聲源入射角度及位置可調(diào)超聲輔助氬弧焊方法及輔助裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及焊接冶金技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種聲源入射角度及位置可調(diào)超聲輔助氬弧焊方法。
【背景技術(shù)】
[0002]雖然銅合金與鋁合金在物理性能、機(jī)械性能上表現(xiàn)完全不同，但是在焊接特別是鎢極氬弧焊(GTAW)過程中均會出現(xiàn)焊接熱裂紋，制約著銅合金及鋁合金的應(yīng)用。除去焊接應(yīng)力及變形的外部因素外，熱裂紋的出現(xiàn)均與凝固過程中低熔共晶出現(xiàn)的溫度區(qū)間、成分、比例及分布有關(guān)。對于銅及銅合金來說，熔焊過程中由于氧元素侵入熔池，凝固時會形成由Cu2O和Cu組成的低熔點(diǎn)共晶組織分布于已凝固的α-Cu晶粒之間，提高了銅及銅合金焊接的熱裂傾向。對于鋁及鋁合金來說，熔焊時由于合金元素Cu、Si及Mg的存在，與Al組成一系列的低熔點(diǎn)共晶體聚集在樹枝晶的枝晶間形成液態(tài)薄膜，在收縮拉伸應(yīng)力作用下被撕開，形成熱裂紋。
[0003]功率超聲具有空化及聲流效應(yīng)?？栈?yīng)是超聲波在液體中傳播時，液體分子受到周期性交變聲場的作用。在聲波稀疏相內(nèi)液體受到拉應(yīng)力，若聲壓值足夠大則液體被拉裂而產(chǎn)生空化泡或空穴；在隨后來臨的聲波正壓相內(nèi)，這些空化泡或空穴以極高的速度閉合或崩潰，從而在液體內(nèi)產(chǎn)生瞬間的局部高溫和高壓。聲流效應(yīng)則是超聲波在液體中的有限振幅衰減使液體內(nèi)形成一定的聲壓梯度，從而形成一個流體的噴射。
[0004]功率超聲在金屬材料連接及冶金中的應(yīng)用主要有超聲金屬焊接、超聲波輔助釬焊工藝、超聲細(xì)化工藝及超聲除氣及除雜工藝。利用超聲的空化效應(yīng)可以使局部液體產(chǎn)生瞬間高壓沖擊波，破碎正在生長的金屬晶粒，起到細(xì)化晶粒的效果。利用超聲的聲流效應(yīng)會使作用流體產(chǎn)生高速對流，類似于機(jī)械攪拌作用，加速了液體在固態(tài)晶粒間的流動性。
[0005]中國專利201410778002.3公開了一種超聲波非熔化極氬弧焊工藝及裝置，該工藝是在非熔化極氬弧焊過程中實(shí)時地對熔池和焊縫附近的母材進(jìn)行超聲波振動，使熔融金屬組織致密均勻，焊縫處金屬晶粒細(xì)化，加速熔池氣體析出，提高焊接質(zhì)量。但是其缺點(diǎn)是此工藝中超聲波聲源的入射角度及位置不可以調(diào)節(jié)，不能實(shí)現(xiàn)超聲變幅桿與焊槍運(yùn)動軌跡同時與同步性，保證焊接穩(wěn)定性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對有色金屬如銅合金、鋁合金弧焊時焊接熱裂紋嚴(yán)重的問題，在傳統(tǒng)弧焊方法基礎(chǔ)上引入超聲波作用，提出一種聲源入射角度及位置可調(diào)的超聲輔助氬弧焊方法及其輔助裝置。
[0007]本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0008]一種聲源入射角度及位置可調(diào)的超聲輔助氬弧焊輔助裝置，包括超聲焊接夾具和超聲隨動系統(tǒng)，所述超聲隨動系統(tǒng)通過超聲波設(shè)備中的超聲變幅桿與超聲焊接夾具接觸。
[0009]其中:
[0010]所述超聲焊接夾具，包括一具有斜面的角度可調(diào)鑲塊、距離可調(diào)墊塊、高度可調(diào)壓塊和底座，所述角度可調(diào)鑲塊的豎直面與距離可調(diào)墊塊的第一側(cè)面連接，所述距離可調(diào)墊塊的第一側(cè)面的相對面的上部分與高度可調(diào)壓塊連接，且高度可調(diào)壓塊能相對墊塊作上下移動，所述距離可調(diào)墊塊的第一側(cè)面的相對面的下部分連接底座，高度可調(diào)壓塊的底表面與底座的上表面設(shè)有放置待焊接工件的空隙。
[0011]所述連接均為活動連接。
[0012]進(jìn)一步，角度可調(diào)鑲塊的斜面與其底表面的角度范圍為O < α <90°，聲波可以以橫波縱波復(fù)合波或者橫波的形式入射，當(dāng)角度在O < α <90°時，聲波以橫波縱波復(fù)合波的形式入射，當(dāng)α為90°時，聲波以橫波的形式入射，調(diào)節(jié)聲波的入射角度從而考察各種聲波入射角度對焊接后金屬力學(xué)性能的影響情況，從中擇優(yōu)選擇所需入射角度。
[0013]進(jìn)一步，所述角度可調(diào)鑲塊的豎直面設(shè)有燕尾型凹槽，距離可調(diào)墊塊的第一側(cè)面設(shè)有與燕尾型凹槽相配合連接的凸型燕尾塊。所述凸型燕尾塊與燕尾型凹槽配合連接實(shí)現(xiàn)角度可調(diào)的鑲塊的固定。
[0014]進(jìn)一步，所述距離可調(diào)墊塊的第一側(cè)面的相對面設(shè)有燕尾型凹槽，高度可調(diào)壓塊的側(cè)面設(shè)有與燕尾型凹槽相配合連接的凸型燕尾塊，且所述的凸型燕尾塊可在距離可調(diào)墊塊的第一側(cè)面的相對面的燕尾型凹槽內(nèi)上下滑動。
[0015]進(jìn)一步，所述距離可調(diào)墊塊的厚度為10?50mm。調(diào)節(jié)距離可調(diào)墊塊的厚度，可以使超聲變幅桿與焊縫的距離在110-160mm范圍內(nèi)變化，使聲波可以在近焊縫區(qū)及遠(yuǎn)焊縫區(qū)入射。
[0016]該超聲焊接夾具由角度可調(diào)鑲塊、距離可調(diào)墊塊和高度可調(diào)壓塊組成，實(shí)現(xiàn)超聲不同入射角度、不同焊材厚度以及焊接中焊縫區(qū)位于超聲波遠(yuǎn)峰、近峰的調(diào)整。
[0017]所述角度可調(diào)鑲塊的斜面與超聲波輔助系統(tǒng)的變幅桿接觸，通過更換具有不同斜面角度的鑲塊，實(shí)現(xiàn)超聲波入射角度的改變。
[0018]當(dāng)需要調(diào)整超聲施加位置與焊縫位置間距離時，選用合適厚度的距離可調(diào)墊塊，實(shí)現(xiàn)超聲施加位置與焊縫位置間距離的可調(diào)。
[0019]所述高度可調(diào)壓塊主要針對不同板厚的焊接工件，所述高度可調(diào)壓塊通過在距離可調(diào)墊塊的燕尾型凹槽內(nèi)上下滑動，壓緊焊接工件，以適應(yīng)不同焊材厚度。高度可調(diào)壓塊壓緊焊接工件，為了進(jìn)一步壓緊焊接工件，可采用U形夾具在側(cè)面做剛性固定。
[0020]所述超聲隨動系統(tǒng)，包括水平運(yùn)動系統(tǒng)、豎直運(yùn)動系統(tǒng)和底座，所述豎直運(yùn)動系統(tǒng)設(shè)置在底座上；所述水平運(yùn)動系統(tǒng)和豎直運(yùn)動系統(tǒng)均包括步進(jìn)電機(jī)、絲杠和導(dǎo)柱；所述步進(jìn)電機(jī)通過聯(lián)軸器與絲杠連接，豎直運(yùn)動系統(tǒng)的絲杠上設(shè)有能上下運(yùn)動的第二絲杠螺母，第二絲杠螺母連接水平運(yùn)動系統(tǒng)，水平運(yùn)動系統(tǒng)的絲杠上設(shè)有能水平運(yùn)動的第一絲杠螺母；第一絲杠螺母與連接件連接，所述連接件連接能固定超聲變幅桿的套筒塊。
[0021]進(jìn)一步，所述步進(jìn)電機(jī)通過聯(lián)軸器與絲杠的一端連接，絲杠的另一端與導(dǎo)柱底座連接，導(dǎo)柱固定于聯(lián)軸器和導(dǎo)柱底座之間。
[0022]進(jìn)一步，所述豎直運(yùn)動系統(tǒng)的軸線與水平運(yùn)動系統(tǒng)的軸線相垂直。所述第二絲杠螺母連接水平運(yùn)動系統(tǒng)的導(dǎo)柱的外側(cè)。
[0023]進(jìn)一步，所述連接件的形狀為U型，U型連接件連接套筒塊，所述套筒塊設(shè)有固定超聲變幅桿的孔徑，所述套筒塊能在U型連接件內(nèi)轉(zhuǎn)動。另一種實(shí)施方式為:套筒塊徑向設(shè)有頂絲，夾緊超聲變幅桿。
[0024]進(jìn)一步，U型連接件的兩側(cè)設(shè)有螺孔，套筒塊通過螺孔連接在U型連接件上。
[0025]進(jìn)一步，為了更好地配合U型連接件，所述套筒塊為削邊套筒塊，套筒塊內(nèi)固定超聲變幅桿的桿部，通過U型連接件兩側(cè)的螺孔實(shí)現(xiàn)給定角度下超聲變幅桿的加緊。
[0026]進(jìn)一步，所述絲杠為滾珠絲杠。
[0027]進(jìn)一步，所述步進(jìn)電機(jī)還連接控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行方式。
[0028]當(dāng)焊接時，將超聲波設(shè)備的超聲變幅桿裝夾在超聲隨動系統(tǒng)的套筒塊內(nèi)，超聲變幅桿的末端與超聲焊接夾具中的角度可調(diào)鑲塊的斜面或距離可調(diào)墊塊的上表面完全接觸，然后啟動超聲波設(shè)備和氬弧焊機(jī)進(jìn)行焊接。
[0029]采用所述輔助裝置的聲源入射角度及位置可調(diào)的超聲輔助氬弧焊方法，包括以下方法:
[0030](I)焊前準(zhǔn)備:機(jī)械加工待焊接工件對接坡口呈V形，采用超聲焊接夾具夾持待焊接工件，將焊接夾具固定在焊接平臺上，將超聲波設(shè)備的超聲變幅桿裝夾在超聲隨動系統(tǒng)上，使超聲變幅桿的末端與焊接夾具中的角度可調(diào)鑲塊的斜面或距離可調(diào)墊塊的上表面接觸。
[0031](2)焊接:確定氬弧焊的工藝參數(shù)，啟動氬弧焊機(jī)電源，焊槍引弧，待電弧穩(wěn)定后，啟動超聲波設(shè)備的超聲電源輸出聲波；
[0032]焊槍以設(shè)定速度起焊，超聲波施加設(shè)定時間后，水平運(yùn)動系統(tǒng)的絲杠控制超聲波變幅桿使之與角度可調(diào)鑲塊或距離可調(diào)墊塊分離，與焊接方向同向運(yùn)動一定距離后，控制超聲變幅桿落下與角度可調(diào)鑲塊或距離可調(diào)墊塊接觸繼續(xù)施加超聲，以此類推，實(shí)現(xiàn)超聲變幅桿與焊槍同步性及同時性。
[0033](3)焊至待焊接工件尾部收弧，關(guān)閉焊機(jī)電源，抬起超聲變幅桿，停止超聲作用關(guān)閉超聲電源。
[0034]步驟⑴中，所述待焊接工件為有色金屬，如銅、銅合金或鋁合金，其厚度為6_15mm0
[0035]根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)的焊接效果，本發(fā)明的方法更加適合厚度為6-15_的有色金屬銅、銅合金或鋁合金的焊接。
[0036]步驟(I)中，所述待焊接工件的非坡口側(cè)面與底座緊密剛性接觸，為了使超聲焊接夾具更加牢固，然后采用普通夾具(U型夾具)將超聲焊接夾具固定在焊接平臺上。
[0037]步驟(I)中，通過選用不同角度的角度可調(diào)鑲塊接觸，使超聲變幅桿的施加角度在O?90°可調(diào)，變幅桿末端直接作用于角度可調(diào)鑲塊斜面或距離可調(diào)墊塊的上表面上，使聲波分別以縱波、橫波及縱波橫波復(fù)合波形式入射。施加角度是指角度可調(diào)鑲塊的斜面與其底表面的角度，當(dāng)使用超聲變幅桿時，其端部表面與可調(diào)鑲塊的斜面完全接觸，即超聲變幅桿與斜面相垂直。
[0038]當(dāng)角度在O < α <90°時，聲波以橫波縱波復(fù)合波的形式入射，當(dāng)α為90°時，聲波以橫波的形式入射，當(dāng)α為O。時，即拆除角度可調(diào)鑲塊，入射聲波作用在距離可調(diào)墊塊的上表面上。
[0039]步驟(I)中，通過選用不同的厚度的距離可調(diào)墊塊，使超聲變幅桿與焊縫的距離在110-160_范圍內(nèi)變化，使聲波分別在近焊縫區(qū)及遠(yuǎn)焊縫區(qū)入射。
[0040]步驟(2)中，確定氬弧焊的工藝參數(shù):根據(jù)待焊接工件的材質(zhì)和板厚確定起弧電流、焊接電流、收弧電流、焊接速度及保護(hù)氣體流量。所述起弧電流為150?190A，焊接電流為170?230A，收弧電流150?190A，焊接速度2?4mm/s，保護(hù)氣體流量為5?10L/min。經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得到了上述工藝參數(shù)，使焊接效