一種雙向隨焊超聲波控制焊接變形及熱裂紋的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及焊接領域技術，尤其是指一種雙向隨焊超聲波控制焊接變形及熱裂紋的方法，用于綜合控制鋁合金薄板焊接變形及熱裂紋。
【背景技術】
[0002]鋁及其合金由于具有比強度高、比重輕、易成型、耐腐蝕性等優良特性被廣泛應用于航空、航天、機械制造等重要結構中。新型的汽車、動車等民用產品為節約能源和提高性能，越來越多地采用高強鋁合金材料，尤其一些高強鋁合金薄板焊接結構件更為常見。但鋁合金本身固有的熱、力學性能，如較大的線膨脹系數，較高的熱導率，較寬的脆性溫度區間等特性，使得在焊接加工技術應用于鋁合金薄板結構件時，表現出焊接變形大、熱裂傾向嚴重等缺點。過大的焊接變形很難保證尺寸的穩定性，增加了后續矯正和修補的工序，影響了生產的正常周期，造成一定程度的浪費和經濟損失，而熱裂紋的出現將給焊接結構的使用安全及可靠性帶來隱患。
[0003]焊接是一個局部加熱和冷卻的過程，材料受到不均勻的加熱和冷卻，會造成不均勻的應變狀態，形成不同程度的應力和變形。目前焊接應力和變形已經成為研宄熱點，重點集中在控制焊接變形和應力的方法上，生產中普遍采用的是焊后矯正措施，包括焊后錘擊、局部加熱、機械拉伸法等，雖然這些方法能在一定程度上降低焊接殘余應力和減小焊接變形，但卻增加了勞動量和生產成本，而且效果也不佳。鋁及其鋁合金等一些熱膨脹系數較大的材料，變形尤為嚴重。而薄板由于其自身拘束度小，焊接時變形較大，其中以波浪變形最為重要，矯正比較困難。隨焊控制方法則更能主動、定量地來控制變形和應力。
[0004]通常認為，焊接熱裂紋是力學因素和冶金因素綜合作用引起的，在焊縫金屬結晶時產生的液態薄膜是產生熱裂紋的內因，而其產生的必要條件是焊接過程中處于脆性溫度區間內的焊縫部分承受拉伸應變。因此，防止熱裂紋的途徑主要集中在這兩個方面。從冶金角度出發，勢必改變焊接材料的化學成分，雖然可以提高或者改善熔池金屬的流動性、減少低熔點共晶成分，但會影響焊接接頭的綜合機械性能，有一定的局限性。從力學角度出發，在焊接過程中對焊縫額外施加一定的擠壓應變，以抵消致裂的拉伸應變，不僅能達到防止焊接熱裂紋的目的，同時還避免了因改變冶金成分帶來的缺點。目前國內外控制焊接熱裂紋的方法有隨焊錘擊法、隨焊碾壓法、隨焊沖擊碾壓法、電磁法等，但這幾種方法也都存在各自的不足。如隨焊錘擊法，噪音大、焊件表面成形不良、有不均勻不連續壓痕存在、機械力度難以調整。隨焊碾壓法，設備體積大，碾壓輪易與焊槍打弧，對焊件形狀要求嚴格，很難用于實際生產。隨焊沖擊碾壓法，沖擊力大小、頻率調節不便，且仍是接觸式錘擊，工件表面留有沖擊痕跡，接頭的疲勞強度受到影響。電磁法，電弧特性受到電磁干擾，焊接過程不穩定。
【發明內容】
[0005]有鑒于此，本發明針對現有技術存在之缺失，其主要目的是提供一種能同時有效控制焊接變形及熱裂紋，而且結構簡單、生產效率高、節能環保的雙向隨焊超聲波激振焊接方法。
[0006]為實現上述目的，本發明采用如下之技術方案:
[0007]一種雙向隨焊超聲波控制焊接變形及熱裂紋的方法，包括以下步驟
[0008]第一，首先確定待焊接材料的脆性溫度區間Tb;
[0009]第二，確定待焊工件的焊接溫度場；
[0010]第三，在待焊工件的寬度方向的中心位置畫一條標記線，焊縫中心位于此標記線上;
[0011 ] 第四，裝夾待焊工件，在焊接前首先要確保焊槍、垂向超聲波激振裝置所在直線與焊縫中心重合；
[0012]第五，調整焊槍高度，確保焊槍鎢極位于待焊工件的上方的適當位置；
[0013]第六，分別調整垂向和橫向超聲波激振裝置的夾具，使得垂向超聲波激振裝置位于焊槍后方一定距離dl上、橫向超聲波激振裝置位于焊槍后方與焊縫中心截面相垂直方向兩側一定距離d2上；
[0014]第七，使平臺行走機構電性連接平臺行走機構控制器；使垂向超聲波激振裝置和兩橫向超聲波激振裝置分別與各自對應的超聲波激振裝置發生器相連；使焊槍與焊接電源的出水端、出氣端連接，焊槍的回水端與焊接電源的回水端進行連接，焊接電源的進水端與循環水冷裝置連接，焊接電源的進氣端與氬氣瓶連接；接通焊接電源、循環水冷裝置、平臺行走機構控制器、超聲波發生器的電源；
[0015]第八，開始焊接:打開循環水冷裝置的開關，對焊槍通循環水進行冷卻；打開焊機電源和氬氣瓶，調整焊接方法、冷卻方式，調節焊接電流、焊接電壓以及氣體流量；分別打開三個超聲波發生器，調節超聲波功率；引燃電弧，開始焊接，同時由平臺行走機構控制器驅動焊接工作平臺帶動待焊工件以速度V平穩移動，當焊槍離開待焊工件時，切斷焊接電源的電源，當垂向和橫向超聲波激振裝置完全離開待焊工件時，分別切斷超聲波發生器的電源；同時切斷平臺行走機構控制器的電源，停止工作；
[0016]第九:關閉氬氣瓶的氣體，打開焊接工作平臺的夾具，取出已焊好的工件，待冷卻水循環一段時間后關閉循環水冷裝置，至此，焊接過程全部完成。
[0017]2、根據權利要求1所述的一種雙向隨焊超聲波控制焊接變形及熱裂紋的方法，其特征在于:第二步驟中，確定待焊工件的焊接溫度場的方法是，取一個能夠反映實際待焊工件溫度場的試驗件，在實際焊接工藝下對該試驗件施焊，測量該試驗件的焊接溫度場，確定試驗件上焊接電弧中心與脆性溫度區間Tb上限溫度T i和下限溫度T 2間的距離L L 2，從而確定待焊工件的焊接熔池中央與脆性溫度區間Tb上限溫度T i和下限溫度T 2間的距離L !和L20
[0018]3、根據權利要求2所述的一種雙向隨焊超聲波控制焊接變形及熱裂紋的方法，其特征在于:第六步驟中，所述垂向超聲波激振裝置沖擊頭中心位于待焊工件的焊接低溫塑性區；所述橫向超聲波激振裝置作用位置位于待焊工件的焊接熔池中央與該焊接材料脆性溫度區間Tb上限溫度T i和下限溫度T 2對應位置間的距離L L 2之間。
[0019]4、根據權利要求1所述的一種雙向隨焊超聲波控制焊接變形及熱裂紋的方法，其特征在于:第四步驟中，焊槍通過移動焊槍夾具來調整焊槍位于焊縫的中心線上，焊槍位置確定后，讓平臺行走機構沿第三步驟所做的標記線試走，試走完畢后焊槍鎢極若仍位于標記線上方，則可以進入下一步調整；若沒有位于標記線上方，則需要調整平臺行走機構，或者調整待焊工件在焊接工作平臺上的位置來確保焊槍、超聲波激振裝置所在直線與焊縫重合，待前面操作達到要求后，將待焊工件固定于焊接工作平臺上。
[0020]本發明與現有技術相比具有明顯的優點和有益效果，具體而言，由上述技術方案可知，
[0021 ] 本發明之雙向隨焊超聲波激振焊接方法，在焊接過程中，通過垂向超聲波激振裝置沿焊件厚度方向(垂向)在熔池后方一定位置施加功率超聲波，并與焊接熱源一焊槍隨動，通過超聲波的機械振動力作用，對處于冷卻收縮狀態的焊縫金屬作用來產生塑性延展，補償在加熱過程中產生的壓縮塑性應變，減少了焊縫的收縮量，使焊接過程中瞬態應力降低，進而減小焊接變形；此外，在與焊縫中心線相垂直方向(橫向)的兩側，設置兩個用于控制焊接熱裂紋的橫向超聲波激振裝置，并隨著焊接熱源一焊槍同步移動，超聲波激振裝置的作用位置位于待焊工件的焊接電弧中心與該焊接材料脆性溫度區間Tb上限溫度T !和下限溫度T2對應位置間的距離L jP L2之間，對熔池后方處于脆性溫度區間的冷凝狀態的焊縫金屬施加一橫向擠壓應變，抵消焊縫固有的致裂拉伸應變，從而消除熱裂紋的產生，從力學角度綜合控制焊接變形及熱裂紋。
[0022]同時，本發明由于采用超聲脈沖振動作用，能夠細化焊縫金屬晶粒，并改變晶粒結晶的方向性，使組織趨于更加均勻，從冶金角度在一定程度內提高焊接接頭的力學性能。
[0023]本裝置結構簡單可靠、受焊接空間限制小、效率高，超聲振動的大小、調節方便，易于實現自動化；作用位置遠離熔池，電弧穩定；焊縫屬于自然成形、外觀好；屬于隨焊控制，針對性強；不會引起焊縫金屬組織的變化。
[0024]為更清楚地闡述本發明的結構特征和功效，下面結合附圖與具體實施例來對本發明進行詳細說明。
【附圖說明】
[0025]圖1是本發明之較佳實施例的整體結構示意圖；
[0026]圖2是本發明之較佳實施例的焊縫與兩橫向超聲波激振裝置相對位置示意圖；
[0027]圖3是本發明之較佳實施例的焊接狀態下各超聲波激振裝置追隨焊槍的示意圖；
[0028]圖4是本發明之較佳實施例的冷卻曲線與常規焊冷卻曲線對比圖；
[0029]圖5是本發明之較佳實施例的焊接溫度場示意圖；
[0030]圖6是本發明之較佳實施例中所依據的流變模型圖。
[0031]附圖標識說明:
[0032]1、待焊工件2、焊槍
[0033]3、垂向超聲波激振裝置4，7、橫向超聲波激振裝置
[0034]5、平臺行走機構6、焊槍夾具
[0035]9、焊接電源10、氬氣瓶
[0036]11、循環水冷裝置12