[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

本發明公開了一種用于鋁合金的超聲窄間隙焊接系統及方法，所述焊接系統由超聲頻激勵電源、耦合波形控制系統、焊接電源、窄間隙焊炬及聯合控制開關構成，焊接方法是聯合控制開關按設定程序對焊接回路及超聲回路進行異步精確控制；耦合波形控制系統利用限流電阻控制耦合電容的充放電實現一種低熱影響的超聲頻耦合電信號，從而避免電耦合附加熱輸入對焊縫晶粒細化的不利影響；通過控制超聲激勵頻率確保每層焊接時熔池處于共振，改變不同層焊接時的超聲輸入能量，實現窄間隙焊接頭組織的均勻化，去除焊縫氣孔，解決了接頭性能不均勻問題。同時，減小了傳統搖擺電弧窄間隙焊的搖擺角度及側壁停留時間，提高了焊接效率。

技術領域

本發明涉及一種低熱影響、高效率的鋁合金超聲窄間隙焊接系統及方法，屬于窄間隙電弧焊接技術領域。

背景技術

厚壁鋁合金在航空航天、船舶及核電等領域具有廣泛的應用，其焊接質量直接關乎到相關產品的可靠性及使用壽命，因此，厚壁鋁合金的焊接問題值得關注。窄間隙電弧焊接作為一種高效高質量低成本的焊接方法在厚壁鋁合金的焊接方法中具有較強的競爭優勢。其中，相比非熔化極焊接方法，窄間隙熔化極焊接方法焊接效率更高。目前，為了有效控制窄間隙焊側壁熔合缺陷的發生，現有的窄間隙焊接技術主要是控制電弧的搖擺或旋轉。通過增大電弧與側壁的接觸時間，增大側壁處的熱輸入，抑制側壁未熔合缺陷的發生。然而，保證電弧與側壁的足夠接觸時間勢必會降低焊接速度，影響焊接效率的進一步提升。

中國專利號為CN201810891365.6、名稱為“一種船用鈦合金厚板的振動熱絲窄間隙焊接方法”的發明專利，首次將低頻振動輔助方法引入窄間隙電弧焊接技術中，通過焊絲的低頻振動對熔池進行攪拌。該技術的優點是可通過焊絲的低頻振動改善熔池的結晶狀態，細化晶粒，缺點是：焊絲振動頻率低，超聲頻振動對焊接的有利作用得不到發揮。

中國專利號為CN200810150371.2、名稱為“窄間隙熔化極氣體保護焊焊槍”的發明專利，在焊槍保護氣室內安裝壓電晶片和匹配層，壓電晶片上、下兩面通過導線與高頻振蕩器電連接，產生超聲波束，使得熔池液態金屬與焊接坡口側壁金屬充分熔合，從而消除了側壁未熔合缺陷。然而，所述的窄間隙焊槍存在的問題是：(1)壓電晶片置于窄間隙焊接腔體內部，較高的腔體溫度容易導致壓電晶片失效，無法正常產生超聲頻振動效應。(2)超聲通過電弧空間傳入熔池，聲能利用率低。(3)超聲頻率不能連續可調，限制了工藝適用性。(4)與電弧搖擺或旋轉相比，利用超聲效應解決側壁未熔合的技術可靠性及穩定性低。

關于超聲在非窄間隙焊接領域中的應用，國內外已有報道，中國專利號為CN201010123736.X、名稱為“基于交流電弧激發超聲的鋁合金及鋁基復合材料焊接方法”的發明專利，在常規鋁合金及鋁基復合材料的焊接工藝中,根據高通濾波器原理構建一臺隔離耦合裝置,將電弧超聲激勵源與弧焊電源通過該裝置連接,使交變電信號耦合進交流電弧中,激勵出的超聲波直接作用于熔池,改善鋁合金及鋁基復合材料的焊接冶金及結晶過程。該技術的優點是：不需要復雜的超聲施加裝置，不受限于坡口及被焊工件的形狀尺寸，隨焊性好；該技術的缺點是：超聲頻電信號的耦合可引起附加的熱輸入，會引起晶粒粗化；同時，熔池超聲振動能量相對較低。