專利名稱：環(huán)形聚焦聲場與電弧焊復合的焊接裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種焊接設備，尤其涉及一種環(huán)形聚焦聲場與電弧焊復合的焊接裝置。
背景技術：
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，廣泛應用于金屬結構、橋梁、造船、航空、航天、海洋工程、核動力工程等工業(yè)部門、隨著科學技術的發(fā)展，焊接已經(jīng)發(fā)展成為一門獨立的學科。氣體保護電弧焊是焊接中較常用的一種，通常又分為非熔化極氣體保護焊和熔化極氣體保護焊。普通非熔化極惰性氣體保護焊特點是能夠獲得高質量的焊接接頭，但電弧能量不集中，焊接效率低，焊后晶粒長大明顯。熔化極氣體保護焊，又稱氣體保護熔化極電弧焊主要包括熔化極惰性氣體保護焊、熔化極活性氣體保護焊和二氧化碳氣體保護焊。該焊接方法焊接生產(chǎn)效率較高，焊接成本較低。但是在焊接過程中熔滴過渡不易控制，飛濺量較大，焊接過程中很難保證高品質的焊接質量。隨著工業(yè)領域新材料和新結構的不斷開發(fā)以及質量控制要求的不斷提高，焊接逐步向高效率、高質量、降低勞動強度、降低能量消耗的角度發(fā)展。目前主要利用改善焊接熱源或者依靠合金化、機械振動等，通過改善熔滴過渡和焊縫金屬的熔化凝固過程來實現(xiàn)。在該方向的指導下，近年來開展了許多復合電弧焊方法的研究，其中就包括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聲波與非熔化極和熔化及電弧焊復合的焊接方法。但在以上發(fā)明中均舍棄了原有電弧焊焊槍的完整結構，而是單獨在聲波變幅桿或聲波換能器上設計接電、氣保和水冷裝置。受變幅桿和換能器基本結構要求的限制，重新設計的接電、氣保和水冷裝置結構復雜且效果有限。201010291292.0專利中公開了聚焦聲波與熔化極電弧焊復合的焊接方法。聲場能量密度提高，焊接效率和質量也得到改善。但在熔化極與非熔化極電弧焊中，針對壓縮電弧、改善熔滴過渡過程、細化焊縫晶粒提高接頭性能等不同目的時，聲場分布，聲波能量聚焦的程度和位置也應有所差別。因此，在簡化焊炬結構，提高焊接穩(wěn)定性和針對不同目的改善聲波能量的分布方面需要新的焊接方法和裝置才能實現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
基于以上不足之處，本發(fā)明的目的是提供一種環(huán)形聚焦聲場與電弧焊復合的焊接裝置，該裝置能夠提高聲波能量密度、聲場分布，聲波能量聚焦程度和聚焦位置可控、保留原始電弧焊焊槍接電、水冷和氣保裝置、直接將電弧焊焊槍與聲波振動裝置相耦合、可改變電弧形態(tài)和能量密度，實現(xiàn)高效高質量焊接。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:一種環(huán)形聚焦聲場與電弧焊復合的焊接裝置，包括電弧焊焊槍和焊接電源，焊接電源通過電纜分別連接電弧焊焊槍和被焊工件，本裝置還包括聲波換能器、聲波變幅桿和聲波發(fā)生器，聲波換能器的下端面與聲波變幅桿的上端面之間緊密接觸，聲波換能器和聲波變幅桿開有貫通的軸心通孔，聲波變幅桿的下端面設置有聚焦面，電弧焊焊槍穿過聲波換能器和聲波變幅桿的軸心通孔，并使電弧焊焊槍前端的非熔化極電極或者熔化金屬電極端部處于聚焦面所輻射出聲波的傳播空間內(nèi)，聲波發(fā)生器通過電纜與聲波換能器進行連接。本發(fā)明還具有如下特征:1、以上所述的軸心通孔做絕緣處理，且直徑大于電弧焊焊槍的外徑，保證其與電弧焊焊槍之間絕緣且非接觸。2、以上所述的電弧焊焊槍安裝有氣體保護裝置和水冷裝置。3、以上所述的環(huán)形聲波聚焦面位于聲波變幅桿下端面，聲場的分布以及聲波能量聚焦的程度和位置通過改變聚焦面的形狀和尺寸進行調節(jié)。4、以上所述的聲波發(fā)生器的功率為1-3000W，產(chǎn)生的聲波電信號的頻率為IO-1OOkHz。5、以上所述的聲波換能器振動頻率為10-100kHZ。6、以上所述的聲波變幅桿將聲波振動振幅放大到10-150 μ m。7、以上所述的軸心通孔直徑為10_50mm。本發(fā)明通過聲波換能器和變幅桿產(chǎn)生和放大聲波振動，利用變幅桿端面加工的特殊形狀實現(xiàn)聲波的匯聚，通過對聚焦面形狀和尺寸的調節(jié)改變聲場聚焦程度和位置，變幅桿端面輻射出的聲場作用于焊接電弧、熔池或者熔滴，以實現(xiàn)提高焊接效率和質量的目的。本發(fā)明因保留了原有電弧焊焊槍裝置的完整性，結構更簡單，焊接過程更穩(wěn)定。本發(fā)明因聲場聚焦位置可調，能量的聚焦更有目的性。聲場能量密度最高值可設計在靠近熔化極端部熔化的金屬處，通過聲場產(chǎn)生的力的作用改變其過渡形式，控制過渡過程。使焊接過程均勻穩(wěn)定焊縫成形更美觀，焊接飛濺和煙塵減少，更有效的發(fā)揮其高熔敷效率和高效高速的特點。當聚焦聲場的焦點設置在熔池表面附近時，可增強液態(tài)金屬中聲波的空化和聲流效應，使熔深增加，焊縫晶粒細化更明顯，成分更均勻，接頭性能更高，缺陷顯著減少。當聲波的能量大部分匯聚于焊接電弧處時，使電弧壓縮，提高電弧能量密度，電弧挺直性增強，電弧壓力增大，也可增加焊縫熔深，改善焊縫成形。與傳統(tǒng)的電弧焊過程相比，本發(fā)明利用聲波的振動、聲輻射力、聲流、空化的效應可以改變電弧形態(tài)和產(chǎn)熱特點，影響熔化金屬的過渡過程，改善熔池中熔融金屬的熔化結晶過程，實現(xiàn)高效率和高質量的焊接。同時，整個焊接裝置更簡潔穩(wěn)定，且聲波能量的聚焦程度和位置可調，使其更有效的作用于焊接過程，擴大了電弧焊的應用范圍。


圖1是本發(fā)明的結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖舉例對本發(fā)明作進一步說明。實施例1:結合圖1，一種環(huán)形聚焦聲場與電弧焊復合的焊接裝置，包括電弧焊焊槍I和焊接電源8，焊接電源8通過電纜分別連接電弧焊焊槍I和被焊工件7，還包括聲波換能器3、聲波變幅桿4和聲波發(fā)生器9，聲波換能器3的下端面與聲波變幅桿4的上端面之間通過螺栓緊密接觸，聲波換能器3和聲波變幅桿4開有貫通的軸心通孔2，聲波變幅桿4的下端面設置有聚焦面5，電弧焊焊槍I穿過聲波換能器3和聲波變幅桿4的軸心通孔2，并使電弧焊焊槍I前端的非熔化極電極或者熔化金屬電極端部處于聚焦面5所輻射出聲波的傳播空間內(nèi)；聲波發(fā)生器9通過電纜與聲波換能器3進行連接。所述的軸心通孔2做絕緣處理，且直徑大于電弧焊焊槍I的外徑，保證其與電弧焊焊槍I之間絕緣且非接觸。所述的電弧焊焊槍I安裝有氣體保護裝置和水冷裝置。所述的環(huán)形聲波聚焦面5位于聲波變幅桿4下端面，聲場的分布以及聲波能量聚焦的程度和位置通過改變聚焦面的形狀和尺寸進行調節(jié)。實施例2:本發(fā)明通過聲波換能器和聲波變幅桿產(chǎn)生和放大聲波振動，利用變幅桿端面加工的聚焦面實現(xiàn)聲波能量的匯聚，提高聲波能量。針對電弧焊接過程中不同的目的，通過改變聚焦面的形狀和尺寸調節(jié)聲波聚焦的程度和位置。直接將完整的電弧焊焊槍裝置與變幅桿和換能器相結合，使聲波作用于焊接過程，在保證焊接裝置簡便，焊接過程穩(wěn)定的同時實現(xiàn)提聞焊接效率和焊接質量的目的。本發(fā)明的主要技術步驟如下:(I)聲波電源通過電纜與聲波換能器相連，后者可將電信號轉化成為機械振動；(2)聲波換能器與聲波變幅桿通過螺栓緊密連接，將聲波換能器輸出的振動振幅放大；(3)聲波變幅桿端面加工成聚焦面，通過改變聚焦面的形狀和尺寸實現(xiàn)聲波能量匯聚程度和位置的調節(jié)；(4)在聲波換能器和聲波變幅桿的軸心加工通孔，帶有接電，氣保、水冷等裝置的完整熔化極或非熔化極電弧焊焊槍穿過此通孔并與之保持同軸心。聲波換能器和聲波變幅桿的軸心通孔直徑大于電弧焊焊槍的直徑。焊槍與換能器和變幅桿不接觸，即保證它們之間相互絕緣，也保證電弧焊焊槍本身不產(chǎn)生或傳導振動；(5)聲波的能量通過變幅桿的聚焦面直接輻射輸出，使非熔化電極或熔化金屬電極端部至焊接熔池都位于變幅桿聚焦面所產(chǎn)生的聲波聚焦輻射空間中；(6)焊接電源的輸出端分別與電弧焊焊槍和焊接工件相連；(7)啟動焊接電源和聲波發(fā)生器，完成外加聚焦型聲場的電弧焊焊接過程。本發(fā)明適用的電弧焊方法為氣體保護熔化極與非熔化極電弧焊。本發(fā)明所述的環(huán)形聚焦面位于聲波變幅桿端面，形狀和尺寸可根據(jù)焊接過程中的不同需求進行設計。所述的聲波發(fā)生器的功率為1-3000W，產(chǎn)生的聲波電信號的頻率為IO-1OOkHz ;所述的聲波電信號通過換能器轉化為機械振動，其振動頻率為IO-1OOkHz ；所述的聲波變幅桿將聲波振動振幅放大到10-150 μ m ；所述的聲波換能器和聲波變幅桿具有軸心通孔，通孔直徑為10_50mm。本發(fā)明直接將電弧焊焊槍通過軸心通孔穿過聲波換能器與變幅桿，氣保、水冷、接電等裝置無需在換能器或者變幅桿上重新設計。電弧焊焊槍在焊接過程中不產(chǎn)生、不傳遞聲波振動，與換能器和變幅桿絕緣。即保證裝置簡潔，又有利于焊接過程更穩(wěn)定進行。本發(fā)明通過聚焦面輻射聲波，聚焦面尺寸與形狀可調，能夠按不同的焊接需求作用于電弧焊焊接過程。實施例3:結合圖1，本發(fā)明的工作過程如下:首先將被焊工件7通過夾具固定在焊接平臺上。聲波發(fā)生器9與聲波換能器3相連，聲波換能器3將聲波發(fā)生器9所產(chǎn)生的電信號轉變?yōu)闄C械振動，然后通過聲波變幅桿4將振幅放大至10-150 μ m。聲波變幅桿4端面的聚焦面5在不同的焊接方法中，根據(jù)實際需要能夠對聲波能量進行不同程度和不同聚焦位置的匯聚，并直接從端面輻射輸出，形成預期的聲場。電弧焊焊槍I通過軸心通孔2送入，并使電極的端部處于聲場中。焊接過程中，氣體保護和焊槍的冷卻均通過電弧焊焊槍I本身自帶的裝置實現(xiàn)。先后啟動聲波發(fā)生器9和焊接電源8，在合適的焊接參數(shù)和超聲參數(shù)下進行焊接。聲場能量密度最高值可設計在靠近熔化極端部熔化的金屬處，通過聲場產(chǎn)生的力的作用改變其過渡形式，控制過渡過程。使焊接過程均勻穩(wěn)定焊縫成形更美觀，焊接飛濺和煙塵減少，更有效的發(fā)揮其高熔敷效率和高效高速的特點。當聲波聚焦的焦點設置在熔池表面附近時，可增強液態(tài)金屬中聲波的空化和聲流效應，使熔深增加，焊縫晶粒細化更明顯，成分更均勻，接頭性能更高，缺陷顯著減少。當聲波的能量大部分匯聚在焊接電弧6處時，使電弧壓縮，提高電弧能量密度，電弧挺直性增強，電弧壓力增大，焊縫熔深增加，焊縫成形良好。與傳統(tǒng)的電弧焊焊接過程相比，本發(fā)明利用聲波的振動、聲輻射力、聲流、空化的效應可以改變電弧形態(tài)和產(chǎn)熱特點，影響熔化金屬的過渡過程，改善熔池中熔融金屬的熔化結晶過程，實現(xiàn)高效率和高質量的焊接。同時，整個焊接裝置更簡潔穩(wěn)定，聲波能量的聚焦程度和位置可調，讓聲能更有效的作用于焊接過程，擴大了電弧焊的應用范圍。本發(fā)明通過對聚焦面的設計能夠更有目的的實現(xiàn)聲波能量的匯聚，依靠與整個電弧焊焊槍的機械耦合使高能量的聲波作用于電弧焊接過程，可改進作為焊接熱源的電弧的形態(tài)、產(chǎn)熱特點，改善熔池金屬的熔化凝固過程，在熔化極電弧焊焊接過程中還會影響熔滴過渡過程，擴大了電弧焊焊接方法的應用范圍。
權利要求
1.一種環(huán)形聚焦聲場與電弧焊復合的焊接裝置，包括電弧焊焊槍(I)和焊接電源(8)，焊接電源(8)通過電纜分別連接電弧焊焊槍(I)和被焊工件(7)，其特征在于:還包括聲波換能器(3)、聲波變幅桿(4)和聲波發(fā)生器(9)，聲波換能器(3)的下端面與聲波變幅桿(4)的上端面之間緊密接觸，聲波換能器(3)和聲波變幅桿(4)開有貫通的軸心通孔(2)，聲波變幅桿(4)的下端面設置有聚焦面(5)，電弧焊焊槍(I)穿過聲波換能器(3)和聲波變幅桿(4)的軸心通孔(2)，并使電弧焊焊槍(I)前端的非熔化極電極或者熔化金屬電極端部處于聚焦面(5)所輻射出聲波的傳播空間內(nèi)；聲波發(fā)生器(9)通過電纜與聲波換能器(3)進行連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種環(huán)形聚焦聲場與電弧焊復合的焊接裝置，其特征在于:所述的軸心通孔(2)做絕緣處理，且直徑大于電弧焊焊槍(I)的外徑，保證其與電弧焊焊槍(I)之間絕緣且非接觸。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種環(huán)形聚焦聲場與電弧焊復合的焊接裝置，其特征在于:所述的電弧焊焊槍(I)安裝有氣體保護裝置和水冷裝置。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種環(huán)形聚焦聲場與電弧焊復合的焊接裝置，其特征在于:所述的環(huán)形聲波聚焦面(5)位于聲波變幅桿(4)下端面，聲場的分布以及聲波能量聚焦的程度和位置通過改變聚焦面的形狀和尺寸進行調節(jié)。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種環(huán)形聚焦聲場與電弧焊復合的焊接裝置，其特征在于:所述的聲波發(fā)生器的功率為1-3000W，產(chǎn)生的聲波電信號的頻率為10-100kHZ。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種環(huán)形聚焦聲場與電弧焊復合的焊接裝置，其特征在于:所述的聲波換能器(3)振動頻率為IO-1OOkHz。
7.根據(jù)權利要求1所述的一種環(huán)形聚焦聲場與電弧焊復合的焊接裝置，其特征在于:所述的聲波變幅桿(4)將聲波振動振幅放大到10-150 μ m。
8.根據(jù)權利要求1所述的一種環(huán)形聚焦聲場與電弧焊復合的焊接裝置，其特征在于:所述的軸心通孔⑵直徑為10_50mm。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種環(huán)形聚焦聲場與電弧焊復合的焊接裝置，包括電弧焊焊槍和焊接電源，焊接電源通過電纜分別連接電弧焊焊槍和被焊工件，本裝置還包括聲波換能器、聲波變幅桿和聲波發(fā)生器，聲波換能器的下端面與聲波變幅桿的上端面之間緊密接觸，聲波換能器和聲波變幅桿開有貫通的軸心通孔，聲波變幅桿的下端面設置有聚焦面，電弧焊焊槍穿過聲波換能器和聲波變幅桿的軸心通孔，并使電弧焊焊槍前端的非熔化極電極或者熔化金屬電極端部處于聚焦面所輻射出聲波的傳播空間內(nèi)。本發(fā)明在熔化極模式下時，改變電弧形態(tài)和產(chǎn)熱特點，影響熔化金屬的過渡過程，實現(xiàn)高效，高質量的焊接。在非熔化極模式下，可提高焊接穩(wěn)定性，增加焊縫熔深，改善接頭質量。
文檔編號B23K28/02GK103192186SQ20131014349
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月24日 優(yōu)先權日2013年4月24日
發(fā)明者楊春利, 袁鶴然, 范成磊, 林三寶 申請人:哈爾濱工業(yè)大學