改善鋁合金等離子弧焊接接頭質量的裝置及方法
【專利摘要】本發明公開了改善鋁合金等離子弧焊接接頭質量的裝置及方法，包括等離子弧焊機，等離子弧焊機包括等離子弧焊槍及與等離子弧焊槍相連且位于其下方的等離子弧焊接槍噴嘴，等離子弧焊槍通過連接裝置與超聲振動桿相連，振動單元包括依次連接的換能器、超聲振動桿及超聲工具頭，換能器與超聲波發生器相連。在不改動原有設備的前提下，通過輔助裝置直接將超聲振動施加在焊縫周圍，利用超聲振動來增加氣泡的溢出，從而達到減少焊接缺陷，改善焊接質量的目的。
【專利說明】改善鋁合金等離子弧焊接接頭質量的裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及改善鋁合金等離子弧焊接接頭質量的裝置及方法。
【背景技術】
[0002]鋁合金以其良好的物理、化學和機械性能，越來越多地用于各類工業產品中，特別是在航空航天、電子以及汽車行業得到了廣泛的應用。作為鋁合金應用的一個重要熱加工手段，焊接有著極其重要的地位。相對于鋼的焊接，鋁合金焊接難度較高，焊接接頭易出現缺陷，主要的問題是鋁容易氧化造成氧化物夾渣，另外還容易出現氣孔、裂紋等缺陷。
[0003]等離子弧焊接是在近期發展起來的新型焊接技術，具有熱輸入少，能量密度集中、熱影響區變形小的優點。而且，由于等離子電弧比普通的電弧具有更高的能量密度，利用其小孔效應可進行大厚板的焊接，因而等離子弧焊接在工業生產中有著越來越多的應用。然而，在等離子弧用于焊接鋁合金時，特別是Mg含量較高的5XXX系列，存在氣孔缺陷比較嚴重的問題。這是由于對于Mg含量較高的鋁合金，在焊接過程中除了容易形成氧化鋁外，還容易形成氧化鎂，而氧化鎂由于不致密，更容易吸收水分，導致焊接過程中在熔池內形成氣孔。此外，由于等離子弧高能量密度和相對較高的焊接速度的特點，焊接熔池凝固較快，氣體來不及溢出，這進一步加劇了形成氣孔的傾向。
[0004]目前為止，解決這一問題的辦法是加強焊前的表面處理，包括用化學方法及機械方法清洗被焊鋁合金及焊材的表面以及在清洗完后盡快焊接。然而在實際操作中仍然存在清洗與焊接不同步等很多外在因素。尤其當施焊環境濕度較大時，大氣中的水分將卷入電弧形成較高的弧柱氫氣壓，從而導致較高的氣孔形成傾向，單純清理工件和焊絲往往難以解決氣孔問題。
[0005]超聲波是聲波的一種，具有頻率高、穿透能力強等特點，當超聲施壓于材料時，會改變材料的本構關系，甚至產生高溫及高頻振動等效應。因此在焊接的過程中，利用超聲波穿透能力強的特點，在焊接熔池附近施加一超聲高頻振動，在一定的功率下可以改變熔池的凝固過程，其產生的熱效應可延遲熔池的凝固，有利于氣泡的溢出，同時高頻振動也有利于細化結晶過程，獲得晶粒細小的焊縫組織，對于提高焊縫性能是有利的。目前已有發明將超聲振動與攪拌摩擦焊相結合,主要利用了超聲振動來降低材料的變形抗力，達到增加焊接效率、提高焊接質量的目的。但是對于將超聲振動同等離子弧焊接相結合來降低鋁合金焊接過程中產生氣孔傾向，提高焊接接頭質量的研究，還未見報道。

【發明內容】

[0006]為解決現有技術存在的不足，本發明公開了改善鋁合金等離子弧焊接接頭質量的裝置及方法，在不改動原有設備的前提下，通過輔助裝置直接將超聲振動施加在焊縫周圍，利用超聲振動不但可增加振動促進氣泡的溢出，而且還可以細化晶粒，從而達到減少焊接缺陷，改善焊接質量的目的。
[0007]為實現上述目的，本發明的具體方案如下:[0008]改善鋁合金等離子弧焊接接頭質量的裝置，包括等離子弧焊機，等離子弧焊機包括等離子弧焊槍及與等離子弧焊槍相連且位于其下方的等離子弧焊接槍噴嘴，等離子弧焊槍通過連接裝置與超聲振動桿相連，振動單元包括依次連接的換能器、超聲振動桿及超聲工具頭，換能器與超聲波發生器相連。
[0009]所述等離子弧焊機為變極性等離子弧焊機。
[0010]所述連接裝置為水平放置的夾具。
[0011]超聲波發生器將工頻交流電轉換為超聲頻的高頻交流信號，再經過換能器將電能轉換為超聲機械振動能，由超聲工具頭從待焊區域導入超聲波，且在焊接過程中始終保持超聲波的導入。
[0012]改善鋁合金等離子弧焊接接頭質量的方法，包括以下步驟:
[0013]步驟一:將試板在焊前利用清理裝置進行機械清理；將試板對接并用夾具固定，對接方向沿焊接方向；
[0014]步驟二:調節振動單元與等離子弧焊接槍噴嘴的距離及角度，振動單元的超聲工具頭末端同等離子弧焊接槍噴嘴的距離為0.5-3cm，振動單元軸線同等離子弧焊槍軸線的角度為20度-70度，等離子弧焊接槍噴嘴垂直于試板并距離試板的距離范圍0-2厘米，根據不同的設備，這個距離選用最佳產生小孔的距離，超聲振動桿的振動頻率lO-lOOKHz，振幅 lO-lOOum，超聲功率 200-2000W ；
[0015]步驟三:設定焊接參數為，焊接電流100-400A，焊接速度每分鐘10_60毫米，等離子氣流量1_3升每分鐘；
[0016]步驟四:啟動控制開關，由超聲工具頭從待焊區域導入超聲波，且在焊接過程中始終保持超聲波的導入。
[0017]所述步驟一中的清理裝置為角磨機。
[0018]超聲振動桿通過夾具與等離子弧焊接槍相連，并可調整振動單元與等離子弧焊接槍噴嘴的距離及角度，能保證振動單元隨等離子弧焊槍一起運動，且在運動過程保證超聲工具頭與等離子弧焊接槍噴嘴的距離。
[0019]本發明的有益效果:
[0020]鋁合金等離子弧焊接易導致焊縫中出現氣孔，晶粒粗大問題，造成焊接接頭質量下降，因此如何提高鋁合金等離子弧焊接接頭質量一直是工程界研究熱點。本發明在不改動原有等離子弧焊接設備的前提下，通過增加與工件接觸的超聲輔助裝置將超聲振動施加在焊縫周圍。采用該種方式超聲波在工件中傳播并可有效抵達熔池液態金屬，其高頻振動給熔池液態金屬帶來機械作用，熱作用，空化作用和聲流作用，進而影響氣孔形核、長大以及熔池金屬結晶行為。超聲振動產生的熱作用，機械作用以及聲壓梯度效應將對熔池金屬起到機械攪拌作用，促進液態金屬產生強烈對流，熔池內形成的氣孔具有更高的逸出速度，而且氣孔積聚生長傾向得以大幅降低，因此焊縫中產生氣孔的傾向將得到顯著改善。另一方面，超聲振動可以碎化沿熔池熔合區向內部生長的粗大樹枝晶，減小樹枝晶尺寸，而且碎化枝晶可作為等軸晶形核核心，從而使得焊縫金屬中等軸晶比例大幅提聞，進而提聞焊接接頭力學性能。在焊接過程中，增加的超聲振動設備可以隨同焊槍同步行走，而且超聲振動效果不受焊槍運動速度影響，其帶來的熱作用和機械攪拌作用可以使得鋁合金等離子弧焊接在更高的焊接速度下實施，提高等離子弧焊接效率。【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1本發明的裝置結構示意圖；
[0022]圖中，I等離子弧焊槍，2等離子弧焊接槍噴嘴，3連接裝置，4超聲振動桿，5超聲工具頭，6試板，7超聲波發生器，8換能器。
【具體實施方式】:
[0023]下面結合附圖對本發明進行詳細說明:
[0024]如圖1所示，改善鋁合金等離子弧焊接接頭質量的裝置，包括等離子弧焊機，等離子弧焊機包括等離子弧焊槍I及與等離子弧焊槍I相連且位于其下方的等離子弧焊接槍噴嘴2，等離子弧焊槍I通過連接裝置3與超聲振動桿4相連，振動單元包括依次連接的換能器8、超聲振動桿4及超聲工具頭5，換能器8與超聲波發生器7相連。
[0025]所述等離子弧焊機為變極性等離子弧焊機。
[0026]所述連接裝置3為水平放置的夾具。
[0027]超聲波發生器7將工頻交流電轉換為超聲頻的高頻交流信號，再經過換能器8將電能轉換為超聲機械振動能，由超聲工具頭5從待焊區域導入超聲波，且在焊接過程中始終保持超聲波的導入。
[0028]改善鋁合金等離子弧焊接接頭質量的方法，包括以下步驟:
[0029]步驟一:將試板6在焊前利用清理裝置進行機械清理；將試板6對接用夾具固定，對接方向沿焊接方向；
[0030]步驟二:調節振動單元與等離子弧焊接槍噴嘴2的距離及角度，振動單元的超聲工具頭5末端同等離子弧焊接槍噴嘴2的距離為0.5-3cm，振動單元軸線同等離子弧焊槍I軸線的角度為20度-70度，等離子弧焊接槍噴嘴2距離試板6的距離范圍0-2厘米，根據不同的設備，這個距離選用最佳產生小孔的距離，角度為垂直于試板6;超聲振動桿的振動頻率 IO-1OOKHz，振幅 lO-lOOum，超聲功率 200-2000W。
[0031]步驟三:設定焊接參數為，焊接電流100-400A，焊接速度每分鐘10_60毫米，等離子氣流量1_3升每分鐘。
[0032]步驟四:啟動控制開關，由超聲工具頭5從待焊區域導入超聲波，且在焊接過程中始終保持超聲波的導入。
[0033]所述步驟一中的清理裝置為角磨機。
[0034]超聲振動桿4通過夾具與等離子弧焊槍I相連，并可調整振動單元與等離子弧焊接槍噴嘴2的距離及角度，能保證振動單元隨等離子弧焊槍I 一起運動，且在運動過程保證超聲工具頭5與等離子弧焊接槍噴嘴2的距離。
[0035]實施例:
[0036](I)對比例:
[0037]采用厚度10毫米的5083鋁板為被焊工件，寬10cm、長25cm的對接試板，焊前表面用角磨機進行簡單機械清理，等離子焊接參數為:離子氣1.39L/min正向電流260A,反向290A，焊接速度每分鐘40毫米。
[0038]焊后采用超聲波無損檢測進行氣孔等級評定，為三級，氣孔主要集中在熔合線附近，橫斷面有時可見明顯大氣孔。
[0039](2)焊接參數同對比例一樣，所不同的是加入超聲振動，超聲振動桿的振動頻率為30KHz，振幅為50um，超聲工具頭在焊接熔池前方5毫米處。焊后超聲無損檢測進行氣孔等級評定為一級，橫斷面無明顯肉眼可見氣孔。
【權利要求】
1.改善鋁合金等離子弧焊接接頭質量的裝置，其特征是，包括等離子弧焊機，等離子弧焊機包括等離子弧焊槍及與等離子弧焊槍相連且位于其下方的等離子弧焊接槍噴嘴，等離子弧焊槍通過連接裝置與超聲振動桿相連，振動單元包括依次連接的換能器、超聲振動桿及超聲工具頭，換能器與超聲波發生器相連。
2.如權利要求1所述的改善鋁合金等離子弧焊接接頭質量的裝置，其特征是，所述等離子弧焊機為變極性等離子弧焊機。
3.如權利要求1所述的改善鋁合金等離子弧焊接接頭質量的裝置，其特征是，所述連接裝置為水平放置的夾具。
4.如權利要求1所述的改善鋁合金等離子弧焊接接頭質量的裝置的方法，其特征是，包括以下步驟: 步驟一:將試板在焊前利用清理裝置進行機械清理；將試板對接用夾具固定，對接方向沿焊接方向； 步驟二:調節振動單元與等離子弧焊接槍噴嘴的距離及角度，振動單元的超聲工具頭末端同等離子弧焊接槍噴嘴的距離為0.5-3cm，振動單元軸線同等離子弧焊槍軸線的角度為20度-70度，等離子弧焊接槍噴嘴垂直于試板且距離試板的距離范圍0-2厘米，超聲振動桿的振動頻率IO-1OOKHz，振幅lO-lOOum，超聲功率200-2000W ； 步驟三:設定焊接參數為，焊接電流100-400A，焊接速度每分鐘10-60毫米，等離子氣流量1_3升每分鐘； 步驟四:啟動控制開關，由超聲工具頭從待焊區域導入超聲波，且在焊接過程中始終保持超聲波的導入。
5.如權利要求4所述的方法，其特征是，所述步驟一中的清理裝置為角磨機。
【文檔編號】B23K9/32GK103586571SQ201310603977
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年11月25日 優先權日:2013年11月25日
【發明者】杜寶帥, 張忠文, 李新梅 申請人:國家電網公司, 山東電力研究院