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1、(10)申请公布号 CN 103785963 A (43)申请公布日 2014.05.14 CN 103785963 A (21)申请号 201410063336.2 (22)申请日 2014.02.18 B23K 28/02(2014.01) (71)申请人 哈尔滨工业大学 地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区西大 直街 92 号哈尔滨工业大学焊接与连接 国家重点实验室 (72)发明人 范成磊 谢伟峰 杨春利 林三宝 (54) 发明名称 一种超声电弧复合焊接装置 (57) 摘要 本发明公开一种超声电弧复合焊接装置， 包 括导电杆 (1)、 超声换能器 (2)、 第一级超声变幅 杆 (4。
2、)、 焊接喷嘴 (7)、 熔化电极 (10)、 超声电源 (13)、 水冷系统 (14) 和焊接电源 (15)， 本装置还 包括第二级超声变幅杆(6)和超声发射端(8)， 超 声换能器(2)连接第一级超声变幅杆(4)， 第一级 超声变幅杆(4)连接第二级超声变幅杆(6)， 第二 级超声变幅杆(6)连接超声发射端(8)， 超声发射 端 (8) 的下端为喇叭口状， 在喇叭口上开有多个 通气孔 (9)， 本发明采用两级变幅杆超声放大以 及喇叭口状发射端可以大大提高声辐射能力， 有 效减少声散射效应， 整体提高了声辐射效率。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 2 页 (。
3、19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书3页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103785963 A CN 103785963 A 1/1 页 2 1. 一种超声电弧复合焊接装置， 包括导电杆 (1)、 超声换能器 (2)、 第一级超声变幅杆 (4)、 焊接喷嘴 (7)、 熔化电极 (10)、 超声电源 (13)、 水冷系统 (14) 和焊接电源 (15)， 其特 征在于 ： 还包括第二级超声变幅杆 (6) 和超声发射端 (8)， 超声换能器 (2) 连接第一级超声 变幅杆 (4)， 第一级超声变幅杆 (4) 连接第二级超声变幅杆 (6)， 第二级超。
4、声变幅杆 (6) 连 接超声发射端 (8)， 超声发射端 (8) 外面包裹有焊接喷嘴 (7)， 超声发射端 (8) 的下端为喇 叭口状， 在喇叭口上开有多个通气孔 (9)， 超声电源 (13) 与超声换能器 (2) 相连， 水冷系统 (14) 与第一级超声变幅杆 (4) 上的水冷通孔 (5) 连接， 超声换能器 (2)、 第一级超声变幅 杆 (4)、 第二级超声变幅杆 (6) 和超声发射端 (8) 的中心开有同心的轴心通孔 (3)， 导电杆 (1) 位于轴心通孔 (3) 内， 且不与超声换能器 (2)、 第一级超声变幅杆 (4)、 第二级超声变幅 杆(6)和超声发射端(8)相接触， 焊接电源(。
5、15)的两极分别与导电杆(1)和待焊工件(12) 连接， 导电杆 (1) 为空心， 熔化电极 (10) 穿过导电杆 (1) 内部， 熔化电极 (10) 与待焊工件 (12) 之间形成焊接电弧 (11)。 2. 如权利要求 1 所述的一种超声电弧复合焊接装置， 其特征在于 ： 所述的超声发射端 (8) 的喇叭口上端外径与第二级超声变幅杆 (6) 外径相同。 3. 如权利要求 1 所述的一种超声电弧复合焊接装置， 其特征在于 ： 所述的第一级超声 变幅杆 (4) 和第二级超声变幅杆 (6) 的放大系数均介于 6 10 之间。 4. 如权利要求 1 所述的一种超声电弧复合焊接装置， 其特征在于 ： 。
6、所述的熔化电极 (10) 或为非熔化电极 (16) 时， 导电杆 (1) 为实心电杆， 非熔化电极嵌于导电杆 (1) 下方与 其紧密连接。 5. 如权利要求 1 或 3 所述的一种超声电弧复合焊接装置， 其特征在于 ： 所述的第一级 超声变幅杆 (4) 和第二级超声变幅杆 (6) 横截面大小不相同。 权 利 要 求 书 CN 103785963 A 2 1/3 页 3 一种超声电弧复合焊接装置 技术领域 0001 本发明涉及电弧焊及电弧冶炼领域， 具体涉及一种超声电弧复合焊接装置。 背景技术 0002 目前， 世界主要工业国家生产的焊接结构占到钢产量的 50-60。其中弧焊的应 用最为广泛。电。
7、弧焊是通过焊枪将气体 ( 如惰性气体氩气和氮气 ) 转换为等离子高焓气 体， 并以其为热源的冶炼连接方法。 为了拓展电弧焊的应用范围以及进一步提高焊接效率， 出现了许多新的弧焊方法， 通过对焊接热源的调控以改善正常规范下的电弧特性及焊缝熔 池形貌， 如高频脉冲氩弧焊、 激光增强电弧复合焊及双钨极 TIG 焊等。基于同一理念， 也鉴 于超声振动的相关优点， 越来越多学者将超声振动引入到焊接中， 如超声电弧焊接、 焊后超 声冲击处理、 功率超声焊接等。其中在超声波与电弧复合焊方面， 已有技术中， 申请号为 200710144659.4 和 200710144660.7 的专利分别公开了超声波与非熔。
8、化极和熔化极电弧焊 接过程复合的焊接方法。通过在电弧焊中引入超声， 电弧收缩明显， 能量更加集中， 焊缝的 熔深增加， 根据文献 “基于超声振动的 304 不锈钢 TIG 焊接， 范阳阳， 孙清洁， 杨春利，焊接 学报 ， 30(2)， 91-94” 报道， 超声电弧焊接焊缝内部组织出现明显细化， 接头质量得到提高。 但根据声传播的特点可知， 声波传播过程受温度， 烟尘等因素导致的能量衰减很厉害， 如何 进一步提高声辐射能力， 降低声衰减是超声电弧复合焊接装备开发中的一个难点。在申请 号为 201010291292.0 的专利中， 公开了一种超声聚焦声场与熔化极电弧复合焊接装置， 其 特点是将。
9、凹面聚焦声发射端焦点作用于熔滴过渡位置以提高焊接效率， 但在获得局部声辐 射能力提高的同时忽略了声场的整体效应， 因为辐射端面较小， 对小规范焊接更有利， 对大 规范焊接而言， 声回复力不足易导致电弧不够稳定。 另外需要注意的是， 功率超声在空气中 应用也存在一定难点， 一是普通的换能器同气体介质的声阻抗严重失配 ； 另一个就是超声 在气体介质中的快速衰减， 这在一定程度上也弱化了电弧空间声辐射能力。所以针对超声 电弧焊接领域， 进一步解决功率超声发生装置声阻抗匹配， 优化发射端形状， 提高设备稳定 性， 拓展应用领域是未来发展方向。 发明内容 0003 本发明的目的是为解决上述不足， 提供一。
10、种超声电弧复合焊接装置。 0004 本发明的目的是通过以下技术方案实现的 ： 0005 一种超声电弧复合焊接装置， 包括导电杆、 超声换能器、 第一级超声变幅杆、 焊接 喷嘴、 熔化电极、 超声电源、 水冷系统和焊接电源， 其特征在于 ： 还包括第二级超声变幅杆和 超声发射端， 超声换能器连接第一级超声变幅杆， 第一级超声变幅杆连接第二级超声变幅 杆， 第二级超声变幅杆连接超声发射端， 超声发射端外面包裹有焊接喷嘴， 超声发射端的下 端为喇叭口状， 在喇叭口上开有多个通气孔， 超声电源与超声换能器相连， 水冷系统与第一 级超声变幅杆上的水冷通孔连接， 超声换能器、 第一级超声变幅杆、 第二级超。
11、声变幅杆和超 声发射端的中心开有同心的轴心通孔， 导电杆位于轴心通孔内， 且不与超声换能器、 第一级 说 明 书 CN 103785963 A 3 2/3 页 4 超声变幅杆、 第二级超声变幅杆和超声发射端相接触， 焊接电源的两极分别与导电杆和待 焊工件连接， 导电杆为空心， 熔化电极穿过导电杆内部， 熔化电极与待焊工件之间形成焊接 电弧。 0006 本发明还具有如下特征 ： 0007 1、 所述的超声发射端的喇叭口上部外径与第二级超声变幅杆外径相同。 0008 2、 所述的第一级超声变幅杆和第二级超声变幅杆的放大系数均介于610之间。 0009 3、 所述的熔化电极或为非熔化电极时， 导电杆。
12、为实心电杆， 非熔化电极嵌于导电 杆下方。 0010 4、 所述的第一级超声变幅杆和第二级超声变幅杆横截面大小不相同。 0011 本发明具有如下有益的效果 ： 由于焊接过程工况比较复杂， 而声振动有很高的非 线性， 在声发射端与工件之间的声传播， 受焊接高温与烟尘影响可利用声能量损耗较大， 本 发明两级变幅杆超声放大以及喇叭口状发射端能够大大提高声辐射能力。 采用变截面喇叭 口状发射端的设计可以明显减少能量从基频模态的迁移， 考察总的能量输入与总耗散的能 量之比发现， 逐渐扩大的截面喇叭口有利于抑制低次谐波。 在厚度方向振动的声波， 经过发 射端内部反射进入辐射空间， 达到一种声束聚焦效果， 。
13、有效减少声散射效应， 整体提高了声 辐射效率。另外， 带通气孔的喇叭口状超声发射端设计也可有效解决焊接保护气不足的问 题。 附图说明 0012 图 1 为本发明的正面整体结构示意图 ； 0013 图 2 为本发明的超声发射端俯视图 ； 0014 图 3 为本发明的非熔化电极导电杆结构示意图 ； 0015 图 4 为本发明的熔化电极导电杆结构示意图。 具体实施方式 0016 下面结合附图对本发明作进一步的说明 ： 0017 实施例 1 0018 一种超声电弧复合焊接装置， 包括导电杆 1、 超声换能器 2、 第一级超声变幅杆 4、 焊接喷嘴 7、 熔化电极 10、 超声电源 13、 水冷系统 1。
14、4 和焊接电源 15， 本装置还包括第二级超 声变幅杆 6 和超声发射端 8， 超声换能器 2 通过螺栓与第一级超声变幅杆 4 紧固连接， 第一 级超声变幅杆 4 通过螺栓与第二级超声变幅杆 6 紧固连接， 第二级超声变幅杆 6 通过螺栓 与超声发射端 8 紧固连接， 超声发射端 8 外面包裹有焊接喷嘴 7， 超声发射端 8 的下端为喇 叭口状， 在喇叭口上开有多个通气孔 9， 超声电源 13 与超声换能器 2 相连， 第一级超声变幅 杆 4 上开有环向水冷通孔 5， 水冷系统 14 通过管道与水冷通孔 5 连接， 超声换能器 2、 第一 级超声变幅杆 4、 第二级超声变幅杆 6 和超声发射端。
15、 8 的中心开有同心的轴心通孔 3， 导电 杆 1 位于轴心通孔 3 内， 且不与超声换能器 2、 第一级超声变幅杆 4、 第二级超声变幅杆 6 和 超声发射端 8 相接触， 焊接电源 15 的两极通过电缆分别与导电杆 1 和待焊工件 12 连接， 导 电杆 1 为空心， 熔化电极 10 穿过导电杆 1 内部， 熔化电极 10 与待焊工件 12 之间形成焊接 电弧 11。所述的超声发射端 8 的喇叭口上部外径与第二级超声变幅杆 6 外径相同。所述的 说 明 书 CN 103785963 A 4 3/3 页 5 第一级超声变幅杆 4 和第二级超声变幅杆 6 的放大系数均介于 6 10 之间。所述。
16、的第一 级超声变幅杆 4 和第二级超声变幅杆 6 横截面大小不相同。 0019 实施例 2 0020 本实施例的装置与实施例 1 相同， 其不同点在于采用的电极为非熔化电极， 导电 杆 1 为实心电杆， 非熔化电极嵌于导电杆 1 下方与其紧密连接。 0021 实施例 3 0022 由换能器产生的机械振动， 首先经第一级超声变幅杆振幅放大后， 再进入第二级 放大， 通过凹面喇叭口形状的超声发射端以超声波形式辐射出去， 可以实现更大超声能量 传入电弧空间。通过在超声发射端上开有一定数量的通气孔， 可有效改善焊接保护效果不 足的问题。 0023 实施例 4 0024 超声电源的电信号通过换能器转换为。
17、机械振动， 由于换能器的机械振动较小， 采 用两级超声波变幅杆将振幅放大到 25-250m， 最后振动经超声发射端传入焊接电弧， 上述 装置可以在 15kHz 到 2MHz 的超声振动下工作。焊接过程的保护气通过附加在超声波第二 级变幅杆上的焊接喷嘴流入， 经过发射端的通气孔和外围进而覆盖焊接区域。超声电源的 输入功率可以在 1W 到 1000W 之间连续调节。先后启动焊接电源和超声电源， 在适合的焊接 参数和超声参数下进行焊接过程。由于超声发射端面积远大于电极和导电杆端面面积， 另 外由于类似锥面设计的喇叭口状发射端声聚焦能力更强， 因此通过发射端直接辐射输出作 用于电弧的超声能量在功率和能。
18、量密度方面均有大幅度提高。在熔化极立焊工艺试验中， 对比不加超声， 加超声后焊接飞溅和烟尘明显减弱， 熔滴过渡轨迹由普通的抛物线变为直 线， 熔滴过渡频率明显加快， 焊接过程稳定均匀， 焊缝熔深增加， 表面成形均匀一致， 焊接效 率和质量均得到了提高。 0025 对超声电弧焊接用的气介式大功率超声换能器， 由于换能器的声阻抗与气体的声 阻抗相差甚远。因而存在严重的阻抗失配问题。为了改善声匹配， 提高气介式超声换能器 的辐射效率， 目前采用解决办法有两种 ： 一种是利用多层匹配板或半波长匹配层， 以提高空 气换能器的辐射效率 ； 二是利用大振动辐射板， 起到阻抗匹配的作用。 对于多层匹配板换能 器， 由于声波的多次反射以及匹配材料的选择等问题， 限制了其广泛的应用。 0026 将纵向振动夹心式换能器与带喇叭口状发射端的两级变幅杆组成复合式换能器， 利用纵向振动换能器的高效大功率以及特定发射端的低辐射阻抗、 大辐射面积等特点， 能 有效克服现有超声电弧焊技术中声辐射力小， 恢复力弱， 电弧稳定性差等问题。 说 明 书 CN 103785963 A 5 1/2 页 6 图 1 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 103785963 A 6 2/2 页 7 图 4 说 明 书 附 图 CN 103785963 A 7 。