[發明專利]一種用于鋁合金的超聲窄間隙焊接系統及方法

有效

• 申請號: 202011208648.X
• 申請日: 2020-11-03
• 公開（公告）號: CN112404662B
• 公開（公告）日: 2022-07-01
• 發明（設計）人: 陳琪昊;王加友;謝志宇
• 申請（專利權）人: 江蘇科技大學
• 主分類號: B23K9/16
• 分類號: B23K9/16;B23K9/095;B23K9/28;B23K9/32;B24B27/033
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 徐澍

1.一種用于鋁合金的超聲窄間隙焊接系統，其特征在于：包括超聲激勵電源、耦合波形控制系統、聯合控制開關、焊接電源以及窄間隙焊炬，其中所述超聲激勵電源的一極與所述耦合波形控制系統的a腳相連，另一極分別與所述耦合波形控制系統的b腳及被焊工件相連；所述耦合波形控制系統的c腳與所述窄間隙焊炬中的焊絲相連，所述耦合波形控制系統的d腳和e腳分別和所述聯合控制開關相連，所述聯合控制開關的g腳和f腳通過引弧控制線與所述焊接電源相連；所述焊接電源的正極和負極分別與所述窄間隙焊炬中的焊絲和被焊工件相連；

所述的耦合波形控制系統由電磁繼電器一、耦合電阻、耦合電容、限流電阻及電磁繼電器二構成；其中，所述電磁繼電器一的一個公共端與所述耦合電阻的一極相連，與此公共端匹配的常開觸點與所述耦合電容一極相連，相連后引出a腳，所述耦合電阻的另一極為所述耦合波形控制系統的b腳；所述電磁繼電器一的輸入端為所述耦合波形控制系統的d腳；所述耦合電容的另一極與所述限流電阻的一極相連，所述限流電阻的另一極與所述電磁繼電器二的公共端相連，與此公共端匹配的常開觸點作為所述耦合波形控制系統的c腳，所述電磁繼電器二的輸入端為所述耦合波形控制系統的e腳；

所述的耦合波形控制系統工作原理是：利用限流電阻控制耦合電容的充放電時間，獲得一種低附加熱輸入的超聲頻耦合電信號，其波形中脈沖電流的上升沿和下降沿陡峭；超聲頻激勵信號與焊接電信號疊加后，熱輸入僅增大0.2％。

2.根據權利要求1所述的一種用于鋁合金的超聲窄間隙焊接系統，其特征在于：所述的聯合控制開關由IO控制器、IO控制器供電電源、電磁繼電器三、計算機及自鎖開關構成，其中所述IO控制器供電電源與所述IO控制器的供電端相連，所述IO控制器的第1路開關量輸入端、第2路開關量輸入端及開關量輸入公共端與兩個所述自鎖開關相連，所述IO控制器的第1路開關量輸出端及第1路開關量輸出公共端與所述電磁繼電器三的輸入端相連，所述電磁繼電器三的一個輸出公共端和對應的常開觸點分別為所述聯合控制開關的g腳和f腳；所述IO控制器的A/485+及B/485-連接RS485轉USB轉換器后與所述計算機相連；所述的耦合波形控制系統的d腳和e腳分別與所述IO控制器的第2路開關量輸出端、第2路開關量輸出公共端、第3路開關量輸出端及第3路開關量輸出公共端相連。

3.根據權利要求1所述的一種用于鋁合金的超聲窄間隙焊接系統，其特征在于：所述的焊接電源為GMA焊接電源或GTA焊接電源，焊接電流模式為直流、交流或脈沖模式。

4.根據權利要求1所述的一種用于鋁合金的超聲窄間隙焊接系統，其特征在于：所述的超聲激勵電源為矩形波交流脈沖電源，超聲激勵電壓及超聲激勵頻率均可調，超聲激勵電壓在0V-200V范圍連續可調，超聲激勵頻率在15kHz-80kHz范圍連續可調。

5.根據權利要求1所述的一種用于鋁合金的超聲窄間隙焊接系統，其特征在于：所述的窄間隙焊炬為搖擺電弧窄間隙焊炬或旋轉電弧窄間隙焊炬。

6.根據權利要求1所述的一種用于鋁合金的超聲窄間隙焊接系統，其特征在于：所述的限流電阻和所述耦合電阻選擇大功率可調滑動變阻器，功率為5000W，對焊接電流的分流及超聲回路的過流分別起限制和保護作用，耦合電容選用無極性的電解電容。

7.根據權利要求2所述的一種用于鋁合金的超聲窄間隙焊接系統，其特征在于：所述的IO控制器為開關量8入4出的智能IO控制器，可通過計算機編程對IO控制器程序進行更改，精確控制焊接回路和超聲回路的異步開關，控制時間可精確到0.01s，確保超聲激勵電源安全的同時提高焊接操作的便利性。

8.根據權利要求1所述的一種用于鋁合金的超聲窄間隙焊接系統的焊接方法，其特征在于：包括如下步驟：

步驟1、確定耦合波形控制系統中的器件參數，器件參數包括：限流電阻、耦合電容及耦合電阻，耦合波形控制系統中器件參數按如下原則進行確定：

其式中：R限為限流電阻的阻值，f為超聲激勵電源的頻率，單位為kHz，c為耦合電容的容量，單位為uF，耦合電阻的阻值為1000Ω，

步驟2、選定焊接電流模式，

步驟3、將加工好的被焊工件安置于焊接平臺上，被焊工件開U型坡口，對被焊工件四角壓緊，打開水電氣，按照焊接系統的連接方法將超聲激勵電源、耦合波形控制系統、聯合控制開關、窄間隙焊炬中的焊絲、焊接電源及引弧控制線相連接，

步驟4、通過計算機軟件編程，對聯合控制開關中的IO控制器程序進行編程，使得聯合控制開關按如下順序進行控制：首先啟動焊接電弧，其次開通耦合波形控制系統，焊接結束時，先關閉焊接電弧，最后關斷耦合波形控制系統，

步驟5、設定超聲激勵電源參數和焊接電源參數，其中，超聲激勵電源參數包括超聲激勵頻率和超聲激勵電壓，超聲激勵頻率為30kHz，不同層焊接時保持超聲激勵頻率不變；當窄間隙焊炬為搖動或擺動電弧窄間隙焊炬時，焊接參數包括：焊接電流、焊接速度、電弧搖擺頻率、電弧搖擺角度、電弧側壁停留時間、噴嘴高度及保護氣流量，當窄間隙焊炬為旋轉電弧窄間隙焊炬時，焊接參數包括：焊接電流、焊接速度、電弧旋轉頻率、噴嘴高度及保護氣流量，其中通過控制焊接平臺的移動速度改變焊接速度，當焊接電源為逆變式的焊接電源時，需要避免超聲激勵頻率與焊接電源的逆變頻率接近，

步驟6、調控焊槍位置，使焊絲處于破口中心位置，同時保證焊絲搖動時不接觸側壁，距離側壁1mm距離，調整氣罩距離母材上表面距離至10mm，第一層焊接時，超聲激勵電壓設定為100V，保護氣流量20L/min～25L/min，其他參數設定好之后，啟動聯合控制開關，啟動焊接平臺，開始焊接，

步驟7、第一層焊接結束后，關閉聯合控制開關，停止焊接平臺，利用特制鋼絲刷打磨焊縫表面，去除鋁合金表面氧化皮，氧化皮打磨完畢后，保持參數不變，進行第二層焊接，第二層焊后同樣需利用特制鋼絲刷打磨焊縫表面，去除鋁合金表面氧化皮，

步驟8、改變超聲激勵電壓到50V，利用同樣的步驟進行中間層數的焊接，焊接至最后兩層時，需將超聲激勵電壓增大到100V，直至焊接完畢，

步驟9、待整條焊縫焊接完成后，關閉焊接系統以及超聲電源，空冷至室溫，取下焊接工件，將焊接工件表面擦拭干凈，完成焊接。