專利名稱：一種外加聲場式鈦合金手工焊接裝置及焊接方法
技術領域：
本發明屬于鈦合金的電弧焊接技術領域，具體地說是設備簡單、操作方便的外加聲場式鈦合金手工焊接裝置及焊接方法。
背景技術：
眾所周知，鈦合金作為一種輕質、高強、耐腐蝕的合金材料，在航空航天及人們日常生活中很多領域應用，而且應用越來越廣泛，在很多結構件的應用中，勢必會遇到鈦合金間或鈦合金與其它材料間的連接問題，目前，涉及到的連接方法有擴散焊、摩擦焊、爆炸焊、TIG焊、激光焊、電子束焊接、釬焊等，其不足操作復雜，連接效果差。超聲振動產生的振動可使TIG電弧靜特性整體向上平移，電弧長度La與輻射端高度H匹配良好時，超聲作用下電弧電壓升高明顯。電弧長度與輻射端高度為2-26、3-24、4-24,5-20 (單位:mm)時，同比電弧靜特性曲線上移幅度最大；當超聲振動作用于TIG焊接電弧時，電弧可產生向中心壓縮的效果，電弧導電橫截面積減?。挥呻娮瓒煽芍?，縮小了電流導通的截面積，整體對外電阻增加，其電位梯度也將增大，而電流不變時表現為電弧電壓升高，電弧能量增加。并且隨著電弧被壓縮，電弧中心區粒子密度增加，在電子運動過程中與陽離子或氬氣原子碰撞幾率也就增加，進而縮短自由電子的平均自由程，宏觀上表現為焊接電流不變的前提下，需要較大的電弧電壓增加導電粒子定向移動速度，以克服由于碰撞帶來的自由程降低，表現為電弧作用下焊縫深寬比的增加。

發明內容
本發明的目的是克服現有技術的不足，提供一種通過機械耦合的方式，將手持式普通TIG焊槍與超聲振動系統相耦合組成的外加聲場式鈦合金手工焊接裝置及焊接方法。本發明可 以通過如下措施達到。一種外加聲場式鈦合金手工焊接裝置，包括手持式TIG焊槍、超聲波換能器和超聲變幅桿組成超聲振動體，其特征在于超聲波換能器和超聲變幅桿組成的超聲振動體經中心孔套設在TIG焊槍前端部陶瓷噴嘴處，TIG焊槍、超聲波換能器和超聲變幅桿同軸線，TIG焊槍端部一般縮在超聲變幅桿內，變幅桿端部呈階臺狀，以增加輻射面積.焊槍上安裝有焊接開關、超聲開關和微調機構，通過觸發超聲開關能夠控制超聲波發生器中空氣繼電器的開閉，排除TIG起弧時的高頻干擾。一種外加聲場式鈦合金焊接方法，其特征在于步驟如下:
步驟一:首先調節手持TIG焊槍鎢極與超聲波換能器和超聲變幅桿軸線重合，通過旋動微調螺母旋鈕調節超聲振動體和TIG焊槍的相對位置，測量并調節變幅桿階臺發射面高度H和TIG焊槍鎢極與工件距離La的大小，使在焊接時超聲場對電弧的作用達到最強，輻射端高度和弧長的對應關系為:第一組H=20mm、La=5mm,第二組H=24mm、La=3 4mm,第三組H=26mm、La=2mm ；
步驟二:啟動TIG焊機，觸發焊接開關按鈕，按常規TIG焊接方法起弧，起弧后觸發超聲開關按鈕，超聲波發生器中的空氣繼電器閉合，接通超聲波發生器，將50Hz工頻電轉換為15kHz IOOkHz高頻電，再經超聲振動裝置將高頻電轉化為振幅為10-150 iim的同頻率機械振動；
步驟三:手持操作焊槍，調整焊槍與工件角度，根據施焊位置進行施焊，實現鈦合金的超聲TIG復合焊接；
步驟四:再次觸發超聲開關按鈕，空氣繼電器斷開，超聲振動停止；觸發焊接開關，焊接電弧媳滅，保證滯后送氣時間0 30s,待欽合金試件冷卻后,移走焊槍,完成焊接過程。本發明高強度超聲在液態傳播時，會在金屬熔體中產生聲流效應，聲流對破壞邊界層、加速傳質傳熱、打碎鈦合金初生的粗大3相晶粒，提高異質形核率，促進微細顆粒彌散起到了細化晶粒的作用，焊接熔池上作用的電弧壓力提高，焊接熔深顯著增加，大大提高了焊接效率；同時在焊接過程中加入超聲后，在過熱區和熱影響區部分的晶粒尺寸減小，提高接頭疲勞強度和塑性，而且本發明工藝適應性強，不受工件尺寸限制，適合全位置焊接，實用性強，對鈦合金自身或與其它材料的連接接頭都具有良好的改善作用。


圖1是本發明方法的實驗裝置原理圖。圖2是本發明具體焊接示意圖。圖中標記:鎢極1、微調旋鈕2、超聲開關3、焊接開關4、焊槍5、超聲波換能器6、超聲波變幅桿7。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步描述。如圖所示，一種外加聲場式鈦合金手工焊接裝置，包括手持式TIG焊槍5、超聲波換能器6和超聲變幅桿7組成超聲振動體，其特征在于超聲波換能器6和超聲變幅桿7組成的超聲振動體經中心孔套設在TIG焊槍5前端部陶瓷噴嘴處，TIG焊槍5、超聲波換能器6和超聲變幅桿7同軸線，TIG焊槍5端部縮在超聲變幅桿7內，變幅桿7端部呈階臺狀，以增加輻射面積.焊槍5上安裝有焊接開關4、超聲開關3和微調機構2，通過觸發超聲開關3能夠控制超聲波發生器中空氣繼電器的開閉，排除TIG起弧時的高頻干擾。一種外加聲場式鈦合金焊接方法，其特征在于步驟如下:
步驟一:首先調節手持TIG焊槍5的鎢極I與超聲發射裝置軸線重合，通過旋動微調螺母2旋鈕調節超聲振動體和TIG焊槍5的槍體的相對位置，測量并調節變幅桿階臺發射面高度H和TIG焊槍鎢極與工件距離La的大小，使在焊接時超聲場對電弧的作用達到最強，福射端高度和弧長的對應關系為:第一組H=20mm、La=5mm,第二組H=24mm、La=3 4mm,第三組 H=26mm> La=2mm ；
步驟二:啟動TIG焊機，觸發焊接開關按鈕4，按常規TIG焊接方法起弧，起弧后觸發超聲開關按鈕，超聲波發生器中的空氣繼電器閉合，接通超聲波發生器，將50Hz工頻電轉換為15kHz IOOkHz高頻電，再經超聲振動裝置將高頻電轉化為振幅為10-150 iim的同頻率機械振動；
步驟三:手持操作焊槍5， 調整焊槍與工件角度，根據施焊位置進行施焊，實現鈦合金的超聲TIG復合焊接；
步驟四:再次觸發超聲開關3按鈕，空氣繼電器斷開，超聲振動停止；觸發焊接開關，焊接電弧媳滅，保證滯后送氣時間O 30s,待欽合金試件冷卻后,移走焊槍,完成焊接過程。本發明高強度超聲在液態傳播時，會在金屬熔體中產生聲流效應，聲流對破壞邊界層、加速傳質傳熱、打碎鈦合金初生的粗大3相晶粒，提高異質形核率，促進微細顆粒彌散起到了細化晶粒的作用，焊接熔池上作用的電弧壓力提高，焊接熔深顯著增加，大大提高了焊接效率；同時在焊接過程中加入超聲后，在過熱區和熱影響區部分的晶粒尺寸減小，提高接頭疲勞強度和塑性，而且本發明工藝適應性強，不受工件尺寸限制，適合全位置焊接，實用性強，對鈦合金自身或與其它材料的連接接頭都具有良好的改善作用。本發明通過機械耦合的方 式將手持式普通TIG焊槍槍體耦合于由超聲波換能器和超聲變幅桿組成的超聲振動裝置通孔內并保證兩者同軸，變幅桿與超聲換能器達到共振，將超聲電源產生的、頻率在15kHd00kHz連續可調的超聲頻交變電信號轉化為超聲變幅桿發射端面的同頻率機械振動，按常規鈦合金TIG電弧焊接方法進行焊接，超聲開關控制超聲波發生器中空氣繼電器的開閉，以排除超聲電源和TIG起弧高頻信號的相互干擾，電弧等離子體受到電弧空間超聲場的作用，提高電弧等離子能量集中程度，改變電弧下方熔體流動和結晶行為，加大焊縫熔深和改善焊縫組織性能。鈦合金因具有高強度、耐腐蝕性好、高熱強度、密度小等優異力學性能被廣泛應用于航空航天工業制造中的重要結構材料和航空發動機的低壓壓器機盤及葉片，從而取代不銹鋼、耐熱鋼作為結構金屬。目前，鈦合金焊接最常用的方法是TIG焊，然而TIG焊接具有電弧能量密度低、焊接電弧分布不集中，導致效率低，當采用大規范時，由于鈦合金熔點高、熱容量大、導熱系數小常引起焊接區過熱，焊縫晶粒組織粗大，接頭塑韌性不足和焊接變形增加。影響接頭力學性能和結構整體壽命。本發明的目的是提出一種外加聲場式鈦合金手工焊接方法，將普通TIG手工焊槍槍體耦合于由同軸的超聲波換能器和變幅桿組成的超聲振動系統中孔內部保證兩者同軸，焊槍上安裝有兩個觸發開關，通過觸發超聲開關能夠控制超聲波發生器中空氣繼電器的閉合，以達到隨開隨用，排除高頻干擾的目的。焊接時，焊接電弧上同時施加高密度超聲能量，在相同熱輸入的情況下，由于超聲場作用使得電弧能量更加集中，焊接熔池上作用的電弧壓力提高，焊接熔深顯著增加，大大提高了焊接效率；同時在焊接過程中加入超聲后，在過熱區和熱影響區部分的晶粒尺寸減小，提高接頭疲勞強度和塑性。而且本發明工藝適應性強，不受工件尺寸限制，適合全位置焊接，實用性強，對鈦合金自身或與其它材料的連接接頭都具有良好的改善作用。
權利要求
1.一種外加聲場式鈦合金手工焊接裝置，包括手持式TIG焊槍、超聲波換能器和超聲變幅桿組成超聲振動體，其特征在于超聲波換能器和超聲變幅桿組成的超聲振動體經中心孔套設在TIG焊槍前端部陶瓷噴嘴處，TIG焊槍、超聲波換能器和超聲變幅桿同軸線，增加輻射面積.焊槍上安裝有焊接開關、超聲開關和微調機構，通過觸發超聲開關能夠控制超聲波發生器中空氣繼電器的開閉，排除TIG起弧時的高頻干擾。
2.一種外加聲場式鈦合金焊接方法，其特征在于步驟如下: 步驟一:首先調節手持TIG焊槍鎢極與超聲波換能器和超聲變幅桿軸線重合，通過旋動微調螺母旋鈕調節超聲振動體和TIG焊槍的相對位置，測量并調節變幅桿階臺發射面高度H和TIG焊槍鎢極與工件距離La的大小，使在焊接時超聲場對電弧的作用達到最強，輻射端高度和弧長的對應關系為:第一組H=20mm、La=5mm,第二組H=24mm、La=3 4mm,第三組H=26mm、La=2mm ； 步驟二:啟動TIG焊機，觸發焊接開關按鈕，按常規TIG焊接方法起弧，起弧后觸發超聲開關按鈕，超聲波發生器中的空氣繼電器閉合，接通超聲波發生器，將50Hz工頻電轉換為15kHz IOOkHz高頻電，再經超聲振動裝置將高頻電轉化為振幅為10-150 iim的同頻率機械振動； 步驟三:手持操作焊槍，調整焊槍與工件角度，根據施焊位置進行施焊，實現鈦合金的超聲TIG復合焊接； 步驟四:再次觸發超聲開關按鈕，空氣繼電器斷開，超聲振動停止；觸發焊接開關，焊接電弧媳滅，保證滯后送氣時間0 30s,待欽合金試件冷卻后,移走焊槍,完成焊接過程。
全文摘要
本發明公開了一種外加聲場式鈦合金手工焊接裝置，其特征在于超聲波換能器和超聲變幅桿組成的超聲振動體經中心孔套設在TIG焊槍前端部陶瓷噴嘴處，TIG焊槍、超聲波換能器和超聲變幅桿同軸線，以增加輻射面積.焊槍上安裝有焊接開關、超聲開關和微調機構，通過觸發超聲開關能夠控制超聲波發生器中空氣繼電器的開閉，排除TIG起弧時的高頻干擾，步驟如下首先焊槍鎢極與超聲波換能器和超聲波變幅桿軸線重合；啟動TIG焊機，觸發焊接開關按鈕，按常規TIG焊接方法起弧；手持操作焊槍，調整焊槍與工件角度，根據施焊位置進行施焊，實現鈦合金的超聲TIG復合焊接，本發明工藝適應性強，不受工件尺寸限制，適合全位置焊接，實用性強，對鈦合金自身或與其它材料的連接接頭都具有良好的改善作用。
文檔編號B23K28/02GK103212914SQ20131017269
公開日2013年7月24日 申請日期2013年5月13日 優先權日2013年5月13日
發明者孫清潔, 王斌, 黃海艇, 馮吉才 申請人:哈爾濱工業大學(威海)