一种新型脉冲超声电弧复合焊接装置及其焊接方法与流程

本发明涉及一种新型脉冲超声电弧复合焊接装置及其焊接方法，属于电弧焊接及焊接冶金技术领域。

背景技术：

电弧焊接有操作简单、生产效率高、易于实现自动化的优点，被广泛应用于制造领域与工业领域，其包括汽车、航天、航空、造船、航海、兵器、能源及建筑等行业。在电弧焊接技术的发展历程中，始终以获得更加优质的焊接接头、更高的焊接效率为主要目标。传统电弧焊的不足主要为焊接效率低、接头变形、熔深小和接头组织粗大等。

基于此，如何能够实现优质、高效的电弧焊接技术已成为研究热点。超声在介质中传播时会产生一系列的效应，如力学效应、热效应、化学效应和生物效应等。力学效应如搅拌、分散、冲击破碎和声悬浮作用；热效应如声能被吸收而引起的整体加热，边界处局部加热等；化学效应如促进氧化、还原，促进金属晶粒细化等。电弧焊接过程可以概述为等离子体加热，填充物/母材熔化形成熔池，熔池凝固形成焊缝组织。超声的力学效应应该能够影响电弧等离子体形态与熔池振荡，热效应则有可能改变焊接能量，化学效应则可能会改善焊缝组织提高焊接接头性能，因此，超声-电弧复合焊接方法诞生了。已有专利，申请号为200710144659.4和200710144660.7，分别公开了超声波与非熔化极和熔化极电弧焊接过程复合的焊接方法以及申请号为201510131475.9的专利公开了铝合金脉冲超声电弧复合焊接方法。根据文献“超声-电弧等离子体作用机制及焊接特性研究，谢伟峰.哈尔滨工业大学博士研究生论文，2016，第六章”报道，铝合金焊接过程中，采用脉冲超声电弧复合焊接方法时，焊接过程更加稳定，焊缝晶粒细化明显，焊接接头力学性能提高明显。但是，该方法的超声间歇存在，脉冲峰值不可调，基值无超声作用，由驻波公式可知，基值无超声作用时当峰值再次作用时需要一定时间重新构造驻波声场，使得脉冲过程中声场波动较大，不利于对电弧、熔滴进行控制，同时传入熔池内部的超声能量有限。根据图书“张文钺,张炳范,杜则裕.焊接冶金学:基本原理[m].机械工业出版社,1995.”与文献“郭晓亮,周生刚,竺培显,等.功率超声对合金熔体处理和晶粒细化的研究现状[j].热加工工艺,2016,45(7):6-10.”可知，周期性变化的电弧形态能够搅拌熔池，改善焊缝组织，传入熔池内部的超声能够促使晶粒细化、组织演变，超声空化则是声至焊缝组织变化的主要原因，其产生的阈值条件：

pb＝p0+pc

式中：pb为空化阈值，p0为静压力，pc为液体强度，

式中：pv为泡内蒸气压，σ为表面张力系数，r0为空化核的初始半径。

当超声作用于液体，交变声压的幅值大于液体中的静压力时，声压的负压相中的峰值不仅可以抵消液体静压力，还在液相局部形成负压作用区，若负压能够克服液体分子间结合力时，这一区域将会形成空腔，即产生空化泡；当正压相到来时，空化泡产生闭合、崩塌，即为声空化。因此，如何能够获得稳定变化的脉冲超声场，还能提高熔池内部超声能量的输入，提升熔池内部的空化效应，是当前急需解决的一个问题。

技术实现要素：

本发明是为了解决现有的脉冲超声场输出不稳定，换能器散热不良，无法长时间工作，设备操作复杂、精度要求高的问题，进而提供了一种新型脉冲超声电弧复合焊接装置。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种新型脉冲超声电弧复合焊接装置，它包括超声电源、换能器、换能器行走平台、焊接电源、电极、电极夹、电极行走平台、变幅杆及水冷系统，其中换能器与变幅杆连接，变幅杆设置在水冷系统内，换能器通过换能器行走平台实现其沿水平方向及竖直方向的位移，电极穿设在换能器的中心孔内，电极的上部通过电极夹固定在电极行走平台上，且通过电极行走平台实现其沿水平方向及竖直方向的位移，焊接电源与电极之间通过导线连接，超声电源与换能器之间通过导线连接。

进一步地，换能器在换能器行走平台上的位移调节精度以及电极在电极行走平台上的位移调节精度均为0.01±mm。

进一步地，所述水冷系统包括壳体及设置在壳体内的冷却水管，变幅杆穿设在壳体内，所述冷却水管盘设在变幅杆的外壁上，且冷却水管的进水口穿过壳体的上部与外部水源连通，冷却水管的出水口穿过壳体的下部与外部储水单元连接。

进一步地，所述冷却水管为耐高温聚四氟乙烯材质。

进一步地，电极夹采用绝缘材料，其与电极行走平台之间通过螺钉固接。

一种使用上述焊接装置的焊接方法，它包括如下步骤：

步骤一、焊前充分清理待焊工件表面，固定待焊工件，通过换能换能器行走平台将换能器的水平位置固定，此位置即为焊接起始位置；

步骤二、调整电极行走平台，由上到下将电极从换能器的中心孔穿出，其中熔化极焊接时，换能器底端面距待焊工件表面距离8mm～15mm，熔化极焊接时，换能器底端面距工件表面距离14mm～24mm；

步骤三、调整并确定超声电源与焊接电源的参数，通焊接保护气，进行普通焊接，随后打开超声电源进行超声辅助焊接，超声电源提供的脉冲功率电信号经换能器转换后形成超声振动，变幅杆能够响应1hz-2000hz的功率变化，振动信号经变幅杆放大，由变幅杆下端面发出；脉冲超声经电弧、保护气幅射入熔池中，熔池在超声的作用下发生声空化效应与声流效应；待焊接完成时先关闭焊接电源，再关闭超声电源，焊接工作结束。

进一步地，超声电源输出的电信号为20khz-100khz，超声输出功率调节范围为1w-3000w，超声电源实现脉冲功率输出，脉冲功率频率范围为0.01hz-2000hz，峰值与基值调节范围均为1w-3000w，占空比为0-100％。

进一步地，在低频率0.01hz-10hz时，基值阶段的电弧形态大于峰值阶段的电弧形态，且基值阶段与峰值阶段的电弧形态均压缩明显，电弧形态随脉冲频率的变化而变化，电弧脉动特性明显，在频率大于10hz时，在热惯性的作用下，电弧形态稳定压缩，在非熔化极焊接中适用的脉冲频率范围为0.01hz-2000hz，熔化极焊接中适用脉冲频率范围为10hz-2000hz。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

本申请通过控制超声电源功率按照一定的频率输出，获得脉冲超声，实现了脉冲峰值与基值均可调，使得二者能够任意比例匹配；换能器行走平台与电极行走平台、换能器与电极各自独立，通过行走平台，可实现二者同轴匹配，可随意调节各自竖直方向的距离，且互不干扰，极大提高了设备使用精度，能够准确的获得声场参数与电极参数的匹配；

本申请设置了水冷系统，其覆盖了整个变幅杆，使得焊接装置均能够得到有效冷却，能够保证设备长时间使用。

本申请与现有的脉冲超声/超声电弧复合焊接方法相比，超声作用效果更佳明显，装置使用更加方便、稳定性更佳，其适用于焊接各种金属材料，能够调控电弧形态，改善熔滴过渡，提高熔覆效率，增加焊缝熔深，细化焊缝晶粒，使焊缝成分分布更加均匀，减少焊接气孔缺陷，提高焊接接头质量。

本申请保留了原有脉冲超声高峰值功率的特点，又引入了基值超声，有效提高了熔池内的超声强度，对焊接熔池产生更加明显的影响。

附图说明

图1为本申请的结构示意图；

图2为水冷系统的结构示意图(其中冷却水管下部为截面示意图，×表示进水，·表示出水)；

图3为脉冲超声控制电弧形态的示意图；

图4为脉冲超声对熔池作用的示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～4说明本实施方式，一种新型脉冲超声电弧复合焊接装置，它包括超声电源1、换能器2、换能器行走平台3、焊接电源4、电极5、电极夹6、电极行走平台7、变幅杆8及水冷系统9，其中换能器2与变幅杆8连接，变幅杆8设置在水冷系统9内，换能器2通过换能器行走平台3实现其沿水平方向及竖直方向的位移，电极5穿设在换能器2的中心孔内，电极5的上部通过电极夹6固定在电极行走平台7上，且通过电极行走平台7实现其沿水平方向及竖直方向的位移，焊接电源4与电极5之间通过导线连接，超声电源1与换能器2之间通过导线连接。

根据所选焊接方法，焊接电源4可分为gmaw电源与gtaw电源；

根据所选焊接方法，电极5可分为熔化电极5与非熔化极电极5；在非熔化极焊接时，钨极高度可通过电极行走平台7进行高精度调节，调节精度为0.01±mm。在熔化极焊接时，导电嘴距工作台的距离可通过电极行走平台7进行高精度调节，调节精度为0.01±mm。

通过调节电极行走平台7将电极5由换能器2的中心孔穿出；通过调节电极行走平台7与换能器行走平台3实现对电极5、换能器2距工件10表面距离的控制。

换能器行走平台3与电极行走平台7的控制下换能器2与电极5可在空间任意位置实现良好衔接，且二者调节互不干扰。电极行走平台7控制电极5水平/竖直移动，位移精度0.01mm，换能器行走平台3控制换能器2水平/竖直移动，位移精度0.01mm，通过调整电极5与换能器2的水平位置，可使电极5由换能器2中心孔穿出，且电极5与换能器2内壁不接触。

换能器2与换能器行走平台3之间的连接方式，以及电极5与电极行走平台7之间的连接方式均无限制，只要能够实现换能器2及电极5的水平或竖直位移即可，如通过导轨滑动连接。

水冷系统9下部设置有出水口92-2，上部设置有进水口92-1。复合焊接装置工作时，循环水由进水端流入，出水端流出，水流速度可调，调节范围为1m/min-10m/min。通过水冷系统9能够实现对变幅杆8的持续冷却，有效杜绝了电极5、换能器2产生的热量对超声电源1的影响，并且使得剩余的热量不会影响电极5、换能器2正常工作，实现了本申请脉冲超声电弧复合焊接装置的连续工作。

超声电源1可实现脉冲功率输出，超声电源1提供的脉冲功率电信号经换能器2转换后形成超声振动，变幅杆8能够响应1hz-2000hz的功率变化，振动信号经变幅杆8放大，由变幅杆8端面发出。本申请所述的脉冲超声即为超声电源1输出的脉冲信号。

控制系统中交互接口输入想要的工作参数，单片机驱动电路，经双向桥dc-dc变换电路，通过控制两个全桥变换器的驱动脉冲，在变压器原边和副边产生具有相移的方波信号，通过对方波移相角的调节便可以调节功率的大小和流向(匹配电路)，电信号传出，输入到超声换能器2，输出不同脉冲超声。

通过控制系统控制超声电源1输出频率，进而调整脉冲峰值与基值，具体为：通过设置控制系统，使得脉冲超声基值与峰值均以一定的功率稳定输出；脉冲超声输出波形为方波，脉冲基值与峰值可调范围相同，可调范围为0w～超声电源1的最大功率；超声电源1可直接设置需要的脉冲峰值/基值功率及频率，占空比可调；

换能器2在换能器行走平台3上的位移调节精度以及电极5在电极行走平台7上的位移调节精度均为0.01±mm。换能器行走平台3/电极行走平台7均配有电子屏幕，其能够实时显示位移距离。

所述水冷系统9包括壳体91及设置在壳体91内的冷却水管92，变幅杆8穿设在壳体91内，所述冷却水管92盘设在变幅杆8的外壁上，且冷却水管92的进水口92-1穿过壳体91的上部与外部水源连通，冷却水管92的出水口92-2穿过壳体91的下部与外部储水单元连接。如此设计，通过设置冷却水管92实现对变幅杆8的全方位冷却。所述外部储水单元采用现有技术中能够实现储水的结构，如水箱，在此不再缀述。

所述冷却水管92为耐高温聚四氟乙烯材质。

电极夹6采用绝缘材料，其与电极行走平台7之间通过螺钉固接。电极夹6具有一定的耐高温性。

一种使用上述焊接装置的焊接方法，它包括如下步骤：

步骤一、焊前充分清理待焊工件表面，固定待焊工件，通过换能换能器行走平台3将换能器2的水平位置固定，此位置即为焊接起始位置；

步骤二、调整电极行走平台7，由上到下将电极5从换能器2的中心孔穿出，其中熔化极焊接时，换能器2底端面距待焊工件表面距离8mm～15mm，熔化极焊接时，换能器2底端面距工件表面距离14mm～24mm；

步骤三、调整并确定超声电源1与焊接电源4的参数，通焊接保护气，进行普通焊接，随后打开超声电源1进行超声辅助焊接，超声电源1提供的脉冲功率电信号经换能器2转换后形成超声振动，变幅杆8能够响应1hz-2000hz的功率变化，振动信号经变幅杆8放大，由变幅杆8下端面发出；脉冲超声经电弧、保护气幅射入熔池中，熔池在超声的作用下发生声空化效应与声流效应；待焊接完成时先关闭焊接电源4，再关闭超声电源1，焊接工作结束。根据实际焊接产品质量，超声电源1参数主要为峰值功率/基值功率/脉冲频率，焊接电源4参数主要为焊接电流/焊接电压。所述普通焊接指普通gmaw焊或gtaw焊。电弧在脉冲超声的作用下脉动变化(收缩-扩张)，能够搅拌液态熔池，同时超声传入熔池能够发生空化效应和声流效应，其中声空化效应与声流效应能够改善熔体凝固组织，同时，本申请还具有脉冲电弧搅拌熔池的作用，实现了电弧搅拌、超声辅助双重调控熔池凝固的效果，与现有技术相比，其改善焊缝组织的效果更佳，在熔化极焊接中，电弧形态压缩能够提高电弧能量，提高电弧能够促进熔滴过渡，同时，超声亦能促进熔滴过渡(电弧形态压缩电弧能量提升)，过渡频率增加，最终脉冲超声的引入能够显著增加焊接熔覆效率，提高焊接接头质量。焊接过程中始终存在超声，使得超声调控效果更佳。焊接过程中，将换能器行走平台3与电极行走平台7分别调整好参数后固定不动，母材放在焊接平台上，焊接平台运动，形成焊缝。

超声电源1输出的电信号为20khz-100khz，超声输出功率调节范围为1w-3000w，超声电源1实现脉冲功率输出，脉冲功率频率范围为0.01hz-2000hz，峰值与基值调节范围均为1w-3000w，占空比为0-100％。

在低频率0.01hz-10hz时，基值阶段的电弧形态大于峰值阶段的电弧形态，且基值阶段与峰值阶段的电弧形态均压缩明显，电弧形态随脉冲频率的变化而变化，电弧脉动特性明显，在频率大于10hz时，在热惯性的作用下，电弧形态稳定压缩，在非熔化极焊接中适用的脉冲频率范围为0.01hz-2000hz，熔化极焊接中适用脉冲频率范围为10hz-2000hz。结合图3，输出的脉冲会对电弧产生影响。与普通gtaw/gmaw电弧相比，电弧形态至少收缩10％。基值电弧与峰值电弧形态随频率交替存在，高频时基值与峰值的电弧形态无差异，即稳定压缩。