一种镍基复合管的新型焊接装置及其焊接方法与流程

本发明涉及机械加工技术领域，具体涉及一种镍基复合管的新型焊接装置及其焊接方法。

背景技术：

目前，镍基合金可使用的范围已非常广泛，几乎任何一种类型的耐腐蚀场合都能选择一种镍基合金材料。镍基合金复合管是以镍基合金作为管道的内衬层，以碳钢作为外部基管，内衬层和基管分别具有良好的耐蚀性能和力学性能，这种新型产品既提高了管道的安全性，又延长了管道的使用寿命，特别在输送腐蚀性油气方面，将大大降低使用成本，提高经济效益。

镍基合金复合管因其优良的综合使用性能，已被越来越广泛的使用；但是镍基合金复合管的焊接质量难以控制，易对其使用性能造成不良影响，如内衬层镍基合金相对于碳钢而言的，其热导率小、粘度大、流动性差易造成焊瘤、成分偏析等缺陷，尤其对于沉淀强化的镍基合金，其合金元素铌在焊接过程中的偏析较为严重，生成的Laves相和NbC会严重降低焊缝的理化性能；焊接时，因镍基合金和碳钢的线膨胀系数差别较大，易引起焊接热裂纹；此外，镍基合金的焊缝熔池较浅，且对有害气体、杂质元素较为敏感，这对焊缝成型质量也是不利的。

目前为止，解决这一问题的办法是控制焊接热输入如焊接速度、焊接电流、焊接电压等，以及严格清理被焊工件后尽快焊接。但是在实际焊接过程中仍然存在清理与焊接的不同步，尤其当施焊环境湿度较大时，会导致较大的气孔形成倾向，另外控制焊接参数也往往会出现顾此失彼的现象，很难综合解决问题。

超声波是频率高于20kHz的一种机械振动，在液态及固液混合介质中传播时会产生空化、声流、热和机械振动等非线性效应。焊接过程中，将超声波引入焊接熔池，利用超声波的空化效应、声流效应、热效应、振动效应可以改变焊缝熔池的结晶过程，尤其空化作用产生的空化泡在溃缩过程产生大量的高能密度点，导致产生热效应和物理化学效应，液体中的微小气泡核在超声波作用下被激活，表现为气泡核的振荡、生长、收缩乃至崩溃等一系列非线性的动力学过程。在空化泡振荡的崩溃阶段，在极短的时间内，在极小的空间里产生5000K以上的高温和5×107Pa的高压，温升速率高达109 K/s，并伴有高达400 km/h 的射流，这就为在一般条件下难以实现或不可能实现的物理化学过程，提供了一种新的非常特殊的物理环境，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，此外，超声空化效应产生的局部高温、高压会使局部熔体的熔点上升，有效过冷度增加，亦会提高形核率，这些对晶粒细化、成分均匀化、降低成分偏析程度是有利的。但是将超声波引入镍基合金复合管的焊接过程还未见报道。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种镍基复合管的新型焊接装置及其焊接方法，在不改变原有设备的前提下，通过添加辅助装置将超声波引入焊缝熔池，使得超声波的空化效应、振动效应传递到熔池，打断熔池中正在生长的柱状晶，细化焊缝晶粒，使得焊缝元素分布更加均匀，改善焊缝成型质量，提高焊缝理化性能。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种镍基复合管的新型焊接装置，包括超声波发生器、换能器、换能器夹具、焊接电源、焊枪、焊枪夹具、焊接摆动器、摆动器支架、送丝软管、导管、辅助送丝软管、工件控制装置；

所述超声波发生器与换能器连接，换能器上设有的探头；所述焊接摆动器设置在摆动器支架上，焊接摆动器上还设有耦合件，所述换能器夹具套在换能器上，且与耦合件连接；所述焊接电源上设有自动送丝机构，所述焊枪与焊接电源连接，焊枪上均匀设有多个触控按键，所述焊枪夹具套在焊枪上，且与耦合件连接，所述送丝软管、导管和辅助送丝软管依次连接，且送丝软管的另一端与自动送丝机构连接，所述辅助送丝软管与焊枪并列设置，且通过耦合件联动；所述导管上还设有与探头的端口相匹配的探头孔，探头通过探头孔伸入或贯穿导管，所述探头位于导管内的端口上还设有圆孔，所述圆孔与导管内径相匹配，用于通过焊丝；所述工件控制装置包括焊接变位机和设置在焊接变位机上的待焊工件，所述焊接变位机用于控制待焊工件转动。

进一步地，所述换能器与探头通过螺纹连接；所述导管分别与送丝软管、辅助送丝软管螺纹连接；所述耦合件分别与换能器夹具、焊枪夹具螺纹连接。

进一步地，所述导管的直径为4mm；所述触控按键包括电弧控制按键和送丝控制按键。

进一步地，所述探头靠近导管的端口为圆柱体，所述圆孔设置在圆柱体上。

进一步地，所述探头为钛合金耐高温材料。

进一步地，所述辅助送丝软管上设有送丝嘴。

进一步地，所述焊接摆动器上还设有插销。

进一步地，所述耦合件为L形板，L形板上设有凹槽。

上述镍基复合管的新型焊接装置的焊接方法，包括以下步骤：

S1.将待焊的镍基复合管安装在焊接变位机上，焊接变位机带动镍基复合管转动；

S2.将焊枪对准镍基复合管的焊缝的中心，焊接摆动器带动焊枪摆动；

S3.打开焊接电源、超声波发生器，启动自动送丝机构，辅助送丝软管喷出焊丝，通过焊枪焊接，完成镍基复合管的焊接。

进一步地，所述焊接变位机的转速为0~1000r/min；所述焊接摆动器的摆动幅度为0~200mm，摆动速度为0~50mm/s；所述超声波发生器的超声功率0~1000W，超声频率15kHz~50kHz；所述焊接电源的焊接电流65~170A，焊接电压10~12V。

本发明的工作原理：超声波发生器把AC-220V(50-60Hz)的市电转化为高频率的(15KHz-100KHz)震荡信号，提供给换能器；换能器把电能转化为高频率机械振动能，并由具有振幅放大功能的探头把超声振动通过焊丝传递到焊缝熔池，从而实现将超声波的空化效应、振动效应传递到熔池，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，细化焊缝晶粒，并使得焊缝成分分布更加均匀，改善焊缝成型质量，提高焊缝理化性能。

本发明的有益效果是：本发明针对传统焊接方法在镍基复合管焊接时的缺陷，自行设计出振动单元、送丝机构、焊枪、焊接变位器耦合系统，通过将超声波引入焊缝，利用超声波的非线性效应，改变焊缝金属的结晶过程，并最终提高焊缝的力学性能；

与传统钨极氩弧焊相比，本发明中超声振动的作用主要体现在以下三个方面：

1.施加超声后，超声波的高频振动对焊丝做功，极大的提高了焊丝送入熔池前的温度，有利于提高焊接效率，其作用相当于热丝TIG焊；

2.施加超声后，焊丝端部熔滴在超声的作用下，由于降低了表面张力，更易于向熔池过渡，这也将有利于焊接效率的提高。

3. 施加超声后，由于超声的空化效应、振动效应、热效应作用于熔池，使得焊缝晶粒更加细小，成分更加均匀，热裂纹形成倾向和焊接残余应力更小，焊缝力学性能更高。

附图说明

图1为本发明镍基复合管的新型焊接装置的结构图；

图2为本发明探头与导管的连接结构图；

图3为本发明的换能器夹具；

图4为本发明的焊枪夹具；

图5为本发明的耦合件；

图中，1-超声波发生器，2-换能器，3-探头，4-耦合件，5-导管，6-换能器夹具，7-焊枪夹具，8-焊枪摆动器，9-摆动器支架，10-插销，11-焊接电源，12-焊枪，13-电弧控制按钮，14送丝控制按钮，15-辅助送丝软管，16-送丝嘴，17-焊丝，18-焊接变位机，19-待焊工件。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1、图2、图3、图4和图5所示，一种镍基复合管的新型焊接装置，包括超声波发生器1、换能器2、换能器夹具6、焊接电源11、焊枪12、焊枪夹具7、焊接摆动器8、摆动器支架9、送丝软管、导管5、辅助送丝软管15、工件控制装置；

所述超声波发生器1与换能器2连接，换能器2上设有的探头3；所述焊接摆动器8设置在摆动器支架9上，焊接摆动器8上还设有耦合件4，所述换能器夹具6套在换能器2上，且与耦合件4连接；所述焊接电源11上设有自动送丝机构，所述焊枪12与焊接电源11连接，焊枪12上均匀设有多个触控按键，所述焊枪夹具7套在焊枪12上，且与耦合件4连接，所述送丝软管、导管5和辅助送丝软管15依次连接，且送丝软管的另一端与自动送丝机构连接，所述辅助送丝软管15与焊枪12并列设置，且通过耦合件4联动；所述导管5上还设有与探头3的端口相匹配的探头孔，探头3通过探头孔伸入或贯穿导管5，所述探头3位于导管5内的端口上还设有圆孔，所述圆孔与导管5内径相匹配，用于通过焊丝；所述工件控制装置包括焊接变位机18和设置在焊接变位机18上的待焊工件19，所述焊接变位机18用于控制待焊工件19转动。

具体地，所述换能器2与探头3通过螺纹连接；所述导管5分别与送丝软管、辅助送丝软管15螺纹连接；所述耦合件4分别与换能器夹具6、焊枪夹具7螺纹连接。

具体地，所述导管5的直径为4mm；所述触控按键包括电弧控制按键13和送丝控制按键14。

具体地，所述探头3靠近导管5的端口为圆柱体，所述圆孔设置在圆柱体上。

具体地，所述探头3为钛合金耐高温材料。

具体地，所述辅助送丝软管15上设有送丝嘴16。

具体地，所述焊接摆动器8上还设有插销10。

具体地，所述耦合件4为L形板，L形板上设有凹槽。

上述镍基复合管的新型焊接装置的焊接方法，包括以下步骤：

S1.将待焊的镍基复合管安装在焊接变位机18上，焊接变位机18带动镍基复合管转动；

S2.将焊枪12对准镍基复合管的焊缝的中心，焊接摆动器8带动焊枪12摆动；

S3.打开焊接电源11、超声波发生器1，启动自动送丝机构，焊丝17依次通过送丝软管、导管5、圆孔、辅助送丝软管15，再由喷丝嘴16喷出焊丝17，通过焊枪12焊接，完成镍基复合管的焊接。

具体地，所述焊接变位机的转速为0~1000r/min；所述焊接摆动器的摆动幅度为0~200mm，摆动速度为0~50mm/s；所述超声波发生器的超声功率0~1000W，超声频率15kHz~50kHz；所述焊接电源的焊接电流65~170A，焊接电压10~12V。

使用时，超声波发生器1把AC-220V(50-60Hz)的市电转化为高频率的(15KHz-100KHz)震荡信号，提供给换能器2；换能器2把电能转化为高频率机械振动能，并由具有振幅放大功能的探头3把超声振动通过焊丝17传递到焊缝熔池，从而实现将超声波的空化效应、振动效应传递到熔池，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，细化焊缝晶粒，并使得焊缝成分分布更加均匀，改善焊缝成型质量，提高焊缝理化性能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。