一種超聲電弧復(fù)合焊接裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種超聲電弧復(fù)合焊接裝置，包括導(dǎo)電桿(1)、超聲換能器(2)、第一級超聲變幅桿(4)、焊接噴嘴(7)、熔化電極(10)、超聲電源(13)、水冷系統(tǒng)(14)和焊接電源(15)，本裝置還包括第二級超聲變幅桿(6)和超聲發(fā)射端(8)，超聲換能器(2)連接第一級超聲變幅桿(4)，第一級超聲變幅桿(4)連接第二級超聲變幅桿(6)，第二級超聲變幅桿(6)連接超聲發(fā)射端(8)，超聲發(fā)射端(8)的下端為喇叭口狀，在喇叭口上開有多個通氣孔(9)，本發(fā)明采用兩級變幅桿超聲放大以及喇叭口狀發(fā)射端可以大大提高聲輻射能力，有效減少聲散射效應(yīng)，整體提高了聲輻射效率。
【專利說明】一種超聲電弧復(fù)合焊接裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及電弧焊及電弧冶煉領(lǐng)域，具體涉及一種超聲電弧復(fù)合焊接裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，世界主要工業(yè)國家生產(chǎn)的焊接結(jié)構(gòu)占到鋼產(chǎn)量的50-60%。其中弧焊的應(yīng)用最為廣泛。電弧焊是通過焊槍將氣體(如惰性氣體氬氣和氮氣)轉(zhuǎn)換為等離子高焓氣體，并以其為熱源的冶煉連接方法。為了拓展電弧焊的應(yīng)用范圍以及進一步提高焊接效率，出現(xiàn)了許多新的弧焊方法，通過對焊接熱源的調(diào)控以改善正常規(guī)范下的電弧特性及焊縫熔池形貌，如高頻脈沖氬弧焊、激光增強電弧復(fù)合焊及雙鎢極TIG焊等?；谕焕砟?，也鑒于超聲振動的相關(guān)優(yōu)點，越來越多學(xué)者將超聲振動引入到焊接中，如超聲電弧焊接、焊后超聲沖擊處理、功率超聲焊接等。其中在超聲波與電弧復(fù)合焊方面，已有技術(shù)中，申請?zhí)枮?00710144659.4和200710144660.7的專利分別公開了超聲波與非熔化極和熔化極電弧焊接過程復(fù)合的焊接方法。通過在電弧焊中引入超聲，電弧收縮明顯，能量更加集中，焊縫的熔深增加，根據(jù)文獻“基于超聲振動的304不銹鋼TIG焊接，范陽陽，孫清潔，楊春利，《焊接學(xué)報》，30 (2)，91-94”報道，超聲電弧焊接焊縫內(nèi)部組織出現(xiàn)明顯細化，接頭質(zhì)量得到提高。但根據(jù)聲傳播的特點可知，聲波傳播過程受溫度，煙塵等因素導(dǎo)致的能量衰減很厲害，如何進一步提高聲福射能力，降低聲衰減是超聲電弧復(fù)合焊接裝備開發(fā)中的一個難點。在申請?zhí)枮?01010291292.0的專利中，公開了一種超聲聚焦聲場與熔化極電弧復(fù)合焊接裝置，其特點是將凹面聚焦聲發(fā)射端焦點作用于熔滴過渡位置以提高焊接效率，但在獲得局部聲輻射能力提高的同時忽略了聲場的整體效應(yīng)，因為輻射端面較小，對小規(guī)范焊接更有利，對大規(guī)范焊接而言，聲回復(fù)力不足易導(dǎo)致電弧不夠穩(wěn)定。另外需要注意的是，功率超聲在空氣中應(yīng)用也存在一定難點，一是普通的換能器同氣體介質(zhì)的聲阻抗嚴重失配；另一個就是超聲在氣體介質(zhì)中的快速衰減，這在一定程度上也弱化了電弧空間聲輻射能力。所以針對超聲電弧焊接領(lǐng)域，進一步解決功率超聲發(fā)生裝置聲阻抗匹配，優(yōu)化發(fā)射端形狀，提高設(shè)備穩(wěn)定性，拓展應(yīng)用領(lǐng)域是未來發(fā)展方向。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是為解決上述不足，提供一種超聲電弧復(fù)合焊接裝置。
[0004]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0005]一種超聲電弧復(fù)合焊接裝置，包括導(dǎo)電桿、超聲換能器、第一級超聲變幅桿、焊接噴嘴、熔化電極、超聲電源、水冷系統(tǒng)和焊接電源，其特征在于:還包括第二級超聲變幅桿和超聲發(fā)射端，超聲換能器連接第一級超聲變幅桿，第一級超聲變幅桿連接第二級超聲變幅桿，第二級超聲變幅桿連接超聲發(fā)射端，超聲發(fā)射端外面包裹有焊接噴嘴，超聲發(fā)射端的下端為喇叭口狀，在喇叭口上開有多個通氣孔，超聲電源與超聲換能器相連，水冷系統(tǒng)與第一級超聲變幅桿上的水冷通孔連接，超聲換能器、第一級超聲變幅桿、第二級超聲變幅桿和超聲發(fā)射端的中心開有同心的軸心通孔，導(dǎo)電桿位于軸心通孔內(nèi)，且不與超聲換能器、第一級超聲變幅桿、第二級超聲變幅桿和超聲發(fā)射端相接觸，焊接電源的兩極分別與導(dǎo)電桿和待焊工件連接，導(dǎo)電桿為空心，熔化電極穿過導(dǎo)電桿內(nèi)部，熔化電極與待焊工件之間形成焊接電弧。
[0006]本發(fā)明還具有如下特征:
[0007]1、所述的超聲發(fā)射端的喇叭口上部外徑與第二級超聲變幅桿外徑相同。
[0008]2、所述的第一級超聲變幅桿和第二級超聲變幅桿的放大系數(shù)均介于6?10之間。
[0009]3、所述的熔化電極或為非熔化電極時，導(dǎo)電桿為實心電桿，非熔化電極嵌于導(dǎo)電桿下方。
[0010]4、所述的第一級超聲變幅桿和第二級超聲變幅桿橫截面大小不相同。
[0011]本發(fā)明具有如下有益的效果:由于焊接過程工況比較復(fù)雜，而聲振動有很高的非線性，在聲發(fā)射端與工件之間的聲傳播，受焊接高溫與煙塵影響可利用聲能量損耗較大，本發(fā)明兩級變幅桿超聲放大以及喇叭口狀發(fā)射端能夠大大提高聲輻射能力。采用變截面喇叭口狀發(fā)射端的設(shè)計可以明顯減少能量從基頻模態(tài)的遷移，考察總的能量輸入與總耗散的能量之比發(fā)現(xiàn)，逐漸擴大的截面喇叭口有利于抑制低次諧波。在厚度方向振動的聲波，經(jīng)過發(fā)射端內(nèi)部反射進入輻射空間，達到一種聲束聚焦效果，有效減少聲散射效應(yīng)，整體提高了聲輻射效率。另外，帶通氣孔的喇叭口狀超聲發(fā)射端設(shè)計也可有效解決焊接保護氣不足的問題。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為本發(fā)明的正面整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013]圖2為本發(fā)明的超聲發(fā)射端俯視圖；
[0014]圖3為本發(fā)明的非熔化電極導(dǎo)電桿結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖4為本發(fā)明的熔化電極導(dǎo)電桿結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的說明:
[0017]實施例1
[0018]一種超聲電弧復(fù)合焊接裝置，包括導(dǎo)電桿1、超聲換能器2、第一級超聲變幅桿4、焊接噴嘴7、熔化電極10、超聲電源13、水冷系統(tǒng)14和焊接電源15，本裝置還包括第二級超聲變幅桿6和超聲發(fā)射端8，超聲換能器2通過螺栓與第一級超聲變幅桿4緊固連接，第一級超聲變幅桿4通過螺栓與第二級超聲變幅桿6緊固連接，第二級超聲變幅桿6通過螺栓與超聲發(fā)射端8緊固連接，超聲發(fā)射端8外面包裹有焊接噴嘴7，超聲發(fā)射端8的下端為喇叭口狀，在喇叭口上開有多個通氣孔9，超聲電源13與超聲換能器2相連，第一級超聲變幅桿4上開有環(huán)向水冷通孔5，水冷系統(tǒng)14通過管道與水冷通孔5連接，超聲換能器2、第一級超聲變幅桿4、第二級超聲變幅桿6和超聲發(fā)射端8的中心開有同心的軸心通孔3，導(dǎo)電桿I位于軸心通孔3內(nèi)，且不與超聲換能器2、第一級超聲變幅桿4、第二級超聲變幅桿6和超聲發(fā)射端8相接觸，焊接電源15的兩極通過電纜分別與導(dǎo)電桿I和待焊工件12連接，導(dǎo)電桿I為空心，熔化電極10穿過導(dǎo)電桿I內(nèi)部，熔化電極10與待焊工件12之間形成焊接電弧11。所述的超聲發(fā)射端8的喇叭口上部外徑與第二級超聲變幅桿6外徑相同。所述的第一級超聲變幅桿4和第二級超聲變幅桿6的放大系數(shù)均介于6?10之間。所述的第一級超聲變幅桿4和第二級超聲變幅桿6橫截面大小不相同。
[0019]實施例2
[0020]本實施例的裝置與實施例1相同，其不同點在于采用的電極為非熔化電極，導(dǎo)電桿I為實心電桿，非熔化電極嵌于導(dǎo)電桿I下方與其緊密連接。
[0021]實施例3
[0022]由換能器產(chǎn)生的機械振動，首先經(jīng)第一級超聲變幅桿振幅放大后，再進入第二級放大，通過凹面喇叭口形狀的超聲發(fā)射端以超聲波形式輻射出去，可以實現(xiàn)更大超聲能量傳入電弧空間。通過在超聲發(fā)射端上開有一定數(shù)量的通氣孔，可有效改善焊接保護效果不足的問題。
[0023]實施例4
[0024]超聲電源的電信號通過換能器轉(zhuǎn)換為機械振動，由于換能器的機械振動較小，米用兩級超聲波變幅桿將振幅放大到25-250 μ m,最后振動經(jīng)超聲發(fā)射端傳入焊接電弧，上述裝置可以在15kHz到2MHz的超聲振動下工作。焊接過程的保護氣通過附加在超聲波第二級變幅桿上的焊接噴嘴流入，經(jīng)過發(fā)射端的通氣孔和外圍進而覆蓋焊接區(qū)域。超聲電源的輸入功率可以在IW到1000W之間連續(xù)調(diào)節(jié)。先后啟動焊接電源和超聲電源，在適合的焊接參數(shù)和超聲參數(shù)下進行焊接過程。由于超聲發(fā)射端面積遠大于電極和導(dǎo)電桿端面面積，另外由于類似錐面設(shè)計的喇叭口狀發(fā)射端聲聚焦能力更強，因此通過發(fā)射端直接輻射輸出作用于電弧的超聲能量在功率和能量密度方面均有大幅度提高。在熔化極立焊工藝試驗中，對比不加超聲，加超聲后焊接飛濺和煙塵明顯減弱，熔滴過渡軌跡由普通的拋物線變?yōu)橹本€，熔滴過渡頻率明顯加快，焊接過程穩(wěn)定均勻，焊縫熔深增加，表面成形均勻一致，焊接效率和質(zhì)量均得到了提高。
[0025]對超聲電弧焊接用的氣介式大功率超聲換能器，由于換能器的聲阻抗與氣體的聲阻抗相差甚遠。因而存在嚴重的阻抗失配問題。為了改善聲匹配，提高氣介式超聲換能器的輻射效率，目前采用解決辦法有兩種:一種是利用多層匹配板或半波長匹配層，以提高空氣換能器的輻射效率；二是利用大振動輻射板，起到阻抗匹配的作用。對于多層匹配板換能器，由于聲波的多次反射以及匹配材料的選擇等問題，限制了其廣泛的應(yīng)用。
[0026]將縱向振動夾心式換能器與帶喇叭口狀發(fā)射端的兩級變幅桿組成復(fù)合式換能器，利用縱向振動換能器的高效大功率以及特定發(fā)射端的低輻射阻抗、大輻射面積等特點，能有效克服現(xiàn)有超聲電弧焊技術(shù)中聲輻射力小，恢復(fù)力弱，電弧穩(wěn)定性差等問題。
【權(quán)利要求】
1.一種超聲電弧復(fù)合焊接裝置，包括導(dǎo)電桿(I)、超聲換能器(2)、第一級超聲變幅桿(4)、焊接噴嘴(7)、熔化電極(10)、超聲電源(13)、水冷系統(tǒng)(14)和焊接電源(15)，其特征在于:還包括第二級超聲變幅桿(6)和超聲發(fā)射端(8)，超聲換能器(2)連接第一級超聲變幅桿(4)，第一級超聲變幅桿(4)連接第二級超聲變幅桿(6)，第二級超聲變幅桿(6)連接超聲發(fā)射端(8)，超聲發(fā)射端(8)外面包裹有焊接噴嘴(7)，超聲發(fā)射端(8)的下端為喇叭口狀，在喇叭口上開有多個通氣孔(9)，超聲電源(13)與超聲換能器(2)相連，水冷系統(tǒng)(14)與第一級超聲變幅桿(4)上的水冷通孔(5)連接，超聲換能器(2)、第一級超聲變幅桿(4)、第二級超聲變幅桿(6)和超聲發(fā)射端(8)的中心開有同心的軸心通孔(3)，導(dǎo)電桿(I)位于軸心通孔(3)內(nèi)，且不與超聲換能器(2)、第一級超聲變幅桿(4)、第二級超聲變幅桿(6)和超聲發(fā)射端(8)相接觸，焊接電源(15)的兩極分別與導(dǎo)電桿(I)和待焊工件(12)連接，導(dǎo)電桿⑴為空心，熔化電極(10)穿過導(dǎo)電桿⑴內(nèi)部，熔化電極(10)與待焊工件(12)之間形成焊接電弧(11)。
2.如權(quán)利要求1所述的一種超聲電弧復(fù)合焊接裝置，其特征在于:所述的超聲發(fā)射端(8)的喇叭口上端外徑與第二級超聲變幅桿(6)外徑相同。
3.如權(quán)利要求1所述的一種超聲電弧復(fù)合焊接裝置，其特征在于:所述的第一級超聲變幅桿(4)和第二級超聲變幅桿(6)的放大系數(shù)均介于6~10之間。
4.如權(quán)利要求1所述 的一種超聲電弧復(fù)合焊接裝置，其特征在于:所述的熔化電極(10)或為非熔化電極(16)時,導(dǎo)電桿⑴為實心電桿，非熔化電極嵌于導(dǎo)電桿⑴下方與其緊密連接。
5.如權(quán)利要求1或3所述的一種超聲電弧復(fù)合焊接裝置，其特征在于:所述的第一級超聲變幅桿(4)和第二級超聲變幅桿(6)橫截面大小不相同。
【文檔編號】B23K28/02GK103785963SQ201410063336
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年2月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月18日
【發(fā)明者】范成磊, 謝偉峰, 楊春利, 林三寶 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)