改善铝合金等离子弧焊接接头质量的装置及方法
【专利摘要】本发明公开了改善铝合金等离子弧焊接接头质量的装置及方法，包括等离子弧焊机，等离子弧焊机包括等离子弧焊枪及与等离子弧焊枪相连且位于其下方的等离子弧焊接枪喷嘴，等离子弧焊枪通过连接装置与超声振动杆相连，振动单元包括依次连接的换能器、超声振动杆及超声工具头，换能器与超声波发生器相连。在不改动原有设备的前提下，通过辅助装置直接将超声振动施加在焊缝周围，利用超声振动来增加气泡的溢出，从而达到减少焊接缺陷，改善焊接质量的目的。
【专利说明】改善铝合金等离子弧焊接接头质量的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及改善铝合金等离子弧焊接接头质量的装置及方法。
【背景技术】
[0002]铝合金以其良好的物理、化学和机械性能，越来越多地用于各类工业产品中，特别是在航空航天、电子以及汽车行业得到了广泛的应用。作为铝合金应用的一个重要热加工手段，焊接有着极其重要的地位。相对于钢的焊接，铝合金焊接难度较高，焊接接头易出现缺陷，主要的问题是铝容易氧化造成氧化物夹渣，另外还容易出现气孔、裂纹等缺陷。
[0003]等离子弧焊接是在近期发展起来的新型焊接技术，具有热输入少，能量密度集中、热影响区变形小的优点。而且，由于等离子电弧比普通的电弧具有更高的能量密度，利用其小孔效应可进行大厚板的焊接，因而等离子弧焊接在工业生产中有着越来越多的应用。然而，在等离子弧用于焊接铝合金时，特别是Mg含量较高的5XXX系列，存在气孔缺陷比较严重的问题。这是由于对于Mg含量较高的铝合金，在焊接过程中除了容易形成氧化铝外，还容易形成氧化镁，而氧化镁由于不致密，更容易吸收水分，导致焊接过程中在熔池内形成气孔。此外，由于等离子弧高能量密度和相对较高的焊接速度的特点，焊接熔池凝固较快，气体来不及溢出，这进一步加剧了形成气孔的倾向。
[0004]目前为止，解决这一问题的办法是加强焊前的表面处理，包括用化学方法及机械方法清洗被焊铝合金及焊材的表面以及在清洗完后尽快焊接。然而在实际操作中仍然存在清洗与焊接不同步等很多外在因素。尤其当施焊环境湿度较大时，大气中的水分将卷入电弧形成较高的弧柱氢气压，从而导致较高的气孔形成倾向，单纯清理工件和焊丝往往难以解决气孔问题。
[0005]超声波是声波的一种，具有频率高、穿透能力强等特点，当超声施压于材料时，会改变材料的本构关系，甚至产生高温及高频振动等效应。因此在焊接的过程中，利用超声波穿透能力强的特点，在焊接熔池附近施加一超声高频振动，在一定的功率下可以改变熔池的凝固过程，其产生的热效应可延迟熔池的凝固，有利于气泡的溢出，同时高频振动也有利于细化结晶过程，获得晶粒细小的焊缝组织，对于提高焊缝性能是有利的。目前已有发明将超声振动与搅拌摩擦焊相结合,主要利用了超声振动来降低材料的变形抗力，达到增加焊接效率、提高焊接质量的目的。但是对于将超声振动同等离子弧焊接相结合来降低铝合金焊接过程中产生气孔倾向，提高焊接接头质量的研究，还未见报道。
【发明内容】
[0006]为解决现有技术存在的不足，本发明公开了改善铝合金等离子弧焊接接头质量的装置及方法，在不改动原有设备的前提下，通过辅助装置直接将超声振动施加在焊缝周围，利用超声振动不但可增加振动促进气泡的溢出，而且还可以细化晶粒，从而达到减少焊接缺陷，改善焊接质量的目的。
[0007]为实现上述目的，本发明的具体方案如下:[0008]改善铝合金等离子弧焊接接头质量的装置，包括等离子弧焊机，等离子弧焊机包括等离子弧焊枪及与等离子弧焊枪相连且位于其下方的等离子弧焊接枪喷嘴，等离子弧焊枪通过连接装置与超声振动杆相连，振动单元包括依次连接的换能器、超声振动杆及超声工具头，换能器与超声波发生器相连。
[0009]所述等离子弧焊机为变极性等离子弧焊机。
[0010]所述连接装置为水平放置的夹具。
[0011]超声波发生器将工频交流电转换为超声频的高频交流信号，再经过换能器将电能转换为超声机械振动能，由超声工具头从待焊区域导入超声波，且在焊接过程中始终保持超声波的导入。
[0012]改善铝合金等离子弧焊接接头质量的方法，包括以下步骤:
[0013]步骤一:将试板在焊前利用清理装置进行机械清理；将试板对接并用夹具固定，对接方向沿焊接方向；
[0014]步骤二:调节振动单元与等离子弧焊接枪喷嘴的距离及角度，振动单元的超声工具头末端同等离子弧焊接枪喷嘴的距离为0.5-3cm，振动单元轴线同等离子弧焊枪轴线的角度为20度-70度，等离子弧焊接枪喷嘴垂直于试板并距离试板的距离范围0-2厘米，根据不同的设备，这个距离选用最佳产生小孔的距离，超声振动杆的振动频率lO-lOOKHz，振幅 lO-lOOum，超声功率 200-2000W ；
[0015]步骤三:设定焊接参数为，焊接电流100-400A，焊接速度每分钟10_60毫米，等离子气流量1_3升每分钟；
[0016]步骤四:启动控制开关，由超声工具头从待焊区域导入超声波，且在焊接过程中始终保持超声波的导入。
[0017]所述步骤一中的清理装置为角磨机。
[0018]超声振动杆通过夹具与等离子弧焊接枪相连，并可调整振动单元与等离子弧焊接枪喷嘴的距离及角度，能保证振动单元随等离子弧焊枪一起运动，且在运动过程保证超声工具头与等离子弧焊接枪喷嘴的距离。
[0019]本发明的有益效果:
[0020]铝合金等离子弧焊接易导致焊缝中出现气孔，晶粒粗大问题，造成焊接接头质量下降，因此如何提高铝合金等离子弧焊接接头质量一直是工程界研究热点。本发明在不改动原有等离子弧焊接设备的前提下，通过增加与工件接触的超声辅助装置将超声振动施加在焊缝周围。采用该种方式超声波在工件中传播并可有效抵达熔池液态金属，其高频振动给熔池液态金属带来机械作用，热作用，空化作用和声流作用，进而影响气孔形核、长大以及熔池金属结晶行为。超声振动产生的热作用，机械作用以及声压梯度效应将对熔池金属起到机械搅拌作用，促进液态金属产生强烈对流，熔池内形成的气孔具有更高的逸出速度，而且气孔积聚生长倾向得以大幅降低，因此焊缝中产生气孔的倾向将得到显著改善。另一方面，超声振动可以碎化沿熔池熔合区向内部生长的粗大树枝晶，减小树枝晶尺寸，而且碎化枝晶可作为等轴晶形核核心，从而使得焊缝金属中等轴晶比例大幅提闻，进而提闻焊接接头力学性能。在焊接过程中，增加的超声振动设备可以随同焊枪同步行走，而且超声振动效果不受焊枪运动速度影响，其带来的热作用和机械搅拌作用可以使得铝合金等离子弧焊接在更高的焊接速度下实施，提高等离子弧焊接效率。【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1本发明的装置结构示意图；
[0022]图中，I等离子弧焊枪，2等离子弧焊接枪喷嘴，3连接装置，4超声振动杆，5超声工具头，6试板，7超声波发生器，8换能器。
【具体实施方式】:
[0023]下面结合附图对本发明进行详细说明:
[0024]如图1所示，改善铝合金等离子弧焊接接头质量的装置，包括等离子弧焊机，等离子弧焊机包括等离子弧焊枪I及与等离子弧焊枪I相连且位于其下方的等离子弧焊接枪喷嘴2，等离子弧焊枪I通过连接装置3与超声振动杆4相连，振动单元包括依次连接的换能器8、超声振动杆4及超声工具头5，换能器8与超声波发生器7相连。
[0025]所述等离子弧焊机为变极性等离子弧焊机。
[0026]所述连接装置3为水平放置的夹具。
[0027]超声波发生器7将工频交流电转换为超声频的高频交流信号，再经过换能器8将电能转换为超声机械振动能，由超声工具头5从待焊区域导入超声波，且在焊接过程中始终保持超声波的导入。
[0028]改善铝合金等离子弧焊接接头质量的方法，包括以下步骤:
[0029]步骤一:将试板6在焊前利用清理装置进行机械清理；将试板6对接用夹具固定，对接方向沿焊接方向；
[0030]步骤二:调节振动单元与等离子弧焊接枪喷嘴2的距离及角度，振动单元的超声工具头5末端同等离子弧焊接枪喷嘴2的距离为0.5-3cm，振动单元轴线同等离子弧焊枪I轴线的角度为20度-70度，等离子弧焊接枪喷嘴2距离试板6的距离范围0-2厘米，根据不同的设备，这个距离选用最佳产生小孔的距离，角度为垂直于试板6;超声振动杆的振动频率 IO-1OOKHz，振幅 lO-lOOum，超声功率 200-2000W。
[0031]步骤三:设定焊接参数为，焊接电流100-400A，焊接速度每分钟10_60毫米，等离子气流量1_3升每分钟。
[0032]步骤四:启动控制开关，由超声工具头5从待焊区域导入超声波，且在焊接过程中始终保持超声波的导入。
[0033]所述步骤一中的清理装置为角磨机。
[0034]超声振动杆4通过夹具与等离子弧焊枪I相连，并可调整振动单元与等离子弧焊接枪喷嘴2的距离及角度，能保证振动单元随等离子弧焊枪I 一起运动，且在运动过程保证超声工具头5与等离子弧焊接枪喷嘴2的距离。
[0035]实施例:
[0036](I)对比例:
[0037]采用厚度10毫米的5083铝板为被焊工件，宽10cm、长25cm的对接试板，焊前表面用角磨机进行简单机械清理，等离子焊接参数为:离子气1.39L/min正向电流260A,反向290A，焊接速度每分钟40毫米。
[0038]焊后采用超声波无损检测进行气孔等级评定，为三级，气孔主要集中在熔合线附近，横断面有时可见明显大气孔。
[0039](2)焊接参数同对比例一样，所不同的是加入超声振动，超声振动杆的振动频率为30KHz，振幅为50um，超声工具头在焊接熔池前方5毫米处。焊后超声无损检测进行气孔等级评定为一级，横断面无明显肉眼可见气孔。
【权利要求】
1.改善铝合金等离子弧焊接接头质量的装置，其特征是，包括等离子弧焊机，等离子弧焊机包括等离子弧焊枪及与等离子弧焊枪相连且位于其下方的等离子弧焊接枪喷嘴，等离子弧焊枪通过连接装置与超声振动杆相连，振动单元包括依次连接的换能器、超声振动杆及超声工具头，换能器与超声波发生器相连。
2.如权利要求1所述的改善铝合金等离子弧焊接接头质量的装置，其特征是，所述等离子弧焊机为变极性等离子弧焊机。
3.如权利要求1所述的改善铝合金等离子弧焊接接头质量的装置，其特征是，所述连接装置为水平放置的夹具。
4.如权利要求1所述的改善铝合金等离子弧焊接接头质量的装置的方法，其特征是，包括以下步骤: 步骤一:将试板在焊前利用清理装置进行机械清理；将试板对接用夹具固定，对接方向沿焊接方向； 步骤二:调节振动单元与等离子弧焊接枪喷嘴的距离及角度，振动单元的超声工具头末端同等离子弧焊接枪喷嘴的距离为0.5-3cm，振动单元轴线同等离子弧焊枪轴线的角度为20度-70度，等离子弧焊接枪喷嘴垂直于试板且距离试板的距离范围0-2厘米，超声振动杆的振动频率IO-1OOKHz，振幅lO-lOOum，超声功率200-2000W ； 步骤三:设定焊接参数为，焊接电流100-400A，焊接速度每分钟10-60毫米，等离子气流量1_3升每分钟； 步骤四:启动控制开关，由超声工具头从待焊区域导入超声波，且在焊接过程中始终保持超声波的导入。
5.如权利要求4所述的方法，其特征是，所述步骤一中的清理装置为角磨机。
【文档编号】B23K9/32GK103586571SQ201310603977
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年11月25日 优先权日:2013年11月25日
【发明者】杜宝帅, 张忠文, 李新梅 申请人:国家电网公司, 山东电力研究院