一种用于高钢级大壁厚管线钢焊接的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于高钢级，大壁厚管线钢焊接的装置及方法，就是将超声波振动直接加到焊丝上，使得焊丝振动的焊接装置及方法，可应用于高钢级，大壁厚管线钢非熔化极或者熔化极气体保护焊接。
【背景技术】
[0002]对于高钢级，大壁厚管线钢的焊接中常常会出现两个问题，首先当热输入过小时，焊缝出现脆硬第二相组织，强度、硬度有所提高，但韧性大大降低，同时可能出现未焊透，焊接熔池深度不够，焊后成形差等质量问题，其次，热输入过大后，热影响区过热区的晶粒过分长大会形成不良组织引起热影响区软化问题，因为在焊接热循环作用下，热影响区组织在粗化的同时，会发生相变、再结晶及晶粒回复等现象，从而使热影响区硬度下降产生软化现象，强度级别越高，软化问题越严重。软化程度和软化宽度与焊接工艺有很大关系，而硬度是冷裂敏感指数和热输入的函数。热输入越大，热影响区硬度越低、宽度越宽，软化现象就越严重。所以在正常热输入的条件下，为了改善高钢级大壁厚管线钢焊接熔滴过渡形式，增加熔池深度，减小焊后软化宽度，提高焊接接头组成成分均匀性，研制了一种用于高钢级大壁厚管线钢辅助焊接装置及方法。
[0003]已有技术中，专利200810064099.6为一种超声振动与焊丝送进系统复合的焊接方法及其装置，采用的是将超声波加在与焊丝平滑连接的送丝嘴上，通过送丝嘴的振动带动焊丝振动，这样势必会造成超声能量的浪费，以及对送丝嘴在大振动下的寿命是个考验，另外工件焊接过程焊枪需要移动，从而需要加在送丝嘴上的超声装置进行同时移动，而此发明却没有明确说明超声装置或工件和焊枪是怎样实现移动焊接的。另外此套装置对焊丝的送进系统要求较高，一般非独立的送丝装置如将超声波加在送丝嘴上难度很大。适用于非熔化极电弧焊接，对熔化极电弧焊接如二氧化碳气体保护焊则无法应用，上述特点限制了超声辅助焊接的广泛应用。因此进一步改善超声波施加状态，使其应用于高钢级大壁厚管线钢的焊接中则需要新的焊接装置才能实现。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种用于高钢级大壁厚管线钢焊接的装置，该装置原理可靠，操作简便，焊接质量高、焊缝成形好、焊接接头组织成分均匀化程度高，具有广阔的市场应用前景。
[0005]本发明的另一目的还在于提供利用上述装置对高钢级大壁厚管线钢进行焊接的方法，该方法提高了超声辅助焊接的应用范围，改善了超声波施加状态，使得焊接过程稳定、焊接效率高、焊缝成形好、可应用于工厂及施工现场高钢级大壁厚管子对接的焊接。
[0006]为达到以上技术目的，本发明提供以下技术方案。
[0007]本发明通过将超声波直接加到焊丝上，使得超声的振动效应、空化效应通过焊丝振动传递给熔池，这种超声空化过程会产生强烈的冲击波，可以打碎初生的粗大晶体和正在长大的枝晶，从而增加形核质点，提高形核率，另外超声振动能够显著地加快传热过程，即传热作用。田纳西州大学Y. Cui以及台湾逢甲大学Wen-LongDai的研宄表明：超声能量在固态和液态中的传播和能量衰减能够显著改变热影响区和熔合区的微观组织，对于消除未熔合区，细化热影响区晶粒，增加熔深，改善熔焊质量等方面有重要的应用价值。超声在焊接熔池中的有限振幅衰减使熔体内形成一定的声压梯度，从而形成一个流体的喷流。此喷流在整个流体中引起一个整体环流，影响溶质在熔池中的分布。同时，处于高温状态下的金属熔体，由于固液界面上的晶粒强度非常低，当扰动作用在其周围液体上，可以破坏正在生长的晶体，打碎晶体，并使熔池中的质量和热量重新分布，从而起到晶粒细化的作用。
[0008]一种用于高钢级大壁厚管线钢焊接的装置，由承载工件旋转系统，超声焊接复合系统，焊枪摆动支架系统三部分组成。
[0009]所述承载工件旋转系统由工作台控制器、滚轮支架、工件组成。
[0010]所述超声焊接复合系统由焊丝、焊枪、送丝嘴支架、送丝嘴、超声工具头、变幅杆、U型承载台、超声换能器、方形铁块、连接片、焊枪支架、焊接电源、超声波发生器以及送丝机构组成。
[0011]所述焊枪摆动支架系统由摆动器、传动轴、角度调节器、焊枪支架夹头、小车支架组成。
[0012]利用上述装置对高钢级大壁厚管线钢进行焊接的方法，依次包括以下步骤：
[0013](I)将加工好焊接坡口的两个对接工件放在滚轮支架上，启动工作台控制器，使得两个对接工件按照设定好的速度匀速转动；
[0014](2)根据实际焊接条件如工件厚度、焊接位置、焊丝直经、送丝速度等因素设置好焊接电压和焊接电流，打开焊接电源，待电弧稳定后启动超声波发生器，超声波发生器把AC-220V(50-60HZ)的市电转化为高功率、高频率（15kHZ-1000kHZ)的振荡信号提供给超声换能器，超声换能器将电能转化为超声振动，通过变幅杆和超声工具头将超声振动幅度放大到200 μ m后直接传递给焊丝；
[0015](3)通过角度调节器，调整好焊枪的角度使之对准焊缝；
[0016](4)启动摆动器，通过传动轴的进出运动，带动焊枪前后摆动，摆动幅度可在2-50mm内设定，摆动速度可在100mm/min-2500mm/min内调节，前后摆动停顿时间0_2s ；
[0017](5)启动送丝机构，非熔化极或者熔化极焊丝由送丝机构平稳送出，开始自动焊接。
[0018]本发明中对超声波发生器施加在超声换能器上的交变电信号进行了可靠的接地处理，非熔化极或者熔化极焊接电源与超声波发生器进行了有效的隔离。
[0019]本发明所述的超声工具头选用耐高温材料，并采用压缩空气的冷却方式进行降温处理。
[0020]本发明所述的超声振动部分的输入功率为Iw?lOOOw。
[0021]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明通过将超声波的振动直接施加到焊丝上，实现焊丝的振动，可有效细化热影响区晶粒，增加熔深，改善焊接接头质量，适用于非熔化极或者熔化极气体保护焊接。本发明通过将超声振动直接加在焊丝上，最大化的利用了超声能量，使得超声的空化效应、振动效应在焊丝与熔池接触过程中传递给焊接熔池，有效的控制焊后晶粒大小及焊丝熔滴过渡，从而提高了焊接接头组织成分均匀化程度，改变焊接接头应力分布状态，使得焊接接头力学性能得到大幅度提高。
【附图说明】
[0022]图1是一种用于高钢级大壁厚管线钢焊接的装置结构示意图。
[0023]图2是承载工件旋转系统示意图。
[0024]图3是超声焊接复合系统示意图。
[0025]图4是焊枪摆动支架系统示意图。
[0026]图中:1、工作台控制器，2、滚轮支架，3、工件，4、焊丝，5、焊枪，6、送丝嘴支架，7、送丝嘴，8、超声工具头，9、变幅杆，10、U型承载台，11、超声换能器，12、方形铁块，13、连接片，14、摆动器，15、传动轴，16、角度调节器，17、焊枪支架夹头，18、焊枪支架，19、小车支架，20、焊接电源，21、超声波发生器，22、送丝机构。
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图和实施例进一步说明本发明。
[0028]参见图1、图2、图3、图4。
[0029]一种用于高钢级大壁厚管线钢焊接的装置，由承载工件旋转系统、超声焊接复合系统、焊枪摆动支架系统三部分组成。
[0030]所述承载工件旋转系统由工作台控制器1、滚轮支架2、工件3组成，工作台控制器I控制工件3按照设定的速度做匀速旋转运动。
[0031]所述超声焊接复合系统由焊枪5、焊枪支架18、送丝嘴支架6、送丝嘴7、超声工具头8、变幅杆9、U型承载台10、超声换能器11、方形铁块12、连接片13