一种铝合金脉冲超声电弧复合焊接装置及其焊接方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及铝合金焊接领域，具体涉及一种铝合金脉冲超声电弧复合焊接装置及 其焊接方法。
【背景技术】
[0002] 铝及其合金材料不仅具有比重小、强度高、热电导率高、耐腐蚀能力强，并且拥有 优良的物理特性和力学性能，所以近年来被广泛应用于航空、航天、汽车、机械制造等行业 领域，而随之相应的铝合金焊接因应力集中产生严重变形，或焊缝气孔、夹渣、未焊透等缺 陷，导致焊缝金属裂纹或材质疏松，严重影响了产品质量及性能。因此如何优化铝合金的 焊接技术已成为研宄的热点问题。超声波因在液体熔体中传播能够产生空化效应、声流 效应等超声波效应，故在材料热加工领域得到广泛应用。例如在液态金属成型过程中施 加超声波，能够打碎枝晶，明显细化凝固组织。超声电弧复合焊接在提高电弧能量密度， 细化焊缝晶粒，减小焊缝残余应力等方面取得了明显效果。申请号为200710144659. 4和 200710144660. 7的专利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，通过施加超声，电弧明显收缩，能量更加集中，焊缝熔深增加，而且焊缝组织明显细 化，接头质量提高。但是由于声辐射力的不足，在大规范焊接时，焊接热输入增加，更易出现 电弧不稳定情况，最终传入熔池内部能量极其有限，所以如何进一步提高声能利用率是超 声电弧复合焊接方法中的一个亟待解决的问题。超声波电源输出的功率在电弧焊接过程中 对熔融金属处理有极其重要的影响。根据文献"用高能超声制备金属基复合材料的现状与 发展，王俊，周尧和，舒光冀，《铸造》，1997 (12)，40-42"以及"超声波电源脉冲特性及其试验 研宄，李健.中南大学硕士研宄生论文，2010"报道，超声功率越大，金属熔体内部空化效应 越强，可使熔体凝固点降低，流动性增加，晶粒细化效果更加明显。脉冲电源具有输出高峰 值功率的特点，脉冲超声场与连续超声场声压特性有所不同，这种差异可能对铝合金焊接 接头产生重要影响。当超声作用时，超声场所引起的声流为金属熔体中液相流动最为主要 的形式，可用达西定律进行表述，其微分形式为：
[0003]
【主权项】
1. 一种铝合金脉冲超声电弧复合焊接装置，包括焊接电源（I)、电极（2)、换能器（9)、 超声发生系统，焊接电源（1)与电极（2)连接，电极由换能器中心穿过，超声发生系统与换 能器（9)连接，其特征在于：还包括电流电压检测电路（13)、DSP处理器（14)、单片机（10)、 三极管开关电路（11)和驱动电路（12);电流电压检测电路（13)与超声发生系统的匹配电 路⑶的输出端连接，电流电压检测电路（13)与DSP处理器（14)连接，DSP处理器（14)与 驱动电路（12)连接，单片机（10)与三极管开关电路（11)连接，三极管开关电路（11)与驱 动电路（12)连接，驱动电路（12)与超声发生系统的DC/AC全桥逆变电路连接（7);电流电 压检测电路（13)采集超声发生系统输出的流经换能器的电流电压信号，然后输入给DSP处 理器（14)，DSP处理器（14)做运算后，将PWM驱动信号以一定频率送至驱动电路（12)，通 过设定所需的脉冲频率与占空比，利用单片机（10)控制三极管开关电路（11)的开与关，进 而实现PWM驱动信号电流调制驱动电路（12)的流通与中断，从而实现超声发生系统以脉冲 方式工作，使其输出高峰值功率。
2. 根据权利要求1所述的一种铝合金脉冲超声电弧复合焊接装置，其特征在于：单片 机调控波形包括正弦波、方波和三角波。
3. 根据权利要求1-2任一项所述的一种铝合金脉冲超声电弧复合焊接装置得出的一 种铝合金脉冲超声电弧复合焊接方法，其特征在于，包括以下步骤： ① 清洗待焊工件焊接位置，将换能器放于待焊工件上方，同时固定待焊工件，非熔化极 铝合金板焊适合厚度3mm以下薄板焊接，待焊工件上表面与换能器下端面之间距离为12~ 28mm，超声脉冲频率大于30Hz，占空比大于70% ;而恪化极焊错合金板适合5mm以上厚板 焊接，待焊工件与换能器下端面之间距离5~15mm，脉冲频率1-20HZ，占空比小于百分之 70% ； ② 在焊接时，先启动焊接电源实现电弧引弧，待电弧稳定后，再启动脉冲超声源，换能 器将电能转换为机械振动，并将振动幅度放大，然后单片机控制三极管开关电路的开与关， 脉冲频率调节范围为IHz~10MHz，脉冲超声电弧复合作用于焊接恪池。
【专利摘要】本发明公开一种铝合金脉冲超声电弧复合焊接装置及其焊接方法。该装置在超声电弧复合焊接的基础上，还包括电流电压检测电路、DSP处理器、单片机、三极管开关电路和驱动电路；电流电压检测电路与超声发生系统的匹配电路的输出端连接，电流电压检测电路与DSP处理器连接，DSP处理器与驱动电路连接，单片机与三极管开关电路连接，三极管开关电路与驱动电路连接，驱动电路与超声发生系统的DC/AC全桥逆变电路连接，本焊接方法施加超声进行脉冲化处理，实现铝合金脉冲超声电弧复合焊接。本方法具有普通超声电弧复合焊接的优点，能够提高电弧挺度，增加焊缝熔深，细化晶粒，减小熔滴尺寸，提高过渡频率，减少飞溅，实现普通焊接环境下的高质量焊接，可有效减少铝合金焊接气孔及焊接裂纹等缺陷，优化焊缝组织，显著改善和提高焊接接头力学性能。
【IPC分类】B23K28-02
【公开号】CN104741805
【申请号】CN201510131475
【发明人】范成磊, 谢伟峰, 杨春利, 林三宝, 童赫
【申请人】哈尔滨工业大学
【公开日】2015年7月1日
【申请日】2015年3月18日