一種雙向隨焊超聲波控制焊接變形及熱裂紋的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及焊接領(lǐng)域技術(shù)，尤其是指一種雙向隨焊超聲波控制焊接變形及熱裂紋的方法，用于綜合控制鋁合金薄板焊接變形及熱裂紋。
【背景技術(shù)】
[0002]鋁及其合金由于具有比強(qiáng)度高、比重輕、易成型、耐腐蝕性等優(yōu)良特性被廣泛應(yīng)用于航空、航天、機(jī)械制造等重要結(jié)構(gòu)中。新型的汽車、動(dòng)車等民用產(chǎn)品為節(jié)約能源和提高性能，越來越多地采用高強(qiáng)鋁合金材料，尤其一些高強(qiáng)鋁合金薄板焊接結(jié)構(gòu)件更為常見。但鋁合金本身固有的熱、力學(xué)性能，如較大的線膨脹系數(shù)，較高的熱導(dǎo)率，較寬的脆性溫度區(qū)間等特性，使得在焊接加工技術(shù)應(yīng)用于鋁合金薄板結(jié)構(gòu)件時(shí)，表現(xiàn)出焊接變形大、熱裂傾向嚴(yán)重等缺點(diǎn)。過大的焊接變形很難保證尺寸的穩(wěn)定性，增加了后續(xù)矯正和修補(bǔ)的工序，影響了生產(chǎn)的正常周期，造成一定程度的浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失，而熱裂紋的出現(xiàn)將給焊接結(jié)構(gòu)的使用安全及可靠性帶來隱患。
[0003]焊接是一個(gè)局部加熱和冷卻的過程，材料受到不均勻的加熱和冷卻，會(huì)造成不均勻的應(yīng)變狀態(tài)，形成不同程度的應(yīng)力和變形。目前焊接應(yīng)力和變形已經(jīng)成為研宄熱點(diǎn)，重點(diǎn)集中在控制焊接變形和應(yīng)力的方法上，生產(chǎn)中普遍采用的是焊后矯正措施，包括焊后錘擊、局部加熱、機(jī)械拉伸法等，雖然這些方法能在一定程度上降低焊接殘余應(yīng)力和減小焊接變形，但卻增加了勞動(dòng)量和生產(chǎn)成本，而且效果也不佳。鋁及其鋁合金等一些熱膨脹系數(shù)較大的材料，變形尤為嚴(yán)重。而薄板由于其自身拘束度小，焊接時(shí)變形較大，其中以波浪變形最為重要，矯正比較困難。隨焊控制方法則更能主動(dòng)、定量地來控制變形和應(yīng)力。
[0004]通常認(rèn)為，焊接熱裂紋是力學(xué)因素和冶金因素綜合作用引起的，在焊縫金屬結(jié)晶時(shí)產(chǎn)生的液態(tài)薄膜是產(chǎn)生熱裂紋的內(nèi)因，而其產(chǎn)生的必要條件是焊接過程中處于脆性溫度區(qū)間內(nèi)的焊縫部分承受拉伸應(yīng)變。因此，防止熱裂紋的途徑主要集中在這兩個(gè)方面。從冶金角度出發(fā)，勢(shì)必改變焊接材料的化學(xué)成分，雖然可以提高或者改善熔池金屬的流動(dòng)性、減少低熔點(diǎn)共晶成分，但會(huì)影響焊接接頭的綜合機(jī)械性能，有一定的局限性。從力學(xué)角度出發(fā)，在焊接過程中對(duì)焊縫額外施加一定的擠壓應(yīng)變，以抵消致裂的拉伸應(yīng)變，不僅能達(dá)到防止焊接熱裂紋的目的，同時(shí)還避免了因改變冶金成分帶來的缺點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)外控制焊接熱裂紋的方法有隨焊錘擊法、隨焊碾壓法、隨焊沖擊碾壓法、電磁法等，但這幾種方法也都存在各自的不足。如隨焊錘擊法，噪音大、焊件表面成形不良、有不均勻不連續(xù)壓痕存在、機(jī)械力度難以調(diào)整。隨焊碾壓法，設(shè)備體積大，碾壓輪易與焊槍打弧，對(duì)焊件形狀要求嚴(yán)格，很難用于實(shí)際生產(chǎn)。隨焊沖擊碾壓法，沖擊力大小、頻率調(diào)節(jié)不便，且仍是接觸式錘擊，工件表面留有沖擊痕跡，接頭的疲勞強(qiáng)度受到影響。電磁法，電弧特性受到電磁干擾，焊接過程不穩(wěn)定。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]有鑒于此，本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在之缺失，其主要目的是提供一種能同時(shí)有效控制焊接變形及熱裂紋，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高、節(jié)能環(huán)保的雙向隨焊超聲波激振焊接方法。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下之技術(shù)方案:
[0007]一種雙向隨焊超聲波控制焊接變形及熱裂紋的方法，包括以下步驟
[0008]第一，首先確定待焊接材料的脆性溫度區(qū)間Tb;
[0009]第二，確定待焊工件的焊接溫度場(chǎng)；
[0010]第三，在待焊工件的寬度方向的中心位置畫一條標(biāo)記線，焊縫中心位于此標(biāo)記線上;
[0011 ] 第四，裝夾待焊工件，在焊接前首先要確保焊槍、垂向超聲波激振裝置所在直線與焊縫中心重合；
[0012]第五，調(diào)整焊槍高度，確保焊槍鎢極位于待焊工件的上方的適當(dāng)位置；
[0013]第六，分別調(diào)整垂向和橫向超聲波激振裝置的夾具，使得垂向超聲波激振裝置位于焊槍后方一定距離dl上、橫向超聲波激振裝置位于焊槍后方與焊縫中心截面相垂直方向兩側(cè)一定距離d2上；
[0014]第七，使平臺(tái)行走機(jī)構(gòu)電性連接平臺(tái)行走機(jī)構(gòu)控制器；使垂向超聲波激振裝置和兩橫向超聲波激振裝置分別與各自對(duì)應(yīng)的超聲波激振裝置發(fā)生器相連；使焊槍與焊接電源的出水端、出氣端連接，焊槍的回水端與焊接電源的回水端進(jìn)行連接，焊接電源的進(jìn)水端與循環(huán)水冷裝置連接，焊接電源的進(jìn)氣端與氬氣瓶連接；接通焊接電源、循環(huán)水冷裝置、平臺(tái)行走機(jī)構(gòu)控制器、超聲波發(fā)生器的電源；
[0015]第八，開始焊接:打開循環(huán)水冷裝置的開關(guān)，對(duì)焊槍通循環(huán)水進(jìn)行冷卻；打開焊機(jī)電源和氬氣瓶，調(diào)整焊接方法、冷卻方式，調(diào)節(jié)焊接電流、焊接電壓以及氣體流量；分別打開三個(gè)超聲波發(fā)生器，調(diào)節(jié)超聲波功率；引燃電弧，開始焊接，同時(shí)由平臺(tái)行走機(jī)構(gòu)控制器驅(qū)動(dòng)焊接工作平臺(tái)帶動(dòng)待焊工件以速度V平穩(wěn)移動(dòng)，當(dāng)焊槍離開待焊工件時(shí)，切斷焊接電源的電源，當(dāng)垂向和橫向超聲波激振裝置完全離開待焊工件時(shí)，分別切斷超聲波發(fā)生器的電源；同時(shí)切斷平臺(tái)行走機(jī)構(gòu)控制器的電源，停止工作；
[0016]第九:關(guān)閉氬氣瓶的氣體，打開焊接工作平臺(tái)的夾具，取出已焊好的工件，待冷卻水循環(huán)一段時(shí)間后關(guān)閉循環(huán)水冷裝置，至此，焊接過程全部完成。
[0017]2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙向隨焊超聲波控制焊接變形及熱裂紋的方法，其特征在于:第二步驟中，確定待焊工件的焊接溫度場(chǎng)的方法是，取一個(gè)能夠反映實(shí)際待焊工件溫度場(chǎng)的試驗(yàn)件，在實(shí)際焊接工藝下對(duì)該試驗(yàn)件施焊，測(cè)量該試驗(yàn)件的焊接溫度場(chǎng)，確定試驗(yàn)件上焊接電弧中心與脆性溫度區(qū)間Tb上限溫度T i和下限溫度T 2間的距離L L 2，從而確定待焊工件的焊接熔池中央與脆性溫度區(qū)間Tb上限溫度T i和下限溫度T 2間的距離L !和L20
[0018]3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種雙向隨焊超聲波控制焊接變形及熱裂紋的方法，其特征在于:第六步驟中，所述垂向超聲波激振裝置沖擊頭中心位于待焊工件的焊接低溫塑性區(qū)；所述橫向超聲波激振裝置作用位置位于待焊工件的焊接熔池中央與該焊接材料脆性溫度區(qū)間Tb上限溫度T i和下限溫度T 2對(duì)應(yīng)位置間的距離L L 2之間。
[0019]4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙向隨焊超聲波控制焊接變形及熱裂紋的方法，其特征在于:第四步驟中，焊槍通過移動(dòng)焊槍夾具來調(diào)整焊槍位于焊縫的中心線上，焊槍位置確定后，讓平臺(tái)行走機(jī)構(gòu)沿第三步驟所做的標(biāo)記線試走，試走完畢后焊槍鎢極若仍位于標(biāo)記線上方，則可以進(jìn)入下一步調(diào)整；若沒有位于標(biāo)記線上方，則需要調(diào)整平臺(tái)行走機(jī)構(gòu)，或者調(diào)整待焊工件在焊接工作平臺(tái)上的位置來確保焊槍、超聲波激振裝置所在直線與焊縫重合，待前面操作達(dá)到要求后，將待焊工件固定于焊接工作平臺(tái)上。
[0020]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有明顯的優(yōu)點(diǎn)和有益效果，具體而言，由上述技術(shù)方案可知，
[0021 ] 本發(fā)明之雙向隨焊超聲波激振焊接方法，在焊接過程中，通過垂向超聲波激振裝置沿焊件厚度方向(垂向)在熔池后方一定位置施加功率超聲波，并與焊接熱源一焊槍隨動(dòng)，通過超聲波的機(jī)械振動(dòng)力作用，對(duì)處于冷卻收縮狀態(tài)的焊縫金屬作用來產(chǎn)生塑性延展，補(bǔ)償在加熱過程中產(chǎn)生的壓縮塑性應(yīng)變，減少了焊縫的收縮量，使焊接過程中瞬態(tài)應(yīng)力降低，進(jìn)而減小焊接變形；此外，在與焊縫中心線相垂直方向(橫向)的兩側(cè)，設(shè)置兩個(gè)用于控制焊接熱裂紋的橫向超聲波激振裝置，并隨著焊接熱源一焊槍同步移動(dòng)，超聲波激振裝置的作用位置位于待焊工件的焊接電弧中心與該焊接材料脆性溫度區(qū)間Tb上限溫度T !和下限溫度T2對(duì)應(yīng)位置間的距離L jP L2之間，對(duì)熔池后方處于脆性溫度區(qū)間的冷凝狀態(tài)的焊縫金屬施加一橫向擠壓應(yīng)變，抵消焊縫固有的致裂拉伸應(yīng)變，從而消除熱裂紋的產(chǎn)生，從力學(xué)角度綜合控制焊接變形及熱裂紋。
[0022]同時(shí)，本發(fā)明由于采用超聲脈沖振動(dòng)作用，能夠細(xì)化焊縫金屬晶粒，并改變晶粒結(jié)晶的方向性，使組織趨于更加均勻，從冶金角度在一定程度內(nèi)提高焊接接頭的力學(xué)性能。
[0023]本裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、受焊接空間限制小、效率高，超聲振動(dòng)的大小、調(diào)節(jié)方便，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；作用位置遠(yuǎn)離熔池，電弧穩(wěn)定；焊縫屬于自然成形、外觀好；屬于隨焊控制，針對(duì)性強(qiáng)；不會(huì)引起焊縫金屬組織的變化。
[0024]為更清楚地闡述本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特征和功效，下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施例來對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
【附圖說明】
[0025]圖1是本發(fā)明之較佳實(shí)施例的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖2是本發(fā)明之較佳實(shí)施例的焊縫與兩橫向超聲波激振裝置相對(duì)位置示意圖；
[0027]圖3是本發(fā)明之較佳實(shí)施例的焊接狀態(tài)下各超聲波激振裝置追隨焊槍的示意圖；
[0028]圖4是本發(fā)明之較佳實(shí)施例的冷卻曲線與常規(guī)焊冷卻曲線對(duì)比圖；
[0029]圖5是本發(fā)明之較佳實(shí)施例的焊接溫度場(chǎng)示意圖；
[0030]圖6是本發(fā)明之較佳實(shí)施例中所依據(jù)的流變模型圖。
[0031]附圖標(biāo)識(shí)說明:
[0032]1、待焊工件2、焊槍
[0033]3、垂向超聲波激振裝置4，7、橫向超聲波激振裝置
[0034]5、平臺(tái)行走機(jī)構(gòu)6、焊槍夾具
[0035]9、焊接電源10、氬氣瓶
[0036]11、循環(huán)水冷裝置12