一种等离子弧超声焊接工艺及装置.pdf

一种等离子弧超声焊接工艺及装置，该工艺是在等离子弧焊过程中实时对熔池和焊缝附近的母材进行超声波振动，使熔融金属组织致密均匀，焊缝处金属晶粒细化，减少焊接应力和焊接变形；该装置包括换能器和变幅杆，换能器固定连接在变幅杆的一端，变幅杆的另一端设置有空腔，该空腔中设置有焊接喷嘴，焊接喷嘴与该空腔之间的间隙形成保护气腔，焊接喷嘴中设置有电极，焊接喷嘴内设置冷却水腔，焊接喷嘴上设置有离子气进气管，变幅杆上设置有保护气进气管。本发明对熔池和焊缝附近的母材进行振动，使焊缝处晶粒更加细化，金属组织更致密，焊缝中的气体析出更彻底，减少焊接变形，提高了焊接接头的疲劳强度和疲劳寿命，保证了焊接质量。

权利要求书
1.  一种等离子弧超声焊接工艺，其特征是：是在等离子弧焊过程中实时对熔池和焊缝附近的母材进行超声波振动，使熔融金属组织致密均匀，焊缝处金属晶粒细化，加速熔池气体析出，减少焊接应力和焊接变形，提高焊接接头疲劳强度和疲劳寿命，从而大幅度提高焊接质量。

2.  一种等离子弧超声焊接装置，包括换能器和变幅杆，其特征是：换能器固定连接在变幅杆的一端，变幅杆的另一端设置有空腔，该空腔中设置有焊接喷嘴，焊接喷嘴与该空腔之间的间隙形成保护气腔，焊接喷嘴中设置有电极，焊接喷嘴内设置冷却水腔，焊接喷嘴上设置有离子气进气管，变幅杆上设置有与保护气腔连通的保护气进气管，变幅杆的下端面开设有排气槽。

说明书一种等离子弧超声焊接工艺及装置
技术领域
本发明涉及一种对金属工件进行等离子弧焊接的工艺及装置，属于等离子弧焊技术领域。
背景技术
等离子弧焊是利用等离子弧作为热源的焊接方法。气体由电弧加热产生离解，在高速通过水冷喷嘴时受到压缩，增大能量密度和离解度，形成等离子弧，电弧由辅助电极高频引弧后燃烧在电极与工件之间，用於焊接。等离子弧熔透或熔穿板材，形成焊接熔池。它的稳定性、发热量和温度都高于一般电弧，因而具有较大的熔透力和焊接速度。形成等离子弧的气体和它周围的保护气体一般用氩。根据各种材质，也有使用氦或氩氦、氩氢等混合气体的。
等离子弧焊设备通常由焊接电源、焊枪、控制电路、气路及水路等部分组成。
等离子弧焊接属于高质量焊接方法。焊缝的深/宽比大，热影响区窄，工件变形小，可焊材料种类多。但是在成形过程中,成形件要承受电弧热量的连续输入,从而造成其整体温度升高,成形轨迹热影响区变大,熔池金属流动性增强等热效应,这对于控制成形件表面质量极为不利。而焊后引起的整体热变形对成形件的尺寸及形状都有很大的影响。在焊接时，熔池金属结合不紧密，焊缝处的晶粒粗大，工件焊接连接处的疲劳强度和疲劳寿命低。
目前出现了超声振动在搅拌摩擦焊上应用的技术，如CN102744516A公开的《超声振动辅助搅拌摩擦焊工艺及装置》，通过超声波发生器将工频交流电转换为超声频的高频交流信号，再经过换能器将电能转化为超声机械振动能，经进一步放大振幅后，由工具头从搅拌头周围的待焊接区域先将超声波导入材料，再有搅拌头沿焊接方向焊接。还有CN102581471A公开的《一种轴肩固定及搅拌针旋转的超声波辅助半固态搅拌摩擦焊接方法》。与普通搅拌摩擦焊相比，搅拌摩擦焊中超声振动的可以获得良好的焊缝成形，有助于提高焊接效率，辅加超声后接头微观组织中焊核区和热力影响区晶粒都有所细化，对改善焊缝组织有一定的积极影响，有助于提高焊缝的力学性能。
但是等离子弧焊与搅拌摩擦焊的原理不同，焊接设备的结构也不同，搅拌摩擦焊上超声振动的结构不能直接用于等离子弧焊。目前还没有超声波在等离子弧焊上应用的文献报道。
发明内容
本发明针对现有等离子弧焊技术存在的不足，提供一种能够使焊缝处晶粒细化、提高焊接接头疲劳强度和疲劳寿命、减少焊接应力和焊接变形的等离子弧超声焊接工艺，同时提供一种实现该工艺的等离子弧超声焊接装置。
本发明的等离子弧超声焊接工艺，是在等离子弧焊过程中实时对熔池和焊缝附近的母材进行超声波振动，使熔融金属组织致密均匀，焊缝处金属晶粒细化，加速熔池气体析出，减少焊接应力和焊接变形，提高焊接接头疲劳强度和疲劳寿命，从而大幅度提高焊接质量。
实现上述工艺的等离子弧超声焊接装置，采用以下技术方案：
该装置，包括换能器和变幅杆，换能器固定连接在变幅杆的一端，变幅杆的另一端设置有空腔，该空腔中设置有焊接喷嘴，焊接喷嘴与该空腔之间的间隙形成保护气腔，焊接喷嘴中设置有电极，焊接喷嘴内设置冷却水腔，焊接喷嘴上设置有离子气进气管，变幅杆上设置有与保护气腔连通的保护气进气管，变幅杆的下端面开设有排气槽。
电极的下端处于变幅杆的空腔内，且电极下端与变幅杆下端面之间的距离能够使变幅杆的端面与被焊工件接触时电极与被焊工件间产生最佳的等离子弧。
上述装置将等离子弧焊设置于变幅杆中，在焊接的同时对熔池和焊缝附近的母材进行超声振动。焊接时，将换能器与超声波发生器连接，将变幅杆抵在焊缝两边的母材处，将焊丝伸进接缝处，向焊接喷嘴和保护气腔分别通入离子气和保护气体。接通电源，在焊缝处形成焊接电弧。变幅杆在换能器的带动下振动，同时，变幅杆将这种振动作用到焊缝处，使熔池里的熔融金属和熔池附近的母材产生振动，从而使熔融金属组织更致密，晶粒更加细化，并且减小焊接应力和焊接变形，熔池里的气体更彻底地析出，提高焊接接头的疲劳强度和疲劳寿命。变幅杆与焊丝一起沿接缝以一定速度移动，完成全部接缝的焊接，得到高质量的焊缝。
   本发明在进行等离子弧焊接的同时，利用超声波振动对熔池和焊缝附近的母材进行振动处理，使焊缝处晶粒更加细化，金属组织更致密，焊缝中的气体析出更彻底，减少焊接变形，提高了焊接接头的疲劳强度和疲劳寿命，保证了焊接质量。
附图说明
图1是本发明等离子弧超声焊接装置的结构示意图。
 图中：1、电极，2、焊接喷嘴，3、变幅杆，4、换能器，5、排气槽，6、工件，7、熔池，8、等离子弧，9、冷却水腔，10、离子气进气管，11、保护气进气管，12、进水管，13、出水管，14、导线，15、保护气腔。
具体实施方式
本发明的等离子弧超声焊接装置如图1所示，主要包括换能器4和变幅杆3，换能器4固定连接在变幅杆3的一端，在变幅杆3的另一端设置有一个容纳喷嘴的空腔，在该空腔中设置有焊接喷嘴2，焊接喷嘴2与该空腔之间的间隙形成保护气腔15，焊接喷嘴2的中心设置有电极1，焊接喷嘴2内设置有环形的冷却水腔9，冷却水腔9与焊接喷嘴2上的进水管12和出水管13连通，形成循环冷却水，对焊接喷嘴2进行冷却。焊接喷嘴2上还设置有离子气进气管10，该离子气进气管10伸出变幅杆3。变幅杆3上设置有与保护气腔连通的保护气进气管11。电极1的下端处于变幅杆3的空腔内，且其下端与变幅杆3的下端面根据焊接材质保持一定的距离，以确保变幅杆3的端面与被焊工件6接触时电极1与被焊工件间能够产生最佳的等离子弧8。变幅杆3的下端面开设有排气槽5和焊丝槽（与排气槽5垂直）。
变幅杆3的侧面设置有能够使离子气进气管10、进水管12和出水管13进入的开口以及使与电极1连接的导线14引出的开口，并且这些开口与上述部件的间隙要使变幅杆3能够自由振动。也可以使离子气进气管10、进水管12和出水管13与变幅杆3固定为一体，变幅杆3带动焊接喷嘴2在焊接过程中一起振动。
上述超声波等离子弧焊装置的操作过程，如下所述：
电极1通过导线14与外部的高频振荡器连接，同时工件6也与高频振荡器连接。将换能器15与超声波发生器连接，将变幅杆3抵在焊缝两边的母材处（变幅杆3端面与被焊工件表面接触），将焊丝由焊丝槽伸进接缝处，由离子气进气管10向焊接喷嘴2内通入离子气（氩气、氦或氩氦、氩氢等混合气体），由保护气进气管11向保护气腔15内通入保护气体（氩气、氦或氩氦、氩氢等混合气体）。接通电源，在接缝处形成等离子弧8），接缝处金属熔化形成金属熔池7，离子气和保护气体从排气槽5中排出。变幅杆3在换能器4的带动下振动，在焊接的同时对熔池和焊缝附近的母材进行超声振动，使熔池中的熔融金属组织致密均匀，晶粒更加细化，减少焊接应力和焊接变形，从而提高焊接接头的疲劳强度和疲劳寿命。变幅杆3一起沿接缝移动，完成整个接缝的焊接。