

技术领域

本发明涉及一种金属窄间隙焊接方法，具体涉及一种交替超声场辅助窄间隙焊接方法。

背景技术

随着厚板在深海工程、舰艇、厚壁管道及压力容器等金属构件中的应用日益广泛，对厚板的焊接效率和焊接质量也提出了更高要求。传统焊接方法需开大角度V型坡口，会产生焊接填充量大、接头变形大和焊接效率低等不足。窄间隙焊接技术因采用窄且深的小角度 U 型或者 I 型坡口而具有焊接效率高、焊材消耗少及热输入低等优势，且随着板厚的增加，窄间隙焊接的优势愈加明显。

虽然窄间隙焊接具有诸多优势，但是由于窄间隙焊接采用的小角度坡口，坡口侧壁与热源的中轴线几乎平行，电弧热源无法对坡口侧壁直接加热，而常规电弧的热量分布为高斯分布，电弧***热量偏低，造成电弧对坡口侧壁的热输入不足，容易出现侧壁未熔合缺陷，从而对大型结构件使用安全造成严重的安全隐患。因此，开发先进的窄间隙焊接侧壁熔合控制技术从而保证侧壁的充分熔合是窄间隙焊接需要解决的关键问题。

中国专利申请号为2018108913656、名称为“一种船用钛合金厚板的振动热丝窄间隙焊接方法”的发明专利申请，首次将低频振动辅助方法引入窄间隙电弧焊接技术中，通过焊丝的低频振动对熔池进行搅拌。该技术的优点是可通过焊丝的低频振动改善熔池的结晶状态，细化晶粒。缺点是：焊丝振动频率低，超声频振动对焊接的有利作用得不到发挥。

中国专利号为2008101503712、名称为“窄间隙熔化极气体保护焊焊枪”的发明专利申请，在焊枪保护气室内安装压电晶片和匹配层，压电晶片上、下两面通过导线与高频振荡器电连接，产生超声波束，引起液态金属产生超声振动,改变了液态熔池金属的表面张力,增强了液态金属的流动性及其破碎氧化膜的能力,使得熔池液态金属与焊件坡口侧壁金属充分熔合。然而，所述的窄间隙焊枪与电弧摇摆或旋转相比，仅仅利用超声对液态金属的振动作用来解决侧壁未熔合，其可靠性及稳定性较低。

关于超声在非窄间隙焊接领域中的应用，中国专利申请号为CN201010123736.X、名称为“基于交流电弧激发超声的铝合金及铝基复合材料焊接方法”的专利申请文件，在常规铝合金及铝基复合材料的焊接工艺中,根据高通滤波器原理构建一台隔离耦合装置,将电弧超声激励源与弧焊电源通过该装置连接,使交变电信号耦合进交流电弧中,激励出的超声波直接作用于熔池,改善铝合金及铝基复合材料的焊接冶金及结晶过程。该技术的优点是：不需要复杂的超声施加装置，不受限于坡口及被焊工件的形状尺寸，随焊性好。该技术的缺点是：超声频电信号的耦合可引起附加的热输入，会引起晶粒粗化；同时，熔池超声振动能量相对较低。

中国申请号为202011208648X，公开了一种用于铝合金的超声窄间隙焊接***及方法，所述焊接***由超声频激励电源、耦合波形控制***、焊接电源、窄间隙焊炬及联合控制开关构成，焊接方法是联合控制开关按设定程序对焊接回路及超声回路进行异步精确控制；耦合波形控制***利用限流电阻控制耦合电容的充放电实现一种低热影响的超声频耦合电信号，从而避免电耦合附加热输入对焊缝晶粒细化的不利影响；通过控制超声激励频率确保每层焊接时熔池处于共振，改变不同层焊接时的超声输入能量，实现窄间隙焊接头组织的均匀化，去除焊缝气孔，解决了接头性能不均匀问题。同时，减小了传统摇摆电弧窄间隙焊的摇摆角度及侧壁停留时间，提高了焊接效率。该技术的缺点是：超声主要作用于焊接熔池，没有对窄间隙焊接的侧壁难熔问题提出有效解决方案。

中国专利CN 208772682 U公开了一种低频声场调控式摆动电弧钨极氩弧焊焊接装置，包括焊枪、与焊枪连接的气罩、钨极、连接钨极与焊枪的连接件、与钨极连接的导杆、导杆另一端连接的声波发生器，焊枪设有电气连接口，气罩设有进气口。本技术方案将声波与钨极氩弧焊相结合，声波发生器产生的声波经导杆传递给钨极，由钨极带动电弧作钟摆运动。通过钨极的摆动有利于电弧对侧壁的加热，改善了原有窄间隙焊接技术难以克服的冷壁缺陷及侧壁融合不良的问题，同时简化了原有窄间隙焊接设备的复杂结构，降低了设备成本，减小了飞溅，克服了窄间隙GMAW焊缝成形不良的问题，实现高效率焊接及高焊缝成形率。但该专利是通过低频声场使钨极发生机械摆动，声场作用于连接导杆而不是直接作用于电弧，声场与电弧并未进行耦合，本质上与传统的机械摆动电弧并无明显区别。

交替超声场辅助窄间隙焊接技术既能使电弧向侧壁往复摆动，又能通过超声与电弧的耦合作用压缩电弧并增加电弧能量密度，从而改善侧壁熔深，在国内外的研究尚属空白，保证超声场能够有效控制电弧向两侧侧壁偏转，压缩电弧，增加电弧能量密度从而改善侧壁熔深，是利用该方法有效解决窄间隙侧壁难熔的关键问题。

发明内容

本发明为解决窄间隙焊接侧壁熔合技术难题，提供一种全新的交替超声场辅助窄间隙焊接方法，通过超声场有效作用于电弧，实现电弧的两侧摆动和压缩，使电弧在窄间隙坡口中的作用位置和电弧的能量密度两个方面同时改善，保证窄间隙侧壁的有效熔合。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种交替超声场辅助窄间隙焊接方法，包括以下步骤：

1）将加工好的被焊工件放在焊接平台上，将被焊接工件开坡口并四角压紧，在工件的坡口上方两侧分别放置一个超声装置，且超声装置的超声发生器下端分别指向坡口的相对另一侧，电极在两超声中间布置；

2）焊接时，由于电极产生的电弧与超声装置不同轴，因此超声装置产生的声场在电弧区域产生的声压不均匀，会在电弧的横向产生压力梯度，通过调整超声装置与电极的相对距离，促使电弧在超声装置一侧的声压大于远离超声装置另一侧的声压，进而产生指向坡口侧壁的声辐射力，促使电弧向坡口侧壁偏摆；

左右超声装置交替工作，交替频率可以在焊接过程中进行调整。交替频率的适当增加有利于改善侧壁熔合和促进熔滴过渡，结合硬件参数，交替频率应控制在1-10 Hz，从而促使电弧左右摆动，增加坡口侧壁的热输入，保证坡口侧壁熔合；

3）焊接过程中，根据焊接高度、位置，调整超声装置的功率和频率参数，获得电弧的合理偏摆及有效压缩，保证窄间隙焊接坡口侧壁热输入；

4）待被焊工件的整条焊缝焊接完成后，关闭焊接***、超声***，空冷至室温，取下被焊接工件，将被焊接工件表面擦拭干净，完成焊接。

所述步骤1）中坡口为U型或V型。

所述V型坡口的坡口形式倾角为5°。

所述步骤1）中超声装置的器件参数包括换能器的前压盖、压电陶瓷片、后翻盖的尺寸和形状，超声换能器的振动频率；各部分参数按照如下原则进行确定：

+k_n ²v_n=0

S-细棒横截面积，

-质点位移，

-材料密度，k—圆波数，σ为截面上的应力分布，t-时间，υ-振速，x-轴向尺寸，下标n表示换能器各组成部分，j-转动惯量，

-振动的角频率，Z-换能器各部分的特性声阻抗，A,B为常数。

所述步骤3）中超声装置的超声换能器频率经计算确定为40 kHz，超声换能器端口半径经优化确定为0.0173 m。

本发明通过在工件的坡口上方两侧分别放置一个超声波装置，且装置下端分别指向坡口另一侧，电极在两超声装置中间布置；焊接过程中，超声装置内的声场通过变幅杆放大以后进入到窄间隙中，覆盖电弧等离子体区域，对电弧等离子体分布产生影响，由于电弧与超声装置不同轴，因此声场在电弧区域产生的声压不均匀，会在电弧的横向产生压力梯度，通过调整超声装置与电极的相对距离，促使电弧在超声装置一侧的声压大于远离超声装置另一侧的声压，进而产生指向坡口侧壁的声辐射力，促使电弧向坡口侧壁偏摆，调整电弧与侧壁角度；比如左侧超声装置会使电弧产生指向坡口右侧的声辐射力，而右侧超声装置会产生指向坡口左侧的声辐射力；左右超声装置交替工作，促使电弧左右摆动，从而增加坡口侧壁的热输入，保证侧壁熔合；通过调整超声装置的功率、频率等参数，可以改变电弧偏摆幅度，通过调整左右超声装置的启停频率，可以改变电弧偏摆的周期；焊接过程中通过调整焊接电弧，合理搭配超声参数，保证窄间隙焊接坡口侧壁热输入；同时，声场还能与电弧复合到一起，使电弧产生压缩，能量更为集中，增强电弧能量密度，增加侧壁附近熔深；最后，左右交替的超声进入熔池后，会对结晶过程产生搅拌作用从而细化晶粒，超声振动也有利于熔池金属向坡口侧壁润湿铺展，将更多的熔池热量带到坡口侧壁，提升侧壁熔合效果，更有利于形成中间下凹的焊缝成形。上述几方面同时作用可以更好的解决窄间隙焊接侧壁的熔合问题。而前两个方面，即交替超声场使电弧左右摆动并在窄间隙焊接条件下获得能量密度更高的压缩电弧，则是本发明的创新之处。

本发明具有以下特征：

1.通过超声波声场来达到改变电弧运动状态的目的，交替作用的超声声场直接作用于电弧而使电弧发生偏转或摆动，改变电弧与窄间隙侧壁的角度，增加电弧作用于侧壁的时间，有效改善侧壁难熔合问题，与传统的机械式摆动明显不同；

2.首次在窄间隙焊接条件下将超声场从斜上方与电弧复合到一起，不仅可使电弧产生偏转或摆动从而使电弧热量更为直接的作用于侧壁，而且可使电弧压缩，提高电弧能量密度，增加侧壁熔深，更好的解决窄间隙焊接侧壁难熔的问题。

附图说明

图1为超声波辅助窄间隙GMAW焊原理示意图；

图2为半径为0.0173m圆形活塞辐射声传播等值图；

图3为超声声场作用下电弧左偏示意图；

图4为超声声场作用下电弧右偏示意图。

其中，1.工件，2.声场，3.超声换能器，4.超声变幅杆，5.电弧，6.电极，7.坡口。

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。

本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

如图1-图4所示，交替超声场辅助窄间隙焊接方法，步骤如下：

步骤1、确定超声装置的器件参数，器件参数包括：超声换能器3的前压盖、压电陶瓷片、后翻盖的尺寸和形状，超声换能器3的振动频率。各部分参数按照如下原则进行确定：

S-细棒横截面积，

-质点位移，

-材料密度，k—圆波数，σ为截面上的应力分布，t-时间，υ-振速，x-轴向尺寸，下标n表示换能器个组成部分，j-转动惯量，

-振动的角频率，Z-换能器各部分的特性声阻抗，A,B为常数。

步骤2、选定焊接电流模式。

步骤3、将加工好的被焊工件1放在焊接平台上，被焊接工件开U型或V型坡口7，对被焊工件1四角压紧，按照上述对焊接***进行安装，在工件1的坡口上方两侧分别放置一个超声波装置，且装置下端分别指向坡口7另一端，电极6在两超声中间布置。

步骤4、设定超声装置电源参数和换能器参数，换能器3频率选定为40 kHz，通过调整超声装置的功率、频率等参数，改变电弧偏摆幅度，调增左右超声装置的启停频率，可以控制控制电弧偏转周期。焊接参数包括：焊接电流，喷嘴高度，保护气流量等。

步骤5、焊接过程中根据焊接高度，焊接位置，调整电弧参数大小，合理调整超声参数，调整电弧偏转角度，进行窄间隙焊接。

步骤6、待整条焊缝焊接完成后，关闭焊接***、超声***，空冷至室温，去下焊接工件1，将焊接工件1表面擦拭干净，完成焊接。

通过在工件1的坡口上方两侧分别放置一个超声波装置，且装置下端分别指向坡口另一侧，电极6在两超声装置中间布置；焊接过程中，超声装置内的声场2通过超声变幅杆4放大以后进入到窄间隙中，覆盖电弧等离子体区域，对电弧等离子体分布产生影响，由于电弧5与超声装置不同轴，因此声场2在电弧区域产生的声压不均匀，会在电弧5的横向产生压力梯度，通过调整超声装置与电极6的相对距离，促使电弧5在超声装置一侧的声压大于远离超声装置另一侧，进而产生指向坡口侧壁的声辐射力，促使电弧5向坡口侧壁偏摆；比如左侧超声装置会使电弧5产生指向坡口右侧的声辐射力，而右侧超声装置会产生指向坡口左侧的声辐射力；左右超声装置交替工作，促使电弧左右摆动，从而增加坡口7侧壁的热输入，保证侧壁熔合；通过调整超声装置的功率、频率等参数，可以改变电弧5偏摆幅度，通过调整左右超声装置的启停频率，可以改变电弧5偏摆的周期；焊接过程中通过调整焊接电弧，合理搭配超声参数，保证窄间隙焊接坡口侧壁热输入；同时，声场2还能与电弧5复合到一起，使电弧5产生压缩，能量更为集中，增强电弧5能量密度，有效增加侧壁附近熔深；最后，左右交替的超声进入熔池后，会对结晶过程产生搅拌作用从而细化晶粒，超声振动也有利于熔池金属向坡口侧壁润湿铺展，将更多的熔池热量带到坡口侧壁，提升侧壁熔合效果，更有利于形成中间下凹的焊缝成形。几方面同时作用可以更好的解决窄间隙焊接侧壁的熔合问题。

结合图1及图2，以30 mm厚的工件为例，该焊接模型的工艺条件为坡口形式倾角为5°的v型坡口，通过计算获得最佳换能器3频率为40 kHz，换能器端口半径为0.0173 m，超声场2能够有效作用于焊接区域，改变电弧5方向，调整电弧5与侧壁的角度，有效解决窄间隙侧壁难熔问题。超声的作用区域及效果如图3及图4所示。

交替超声场辅助窄间隙焊接过程为：左右超声交替影响电弧5，改变电弧5方向，增加电弧5能量密度，解决侧壁难熔问题，实现有效焊接。

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 (5)

1.一种交替超声场辅助窄间隙焊接方法，包括如下步骤：

1）将加工好的被焊工件放在焊接平台上，被焊接工件开坡口，对被焊工件四角压紧，在工件的坡口上方两侧分别放置一个超声装置，且超声装置超声发生器下端分别指向坡口的相对另一侧，电极在两超声中间布置；

2）焊接，由于电极的电弧与超声装置不同轴，因此超声装置的声场在电弧区域产生的声压不均匀，会在电弧的横向产生压力梯度，通过调整超声装置与电极的相对距离，促使电弧在超声装置一侧的声压大于远离超声装置另一侧的声压，进而产生指向坡口侧壁的声辐射力，促使电弧向坡口侧壁偏摆；

左右超声装置交替频率在焊接过程中调整，交替频率控制在1-10 Hz，能促使电弧左右摆动，增加坡口侧壁的热输入，保证坡口侧壁熔合；

3）焊接过程中，根据焊接高度、位置，调整超声装置的功率和频率参数，改变电弧偏摆幅度，使电弧参数大小合理搭配超声参数，保证窄间隙焊接坡口侧壁热输入；

4）待被焊工件的整条焊缝焊接完成后，关闭焊接***、超声***，空冷至室温，取下被焊接工件，将被焊接工件表面擦拭干净，完成焊接。

2.如权利要求1所述的交替超声场辅助窄间隙焊接方法，其特征是，所述步骤1）中坡口为U型或V型。

3.如权利要求2所述的交替超声场辅助窄间隙焊接方法，其特征是，所述V型坡口的坡口形式倾角为5°。

4.如权利要求1所述的交替超声场辅助窄间隙焊接方法，其特征是，所述步骤1）中超声装置的器件参数包括换能器的前压盖、压电陶瓷片、后翻盖的尺寸和形状，超声换能器的振动频率；各部分参数按照如下原则进行确定：

S-细棒横截面积，

-质点位移，

-材料密度，k—圆波数，σ为截面上的应力分布，t-时间，υ-振速，x-轴向尺寸，下标n表示换能器各组成部分，取值为自然数，j-转动惯量，-振动的角频率，Z-换能器各部分的特性声阻抗，A,B为常数。

5.如权利要求1所述的交替超声场辅助窄间隙焊接方法，其特征是，所述步骤3）中超声装置的换能器频率为40 kHz，换能器端口半径为0.0173 m。

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