一种双向随焊超声波控制焊接变形及热裂纹的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及焊接领域技术，尤其是指一种双向随焊超声波控制焊接变形及热裂纹的方法，用于综合控制铝合金薄板焊接变形及热裂纹。
【背景技术】
[0002]铝及其合金由于具有比强度高、比重轻、易成型、耐腐蚀性等优良特性被广泛应用于航空、航天、机械制造等重要结构中。新型的汽车、动车等民用产品为节约能源和提高性能，越来越多地采用高强铝合金材料，尤其一些高强铝合金薄板焊接结构件更为常见。但铝合金本身固有的热、力学性能，如较大的线膨胀系数，较高的热导率，较宽的脆性温度区间等特性，使得在焊接加工技术应用于铝合金薄板结构件时，表现出焊接变形大、热裂倾向严重等缺点。过大的焊接变形很难保证尺寸的稳定性，增加了后续矫正和修补的工序，影响了生产的正常周期，造成一定程度的浪费和经济损失，而热裂纹的出现将给焊接结构的使用安全及可靠性带来隐患。
[0003]焊接是一个局部加热和冷却的过程，材料受到不均匀的加热和冷却，会造成不均匀的应变状态，形成不同程度的应力和变形。目前焊接应力和变形已经成为研宄热点，重点集中在控制焊接变形和应力的方法上，生产中普遍采用的是焊后矫正措施，包括焊后锤击、局部加热、机械拉伸法等，虽然这些方法能在一定程度上降低焊接残余应力和减小焊接变形，但却增加了劳动量和生产成本，而且效果也不佳。铝及其铝合金等一些热膨胀系数较大的材料，变形尤为严重。而薄板由于其自身拘束度小，焊接时变形较大，其中以波浪变形最为重要，矫正比较困难。随焊控制方法则更能主动、定量地来控制变形和应力。
[0004]通常认为，焊接热裂纹是力学因素和冶金因素综合作用引起的，在焊缝金属结晶时产生的液态薄膜是产生热裂纹的内因，而其产生的必要条件是焊接过程中处于脆性温度区间内的焊缝部分承受拉伸应变。因此，防止热裂纹的途径主要集中在这两个方面。从冶金角度出发，势必改变焊接材料的化学成分，虽然可以提高或者改善熔池金属的流动性、减少低熔点共晶成分，但会影响焊接接头的综合机械性能，有一定的局限性。从力学角度出发，在焊接过程中对焊缝额外施加一定的挤压应变，以抵消致裂的拉伸应变，不仅能达到防止焊接热裂纹的目的，同时还避免了因改变冶金成分带来的缺点。目前国内外控制焊接热裂纹的方法有随焊锤击法、随焊碾压法、随焊冲击碾压法、电磁法等，但这几种方法也都存在各自的不足。如随焊锤击法，噪音大、焊件表面成形不良、有不均匀不连续压痕存在、机械力度难以调整。随焊碾压法，设备体积大，碾压轮易与焊枪打弧，对焊件形状要求严格，很难用于实际生产。随焊冲击碾压法，冲击力大小、频率调节不便，且仍是接触式锤击，工件表面留有冲击痕迹，接头的疲劳强度受到影响。电磁法，电弧特性受到电磁干扰，焊接过程不稳定。
【发明内容】
[0005]有鉴于此，本发明针对现有技术存在之缺失，其主要目的是提供一种能同时有效控制焊接变形及热裂纹，而且结构简单、生产效率高、节能环保的双向随焊超声波激振焊接方法。
[0006]为实现上述目的，本发明采用如下之技术方案:
[0007]一种双向随焊超声波控制焊接变形及热裂纹的方法，包括以下步骤
[0008]第一，首先确定待焊接材料的脆性温度区间Tb;
[0009]第二，确定待焊工件的焊接温度场；
[0010]第三，在待焊工件的宽度方向的中心位置画一条标记线，焊缝中心位于此标记线上;
[0011 ] 第四，装夹待焊工件，在焊接前首先要确保焊枪、垂向超声波激振装置所在直线与焊缝中心重合；
[0012]第五，调整焊枪高度，确保焊枪钨极位于待焊工件的上方的适当位置；
[0013]第六，分别调整垂向和横向超声波激振装置的夹具，使得垂向超声波激振装置位于焊枪后方一定距离dl上、横向超声波激振装置位于焊枪后方与焊缝中心截面相垂直方向两侧一定距离d2上；
[0014]第七，使平台行走机构电性连接平台行走机构控制器；使垂向超声波激振装置和两横向超声波激振装置分别与各自对应的超声波激振装置发生器相连；使焊枪与焊接电源的出水端、出气端连接，焊枪的回水端与焊接电源的回水端进行连接，焊接电源的进水端与循环水冷装置连接，焊接电源的进气端与氩气瓶连接；接通焊接电源、循环水冷装置、平台行走机构控制器、超声波发生器的电源；
[0015]第八，开始焊接:打开循环水冷装置的开关，对焊枪通循环水进行冷却；打开焊机电源和氩气瓶，调整焊接方法、冷却方式，调节焊接电流、焊接电压以及气体流量；分别打开三个超声波发生器，调节超声波功率；引燃电弧，开始焊接，同时由平台行走机构控制器驱动焊接工作平台带动待焊工件以速度V平稳移动，当焊枪离开待焊工件时，切断焊接电源的电源，当垂向和横向超声波激振装置完全离开待焊工件时，分别切断超声波发生器的电源；同时切断平台行走机构控制器的电源，停止工作；
[0016]第九:关闭氩气瓶的气体，打开焊接工作平台的夹具，取出已焊好的工件，待冷却水循环一段时间后关闭循环水冷装置，至此，焊接过程全部完成。
[0017]2、根据权利要求1所述的一种双向随焊超声波控制焊接变形及热裂纹的方法，其特征在于:第二步骤中，确定待焊工件的焊接温度场的方法是，取一个能够反映实际待焊工件温度场的试验件，在实际焊接工艺下对该试验件施焊，测量该试验件的焊接温度场，确定试验件上焊接电弧中心与脆性温度区间Tb上限温度T i和下限温度T 2间的距离L L 2，从而确定待焊工件的焊接熔池中央与脆性温度区间Tb上限温度T i和下限温度T 2间的距离L !和L20
[0018]3、根据权利要求2所述的一种双向随焊超声波控制焊接变形及热裂纹的方法，其特征在于:第六步骤中，所述垂向超声波激振装置冲击头中心位于待焊工件的焊接低温塑性区；所述横向超声波激振装置作用位置位于待焊工件的焊接熔池中央与该焊接材料脆性温度区间Tb上限温度T i和下限温度T 2对应位置间的距离L L 2之间。
[0019]4、根据权利要求1所述的一种双向随焊超声波控制焊接变形及热裂纹的方法，其特征在于:第四步骤中，焊枪通过移动焊枪夹具来调整焊枪位于焊缝的中心线上，焊枪位置确定后，让平台行走机构沿第三步骤所做的标记线试走，试走完毕后焊枪钨极若仍位于标记线上方，则可以进入下一步调整；若没有位于标记线上方，则需要调整平台行走机构，或者调整待焊工件在焊接工作平台上的位置来确保焊枪、超声波激振装置所在直线与焊缝重合，待前面操作达到要求后，将待焊工件固定于焊接工作平台上。
[0020]本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果，具体而言，由上述技术方案可知，
[0021 ] 本发明之双向随焊超声波激振焊接方法，在焊接过程中，通过垂向超声波激振装置沿焊件厚度方向(垂向)在熔池后方一定位置施加功率超声波，并与焊接热源一焊枪随动，通过超声波的机械振动力作用，对处于冷却收缩状态的焊缝金属作用来产生塑性延展，补偿在加热过程中产生的压缩塑性应变，减少了焊缝的收缩量，使焊接过程中瞬态应力降低，进而减小焊接变形；此外，在与焊缝中心线相垂直方向(横向)的两侧，设置两个用于控制焊接热裂纹的横向超声波激振装置，并随着焊接热源一焊枪同步移动，超声波激振装置的作用位置位于待焊工件的焊接电弧中心与该焊接材料脆性温度区间Tb上限温度T !和下限温度T2对应位置间的距离L jP L2之间，对熔池后方处于脆性温度区间的冷凝状态的焊缝金属施加一横向挤压应变，抵消焊缝固有的致裂拉伸应变，从而消除热裂纹的产生，从力学角度综合控制焊接变形及热裂纹。
[0022]同时，本发明由于采用超声脉冲振动作用，能够细化焊缝金属晶粒，并改变晶粒结晶的方向性，使组织趋于更加均匀，从冶金角度在一定程度内提高焊接接头的力学性能。
[0023]本装置结构简单可靠、受焊接空间限制小、效率高，超声振动的大小、调节方便，易于实现自动化；作用位置远离熔池，电弧稳定；焊缝属于自然成形、外观好；属于随焊控制，针对性强；不会引起焊缝金属组织的变化。
[0024]为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对本发明进行详细说明。
【附图说明】
[0025]图1是本发明之较佳实施例的整体结构示意图；
[0026]图2是本发明之较佳实施例的焊缝与两横向超声波激振装置相对位置示意图；
[0027]图3是本发明之较佳实施例的焊接状态下各超声波激振装置追随焊枪的示意图；
[0028]图4是本发明之较佳实施例的冷却曲线与常规焊冷却曲线对比图；
[0029]图5是本发明之较佳实施例的焊接温度场示意图；
[0030]图6是本发明之较佳实施例中所依据的流变模型图。
[0031]附图标识说明:
[0032]1、待焊工件2、焊枪
[0033]3、垂向超声波激振装置4，7、横向超声波激振装置
[0034]5、平台行走机构6、焊枪夹具
[0035]9、焊接电源10、氩气瓶
[0036]11、循环水冷装置12