一种超声波随焊控制热裂纹的新方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于焊接及超声波技术领域，具体而言，本发明特别涉及一种采用超声波冲击方法控制焊接热裂纹的超声波随焊控制热裂纹的新方法及装置。
【背景技术】
[0002]铝及其合金具有比强度高、比重轻、易成型、耐腐蚀性等诸多优良特性，因此被广泛应用于航空、航天、机械制造等重要结构中。新型汽车、火车等民用产品为节约能源和提高性能，越来越多地采用高强铝合金材料，尤其一些高强铝合金薄板焊接结构件更为常见。但是由于铝合金本身固有的热、力学性能，如较宽的脆性温度区间、较大的线膨胀系数、较高的热导率等特性，使得焊接加工技术应用于铝合金薄板结构件时，表现出热裂倾向严重，容易产生热裂纹，从而给焊接结构的使用安全带来隐患。
[0003]焊接热裂纹是焊接过程中存在的常见问题，也是焊接构件的主要缺陷。焊接热裂纹主要是指焊接过程中，焊缝和热影响区金属冷却到固相线附近的高温区时所产生的裂纹，热裂纹一般产生在焊缝的结晶过程中，故又称结晶裂纹或凝固裂纹。结晶裂纹绝大多数产生在焊缝中心或者焊缝两侧，一般呈纵向分布于焊缝中心线，或呈弧形分布于中心线两侧，这些裂纹都是沿一次结晶的晶界分布，尤其是柱状晶，结晶裂纹主要是由结晶偏析引发。
[0004]为了防治焊接热裂纹，一般可以从冶金角度和力学角度着手。从冶金角度出发，主要通过借助焊丝调整焊缝的合金成分和结晶组织，从而减小脆性温度区间范围或提高材料在脆性温度区间的最低塑性值；或者采用诸如加入稀土元素等特殊的工艺措施，改善焊接冶金过程和焊缝凝固条件。从冶金角度可以在一定程度上减小热裂纹长度，降低材料的热裂敏感性，但并不能完全消除之。另外，由于结晶条件的改变，有时伴随焊缝强度的降低或将结晶裂纹转化为更难防治的液化裂纹，而且异质焊丝的加入会牺牲焊接接头部分使用性能，使其在实际应用中有一定的局限性。
[0005]从力学角度出发，主要是通过改善焊接时的应力状态来达到控制焊接热裂纹的目的。在焊接过程中对焊缝中处于脆性温度区间的金属额外施加一定的横向挤压应变，以抵消焊缝中本身固有的致裂拉伸应变，达到控制焊接热裂纹的目的。
[0006]此外，从力学角度出发，还有采用其它一些控制焊接热裂纹的方法，如随焊锤击法、随焊碾压法、随焊冲击碾压法、电磁法等，但这几种方法也都存在各自的不足。如随焊锤击法，噪音大、焊件表面成形不良、有不均匀不连续压痕存在、机械力度难以调整。随焊碾压法，设备体积大，碾压轮易与焊枪打弧，对焊件形状要求严格，很难用于实际生产。随焊冲击碾压法，冲击力大小、频率调节不便，且仍是接触式锤击，工件表面留有冲击痕迹，接头的疲劳强度受到影响。电磁法，电弧特性受到电磁干扰，焊接过程不稳定。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于提供一种超声波随焊控制热裂纹的新方法及装置，以实现简单、高效、节能环保且有效地控制焊接热裂纹。
[0008]为了实现上述目的，本发明提供的超声波随焊控制焊接热裂纹装置包括:机架；工件平台，设于所述机架上，用于承载待焊接工件；焊枪，设于所述机架上，并且与所述工件平台可相对移动地设于所述工件平台上方，用于焊接工件；超声波冲击装置，设于所述机架上，并位于所述焊枪的后方，保持特定的距离，所述超声波冲击装置的冲击头对焊接熔池后方处于脆性温度区间的冷凝状态的焊缝金属施加一横向挤压应变，抵消焊缝固有的致裂拉伸应变，从而避免焊接热裂纹的产生。
[0009]优选地，在上述超声波随焊控制焊接热裂纹装置中，还包括:平台行走机构，设于所述机架上，所述工件平台设于所述平台行走机构，所述平台行走机构用于驱动所述工件平台在水平面内前后左右移动，以实现所述工件平台和所述焊枪之间的相对移动。
[0010]优选地，在上述超声波随焊控制焊接热裂纹装置中，所述超声波冲击装置包括两个，两个所述超声波冲击装置的冲击头分别设置在与焊缝中心截面相垂直方向的两侧。
[0011 ] 优选地，在上述超声波随焊控制焊接热裂纹装置中，所述焊接平台的中心处设有用于和待焊接工件的焊缝对应的焊缝成型槽，且所述焊缝成型槽的形成材料为紫铜、宽度为4.5?8mm、深度为0.5?1.5mm,半径为2.5?16mm。
[0012]优选地，在上述超声波随焊控制焊接热裂纹装置中，所述焊枪、超声波冲击装置均是可调整地设于所述机架上，以便于调整所述焊枪、超声波冲击装置之间及所述焊枪、超声波冲击装置与待焊接工件之间的距离、角度。
[0013]优选地，在上述超声波随焊控制焊接热裂纹装置中，两个所述超声波冲击装置的作用位置都位于待焊接工件的焊接熔池中央与脆性温度区间的上限温度和下限温度对应的位置之间。
[0014]为了实现上述目的，本发明提供的超声波随焊控制热裂纹的新方法包括以下步骤:确定待焊接工件的焊接温度场；确定待焊接工件材料的脆性温度区间；将待焊接工件固定在一工作平台上；利用焊枪焊接待焊接工件，并在随着焊缝的延伸，对焊接熔池后方施加横向功率超声波，以使得焊缝中心获得横向挤压应力。
[0015]优选地，在上述超声波随焊控制热裂纹的新方法中，确定待焊接工件焊接温度场的步骤如下:取一个能够反映实际待焊接工件温度场的试验件；在实际焊接工艺下对该试验件施焊，测量该试验件的焊接温度场；确定试验件上焊接熔池中央与脆性温度区间上限温度和下限温度间的距离，从而确定待焊接工件的焊接熔池中央与脆性温度区间上限温度和下限温度间对应的距离。
[0016]优选地，在上述超声波随焊控制热裂纹的新方法中，在焊接熔池后方与焊缝中心截面相垂直方向的两侧均施加功率超声波。
[0017]优选地，在上述超声波随焊控制热裂纹的新方法中，超声波的作用位置位于待焊接工件的焊接熔池中央与待焊接工件的材料脆性温度区间上限温度和下限温度对应位置间的距离之间。
[0018]本发明的超声波随焊控制焊接热裂纹装置设置有用于控制焊接热裂纹的超声波冲击装置，并随着焊接热源同步移动，其可以对熔池后方处于脆性温度区间的冷凝状态的焊缝金属施加一横向挤压应变，抵消焊缝固有的致裂拉伸应变，从而消除焊接热裂纹的产生，从而满足了控制焊接热裂纹的力学条件。
[0019]同时，本发明由于采用超声脉冲振动作用，能够细化焊缝金属晶粒，并改变晶粒结晶的方向性，使组织趋于更加均匀，从冶金结晶和力学两个方面有效地控制了焊接热裂纹的产生。
[0020]其次，本发明结构简单可靠、受焊接空间限制小、效率高，超声振动的大小、调节方便，易于实现自动化；作用位置远离熔池，电弧稳定；焊缝属于自然成形、外观好；属于随焊控制，针对性强；不会引起焊缝金属组织成分的变化。
【附图说明】
[0021]图1为本发明的装置实施例的结构示意图；
[0022]图2为图1所示实施例的焊缝与超声波冲击装置的相对位置示意图；
[0023]图3为本发明的冷却曲线与常规焊冷却曲线对比图；
[0024]图4为实施本发明所形成的焊接温度场示意图。
[0025]如图1至图4所示，待焊接工件1，焊枪2，超声波冲击装置3、4，平台行走机构5，焊枪夹具6，超声波冲击装置夹具7、8，焊接电源9，氩气瓶10，循环水冷装置11，平台行走机构操作器12，超声波冲击装置发生器13、14，机架15，工作平台16，底座17，焊接夹具18，熔池20，焊接完成的焊缝191，尚未焊接形成的焊缝192，脆性温度区间200。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图和【具体