專利名稱：一種超聲波聚焦聲場(chǎng)與非熔化極電弧焊接復(fù)合的焊接裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及焊接技術(shù)，具體說(shuō)就是一種超聲波聚焦聲場(chǎng)與非熔化極電弧焊接復(fù)合的焊接裝置。
背景技術(shù)：
眾所周知，焊接技術(shù)在航空航天、橋梁造船、壓力容器、金屬結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域應(yīng)用的極為普遍，并且隨著現(xiàn)代化技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)焊接質(zhì)量和焊接效率的要求越來(lái)越高。隨著科技的發(fā)展和進(jìn)步，焊接方法也在不斷改進(jìn)，為了提高焊接質(zhì)量和焊接效率，現(xiàn)已設(shè)計(jì)出了多種復(fù)合焊接方法，超聲波復(fù)合焊接就是其中的一種。通過(guò)超聲裝置向焊接空間中輻射超聲波，并將超聲波產(chǎn)生的聲輻射力作用在電弧上，使電弧形態(tài)產(chǎn)生了明顯的收縮現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了電弧能量的集中，從而使所得到的焊縫熔深增加，實(shí)現(xiàn)普通焊接環(huán)境下的高質(zhì)量焊接。但是當(dāng)超聲變幅桿發(fā)射端形狀為平面時(shí)，焊接過(guò)程中輻射出的超聲強(qiáng)度稍弱，并且隨著與超生源距離的增大，聲場(chǎng)能量密度迅速減小，在焊接過(guò)程中有電弧擺動(dòng)現(xiàn)象。近年來(lái)開展了多種復(fù)合電弧焊接方法的研究，其中包括了超聲波與電弧焊接復(fù)合的研究和超聲波聲場(chǎng)聚焦的研究。200710144659. 4和200710144660. 7的專利中，分別公開了超聲波與非熔化極和
熔化極電弧復(fù)合的焊接方法。通過(guò)超聲振動(dòng)裝置是焊接電極上產(chǎn)生超聲振動(dòng)，電弧形態(tài)產(chǎn)生了明顯的收縮現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了電弧能量的集中，但是平面狀的變幅桿下端發(fā)射出的超聲波垂直入射到工件上，經(jīng)工件反射后又回到鎢極下方的空間中，從而與后續(xù)發(fā)射出的超聲波形成駐波，焊接效果不佳。201010291292. O的專利中，公開了一種超聲波聚焦聲場(chǎng)與熔化極電弧焊接復(fù)合的焊接裝置，將變幅桿下端做成凹面使超聲波形成聚焦聲場(chǎng)，但是凹面形成的超聲波聚焦聲場(chǎng)的能量場(chǎng)力的方向在垂直分量上占大部分，水平分量上卻很小，從而不能很好地作用于電弧，上述特點(diǎn)限制了超聲波與電弧焊接復(fù)合方法的進(jìn)一步發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種提高超聲波能量密度，改善電弧形態(tài)和提高電弧能量密度、實(shí)現(xiàn)高效率高質(zhì)量焊接的超聲波聚焦聲場(chǎng)與非熔化極電弧焊接復(fù)合的焊接裝置。本發(fā)明可以通過(guò)如下措施達(dá)到
一種超聲波聚焦聲場(chǎng)與非熔化極電弧焊接復(fù)合的焊接裝置，包括焊接噴嘴，其特征在于焊接噴嘴內(nèi)設(shè)有超聲波換能器，超聲波變幅桿一端與超聲波換能器相連接，另一端設(shè)有超聲波發(fā)散面，超聲波發(fā)散面對(duì)應(yīng)的焊接噴嘴內(nèi)壁上設(shè)有與超聲波發(fā)散面相似的超聲波反射面，超聲波換能器、超聲波變幅桿和超聲波發(fā)散面的軸線與焊接噴嘴的軸線相重合，超聲波換能器、超聲波變幅桿、超聲波發(fā)散面及焊接噴嘴的上、下端設(shè)有容納焊絲的軸線通孔，超聲電源通過(guò)電纜與超聲波換能器之間連接。本發(fā)明所述的超聲波發(fā)散面位于變幅桿下端部，超聲波發(fā)散面與焊接噴嘴出口相對(duì)應(yīng)的面呈弧形，且半徑R應(yīng)用范圍為10-50mm，使超聲波形成聚焦聲場(chǎng)，在變幅桿下方空間沿鎢極方向形成多個(gè)類球狀聚焦聲場(chǎng)，而聚焦后的超聲波經(jīng)過(guò)工件的反射散向空氣中， 形成行波，不會(huì)對(duì)超聲波聚焦聲場(chǎng)造成影響，有利于穩(wěn)定焊接。本發(fā)明所述的超聲波發(fā)生器的功率為1-2000W，產(chǎn)生的超聲頻電信號(hào)頻率為 15-lOOKHz。本發(fā)明所述的超聲波電信號(hào)通過(guò)超聲波換能器轉(zhuǎn)化為超聲頻機(jī)械振動(dòng)，其振動(dòng)頻率為15-lOOKHz，振動(dòng)幅度為1-200 μ m。本發(fā)明所述的超聲波變幅桿與超聲波換能器連接，將超聲振動(dòng)振幅放大到 10-1500 μ m。本發(fā)明所述的超聲波變幅桿下端的超聲波發(fā)散面半徑Γι應(yīng)用范圍為10_20mm，噴嘴壁半徑r2應(yīng)用范圍為20-40mm。本發(fā)明所述的超聲波發(fā)散面為圓弧面(如圖2)其圓心位于通孔中軸線上，且半徑 R應(yīng)用范圍為10-50mm，以圓心為原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，圓弧所在曲線方程為x2+y2=R2。本發(fā)明所述的超聲波反射面曲線為橢圓，以超聲波發(fā)射點(diǎn)和超聲波聚焦點(diǎn)為橢圓的兩個(gè)焦點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，則超聲波反射面曲線所在曲線方程為x2/r22+r22y2/ri2R2=l。本發(fā)明超聲波聚焦聲場(chǎng)與非熔化極電弧焊接復(fù)合的焊接裝置，將超聲頻率的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為機(jī)械振動(dòng)，通過(guò)超聲波換能器和超聲波變幅桿產(chǎn)生和放大超聲波振動(dòng)，利用變幅桿下端面加工的凸的發(fā)散面，使超聲波成為發(fā)散束，而后經(jīng)過(guò)超聲波反射面的反射，實(shí)現(xiàn)超聲波輻射匯聚。被匯聚起的超聲波的能量密度顯著提高，此匯聚的超聲波和電弧復(fù)合，以達(dá)到提高焊接效率和焊接質(zhì)量的目的。本發(fā)明可以有效改善超聲波產(chǎn)生的超聲輻射力相對(duì)電弧的方向，從而增強(qiáng)在電弧上的有效作用力，增強(qiáng)電弧收縮從而提高電弧能量密度，增加焊縫熔深，改善焊縫成形，本發(fā)明具有普通超聲波與非熔化極焊接復(fù)合焊接裝置收縮電弧， 細(xì)化組織和增加熔深的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)提高了超聲波能量密度，可實(shí)現(xiàn)更高質(zhì)量更高效率的焊接。


圖I是本發(fā)明的一種結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明實(shí)施例的發(fā)散面與反射面示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。如圖I所示一種超聲波聚焦聲場(chǎng)與非熔化極電弧焊接復(fù)合的焊接裝置，包括焊接噴嘴5，焊接噴嘴5 —般呈柱狀，其前端呈半球狀，本發(fā)明的特征在于焊接噴嘴5內(nèi)設(shè)有超聲波換能器3，超聲波換能器3與現(xiàn)有技術(shù)相同，此不贅述，超聲波變幅桿4 一端與超聲波換能器相連接，另一端設(shè)有超聲波發(fā)散面6，超聲波變幅桿4與超聲波換能器一般采用螺紋連接或螺栓連接，超聲波發(fā)散面6對(duì)應(yīng)的焊接噴嘴內(nèi)壁上設(shè)有與超聲波發(fā)散面相似的超聲波反射面7，超聲波換能器3、超聲波變幅桿4和超聲波發(fā)散面6的軸線與焊接噴嘴5的軸線相重合，超聲波換能器3、超聲波變幅桿4、超聲波發(fā)散面6及焊接噴嘴5的上、下端設(shè)有容納焊絲的軸線通孔，超聲電源11通過(guò)電纜與超聲波換能器3之間連接，超聲電源11與現(xiàn)有技術(shù)相同，此不贅述。本發(fā)明所述的超聲波發(fā)散面6位于變幅桿4下端部，超聲波發(fā)散面6與焊接噴嘴 5出口相對(duì)應(yīng)的面呈弧形，且半徑R應(yīng)用范圍為10-50mm，使超聲波形成聚焦聲場(chǎng)，在變幅桿下方空間沿鎢極方向形成多個(gè)類球狀聚焦聲場(chǎng)，而聚焦后的超聲波經(jīng)過(guò)工件的反射散向空氣中，形成行波，不會(huì)對(duì)超聲波聚焦聲場(chǎng)造成影響，，有利于穩(wěn)定焊接。本發(fā)明所述的超聲波發(fā)生器3的功率為1-2000W，產(chǎn)生的超聲頻電信號(hào)頻率為 15-lOOKHz。本發(fā)明所述的超聲波電信號(hào)通過(guò)超聲波換能器3轉(zhuǎn)化為超聲頻機(jī)械振動(dòng)，其振動(dòng)頻率為15-lOOKHz，振動(dòng)幅度為1-200 μ m。本發(fā)明所述的超聲波變幅桿4與超聲波換能器3連接，將超聲振動(dòng)振幅放大到 10-1500 μ m。本發(fā)明所述的超聲波發(fā)散面6為圓弧面其圓心位于通孔中軸線上，且半徑R應(yīng)用范圍為10-50mm，以圓心為原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，圓弧所在曲線方程為x2+y2=R2。本發(fā)明所述的超聲波反射面7曲線為橢圓，以超聲波發(fā)射點(diǎn)和超聲波聚焦點(diǎn)為橢圓的兩個(gè)焦點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，則超聲波反射面曲線所在曲線方程為x2/r22+r22y2/ri2R2=l。本發(fā)明超聲波聚焦聲場(chǎng)與非熔化極電弧焊接復(fù)合的焊接裝置，將超聲頻率的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為機(jī)械振動(dòng)，通過(guò)超聲波換能器和超聲波變幅桿產(chǎn)生和放大超聲波振動(dòng)，利用變幅桿下端面加工的凸的發(fā)散面，使超聲波成為發(fā)散束，而后經(jīng)過(guò)超聲波反射面的反射，實(shí)現(xiàn)超聲波輻射匯聚。被匯聚起的超聲波的能量密度顯著提高，此匯聚的超聲波和電弧復(fù)合，以達(dá)到提高焊接效率和焊接質(zhì)量的目的。本發(fā)明可以有效改善超聲波產(chǎn)生的超聲輻射力相對(duì)電弧的方向，從而增強(qiáng)在電弧上的有效作用力，增強(qiáng)電弧收縮從而提高電弧能量密度，增加焊縫熔深，改善焊縫成形，本發(fā)明具有普通超聲波與非熔化極焊接復(fù)合焊接裝置收縮電弧， 細(xì)化組織和增加熔深的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)提高了超聲波能量密度，可實(shí)現(xiàn)更高質(zhì)量更高效率的焊接。實(shí)施例。結(jié)合圖2所示，本發(fā)明是一種超聲波聚焦聲場(chǎng)與非熔化極電弧焊接復(fù)合的焊接裝置，它是由非熔化極焊絲(I)、軸心通孔(2)超聲波換能器(3)、超聲波變幅桿(4)、焊接噴嘴
(5)、超聲波發(fā)散面(6)、超聲波反射面(7)、焊接電弧(8)、被焊工件(9)、焊接電源(10)和超聲電源(11)組成的，非熔化極焊絲(I)穿過(guò)軸心通孔超聲波變幅桿(4 )，超聲波通過(guò)變幅桿下端的發(fā)散面(6)形成發(fā)散的超聲波束進(jìn)入空間，該超聲波束入射到超聲波反射面(7)上經(jīng)過(guò)反射形成超聲波聚焦聲場(chǎng)，使非熔化極焊絲(I)的下端處于該超聲波聚焦聲場(chǎng)內(nèi)，軸心通孔(2)的直徑大于非熔化極焊絲(I)的直徑，使非熔化極焊絲(I)與超聲波換能器(3)和超聲波變幅桿(4 )不產(chǎn)生接觸，超聲電源(11)通過(guò)電纜與超聲波換能器(3 )之間連接，超聲波換能器(3)與超聲波變幅桿(4)之間通過(guò)螺栓連接，使超聲波換能器(3)的下端面與超聲波變幅桿(4)的上端面之間緊密接觸，超聲波發(fā)散面(6)位于超聲波變幅桿(4)的下端部， 超聲波反射面(7)位于焊接噴嘴(5)的下端部，焊接電源(10)通過(guò)電纜連接非熔化極焊絲(I)和被焊工件(9)。本發(fā)明適用的電弧焊方法為非熔化極電弧焊接方法；
本發(fā)明所述的發(fā)散面位于變幅桿下端部，形狀為凸面；
本發(fā)明所示的超聲波反射面位于焊接噴嘴下端部，功能為反射超聲波，使超聲波形成聚焦聲場(chǎng)；
本發(fā)明發(fā)射出的超聲波經(jīng)反射后聚集形成聚焦聲場(chǎng)，在變幅桿下方空間沿鎢極方向形成多個(gè)類球狀聚焦聲場(chǎng)，而聚焦后的超聲波經(jīng)過(guò)工件的反射散向空氣中，形成行波，不會(huì)對(duì)超聲波聚焦聲場(chǎng)造成影響，，有利于穩(wěn)定焊接。所述的超聲波發(fā)生器的功率為1-2000W，產(chǎn)生的超聲頻電信號(hào)頻率為15-lOOKHz ； 所述的超聲波電信號(hào)通過(guò)超聲波換能器轉(zhuǎn)化為超聲頻機(jī)械振動(dòng)，其振動(dòng)頻率為
15-1OOKHz，振動(dòng)幅度為 1-200μπι ；
所述的超聲波變幅桿與超聲波換能器連接，將超聲振動(dòng)振幅放大到10-1500μπι ;
所述的超聲波換能器和超聲波變幅桿具有軸心通孔，通孔直徑為6-8_ ；
所述的變幅桿下端半徑A應(yīng)用范圍為10-20mm，噴嘴壁半徑r2應(yīng)用范圍為20_40mm ； 所述的超聲波發(fā)散面為圓弧面(如圖2)其圓心位于通孔中軸線上，且半徑R應(yīng)用范圍為10-50mm，以圓心為原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，圓弧所在曲線方程為x2+y2=R2 ；
所述的超聲波反射面曲線為橢圓，以超聲波發(fā)射點(diǎn)和超聲波聚焦點(diǎn)為橢圓的兩個(gè)焦點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，則超聲波反射面曲線所在曲線方程為x2/r22+r22y2/ri2R2=l ；
本發(fā)明超聲波發(fā)散面可以形成發(fā)散束形狀的超聲波，這些超聲波經(jīng)過(guò)超聲波反射面的反射后，可以形成超聲波聚焦聲場(chǎng)，使超聲波作用在電弧上的力顯著增加，從而加強(qiáng)電弧收縮，提聞焊接電弧的能量密度和功率，有利于提聞焊接質(zhì)量和效率。
權(quán)利要求
1.一種超聲波聚焦聲場(chǎng)與非熔化極電弧焊接復(fù)合的焊接裝置，包括焊接噴嘴(7)，其特征在于焊接噴嘴(7)內(nèi)設(shè)有超聲波變幅桿(4)，超聲波變幅桿(4) 一端與超聲波換能器 (3 )相連接，另一端設(shè)有超聲波發(fā)散面(6 )，超聲波發(fā)散面(6 )對(duì)應(yīng)的焊接噴嘴(7 )內(nèi)壁上設(shè)有與超聲波發(fā)散面(6)相似的超聲波反射面，超聲波換能器(3)、超聲波變幅桿(4)和超聲波發(fā)散面(6)的軸線與焊接噴嘴(7)的軸線相重合，超聲波換能器(3)、超聲波變幅桿(4)、 超聲波發(fā)散面(6)及焊接噴嘴(7)的上、下端設(shè)有容納焊絲的軸線通孔(2)，超聲電源(11) 通過(guò)電纜與超聲波換能器(3)之間連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種超聲波聚焦聲場(chǎng)與非熔化極電弧焊接復(fù)合的焊接裝置， 其特征在于超聲波發(fā)散面(6 )位于變幅桿下端部，超聲波發(fā)散面(6 )與焊接噴嘴(7 )出口相對(duì)應(yīng)的面呈弧形。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種超聲波聚焦聲場(chǎng)與非熔化極電弧焊接復(fù)合的焊接裝置， 其特征在于超聲波發(fā)生器的功率為1-2000W，產(chǎn)生的超聲頻電信號(hào)頻率為15-lOOKHz。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種超聲波聚焦聲場(chǎng)與非熔化極電弧焊接復(fù)合的焊接裝置， 其特征在于超聲波電信號(hào)通過(guò)超聲波換能器(3)轉(zhuǎn)化為超聲頻機(jī)械振動(dòng)，其振動(dòng)頻率為 15-lOOKHz，振動(dòng)幅度為 1-200 μ m。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種超聲波聚焦聲場(chǎng)與非熔化極電弧焊接復(fù)合的焊接裝置，其特征在于超聲波變幅桿(4)與超聲波換能器(3)連接，將超聲振動(dòng)振幅放大到 10-1500 μ mD
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種超聲波聚焦聲場(chǎng)與非熔化極電弧焊接復(fù)合的焊接裝置， 其特征在于超聲波發(fā)散面(6)為圓弧面，其圓心位于通孔中軸線上，且半徑R應(yīng)用范圍為 10-50mm,以圓心為原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，圓弧所在曲線方程為x2+y2=R2。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種超聲波聚焦聲場(chǎng)與非熔化極電弧焊接復(fù)合的焊接裝置， 其特征在于焊接噴嘴(7)超聲波反射面曲線為橢圓，以超聲波發(fā)射點(diǎn)和超聲波聚焦點(diǎn)為橢圓的兩個(gè)焦點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，則超聲波反射面曲線所在曲線方程為x2/r22+r22y2/ri2R2=l。
全文摘要
本發(fā)明屬于焊接技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)是一種超聲波聚焦聲場(chǎng)與非熔化極電弧焊接復(fù)合的焊接裝置，包括焊接噴嘴，其特征在于焊接噴嘴內(nèi)設(shè)有超聲波換能器，超聲波變幅桿一端與超聲波換能器相連接，另一端設(shè)有超聲波發(fā)散面，超聲波發(fā)散面對(duì)應(yīng)的焊接噴嘴內(nèi)壁上設(shè)有與超聲波發(fā)散面相似的超聲波反射面，超聲波換能器、超聲波變幅桿和超聲波發(fā)散面的軸線與焊接噴嘴的軸線相重合，超聲波換能器、超聲波變幅桿、超聲波發(fā)散面及焊接噴嘴的上、下端設(shè)有容納焊絲的軸線通孔，超聲電源通過(guò)電纜與超聲波換能器之間連接，本發(fā)明具有普通超聲波與非熔化極焊接復(fù)合焊接裝置收縮電弧，細(xì)化組織和增加熔深的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)提高了超聲波能量密度，實(shí)現(xiàn)更高質(zhì)量更高效率的焊接。
文檔編號(hào)B23K28/02GK102581498SQ20121004375
公開日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月25日
發(fā)明者馮吉才, 初冠南, 孫清潔, 李悅琴, 王斌, 趙洪運(yùn) 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)