电极或填充材料推挽式微振动辅助弧焊装置及方法
【专利摘要】本发明涉及焊接【技术领域】，具体的说是一种通过将微振动作用于电极或填充材料，能够加快熔滴的过渡，提高熔敷率，改善焊缝组织的电极或填充材料推挽式微振动辅助弧焊装置及方法，其特征在于推挽式的微振动由振动源提供，微振动通过振动导杆施加在电极夹持体、焊丝供给部件或外部喷嘴上，实现对熔池的有效搅拌。本发明在焊接过程中具有熔敷率高、热输入小、组织细密均匀等优点，另外设备成本较低，易于实现手工操作，便于工业推广。
【专利说明】电极或填充材料推挽式微振动辅助弧焊装置及方法
[0001]
【技术领域】
[0002] 本发明涉及焊接【技术领域】，具体的说是一种通过将微振动作用于电极或填充材 料，能够加快熔滴过渡，提高熔敷率，改善焊缝组织的电极或填充材料推挽式微振动辅助弧 焊装置装置及方法。
【背景技术】
[0003] 众所周知，在传统及新兴的机械制造业中，熔化极气体保护焊（MIG)、埋弧焊 (SAW)、钨极氩弧焊（TIG)等熔敷效率高或者操作方便的弧焊技术在压力容器制造、汽车 航天等领域有较为广泛的应用，采用此类弧焊技术进行焊接作业时，要提高焊接生产效率 必然要增加焊接热输入，热输入的增加使得焊缝凝固金属晶粒粗大、变形严重，极大地降 低了焊接接头的力学性能及加工质量。目前焊接领域已经出现通过额外施加振动来加 快熔滴过渡，提高熔敷率，同时由于降低了热输入，使得晶粒得到一定程度的细化，变形 相应减少，如已有专利"一种冷金属过渡的焊接方法及其装置"（ZL201110315664. 3)， 专利内容类似于TIP TIG，即利用MAG焊设备与两台TIG焊设备组合，通过使焊丝沿 轴线抽送，可以减小焊接热输入，加快熔滴的过渡，但是由于是利用电机带动转盘产生 振动，所以频率较低，另外由于焊丝是沿轴线振动，所以对熔池的搅拌作用效果并不 理想，同时上述方法只能适用于TIG填丝焊接，没有涉及应用范围更广、热输入更高 的MIG、SAW等焊接方法。又如专利"一种机械振动辅助熔滴过渡的TIG焊方法及其装 置"（201210026693. 2)，该专利中将马达振动直接引入到焊丝或者导丝管上，因此同样 受到频率的限制，另外专利中的振动源和焊丝是脱离状态，即振动触头只是不断地敲击 焊丝或者导丝管，并没有连接在一起，在这种情况下，导丝管相当于一个弹簧，根据公式 可知，导丝管的振动频率是一定的，只有当振动触头的振动频率与导丝管振 动频率一致时，振动效果才会比较理想。另外这种敲打也使得设备的寿命受到影响，并不 实用。另外还有一些专利中采用了焊接平台振动或者在焊接区域以外振动的方式，这些方 法一般都受到频率的限制，或者构件受到震动平台尺寸的限制，只适用于实验室，不利于推 广。上述所有方法还有一个关键问题在于由于采用了不对称导电回路，容易导致电弧磁偏 吹，同时由于设备焊枪部分比较复杂，所以很难进行手工作业。
【发明内容】
[0004] 本发明针对上述问题，提出了在电极或者填充材料两侧施加对称同向微振动，这 样即使产生了外部磁场，也可相互抵消，其具体效果就是电极沿垂直于自身轴向的振动可 以促使电弧搅动熔池，熔化极焊接时焊丝端部更是可以直接接触熔池，进行可调频率的搅 拌，通过搅拌将这种振动能量传入到熔池中，使熔池进行高频震荡，从而细化晶粒，提高接 头质量。另外振动也加快了熔滴的过渡，提高了熔敷率，因此可以相应地降低热输入，这样 也对细化晶粒、提高接头强度起到一定的辅助作用。
[0005] 本发明的目的通过以下措施实现： 一种电极或填充材料推挽式微振动辅助弧焊装置，设有弧焊电源、导电杆、导线、电极 夹持体、焊丝供给部件、喷嘴，其特征在于还设有推挽式微振动机构，所述推挽式微振动机 构设有振动导杆、振动源以及振动用电源，其中导线连接导电杆和电极夹持体或焊丝供给 部件构成焊接回路，推挽式微振动机构中的振动导杆连接振动源和电极夹持体、焊丝供给 部件或者外部喷嘴，振动源由振动用电源供电，所述焊丝供给部件为导电嘴或送丝管；所述 振动导杆上还设有水冷机构；所述振动源采用振动频率范围为1ΚΗζ~100ΚΗζ的超声振动源 或电磁振动源或气动直线振动以及马达振动振动源。
[0006] 本发明中为了保证振动的效果，采用对称的推挽式振动形式，在焊枪两侧分别有 一组推挽式微振动机构，两组推挽式微振动机构共用一套电源及电源控制电路，使两组推 挽式微振动机构工作同步。另外如果振动源功率允许，磁偏吹影响较小，仍可采用单侧施加 振动的形式。
[0007] 本发明中振动导杆需选用耐高温、高强度绝缘材料制成，它与微振动源采用螺纹 连接，振动导杆的直径在lmnT5mm之间，振动导杆与电极夹持体、焊丝供给部件或外部喷嘴 之间采用螺纹连接。另外振动导杆也可由多个部件组合在一起来实现连接，但需保证绝缘， 最终保证电极或焊丝的左右振动振幅范围为10unTl50um。
[0008] 本发明中导电杆和电极夹持体或导电嘴之间可以用2~4根铜导线连接，导线处于 松弛状态。
[0009] 本发明中所述水冷机构置于喷嘴或焊丝供给部件的外侧，可以采用冷却水袋实 现，水袋袋体采用耐磨塑料制成，直接与振动导杆接触，由于水袋较软，所以不会影响振动。
[0010] 本发明所述推挽式微振动机构输出的微振动可以施加在MIG、SAW焊枪的导电嘴 或者喷嘴上，也可以施加在TIG焊枪的钨极夹持体或者喷嘴上，也可以施加在填丝TIG焊的 送丝管上。
[0011] 本发明中喷嘴和振动导杆之间用弹性较好的耐高温胶密封，导电杆和电极夹持体 或导电嘴之间连有2~4根导线，导线处于松弛状态，不影响电极夹持体或导电嘴的振动。当 把振动施加在外部喷嘴时，焊枪在振动方向上不能有所限制。
[0012] 本发明还包括一种电极或填充材料推挽式微振动辅助弧焊方法，步骤如下： 步骤一：微振动源将电能转换为振动能，经振动导杆传递到导电嘴上，使导电嘴处于微 振动状态， 步骤二：焊接电流从导电杆经导线传递至导电嘴，保证焊接回路导通，导线处于松弛状 态，不影响导电嘴的振动， 步骤三：接通焊接主回路，在引弧板上引燃电弧，打开水冷机构。
[0013] 步骤四：待电弧稳定后，启动振动源，待电极或者焊丝处于良好的微振状态，焊枪 转移到工件上， 步骤五：电极或者焊丝在微振动作用下，电弧力以及熔滴对熔池的作用方式发生相应 的变化，从而引起溶池的有序震荡，进而细化晶粒，提1?焊接质量， 步骤六：焊接过程完毕后，先关闭弧焊电源，再关闭振动电源。
[0014] 本发明提供的电极或填充材料推挽式微振动辅助弧焊装置可以根据焊丝的材料、 尺寸以及焊接要求进行频率的调节。当要求的频率较低时，可以采用马达振动或者气动直 线振动，电磁振动由于频率范围较宽，所以也可以用于低频率范围的振动。当要求的频率较 高时，可以采用超声振动或者电磁振动。振动导杆和电极夹持体、焊丝供给部件或外部喷嘴 之间用螺纹连接，这样可以保证振动的有效传递。本发明提供的电极或填充材料推挽式微 振动辅助弧焊装置还可与热丝装置结合使用，更能进一步提高效率。
[0015] 以熔化极电弧焊接为例，本发明相对于普通弧焊方法具有以下显著效果：（1)减 小了熔滴的尺寸，降低了熔滴对焊接熔池的冲击。由于熔滴以细小颗粒形式进入熔池，有利 于减少气孔、未熔合等缺陷，焊缝组织细密，组织均匀性好。（2)避免了熔滴过多吸收电弧能 量而使熔滴过热，使电弧热量主要用于加热母材，加热效率明显提高。（3)在频率可调的微 振动作用下，熔滴过渡频率加快，同时熔滴具有了垂直于填充材料轴线的动能，可以促进熔 池流动，改善焊缝结晶组织。（4)设备简单，可用于焊接平台或者手工操作，适用性强，相比 沿焊丝轴向振动的TIP TIG等设备，成本大大降低，便于工业推广。
[0016]
【专利附图】
【附图说明】： 附图1是将本发明应用于MIG焊接的示意图，振动施加在导电嘴上。
[0017] 附图2是将本发明应用于单纯TIG焊接的示意图。
[0018] 附图3是将本发明应用于填丝TIG焊接的示意图，振动源可以平行于水平面放置。
[0019] 附图4是将本发明施加在焊枪喷嘴上的示意图。
[0020] 附图标记：振动源1、振动导杆2、喷嘴3、导电杆4、导线5、焊丝6、导电嘴7、水冷 机构8。
[0021]
【具体实施方式】： 下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的说明。
[0022] 如以下附图所示，本发明提出了一种电极或填充材料推挽式微振动辅助弧焊装 置，设有弧焊电源、导电杆4、导线5、焊丝6、喷嘴3,其特征在于焊接过程中设有推挽式微振 动机构，所述推挽式微振动机构设有振动导杆2、振动源1以及振动用电源，其中导线5连接 导电杆4和电极夹持体或焊丝供给部件构成焊接回路，推挽式微振动机构中的振动导杆2 连接振动源1和电极夹持体、焊丝供给部件或外部喷嘴，振动源1由振动用电源供电，所述 焊丝供给部件为导电嘴7或送丝管；所述振动导杆2上还设有水冷机构8 ;所述振动源1采 用振动频率范围为1ΚΗζ~100ΚΗζ的超声振动源或电磁振动源或气动直线振动以及马达振 动振动源。
[0023] 本发明中为了保证振动的效果，采用对称的推挽式振动形式，在焊枪两侧分别有 一组推挽式微振动机构，两组推挽式微振动机构共用一套电源及电源控制电路，使两组推 挽式微振动机构工作同步。
[0024] 本发明包括一种电极或填充材料推挽式微振动辅助弧焊方法，步骤如下： 步骤一：微振动源将电能转换为振动能，经振动导杆传递到导电嘴上，使导电嘴处于微 振动状态， 步骤二：焊接电流从导电杆经导线传递至导电嘴，保证焊接回路导通，导线处于松弛状 态，不影响导电嘴的振动， 步骤三：接通焊接主回路，在引弧板上引燃电弧，打开水冷机构。
[0025] 步骤四：待电弧稳定后，启动振动源，待电极或者焊丝处于良好的微振状态，焊枪 转移到工件上， 步骤五：电极或者焊丝在微振动作用下，电弧力以及熔滴对熔池的作用方式发生相应 的变化，从而引起溶池的有序震荡，进而细化晶粒，提1?焊接质量， 步骤六：焊接过程完毕后，先关闭弧焊电源，再关闭振动电源。
[0026] 实施例1 : 本发明应用于MIG焊接的示例。
[0027] 如附图1所示，振动源1采用超声波发生器，振动源发出的电信号通过换能器转 换成相应频率的机械振动，换能器的机械振动振幅较小，振动导杆2在传递振动的同时还 起到放大振幅的作用，末端振幅可达到10unTl50um，振动导杆2将振动传给导电嘴7或者 传给图4中的外部喷嘴上，焊枪的两侧分别放置一个换能器，换能器之间相互连接，然后接 到发生器上，使得当一端换能器收缩的时候，另一端换能器处于膨胀的状态，从而形成推挽 式振动，该装置可以在频率为15KHz到IOOKHz的条件下工作，在导电嘴或者外部喷嘴上产 生相应频率的微振动，装置的输入功率可以在50W到3000W之间任意调节，然后，按照普通 气体保护焊的方法进行焊接，焊接时要先在引弧板上引燃电弧，打开水冷机构，待电弧稳定 后，启动振动源，待电极或者焊丝处于良好的微振状态，焊枪再转移到工件上，焊接过程完 毕后，要先关闭弧焊电源，再关闭振动电源。
[0028] 在焊接过程中，焊丝端部进入电弧区域后受热辐射会首先发生熔化，形成熔滴，此 时熔滴主要受固态焊丝端部的表面张力、熔滴重力、等离子流力和振动惯性力四种类型的 力作用。随着熔滴的逐渐长大，振动惯性力和等离子流力明显增大，当二者之和超过表面张 力时，熔滴脱离固态焊丝端部，以细小颗粒过渡到熔池中，由于振动是微米级的，而熔滴自 身又有一定的惯性，所以，不会出现熔滴被震飞的情况。正是由于振动惯性力的驱动作用， 熔滴过渡温度较低，形成冷金属过渡，可严格控制焊接线能量，避免焊丝中合金元素的大量 烧损。熔滴以细小颗粒过渡到熔池中，可减少大颗粒过渡导致的气孔、未熔合等焊接缺陷， 可改善焊缝组织的均匀性。微振动对熔化极端部熔化了的金属施加额外的力，进而能够在 不同电流情况下有效地控制熔滴过渡情况，以期达到保证熔化效率的同时还对工件有合理 的热输入量。另外，微振的焊丝还可以把振动的能量传递到熔池中，这可以起到搅拌熔池、 细化晶粒的作用，使得接头组织细小均匀。所以施加微振动可以改善熔敷率，改善焊接时的 能量利用率及接头组织形态，提高成分的均一化程度以及接头的力学性能。
[0029] 实施例2 : 本发明应用于单纯TIG焊接的示例。
[0030] 如附图2所示，当振动源1施加微振动后，电极会处于相同频率的振动状态，电极 的左右振动可以影响电弧的形态，这样的电弧对熔池可以起到一定程度的搅拌作用，促进 熔池的翻滚，改善焊缝组织。
[0031] 实施例3: 本发明应用于填丝TIG焊接的示意图，如附图3所示，振动源1可以平行于水平面放 置，微振动源将电能转换为振动能，经振动导杆传递到送丝管上，使焊丝也处于微振动状 态。接通焊接王回路，在引弧板上引燃电弧，打开水冷机构8,待电弧稳定后，启动振动源，待 送丝管处于良好的微振状态，焊枪转移到工件上，焊丝在微振动作用下，熔滴过渡加快，同 时还可引起懷池的有序震荡，进而细化晶粒，提尚焊接质量。
【权利要求】
1. 一种电极或填充材料推挽式微振动辅助弧焊装置，设有弧焊电源、导电杆、导线、电 极夹持体或焊丝供给部件、外部喷嘴，其特征在于还设有推挽式微振动机构，所述推挽式微 振动机构设有振动导杆、振动源以及振动用电源，其中导线连接导电杆和导电嘴构成焊接 回路，推挽式微振动机构中的振动导杆连接振动源和电极夹持体、焊丝供给部件或外部喷 嘴，焊丝供给部件包括导电嘴以及非熔化极弧焊时的填丝用送丝管，振动源由振动用电源 供电；所述振动导杆上还设有水冷机构；所述振动源采用振动频率范围为lKHz~100KHz的 超声振动源或电磁振动源或气动直线振动以及马达振动振动源。
2. 根据权利要求1所述的一种电极或填充材料推挽式微振动辅助弧焊装置，其特征在 于采用对称的推挽式振动结构，在焊枪两侧分别设有一组推挽式微振动机构，两组推挽式 微振动机构共用一套电源以及电源控制电路，使两组推挽式微振动机构工作同步。
3. 根据权利要求1所述的一种电极或填充材料推挽式微振动辅助弧焊装置，其特征在 于采用非对称的推挽式振动结构，即在磁偏吹影响较小时，仅通过焊枪单侧的推挽式微振 动机构施加振动。
4. 根据权利要求1所述的一种电极或填充材料推挽式微振动辅助弧焊装置，其特征在 于用于保证导电嘴和振动源之间绝缘的振动导杆选用耐高温、高强度绝缘材料制成，振动 导杆由多个部件组合在一起来实现连接，振动导杆与微振动源采用螺纹连接，振动导杆的 直径在lmnT5mm之间，振动导杆与电极夹持体、焊丝供给部件或者外部喷嘴之间采用螺纹 连接，电极夹持体或焊丝供给部件的左右振动振幅范围为10unTl50um。
5. 根据权利要求1所述的一种电极或填充材料推挽式微振动辅助弧焊装置，其特征在 于导电杆和导电嘴或电极夹持体之间用2~4根铜导线连接，导线处于松弛状态。
6. 根据权利要求1所述的一种电极或填充材料推挽式微振动辅助弧焊装置，其特征在 于所述水冷机构置于喷嘴的外侧，采用冷却水袋实现，水袋袋体采用耐磨塑料制成，直接与 振动导杆接触。
7. 根据权利要求1所述的一种电极或填充材料推挽式微振动辅助弧焊装置，其特征在 于电极夹持体或焊丝供给部件和振动导杆之间用弹性较好的耐高温绝缘材料连接，或振动 导杆由多个部件组合在一起来实现连接，但需保证导电嘴和振动源之间绝缘。
8. -种推挽式微振动辅助弧焊方法，其特征在于采用如权利要求1-6中任意一项所述 推挽式微振动辅助弧焊装置实现，以熔化极气体保护焊为例，具体步骤如下： 步骤一：微振动源将电能转换为振动能，经振动导杆传递到导电嘴上，使导电嘴处于微 振动状态； 步骤二：焊接电流从导电杆经导线传递至导电嘴，保证焊接回路导通，导线处于松弛状 态，不影响导电嘴的振动； 步骤三：接通焊接主回路，在引弧板上引燃电弧，打开水冷机构； 步骤四：待电弧稳定后，启动振动源，待电极或者填充材料处于良好的微振状态，焊枪 转移到工件上； 步骤五：电极或者填充材料在微振动作用下，电弧力以及熔滴对熔池的作用方式会发 生相应的变化，从而引起溶池的有序震荡，进而细化晶粒，提1?焊接质量； 步骤六：焊接过程完毕后，先关闭弧焊电源，再关闭振动电源。
【文档编号】B23K9/173GK104384685SQ201410492669
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年9月24日 优先权日:2014年9月24日
【发明者】张洪涛, 纪昂, 常青 申请人:哈尔滨工业大学（威海）