基于超声能量场直接注入方式的超声辅助电弧焊接方法技术

本发明专利技术公开了一种基于超声能量场直接注入方式的超声辅助电弧焊接方法，将多个超声换能器与焊接正面压紧或背面支撑工装集成于一体，在换能器端部涂抹耐高温的超声耦合剂，然后将超声换能器沿待焊焊缝的两侧或单侧均布在距焊缝中心一定距离的工件表面，在装夹焊接工件的同时以一定的预紧力将换能器固定在其表面，并使超声换能器以斜射入方式将超声能量垂直于焊接方向入射焊缝，开启焊接系统进行焊接，同时启动超声电源依次驱动当前电弧位置其后一定距离的换能器，将产生的大功率超声能量利用换能器通过耦合剂直接注入焊接区域作用于焊接熔池，实现超声辅助焊接。本发明专利技术的超声系统和焊接系统独立，大幅提高了超声能量的有效利用率。

Ultrasonic assisted arc welding method based on direct injection of ultrasonic energy field

The invention discloses an ultrasonic assisted arc welding method based on the direct injection mode of ultrasonic energy field, which integrates multiple ultrasonic transducers with the welding front pressing or back supporting tooling, spreads the high temperature resistant ultrasonic coupling agent on the end of the transducer, and then distributes the ultrasonic transducer on the workpiece surface with a certain distance from the weld center along both sides or one side of the weld to be welded, At the same time of welding workpiece clamping, the transducer is fixed on its surface with a certain pre tightening force, and the ultrasonic energy is perpendicular to the welding direction and incident on the weld seam in the oblique way, the welding system is opened for welding, and the ultrasonic power is started to drive the transducer at a certain distance behind the current arc position in turn, and the generated high-power ultrasonic energy is transmitted through the transducer The coupling agent is directly injected into the welding area to act on the welding pool to realize ultrasonic assisted welding. The ultrasonic system and the welding system are independent, greatly improving the effective utilization rate of the ultrasonic energy.

【技术实现步骤摘要】
基于超声能量场直接注入方式的超声辅助电弧焊接方法
本专利技术涉及一种电弧焊接技术，具体涉及一种超声能量场辅助的电弧焊接方法，属于焊接

技术介绍
电弧焊接是一个局部、不均匀的加热及冷却过程，同时也是一个快速加热、快速凝固的过程，使得焊缝熔池金属的凝固结晶不均匀，导致焊接接头组织不均匀、晶粒粗大，快速凝固也是产生气孔、裂纹等缺陷的主要原因，影响接头性能。所以，获得组织均匀、晶粒细化、无缺陷的接头是焊接技术发展及进步的永恒追求。功率超声是超声学的一个分支学科，其频率范围从几千赫到几百千赫，功率范围从几瓦到几万瓦，作用于金属或合金凝固过程时由于周期性交变声场而产生一系列独特的力学效应、热效应、空化效应以及声流效应等，可改变或加速改变熔体或固熔混合体的凝固结晶状态，改善组织结构、减少凝固缺陷、提高力学性能。在普通电弧焊接过程中引入超声能，与焊接过程复合，改变普通焊接工艺的特性，以实现普通焊接难以达到的效果，形成超声辅助电弧焊接技术，是开发焊接新技术、解决普通电弧焊接工艺瓶颈问题切实可行的途径之一。目前，在电弧焊中引入超声波实现辅助焊接的方式大致可分为以下三种：通过母材引入、通过焊丝引入和通过焊枪引入。对于从母材引入的方式，专利(李占明，孙晓峰，何嘉武，等.一种超声振动辅助焊接试验装置[P].申请号：201810132620.9)利用换能器将超声电信号转化为机械振动，再利用变幅杆扩大振幅后冲击作用于焊接部位的母材，通过母材的机械振动实现对熔池金属的高频振动以改善凝固结晶；专利(林三宝，陈琪昊，杨春利，等.一种可细化焊接接头晶粒的超声电弧复合焊接方法[P].申请号：201510715844.9)利用换能器将超声电信号转化为机械振动，再利用变幅杆扩大振幅后通过与之连接的布置在母材焊接部位的滚轮将超声能量传导进入熔池；对于从焊丝和焊枪引入的方式，专利(杨春利，孙清洁，范阳阳.一种超声波与非熔化极电弧复合的焊接方法[P].申请号：200710144659.4，范成磊，谢伟峰，杨春利.一种超声电弧复合焊接装置[P].申请号：201410063336.2)利用换能器将超声电信号转化为机械振动，再利用变幅杆扩大振幅后作用于焊丝或焊枪，最终以电弧作为载体将超声传导后作用于焊接熔池金属。上述方法需使用变幅杆扩大超声振幅后方能发挥实际作用，为了保证超声振动系统工作效率最高，要求变幅杆固有频率与换能器输出频率相吻合以达到谐振状态，需特殊设计变幅杆的结构尤其是其端面结构，由于换能器在工作中其频率在一定范围内波动而非定值，要让变幅杆达到谐振状态比较困难；通过母材引入超声的方式，变幅杆或滚轮直接与母材接触，超声能量在接触界面空气中衰减，进入熔池的超声能量非常有限，这种方法本质上是超声驱动变幅杆使母材振动以影响熔池金属的凝固过程，而不是超声场直接作用于熔池金属，同时，如果超声施加位置保持不变，随着焊枪的移动，超声作用位置距离熔池变远，超声作用效果变差，如果采用滚轮的施加方式则受某些结构限制(如法兰)使得装备可达性较差；通过焊丝和焊枪引入超声的方式，需对送丝机构和焊枪进行特殊设计，要实现超声与送丝机构和焊枪良好耦合比较困难，而超声在空气中衰减损失严重，通过电弧传导进入熔池的超声能量非常有限，通过换能器—变幅杆—焊丝/焊枪—电弧—熔池的多级传递后，超声能量利用率较低；同时，超声从焊丝和焊枪引后最终通过电弧传导进入熔池，超声改变了电弧特性，影响电弧燃烧稳定性尤其是熔化极焊接的熔滴过渡，引起飞溅导致成形变差，工艺过程稳定性控制是难题。
技术实现思路
为了克服现有技术的上述缺点，本专利技术提出了一种基于超声能量场直接注入方式的超声辅助电弧焊接方法，用于实现两个工件的电弧焊接，包括：将多个超声换能器与焊接正面压紧或背面支撑工装集成于一体，在换能器端部涂抹耐高温的超声耦合剂，然后将超声换能器沿待焊焊缝的两侧或单侧均布在距焊缝中心一定距离的工件表面，在装夹焊接工件的同时以一定的预紧力将换能器固定在其表面，并使超声换能器以斜射入方式将超声能量垂直于焊接方向入射焊缝，开启焊接系统进行焊接，同时启动超声电源依次驱动当前电弧位置其后一定距离的换能器，将产生的大功率超声能量利用换能器通过耦合剂直接注入焊接区域作用于焊接熔池，实现超声辅助焊接。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于超声能量场直接注入方式的超声辅助电弧焊接方法，包括如下步骤：步骤一、布置超声换能器基于斜射入方式使超声垂直于焊接方向传导进入熔池的原则，将超声换能器及其端部的激励头通过螺纹连接成组合体，再与焊接正面压紧工装或背面支撑工装集成于一体，在激励头的端部均匀涂抹耐高温耦合剂，然后将超声换能器沿待焊焊缝的两侧或单侧均布在距焊缝中心一定距离L的位置，在装夹焊接工件的同时将超声换能器固定在焊接工件表面；步骤二、连接超声换能器利用多通道超声电源通过超声传输线缆连接超声换能器；步骤三、设置超声参数根据焊接工件的材料及厚度，在超声电源控制面板上设置并保存如下参数：超声频率为15-40KHz、驱动每个超声换能器的超声功率为50-500W；步骤四、超声辅助焊接工件启动焊接系统，采用现有焊接工艺对焊接工件进行焊接；同时，启动超声电源，依次驱动当前电弧位置其后一定距离W的超声换能器，将超声能量直接注入到焊接区域作用于熔池金属，进行超声辅助焊接；步骤五、结束焊接待整条焊缝焊接完成后，关闭焊接系统以及超声电源，将超声换能器及激励头连同焊接工装从焊接工件上取下，断开超声传输线缆，将焊接工件表面的耦合剂擦拭干净，完成超声辅助焊接。与现有技术相比，本专利技术的积极效果是：1.本专利技术的超声系统和焊接系统独立，不影响焊接电弧燃烧及熔滴过渡稳定性，不改变现有焊接生产工艺和流程，装备简单、工艺简洁，只需调节超声频率及功率两个参数即可利用超声的诸多特性，实现超声辅助焊接。2.本专利技术的超声能量经过换能器直接注入母材且在最短距离内经换能器—母材—熔池2级传导即进入熔池，避免了当前文献方法中超声能量需经过换能器—变幅杆—焊丝/焊枪—电弧—熔池的4级传递才能进入熔池，大幅提高了超声能量的有效利用率。3.本专利技术采用斜射入方式使超声垂直于焊接方向传导进入熔池，利用超声传播的指向性使得超声能量仅在换能器与熔池之间短距离的传播，减少了传播过程超声能量的损耗；同时，在换能器的激励头端部涂抹耐高温的超声耦合剂，与当前文献方法中不利用耦合剂直接通过母材引入超声的方法比较，大幅降低了超声在母材引入界面空气中的损耗；综合来看，本方法大幅提高了作用于焊接熔池的超声利用率，采用较低的超声能量即可实现文献介绍方法的目标，降低了对超声系统的要求。4、本专利技术的超声换能器端部的激励头，具有聚集超声能量、减少超声损失的作用，同时可根据焊接结构设计成不同结构，实现超声对焊接过程的加载，激励头材料无特殊要求，采用透声性能良好、可加工、耐一定温度(不超过400℃)即可，一般采用铝合金。5、本专利技术的超声换能器与焊接背面支撑或正面压紧工装集成于一体，简本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于超声能量场直接注入方式的超声辅助电弧焊接方法，其特征在于：包括如下步骤：/n步骤一、布置超声换能器/n基于斜射入方式使超声垂直于焊接方向传导进入熔池的原则，将超声换能器及其端部的激励头通过螺纹连接成组合体，再与焊接正面压紧工装或背面支撑工装集成于一体，在激励头的端部均匀涂抹耐高温耦合剂，然后将超声换能器沿待焊焊缝的两侧或单侧均布在距焊缝中心一定距离L的位置，在装夹焊接工件的同时将超声换能器固定在焊接工件表面；/n步骤二、连接超声换能器/n利用多通道超声电源通过超声传输线缆连接超声换能器；/n步骤三、设置超声参数/n根据焊接工件的材料及厚度，在超声电源控制面板上设置并保存如下参数：超声频率为15-40KHz、驱动每个超声换能器的超声功率为50-500W；/n步骤四、超声辅助焊接工件/n启动焊接系统，采用现有焊接工艺对焊接工件进行焊接；同时，启动超声电源，依次驱动当前电弧位置其后一定距离W的超声换能器，将超声能量直接注入到焊接区域作用于熔池金属，进行超声辅助焊接；/n步骤五、结束焊接/n待整条焊缝焊接完成后，关闭焊接系统以及超声电源，将超声换能器及激励头连同焊接工装从焊接工件上取下，断开超声传输线缆，将焊接工件表面的耦合剂擦拭干净，完成超声辅助焊接。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于超声能量场直接注入方式的超声辅助电弧焊接方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、布置超声换能器
基于斜射入方式使超声垂直于焊接方向传导进入熔池的原则，将超声换能器及其端部的激励头通过螺纹连接成组合体，再与焊接正面压紧工装或背面支撑工装集成于一体，在激励头的端部均匀涂抹耐高温耦合剂，然后将超声换能器沿待焊焊缝的两侧或单侧均布在距焊缝中心一定距离L的位置，在装夹焊接工件的同时将超声换能器固定在焊接工件表面；
步骤二、连接超声换能器
利用多通道超声电源通过超声传输线缆连接超声换能器；
步骤三、设置超声参数
根据焊接工件的材料及厚度，在超声电源控制面板上设置并保存如下参数：超声频率为15-40KHz、驱动每个超声换能器的超声功率为50-500W；
步骤四、超声辅助焊接工件
启动焊接系统，采用现有焊接工艺对焊接工件进行焊接；同时，启动超声电源，依次驱动当前电弧位置其后一定距离W的超声换能器，将超声能量直接注入到焊接区域作用于熔池金属，进行超声辅助焊接；
步骤五、结束焊接
待整条焊缝焊接完成后，关闭焊接系统以及超声电源，将超声换能器及激励头连同焊接工装从焊接工件上取下，断开超声传输线缆，将焊接工件表面的耦合剂擦拭干净，完成超声辅助焊接。


2.根据权利要求1所述的基于超声能量场直接注入方式的超声辅助电弧焊接方法，其特征在于：所述斜射入角度为45°。


3.根据权利要求1所述的基于超声能量场直接注入...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑森木，文远华，裴利程，林磊，陈勇，张万春，
申请(专利权)人：四川航天长征装备制造有限公司，
类型：发明
国别省市：四川;51