專利名稱：超聲波聚焦聲場與熔化極電弧焊接復合的焊接裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及焊接技術(shù)，具體說就是一種超聲波聚焦聲場與熔化極電弧焊接復合的 焊接裝置。
背景技術(shù)：
焊接在現(xiàn)代的工業(yè)生產(chǎn)中，已成為一種重要的金屬加工工藝，廣泛應用于金屬結(jié) 構(gòu)、橋梁、造船、航空、航天、海洋工程、核動力工程等工業(yè)部門。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，焊接 已經(jīng)發(fā)展成為一門獨立的學科。其中，熔化焊接的發(fā)展過程在某種意義上講可以說是焊接 熱源的發(fā)展過程。電弧自從19世紀80年代開發(fā)之后，作為焊接熱源不斷得到更新和完 善。隨著工業(yè)領(lǐng)域新材料和新結(jié)構(gòu)的不斷開發(fā)以及質(zhì)量控制要求的不斷提高，需要不斷地 開發(fā)新的焊接熱源和新的焊接工藝。從發(fā)展的趨勢來看，焊接逐步向高效率、高質(zhì)量、降 低勞動強度、降低能量消耗的角度發(fā)展。從這點出發(fā)，作為焊接熱源的電弧改進方向為 熱量高度集中可快速實現(xiàn)焊接過程，保證得到致密而強韌的焊縫。在該方向的指導下，近 年來開展了多種多樣的復合電弧焊方法研究，其中就包括超聲波與電弧焊接過程的復合。 200710144659. 4和200710144660. 7的專利中，分別公開了超聲波與非熔化極和熔化極電 弧焊復合的焊接方法。通過超聲振動裝置使焊接電極上產(chǎn)生超聲振動，電弧形態(tài)產(chǎn)生了明 顯的收縮現(xiàn)象，實現(xiàn)了電弧能量的集中。所得到的焊縫熔深增加，實現(xiàn)了普通焊接環(huán)境下的 高質(zhì)量焊接。但是，由聲波傳遞的特點可知，超聲波在輻射傳遞過程中輻射面半徑會逐漸擴 展，導致聲場能量密度隨著與超聲源的距離增大而迅速減小。同時，由于電弧焊電極截面積 較小，通過電極所能輻射的超聲功率有限。此外，焊接電極振動容易導致焊接過程中導電接 觸不良、送絲速度不穩(wěn)等不穩(wěn)定因素，不利于焊接過程穩(wěn)定持續(xù)進行。上述特點限制了超聲 與電弧焊復合方法的進一步發(fā)展。因此，在進一步增加電弧收縮程度，提高電弧能量密度方 面以及提高焊接過程穩(wěn)定性方面需要新的焊接裝置才能實現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種提高超聲波能量密度、改變電弧形態(tài)和能量密度、實 現(xiàn)高效高質(zhì)量焊接的超聲波聚焦聲場與熔化極電弧焊接復合的焊接裝置。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的它是由熔化極焊絲、導電桿、超聲波換能器、軸心通 孔超聲波變幅桿、焊接噴嘴、聚焦面、焊接電弧、被焊工件、焊接電源和超聲電源組成的，熔 化極焊絲穿過導電桿并與之保持滑動接觸狀態(tài)，包圍熔化極焊絲的導電桿穿過超聲波換能 器和超聲波變幅桿的軸心通孔，使熔化極焊絲的端部處于聚焦面所輻射的超聲波傳播空間 內(nèi)，軸心通孔的直徑大于導電桿的直徑，使導電桿與超聲波換能器和超聲波變幅桿之間并 不產(chǎn)生接觸，超聲波電源通過電纜與超聲波換能器之間連接，超聲波換能器與超聲波變幅 桿之間通過螺栓連接，使超聲波換能器的下端面與超聲波變幅桿的上端面之間緊密接觸， 聚焦面位于超聲波變幅桿的下端部，焊接電源通過電纜連接導電桿和被焊工件。本發(fā)明超聲波聚焦聲場與熔化極電弧焊接復合的焊接裝置，通過超聲波換能器和
3變幅桿產(chǎn)生和放大超聲波振動，利用變幅桿端面加工的特殊形狀的聚焦面實現(xiàn)超聲波輻射 匯聚。經(jīng)過匯聚的超聲波能量進一步提高，通過聚焦面輻射超聲波與焊接電弧進行直接復 合，以實現(xiàn)提高焊接效率及焊接質(zhì)量的目的。本發(fā)明不但能夠?qū)附与娀‘a(chǎn)生作用，使電弧 壓縮而提高電弧能量密度，增加焊縫熔深，改善焊縫成形。而且通過改變超聲波聚焦聲場的 能量分布可以對電極端部熔化的金屬產(chǎn)生力的作用，改變電極端部熔化金屬的過渡形式， 控制過渡過程。當應用于熔化極焊接短路過渡規(guī)范焊接參數(shù)范圍內(nèi)時，能夠大幅提高短路 過渡頻率，焊縫成形更均勻美觀，焊接飛濺和煙塵減少，在薄板焊接和全位置焊接實際應用 方面更充分發(fā)揮短路過渡形式的特點。當應用于熔化極焊接自由過渡焊接規(guī)范參數(shù)范圍內(nèi) 時，能夠大幅度提高熔滴脫離焊絲向焊接熔池過渡的頻率，使焊接過程穩(wěn)定均勻，焊縫熔深 增加，而且焊縫表面成形均勻一致，更能夠發(fā)揮自由過渡形式高熔敷效率和高效高速焊接 的特點。與傳統(tǒng)的熔化極電弧焊過程相比，本發(fā)明能夠改變電弧形態(tài)和產(chǎn)熱特點，以及熔化 金屬的過渡形式，實現(xiàn)高效率和高質(zhì)量的焊接，擴大了電弧焊的應用范圍。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明作進一步說明。實施例1 結(jié)合圖1，本發(fā)明一種超聲波聚焦聲場與熔化極電弧焊接復合的焊接 裝置，它是由熔化極焊絲(1)、導電桿(2)、超聲波換能器(3)、軸心通孔(4)超聲波變幅桿 (5)、焊接噴嘴(6)、聚焦面(7)、焊接電弧(8)、被焊工件(9)、焊接電源(10)和超聲電源 (11)組成的，熔化極焊絲(1)穿過導電桿(2)并與之保持滑動接觸狀態(tài)，包圍熔化極焊絲 ⑴的導電桿⑵穿過超聲波換能器⑶和超聲波變幅桿(5)的軸心通孔(4)，使熔化極焊 絲(1)的端部處于聚焦面(7)所輻射的超聲波傳播空間內(nèi)，軸心通孔(4)的直徑大于導電 桿⑵的直徑，使導電桿⑵與超聲波換能器⑶和超聲波變幅桿(5)之間并不產(chǎn)生接觸， 超聲波電源(11)通過電纜與超聲波換能器(3)之間連接，超聲波換能器(3)與超聲波變幅 桿(5)之間通過螺栓連接，使超聲波換能器(3)的下端面與超聲波變幅桿(5)的上端面之 間緊密接觸，聚焦面(7)位于超聲波變幅桿(5)的下端部，焊接電源(10)通過電纜連接導 電桿⑵和被焊工件(9)。實施例2 本發(fā)明通過超聲波換能器和變幅桿產(chǎn)生和放大超聲波振動，利用變幅 桿端面加工的特殊形狀的聚焦面實現(xiàn)超聲波輻射匯聚。經(jīng)過匯聚的超聲波能量進一步提 高，通過聚焦面輻射超聲波與焊接電弧進行直接復合，以實現(xiàn)提高焊接效率及焊接質(zhì)量的 目的。本發(fā)明的主要技術(shù)步驟如下(1)超聲波發(fā)生器通過電極與超聲波換能器相連，將超聲頻的電信號轉(zhuǎn)化為超聲 頻的機械振動；(2)超聲波換能器與超聲波變幅桿緊密連接，將超聲波換能器輸出的超聲振動振 幅放大；(3)超聲波變幅桿的端面加工成聚焦面，匯聚超聲輻射的能量；
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(4)在超聲波換能器和超聲波變幅桿的軸心加工通孔，熔化極焊接的焊絲和導電 桿穿過此通孔并與之保持同軸心。超聲波換能器和變幅桿的軸心通孔的直徑大于焊絲和導 電桿的直徑，因此導電桿和焊絲本身并不產(chǎn)生或傳導超聲振動；(5)超聲輻射能量通過超聲波變幅桿的聚焦面直接輻射輸出，使焊絲端部置于變 幅桿聚焦面所產(chǎn)生超聲波聚焦輻射空間中；(6)焊絲和導電桿進行連接，然后導電桿和工件分別連接焊接電源的電輸出端；(7)通過保護氣噴嘴送入電弧焊接所需的保護氣體，保護氣體從噴嘴流出后覆蓋 焊接區(qū)域；(8)啟動焊接電源和超聲波發(fā)生器，完成聚焦超聲_電弧復合焊接過程。本發(fā)明適用的電弧焊方法為熔化極電弧焊接方法，包括熔化極惰性氣體保護焊 (MIG)、熔化極活性氣體保護焊(MAG)、二氧化碳氣體保護焊(CO2焊)；本發(fā)明所述的聚焦面位于超聲波變幅桿端部，形狀為凹面；所述的超聲波發(fā)生器的功率為1-5000W，產(chǎn)生的超聲頻電信號頻率為15-lOOKHz ；所述的超聲頻電信號通過超聲波換能器轉(zhuǎn)化為超聲頻機械振動，其振動頻率為 15-1 OOKHz，振動幅度為 1-20 μ m。所述的超聲波變幅桿與超聲波換能器連接，將超聲振動振幅放大到10-150 μ m。所述的超聲波換能器和超聲波變幅桿具有軸心通孔，通孔直徑為l_20mm。本發(fā)明通過聚焦面直接輻射超聲波，由于聚焦面端面面積遠大于焊絲和導電桿的 端面面積，作用于焊接電弧的超聲波能量在功率和能量密度方面均有大幅提高。本發(fā)明的 熔化極焊絲和導電桿在焊接過程中不產(chǎn)生、不傳導超聲振動，有利于焊接過程穩(wěn)定進行。實施例3 結(jié)合圖1，本發(fā)明的工作過程如下首先將被焊工件(8)通過夾具固定 到焊裝平臺上。超聲電源(11)與超聲波換能器(3)相連，超聲功率通過超聲電源(11)在 1-5000W的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。利用超聲波換能器(3)將超聲電源(11)所產(chǎn)生的超聲頻電信 號轉(zhuǎn)化為頻率為15-lOOkHz之間的超聲振動，然后通過超聲波變幅桿(5)將振幅放大至 10-150 μ m。超聲波變幅桿(5)端部的聚焦面(7)對超聲輻射能量進行匯聚并直接輻射輸 出，形成超聲波聚焦聲場。導電桿(2)和熔化極焊絲(1)通過軸向通孔(4)送入，并使熔化 極焊絲(1)的端部處于聚焦面(7)前端的超聲波聚焦聲場內(nèi)。焊接過程中所需要的保護氣 體通過附加在變幅桿上的焊接噴嘴(6)通入，流出后覆蓋焊接區(qū)域，為焊接過程提供有效 保護。先后啟動焊接電源(10)和超聲波發(fā)生器(11)，在合適的焊接參數(shù)和超聲參數(shù)下進行 焊接過程。由于聚焦面端面面積遠大于焊絲和導電桿的端面面積，因此通過聚焦面直接輻 射輸出的作用于焊接電弧的超聲波能量在功率和能量密度方面均有大幅提高。對熔化極氣 體保護焊施加經(jīng)過聚焦的超聲波后，電弧有明更顯的壓縮作用，電弧的能量密度提高，挺直 性好，焊接過程穩(wěn)定，在被焊工件(8)上發(fā)現(xiàn)焊縫熔深進一步提高，焊縫成形均勻，保護效 果佳。此外，也對熔化極焊絲端部的熔化金屬過渡情況有所改進，在不同超聲能量分布情況 下可以控制熔化金屬的過渡。當應用于熔化極焊接短路過渡規(guī)范焊接參數(shù)范圍內(nèi)時，能夠 大幅提高短路過渡頻率，焊縫成形更均勻美觀，焊接飛濺和煙塵減少，在薄板焊接和全位置 焊接實際應用方面能夠更充分發(fā)揮短路過渡形式的特點。當應用于熔化極焊接自由過渡焊 接規(guī)范參數(shù)范圍內(nèi)時，能夠大幅度提高熔滴脫離焊絲向焊接熔池過渡的頻率，使熔化極焊 絲的熔敷效率提高，焊接過程穩(wěn)定均勻，焊縫熔深增加，而且焊縫表面成形均勻一致，更能夠發(fā)揮自由過渡形式高熔敷效率和高效高速焊接的特點。由于熔化極焊絲(1)和導電桿(2)本身不產(chǎn)生或傳導超聲振動，保證了焊接過程 中導電良好和送絲速度穩(wěn)定，焊接過程能夠持續(xù)穩(wěn)定進行，連續(xù)工作能力提高。本發(fā)明通過聚焦面實現(xiàn)了超聲輻射能量的匯聚并最終復合到電弧焊接過程中，有 效改進了作為焊接熱源的電弧的形態(tài)、產(chǎn)熱特點以及熔滴過渡特點，擴大了熔化極電弧焊 接方法的應用范圍。
權(quán)利要求
一種超聲波聚焦聲場與熔化極電弧焊接復合的焊接裝置，它是由熔化極焊絲(1)、導電桿(2)、超聲波換能器(3)、軸心通孔(4)、超聲波變幅桿(5)、焊接噴嘴(6)、聚焦面(7)、焊接電弧(8)、被焊工件(9)、焊接電源(10)和超聲電源(11)組成的，其特征在于熔化極焊絲(1)穿過導電桿(2)并與之保持滑動接觸狀態(tài)，包圍熔化極焊絲(1)的導電桿(2)穿過超聲波換能器(3)和超聲波變幅桿(5)的軸心通孔(4)，使熔化極焊絲(1)的端部處于聚焦面(7)所輻射的超聲波傳播空間內(nèi)，軸心通孔(4)的直徑大于導電桿(2)的直徑，使導電桿(2)與超聲波換能器(3)和超聲波變幅桿(5)之間并不產(chǎn)生接觸，超聲波電源(11)通過電纜與超聲波換能器(3)之間連接，超聲波換能器(3)與超聲波變幅桿(5)之間通過螺栓連接，使超聲波換能器(3)的下端面與超聲波變幅桿(5)的上端面之間緊密接觸，聚焦面(7)位于超聲波變幅桿(5)的下端部，焊接電源(10)通過電纜連接導電桿(2)和被焊工件(9)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超聲波聚焦聲場與熔化極電弧焊接復合的焊接裝置，其 特征在于所述的聚焦面(7)位于超聲波變幅桿(5)下端部，形狀為凹面。
全文摘要
本發(fā)明提供一種提高超聲波能量密度、改變電弧形態(tài)和能量密度、實現(xiàn)高效高質(zhì)量焊接的超聲波聚焦聲場與熔化極電弧焊接復合的焊接裝置。它是由熔化極焊絲、導電桿、超聲波換能器、軸心通孔超聲波變幅桿、焊接噴嘴、聚焦面、焊接電弧、被焊工件、焊接電源和超聲電源組成的，熔化極焊絲穿過導電桿并與之保持滑動接觸狀態(tài)，超聲波電源通過電纜與超聲波換能器之間連接，超聲波換能器與超聲波變幅桿之間通過螺栓連接，聚焦面位于超聲波變幅桿的下端部。本發(fā)明使電弧壓縮而提高電弧能量密度，增加焊縫熔深，改善焊縫成形。本發(fā)明能夠改變電弧形態(tài)和產(chǎn)熱特點以及熔化金屬的過渡形式，實現(xiàn)高效率和高質(zhì)量的焊接，擴大了電弧焊的應用范圍。
文檔編號B23K28/02GK101947696SQ20101029129
公開日2011年1月19日 申請日期2010年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月26日
發(fā)明者楊春利, 林三寶, 范成磊, 范陽陽 申請人:哈爾濱工業(yè)大學