一种超声辅助穿孔的等离子弧焊接装置与工艺的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种超声辅助穿孔的等离子弧焊接装置与工艺，属于高效等离子弧焊接工艺技术领域。
【背景技术】
[0002]等离子弧焊接(Plasma Arc Welding，简称PAW)是一种高能量密度的先进焊接工艺技术。对于中厚钢板，在不开坡口的情况下，穿孔型等离子弧焊接可以一次焊透、单面焊双面成形。常规的等离子弧焊接过程中，小孔对工艺条件变化敏感；工艺参数的微小波动就可能造成小孔闭合或熔池塌陷，获得良好接头质量的合理规范参数范围窄、可调裕度小。
[0003]功率超声具有频率高、穿透能力强以及可以改变物性等特点。目前已经有超声振动在电弧焊上的应用技术，如中国专利CN101219499A公开的《一种超声波与非熔化极电弧复合的焊接方法》，将超声波作用于TIG电弧上，TIG电弧发生了明显收缩，说明超声振动能有效提高电弧的能量密度。但是，此发明中非熔化电极镶嵌于变幅杆中，不便拆卸、更换，限制了该方法的应用；TIG电弧工作于热导焊(熔入型)模式，熔池内不能产生小孔。此外，中国专利CN1583340A公开的《一种基于电弧超声的钛合金焊接方法》，利用高频脉冲焊接电流对电弧实施高频调制，利用电弧的变阻性负载特性激励出电弧超声。电弧作为超声发生源，将超声振动作用于焊接熔池。但是，这种利用电弧作为超声发生源的方法，要求焊接电流达到足以产生超声振动的频率，对焊接电源本身的要求很高，适应性差；同时，电弧工作于热导焊(熔入型)模式，熔池内不能产生小孔，靠熔池金属的热传导作用熔透母材，实现焊透。因此主要用于薄板(0.5?2.5mm以下)的焊接、多层焊封底焊道以后各层的焊接以及角焊缝的焊接。
【发明内容】
[0004]本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种超声辅助穿孔的等离子弧焊接装置与工艺，通过超声变幅杆与等离子弧焊枪内钨电极的紧密耦合连接，将功率超声振动由钨电极直接作用到等离子弧上，超声参数与焊接工艺参数项匹配，改善等离子弧的热-力作用和熔池的传热与流动行为。达到提高等离子弧的穿孔能力、拓宽适用的工艺参数的目的。
[0005]为实现以上目的，本发明采用以下技术方案:
[0006]—种超声辅助穿孔的等离子弧焊接装置，包括超声振动及传导单元，所述超声振动及传导单元包括依次相连的超声波发生器、超声波换能器与变幅杆，所述超声波换能器通过连接件与变幅杆的一端固定连接。所述变幅杆的另一端设置空腔，所述空腔内设置钨电极的夹持段，所述变幅杆与钨电极的夹持段通过可拆卸机构紧密耦合连接，所述变幅杆与钨电极的夹持段之间设有绝缘材料。所述钨电极的非夹持段连接有等离子弧焊接电源，所述钨电极的非夹持段外部设置等离子焊枪枪体。
[0007]本发明焊接装置的工作流程如下:首先，工频交流电经过超声波发生器后转换为超声频的交流电。随后，超声频的交流电经过超声波换能器转化为超声机械振动。经过变幅杆的聚焦和放大，形成功率超声振动，并且传递到钨电极上。进而对等离子弧、焊接熔池和小孔产生作用。
[0008]变幅杆与钨电极的耦合连接设计的优点在于，钨电极与变幅杆的连接能够拆卸，可以根据需要调节钨电极外伸长度或更换不同型号的钨电极。因此，对不同型号的焊枪及不同的焊接工艺参数的选择有着良好的适应性。
[0009]变幅杆与钨电极之间设有一种具有绝缘、绝热、可传导功率超声振动的材料，实现超声电路与等离子弧焊接电路的有效分离，同时钨电极的高温不会传递到变幅杆上，确保变幅杆处于正常工作温度范围。
[0010]所述钨电极经特殊设计，能与等离子弧焊枪枪体装配，实现等离子弧焊接。
[0011]在等离子弧焊枪的基础上，对焊枪进行设计和改造，将其设置在钨电极非夹持段的外部。钨电极的长度、直径可以根据焊接工艺需要及焊枪枪体进行匹配选用。在能够保证等离子弧焊枪正常工作的基础上，通过钨电极将功率超声振动传导到等离子弧上。
[0012]优选的，所述钨电极夹持段通过螺栓固定在所述变幅杆空腔内。保证功率超声振动能通过该连接结构传递到钨电极上。
[0013]进一步优选的，所述变幅杆空腔的两边开缝，所述螺栓为两个，两个螺栓分别穿过两边开缝，与螺母配合，将位于变幅杆空腔内的钨电极夹持段夹紧。确保变幅杆将钨电极夹持段夹紧。
[0014]优选的，妈电极材质为妈合金，优选材质为铺妈合金或铣妈合金。
[0015]优选的，所述超声波换能器采用压电陶瓷及前后合金盖板组成的压电型超声换能器。所述变幅杆可以选用铝合金、钛合金或合金钢。
[0016]本发明还涉及一种超声辅助穿孔的等离子弧焊接工艺，所述工艺使用所述超声辅助穿孔的等离子弧焊接装置进行焊接，通过以下步骤来实现:
[0017](1)工频交流电经过超声波发生器后转换为超声频的交流电，经过超声波换能器转化为超声机械振动。
[0018](2)变幅杆将超声波换能器的能量进行聚焦和放大，通过变幅杆的放大和聚焦形成一定频率与振幅的功率超声振动。通过设计变幅杆的整体尺寸确保钨电极输出的超声振动频率、功率为所需大小。
[0019](3)变幅杆与钨电极紧密耦合，变幅杆的功率超声振动通过夹持段传送到钨电极上。
[0020](4)将等离子弧焊接电源与钨电极的非夹持段相连，将等离子焊枪枪体设置在钨电极的非夹持段外部。根据焊接工艺需要及焊枪枪体进行匹配选用钨电极的长度、直径。[0021 ] (5)焊接时，等离子焊接电源输入焊接电流，等离子弧枪体输入离子气，钨电极产生等离子弧，并通过变幅杆传递的超声振动作用于等离子弧、焊接熔池和小孔。
[0022]所述步骤(1)中，超声波发生器输出功率为1?2000W。
[0023]所述步骤(2)中，放大后的功率超声振动频率为15KHz?ΙΟΟΚΗζ，振幅为10?100 μ mD
[0024]所述步骤(5)中，焊接电流为50?500A。
[0025]所述步骤(5)中，离子气种类为氩气、氩氦混合气，离子气流量为1?10L/min。
[0026]本发明中焊接工艺参数(焊接电流、焊接速度、离子气流量)与超声参数(频率、振幅、功率)以优化方式达到耦合匹配，以确保焊接过程稳定高效，获得高质量焊接接头。
[0027]该种超声辅助穿孔的等离子弧焊接工艺可以实现不锈钢、低合金高强钢等材料的焊接。
[0028]本发明的有益效果是:本发明在等离子弧焊枪的基础上，对焊枪进行设计和改造，在能够保证等离子弧焊枪正常工作的基础上，通过重新设计的钨电极将功率超声振动传导到等离子弧上。施加功率超声振动以后，强化了等离子弧的热-力作用，弧柱直径得到进一步的压缩，挺度也会提高。同时功率超声振动通过电弧传递到熔池中，在功率超声的作用下，小孔与熔池具有更强的适应性。功率超声振动辅助的穿孔等离子弧焊接过程更加稳定，也拓宽了形成稳定穿孔的焊接工艺参数裕度。
[0029](1)本发明钨电极与变幅杆的耦合连接设计的优点在于，钨电极与变幅杆的连接能够拆卸，可以根据需要调节钨电极外伸长度或更换不同型号的钨电极。因此，本发明对不同型号的焊枪及不同的焊接工艺参数的选择有着良好的适应性。等离子弧焊接电路与功率超声电路互相分离，可以分别进行参数调节。
[0030](2)本发明中功率超声振动的作用主要体现在，通过功率超声振动，增大电弧径向的压缩程度，提高电弧的挺度，电弧的热量更加集中，提高了电弧的稳定性，强化了等离子弧的热-力作用。实验测量结果显示采用相同大焊接电流时施焊时，施加功率超声振动后，能量密度可提高约30%。等厚度工件，施加超声振动后形成穿孔所需焊接电流可下降20%?30%。
[0031](3)本发明具有等离子弧焊焊接过程稳定、焊缝成形良好，并提高了等离子弧的穿孔能力和小孔稳定保持能力。
[0032](4)通过对焊接工艺参数(焊接电流、焊接速度、离子气流量)与超声参数(频率、振幅、功率)的优化耦合匹配，拓宽了形成穿孔的焊接工艺参数范围。
[0033](5)超声振动通过电弧作用于熔池及小孔孔壁，焊后所得焊缝中气孔数几乎完全消失，接头组织晶粒细化，合金成分分布均匀，提高了焊接接头的服役性能。减少了焊接应力和变形。提高焊接质量和效率。
【附图说明】
[0034]图1是本发明超