一种模拟超声波辅助湿法焊接实验装置及其使用方法与流程

本发明涉及水下焊接技术领域，具体涉及一种模拟超声波辅助湿法焊接实验装置及其使用方法。

背景技术：

随着我国对海洋开发的大力发展，水下焊接已经被广泛应用于海洋结构的建造及维修、海底石油管道铺设以及船舰的紧急修复等领域。其中湿法焊接由于自动化程度高，更适用于潜水员难以下潜到的100-200米海底大陆架进行焊接工作。然而深水高压环境会对焊接过程造成一系列不良影响，直接反映为焊缝成形不美观，焊接缺陷较多等。其中，焊接气孔是主要缺陷之一。这是由于在高压环境下，焊接过程中熔池内部产生的气体难以及时排出，在熔池冷却时成为气孔留在焊缝中。该缺陷会严重影响焊缝金属的力学性能，是造成失效的主要原因。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术的不足，依据深水湿法焊接原理与特点，提供一种结构巧妙简单，焊接过程中可将熔池冷中的气泡实时排出、同时实现对焊缝组织进行细化、焊缝美观、且焊缝金属的力学性能显著提高的模拟超声波辅助湿法焊接实验装置及其使用方法。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：一种模拟超声波辅助湿法焊接实验装置，其包括压力舱、供气系统、电源系统，压力舱壁上分别贯穿设有第一进气管、第二进气管和泄压阀，供气系统分别通过管路与第一进气管和第二进气管相连接；压力舱内固定连接设有固定支架和行走机构，行走机构表面上设置有水箱，行走机构的运动方向与焊枪的所在轴向垂直；压力舱内还设有下端均置于水箱内的超声装置和焊接装置，超声装置包括上下固定连接的超声换能器和超声变幅杆，超声换能器输出的超声波为纵波，超声变幅杆的振动方向为轴向振动，超声换能器通过压力舱壁上贯穿且固定的穿舱连接器与压力舱外的超声电源连接；焊接装置设有焊枪，焊枪及工件的焊接电极通过压力舱壁上的贯穿且固定的穿舱电极与压力舱外的焊接电源连接。

优选的，超声装置的上端与固定支架可拆卸固定连接。

优选的，超声换能器和超声变幅杆同轴相连接，超声变幅杆上端通过螺纹与超声换能器下端固定连接。

优选的，超声换能器与固定支架连接处还设有气缸和导杆，导杆与超声换能器相连，气缸通过压力舱内与第二进气管连接的气缸进气管由供气系统提供动力，带动导杆上下轴向运动，从而对超声变幅杆施加一定压力使其能够与待焊接工件紧密贴合。

优选的，供气系统由第一进气阀控制通过第一进气管向压力舱内提供压缩空气，模拟不同水深的压力条件。

优选的，供气系统提供模拟深水环境下的压力条件，深水环境下的水深度至200m。

优选的，超声换能器密封在防水罩内。

优选的，压力舱下方固定连接设有固定底座；压力舱上部开设有与其密封连接的压力舱门。

上述任何一项的一种模拟超声波辅助湿法焊接实验装置的使用方法，依次包括以下步骤：

步骤一：调节超声变幅杆与焊枪的相对位置，确定超声波作用位置及熔池位置；

步骤二：将待焊工件放置于水箱中，调整待焊工件到合适位置后，向水箱中注水，水面高度没过工件，停止注水，然后供气系统通过气缸和导杆对超声换能器作用产生向下施加的压力，使超声变幅杆的下端与待焊工件的上表面紧密贴合，压力调节范围为1-10kg；

步骤三：调整行走机构的运动参数，并先执行一次移动命令，确定移动路径上没有干涉等问题后，再对行走机构进行复位；

步骤四：关闭压力舱的压力舱门，使用供气系统对压力舱内部输入压缩空气，按照实验所需水深水压充入等量压强的空气后再关闭供气系统，保压一段时间确定没有气体泄漏等问题；

步骤五：打开超声电源，调节超声参数，待超声换能器预先工作一段时间且无问题后，再打开焊接电源，调整所需焊接参数后，闭合焊接电源，焊枪与待焊工件之间起弧后，启动行走机构的移动命令，行走机构带动水箱及待焊工件沿预定方向移动完成焊接；

步骤六：焊接结束后，先关闭焊接电源，再关闭超声电源，最后打开压力舱的泄压阀进行泄压，待压力舱内部压强降低至外界大气压强后，打开压力舱门，取出待焊工件。

优选的，步骤三中行走机构的运动参数中控制焊接速度为1.5-4mm/s；步骤五中，超声电源输出的超声振动频率为20-40khz，超声功率为1000-2000w，超声振幅为5-50μm；焊接参数中焊接电源输出焊接电压为30-50v，焊接电流为150-300a。

本发明的有益效果：

(1)本发明的模拟超声波辅助湿法焊接实验装置，一方面，通过超声振动将能量引入到焊接熔池中，提高熔池的流动性，使熔池中气体及杂质的快速上浮与排出，显著提高焊接的质量。

(2)本发明提供的模拟超声波辅助湿法焊接实验装置及其使用方法，适用于深水环境下，将超声波能量引入焊接熔池，利用超声波的空化与声流作用改善熔池流动性，促进熔池内气体及杂质的排出，减少了深水高压环境导致的焊接气孔，同时细化焊缝金属组织及晶粒，使焊缝美观，且显著改善焊缝金属的综合力学性能。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2为图1中超声装置的结构示意图。

图中标记：1.第一进气管，2.第二进气管，3.泄压阀，4.压力舱，5.穿舱电极，6.焊接电源，7.穿舱连接器，8.超声电源，9.气缸，10.导杆，11.防水罩，12.超声换能器，13.超声变幅杆，14.气缸进气管，15.待焊工件，16.固定支架，17.供气系统，18.固定底座，19.行走机构，20.水箱，21.熔池，22.焊枪，23.压力表，24.第一进气阀。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以助于理解本发明的内容。本发明中所使用的方法如无特殊规定，均为常规的生产方法；所使用的原料，如无特殊规定，均为常规的市售产品。

如图1所示，本发明的一种模拟超声波辅助湿法焊接实验装置，其包括压力舱4、供气系统17、电源系统，压力舱4壁上分别贯穿设有第一进气管1、第二进气管2和泄压阀3，供气系统17分别通过管路与第一进气管1和第二进气管1相连接；压力舱4内固定连接设有固定支架16和行走机构19，行走机构19表面上设置有水箱20，行走机构19的运动方向与焊枪22的所在轴向垂直。供气系统17由第一进气阀24控制通过第一进气管1向压力舱4内提供压缩空气，模拟不同水深的压力条件。压力舱4下方固定连接设有固定底座18；压力舱4上部开设有与其密封连接的压力舱门。

如图1、图2所示，压力舱4内还设有下端均置于水箱20内的超声装置和焊接装置，焊接装置设有焊枪22，超声装置包括上下固定连接的超声换能器12和超声变幅杆13，超声装置的上端与固定支架16可拆卸固定连接，使焊接装置的位置固定不变，超声换能器12则通过实验要求改变装配位置，以改变超声振动施加的方式与位置。焊接实验进行时，焊枪22与超声变幅杆13保持位置不动，行走机构19带动水箱20及焊接工件单轴方向移动，保证超声波施加位置与熔池21的相对距离保持不变。

超声换能器12和超声变幅杆13同轴相连接，超声变幅杆13上端通过螺纹与超声换能器12下端固定连接。超声换能器12输出的超声波为纵波，超声变幅杆13的振动方向为轴向振动，超声换能器12通过压力舱4壁上贯穿且固定的穿舱连接器7与压力舱4外的超声电源8连接；焊枪22及工件的焊接电极通过压力舱4壁上的贯穿且固定的穿舱电极5与压力舱4外的焊接电源6连接。超声换能器12与固定支架25连接处还设有气缸9和导杆10，导杆10与超声换能器12相连，气缸9通过压力舱4内与第二进气管2连接的气缸进气管14由供气系统17提供动力，带动导杆10上下轴向运动，从而对超声变幅杆13施加一定压力使其能够与待焊工件15紧密贴合，可将超声能量传导进入焊接熔池21。一方面，通过超声振动将能量引入到焊接熔池21中，提高熔池21的流动性，有助于熔池21中气体及杂质的快速上浮与排出，显著提高水下湿法焊接的焊接质量；另一方面，超声振动的引发的超声空化及声流效应还可以有效降低焊接残余应力，细化焊缝组织与晶粒，改善熔池铺展，提高焊缝的综合力学性能。

超声换能器12密封在防水罩11内，由于防水,11的保护，超声换能器12也可倒置浸没于水中由待焊工件15的背面直接向熔池位置施加超声震动；可根据具体需要改变超声波施加位置，如施加于熔池21的前方、侧面以及背面等。

上述任何一项的一种模拟超声波辅助湿法焊接实验装置的使用方法，依次包括以下步骤：

步骤一：调节超声变幅杆13与焊枪22的相对位置，确定超声波作用位置及熔池位置；

步骤二：将待焊工件15放置于水箱20中，调整待焊工件15到合适位置后，向水箱20中注水，水面高度没过工件0.5m，焊枪22大部分浸没于水中，停止注水，超声换能器12位于水面上方；然后供气系统17通过气缸9和导杆10对超声换能器12作用产生向下施加的压力，使超声变幅杆13的下端与待焊工件15的上表面紧密贴合，压力调节范围为1-10kg；

步骤三：调整行走机构19的运动参数，控制焊接速度为1.5-4mm/s，并先执行一次移动命令，确定移动路径上没有干涉等问题后，再对行走机构19进行复位；

步骤四：关闭压力舱4的压力舱门，使用供气系统17对压力舱4内部输入压缩空气，按照实验所需水深水压充入等量压强的空气后再关闭供气系统，由压力表23实时监控压力舱4内的压力大小与变化，保压一段时间确定压力舱4内没有气体泄漏等问题；

步骤五：打开超声电源8，调节超声参数，超声振动频率为20-40khz，超声功率为1000-2000w，超声振幅为5-50μm；超声换能器12通过超声变幅杆13向待焊工件15的上表面施加超声震动，待超声换能器12预先工作一段时间且无问题后，再打开焊接电源6，调整所需焊接参数后，焊接电源6输出焊接电压为30-50v，焊接电流为150-300a，闭合焊接电源6，焊枪22与待焊工件15之间起弧后，启动行走机构的移动命令，行走机构19带动水箱20及待焊工件15沿预定方向移动完成焊接；

步骤六：焊接结束后，先关闭焊接电源6，再关闭超声电源8，最后打开压力舱4的泄压阀3进行泄压，待压力舱4内部压强降低至外界大气压强后，打开压力舱门，取出工件。

综上，本发明的模拟超声波辅助湿法焊接实验装置，超声变幅杆13与待焊工件15接触将超声波高频振动传递到焊接熔池21，该方法能够有效将超声波能量导入熔池21，借助高频振动导致的超声空化与声流效应改变金属结晶形态，细化焊缝组织；更重要的是能够促进熔池21中气泡及杂质快速上浮，弥补高压环境下熔池21气体难以逸出导致的焊缝气孔等缺陷；从而改善焊缝金属组织，减少气孔及夹渣缺陷，提高焊缝的综合力学性能。

以上仅是本发明的实施例而已，供气系统17由第一进气阀24控制通过第一进气管1向压力舱4内提供压缩空气，可模拟不同水深的压力条件，目前试验供气系统17提供模拟深水环境下的压力条件的水深度至200m。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“前”、“后”、“内”、“外”、“中间”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具备特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

惟以上所述者，仅为本发明的具体实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，故其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修改，皆应仍属本发明权利要求书涵盖之范畴。