[發明專利]一種基于超聲攪拌的電弧焊縫晶粒細化設備及其方法

在審

• 申請號: 201810352495.2
• 申請日: 2018-04-19
• 公開（公告）號: CN108526736A
• 公開（公告）日: 2018-09-14
• 發明（設計）人: 袁濤;龔文韜;陳樹君
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: B23K28/02
• 分類號: B23K28/02
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 張慧

本發明公開了一種基于超聲攪拌的晶粒細化設備及其方法，包括：待焊板件、焊槍、焊機、超聲波發生器、超聲波探針、石墨纖維片，將一根超聲波探針直接插入焊接熔池并且在電弧后面預設距離的位置進行超聲攪拌。采用本發明的技術方案，待焊板件可以固定在夾具上以防止焊接變形，而且超聲波探針在焊接熔池內的位置可以根據需要進行調整，對超聲波探針長度、超聲探針與焊槍的距離、超聲的振幅進行了合理地設計，使焊縫區細化的晶粒覆蓋率達到最高，提升電弧焊的焊接質量。

技術領域

本發明屬于焊接技術領域，尤其涉及一種基于超聲攪拌的電弧焊縫晶粒細化設備及其方法。

背景技術

由于焊接過程熱輸入較大，容易造成焊縫及近縫區金屬過熱和晶粒粗大。晶粒粗大使焊縫的強度、塑性、韌性降低，焊縫的塑性降低將使焊縫變脆，沖擊值達不到要求，甚至在使用中突然斷裂。另外，晶粒粗大會給焊縫探傷造成困難，掩蓋一些缺陷。相反，根據Hall-Petch關系可知，焊縫中細小的晶粒會降低凝固裂紋敏感性并且優化焊縫的機械性能，如強度、韌性、延展性等。

目前很多研究針對金屬材料的熔池凝固特點提出了多種晶粒細化方法，但是目前的各種方法都存在各種缺陷，如影響焊接過程的柔性、設備復雜、由于影響電弧穩定性而無法應用于熔絲過程等。在此背景下，有文獻提出了基于外加超聲能量的電弧焊縫晶粒細化方法。

有文獻報道，在鎢極氣體保護焊焊接6943鋁合金和熔化極氣體保護焊焊接316L不銹鋼時，利用超聲振動待焊板件得到了非常理想的晶粒細化焊縫。鎢極氣體保護焊焊接6943鋁合金的研究中所用超聲設備的功率為2kW，頻率為20kHz。不幸的是，當工件被緊實的固定在固定的夾具上或者與一個固定的結構相連時，超聲振動工件將會變得非常困難。有文獻提出一個解決這個問題的改進方法，即將填充焊絲固定裝置固定在超聲波發生器上，并使填充焊絲的尖端與熔池邊緣接觸以傳遞超聲波進入焊接熔池。超聲設備的參數為600W，19kHz。由于焊絲固定裝置和焊接熔池都非常小，所以在該研究中所用的超聲設備功率可以如此小，這是這個方法的另一個優勢。然而，由于焊絲的熔點非常低，當焊絲被進給到距離熔池比較近以加強熔池振動時，焊絲尖端趨向于熔化，熔滴長大并阻止晶粒繼續細化。

超聲強度的定義為I＝ρc(2πfA)²/2(ρ為液體密度，c為液體中聲音的傳播速度，f為超聲頻率，A為超聲振幅)，在液體鎂中產生充分的聲空化現象的條件為I≥78W/cm²。如果我們用一個非常細的探針在鎢極氣體保護焊的小體積液態金屬熔池中進行超聲攪拌，熔融金屬所產生的阻力將會非常小，因此可以使用一個較小功率而且價格也較低的超聲設備就可以得到很好的晶粒細化效果。

因此，基于這個基本原理，本發明設計提出一個基于超聲能量的導入，具有良好晶粒細化效果而且設備簡單易行的電弧焊縫晶粒細化方法，通過從試件背面插入超聲探針，通過石墨纖維片解決熔池金屬向下流淌的問題。本發明設計了新的實用超聲探頭，提出了一種新的超聲探針插入方式，通過晶粒大量細化實現高質量電弧焊接。

發明內容

本發明為解決電弧焊接中存在的已知晶粒粗大問題，提供能夠提高電弧焊縫強度的焊接方法。

為解決上述問題，本發明提供一種基于超聲攪拌的電弧焊接晶粒細化設備及其方法，解決了鎂合金焊縫晶粒粗大使焊縫的強度、塑性、韌性降低，焊縫的塑性降低將使焊縫變脆，沖擊值達不到要求，甚至在使用中突然斷裂的問題。

一種基于超聲攪拌的電弧焊縫晶粒細化設備，包括：待焊板件、焊槍、焊機、超聲波發生器、超聲波探針、石墨纖維片；其中，超聲波發生器連接超聲波探針，超聲波探頭被不銹鋼管包裹，超聲波探針穿透于石墨纖維片；所述焊槍與待焊板件之間垂直，且位于待焊板件上方，所述焊槍與所述超聲波發生器相對垂直；待焊板件固定在可運動小車上，所述焊槍與超聲波探頭的位置在焊接過程中相對固定；將所述超聲波探針直接插入焊接熔池并且在電弧后面預設距離的位置進行超聲攪拌。

作為優選，超聲波探針材料為鎢絲。