声源入射角度及位置可调超声辅助氩弧焊方法及辅助装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及焊接冶金技术领域，具体涉及一种声源入射角度及位置可调超声辅助氩弧焊方法。
【背景技术】
[0002]虽然铜合金与铝合金在物理性能、机械性能上表现完全不同，但是在焊接特别是钨极氩弧焊(GTAW)过程中均会出现焊接热裂纹，制约着铜合金及铝合金的应用。除去焊接应力及变形的外部因素外，热裂纹的出现均与凝固过程中低熔共晶出现的温度区间、成分、比例及分布有关。对于铜及铜合金来说，熔焊过程中由于氧元素侵入熔池，凝固时会形成由Cu2O和Cu组成的低熔点共晶组织分布于已凝固的α-Cu晶粒之间，提高了铜及铜合金焊接的热裂倾向。对于铝及铝合金来说，熔焊时由于合金元素Cu、Si及Mg的存在，与Al组成一系列的低熔点共晶体聚集在树枝晶的枝晶间形成液态薄膜，在收缩拉伸应力作用下被撕开，形成热裂纹。
[0003]功率超声具有空化及声流效应。空化效应是超声波在液体中传播时，液体分子受到周期性交变声场的作用。在声波稀疏相内液体受到拉应力，若声压值足够大则液体被拉裂而产生空化泡或空穴；在随后来临的声波正压相内，这些空化泡或空穴以极高的速度闭合或崩溃，从而在液体内产生瞬间的局部高温和高压。声流效应则是超声波在液体中的有限振幅衰减使液体内形成一定的声压梯度，从而形成一个流体的喷射。
[0004]功率超声在金属材料连接及冶金中的应用主要有超声金属焊接、超声波辅助钎焊工艺、超声细化工艺及超声除气及除杂工艺。利用超声的空化效应可以使局部液体产生瞬间高压冲击波，破碎正在生长的金属晶粒，起到细化晶粒的效果。利用超声的声流效应会使作用流体产生高速对流，类似于机械搅拌作用，加速了液体在固态晶粒间的流动性。
[0005]中国专利201410778002.3公开了一种超声波非熔化极氩弧焊工艺及装置，该工艺是在非熔化极氩弧焊过程中实时地对熔池和焊缝附近的母材进行超声波振动，使熔融金属组织致密均匀，焊缝处金属晶粒细化，加速熔池气体析出，提高焊接质量。但是其缺点是此工艺中超声波声源的入射角度及位置不可以调节，不能实现超声变幅杆与焊枪运动轨迹同时与同步性，保证焊接稳定性。
【发明内容】
[0006]针对有色金属如铜合金、铝合金弧焊时焊接热裂纹严重的问题，在传统弧焊方法基础上引入超声波作用，提出一种声源入射角度及位置可调的超声辅助氩弧焊方法及其辅助装置。
[0007]本发明采用以下技术方案:
[0008]一种声源入射角度及位置可调的超声辅助氩弧焊辅助装置，包括超声焊接夹具和超声随动系统，所述超声随动系统通过超声波设备中的超声变幅杆与超声焊接夹具接触。
[0009]其中:
[0010]所述超声焊接夹具，包括一具有斜面的角度可调镶块、距离可调垫块、高度可调压块和底座，所述角度可调镶块的竖直面与距离可调垫块的第一侧面连接，所述距离可调垫块的第一侧面的相对面的上部分与高度可调压块连接，且高度可调压块能相对垫块作上下移动，所述距离可调垫块的第一侧面的相对面的下部分连接底座，高度可调压块的底表面与底座的上表面设有放置待焊接工件的空隙。
[0011]所述连接均为活动连接。
[0012]进一步，角度可调镶块的斜面与其底表面的角度范围为O < α <90°，声波可以以横波纵波复合波或者横波的形式入射，当角度在O < α <90°时，声波以横波纵波复合波的形式入射，当α为90°时，声波以横波的形式入射，调节声波的入射角度从而考察各种声波入射角度对焊接后金属力学性能的影响情况，从中择优选择所需入射角度。
[0013]进一步，所述角度可调镶块的竖直面设有燕尾型凹槽，距离可调垫块的第一侧面设有与燕尾型凹槽相配合连接的凸型燕尾块。所述凸型燕尾块与燕尾型凹槽配合连接实现角度可调的镶块的固定。
[0014]进一步，所述距离可调垫块的第一侧面的相对面设有燕尾型凹槽，高度可调压块的侧面设有与燕尾型凹槽相配合连接的凸型燕尾块，且所述的凸型燕尾块可在距离可调垫块的第一侧面的相对面的燕尾型凹槽内上下滑动。
[0015]进一步，所述距离可调垫块的厚度为10?50mm。调节距离可调垫块的厚度，可以使超声变幅杆与焊缝的距离在110-160mm范围内变化，使声波可以在近焊缝区及远焊缝区入射。
[0016]该超声焊接夹具由角度可调镶块、距离可调垫块和高度可调压块组成，实现超声不同入射角度、不同焊材厚度以及焊接中焊缝区位于超声波远峰、近峰的调整。
[0017]所述角度可调镶块的斜面与超声波辅助系统的变幅杆接触，通过更换具有不同斜面角度的镶块，实现超声波入射角度的改变。
[0018]当需要调整超声施加位置与焊缝位置间距离时，选用合适厚度的距离可调垫块，实现超声施加位置与焊缝位置间距离的可调。
[0019]所述高度可调压块主要针对不同板厚的焊接工件，所述高度可调压块通过在距离可调垫块的燕尾型凹槽内上下滑动，压紧焊接工件，以适应不同焊材厚度。高度可调压块压紧焊接工件，为了进一步压紧焊接工件，可采用U形夹具在侧面做刚性固定。
[0020]所述超声随动系统，包括水平运动系统、竖直运动系统和底座，所述竖直运动系统设置在底座上；所述水平运动系统和竖直运动系统均包括步进电机、丝杠和导柱；所述步进电机通过联轴器与丝杠连接，竖直运动系统的丝杠上设有能上下运动的第二丝杠螺母，第二丝杠螺母连接水平运动系统，水平运动系统的丝杠上设有能水平运动的第一丝杠螺母；第一丝杠螺母与连接件连接，所述连接件连接能固定超声变幅杆的套筒块。
[0021]进一步，所述步进电机通过联轴器与丝杠的一端连接，丝杠的另一端与导柱底座连接，导柱固定于联轴器和导柱底座之间。
[0022]进一步，所述竖直运动系统的轴线与水平运动系统的轴线相垂直。所述第二丝杠螺母连接水平运动系统的导柱的外侧。
[0023]进一步，所述连接件的形状为U型，U型连接件连接套筒块，所述套筒块设有固定超声变幅杆的孔径，所述套筒块能在U型连接件内转动。另一种实施方式为:套筒块径向设有顶丝，夹紧超声变幅杆。
[0024]进一步，U型连接件的两侧设有螺孔，套筒块通过螺孔连接在U型连接件上。
[0025]进一步，为了更好地配合U型连接件，所述套筒块为削边套筒块，套筒块内固定超声变幅杆的杆部，通过U型连接件两侧的螺孔实现给定角度下超声变幅杆的加紧。
[0026]进一步，所述丝杠为滚珠丝杠。
[0027]进一步，所述步进电机还连接控制系统，控制系统控制步进电机的运行方式。
[0028]当焊接时，将超声波设备的超声变幅杆装夹在超声随动系统的套筒块内，超声变幅杆的末端与超声焊接夹具中的角度可调镶块的斜面或距离可调垫块的上表面完全接触，然后启动超声波设备和氩弧焊机进行焊接。
[0029]采用所述辅助装置的声源入射角度及位置可调的超声辅助氩弧焊方法，包括以下方法:
[0030](I)焊前准备:机械加工待焊接工件对接坡口呈V形，采用超声焊接夹具夹持待焊接工件，将焊接夹具固定在焊接平台上，将超声波设备的超声变幅杆装夹在超声随动系统上，使超声变幅杆的末端与焊接夹具中的角度可调镶块的斜面或距离可调垫块的上表面接触。
[0031](2)焊接:确定氩弧焊的工艺参数，启动氩弧焊机电源，焊枪引弧，待电弧稳定后，启动超声波设备的超声电源输出声波；
[0032]焊枪以设定速度起焊，超声波施加设定时间后，水平运动系统的丝杠控制超声波变幅杆使之与角度可调镶块或距离可调垫块分离，与焊接方向同向运动一定距离后，控制超声变幅杆落下与角度可调镶块或距离可调垫块接触继续施加超声，以此类推，实现超声变幅杆与焊枪同步性及同时性。
[0033](3)焊至待焊接工件尾部收弧，关闭焊机电源，抬起超声变幅杆，停止超声作用关闭超声电源。
[0034]步骤⑴中，所述待焊接工件为有色金属，如铜、铜合金或铝合金，其厚度为6_15mm0
[0035]根据大量实验的焊接效果，本发明的方法更加适合厚度为6-15_的有色金属铜、铜合金或铝合金的焊接。
[0036]步骤(I)中，所述待焊接工件的非坡口侧面与底座紧密刚性接触，为了使超声焊接夹具更加牢固，然后采用普通夹具(U型夹具)将超声焊接夹具固定在焊接平台上。
[0037]步骤(I)中，通过选用不同角度的角度可调镶块接触，使超声变幅杆的施加角度在O?90°可调，变幅杆末端直接作用于角度可调镶块斜面或距离可调垫块的上表面上，使声波分别以纵波、横波及纵波横波复合波形式入射。施加角度是指角度可调镶块的斜面与其底表面的角度，当使用超声变幅杆时，其端部表面与可调镶块的斜面完全接触，即超声变幅杆与斜面相垂直。
[0038]当角度在O < α <90°时，声波以横波纵波复合波的形式入射，当α为90°时，声波以横波的形式入射，当α为O。时，即拆除角度可调镶块，入射声波作用在距离可调垫块的上表面上。
[0039]步骤(I)中，通过选用不同的厚度的距离可调垫块，使超声变幅杆与焊缝的距离在110-160_范围内变化，使声波分别在近焊缝区及远焊缝区入射。
[0040]步骤(2)中，确定氩弧焊的工艺参数:根据待焊接工件的材质和板厚确定起弧电流、焊接电流、收弧电流、焊接速度及保护气体流量。所述起弧电流为150?190A，焊接电流为170?230A，收弧电流150?190A，焊接速度2?4mm/s，保护气体流量为5?10L/min。经过大量实验验证得到了上述工艺参数，使焊接效