一种铝合金脉冲超声电弧复合焊接装置及其焊接方法

摘要

本发明公开一种铝合金脉冲超声电弧复合焊接装置及其焊接方法。该装置在超声电弧复合焊接的基础上，还包括电流电压检测电路、DSP处理器、单片机、三极管开关电路和驱动电路；电流电压检测电路与超声发生系统的匹配电路的输出端连接，电流电压检测电路与DSP处理器连接，DSP处理器与驱动电路连接，单片机与三极管开关电路连接，三极管开关电路与驱动电路连接，驱动电路与超声发生系统的DC/AC全桥逆变电路连接，本焊接方法施加超声进行脉冲化处理，实现铝合金脉冲超声电弧复合焊接。本方法具有普通超声电弧复合焊接的优点，能够提高电弧挺度，增加焊缝熔深，细化晶粒，减小熔滴尺寸，提高过渡频率，减少飞溅，实现普通焊接环境下的高质量焊接，可有效减少铝合金焊接气孔及焊接裂纹等缺陷，优化焊缝组织，显著改善和提高焊接接头力学性能。

权利要求

1.一种铝合金脉冲超声电弧复合焊接装置，包括焊接电源(1)、电极(2)、换能器(9)、超声发生系统，焊接电源(1)与电极(2)连接，电极由换能器中心穿过，超声发生系统与换能器(9)连接，其特征在于：还包括电流电压检测电路(13)、DSP处理器(14)、单片机(10)、三极管开关电路(11)和驱动电路(12)；电流电压检测电路(13)与超声发生系统的匹配电路(8)的输出端连接，电流电压检测电路(13)与DSP处理器(14)连接，DSP处理器(14)与驱动电路(12)连接，单片机(10)与三极管开关电路(11)连接，三极管开关电路(11)与驱动电路(12)连接，驱动电路(12)与超声发生系统的DC/AC全桥逆变电路(7)连接；电流电压检测电路(13)采集超声发生系统输出的流经换能器的电流电压信号，然后输入给DSP处理器(14)，DSP处理器(14)做运算后，将PWM驱动信号以一定频率送至驱动电路(12)，通过设定所需的脉冲频率与占空比，利用单片机(10)控制三极管开关电路(11)的开与关，进而实现PWM驱动信号电流调制驱动电路(12)的流通与中断，从而实现超声发生系统以脉冲方式工作，使其输出高峰值功率。

2.根据权利要求1所述的一种铝合金脉冲超声电弧复合焊接装置，其特征在于：单片机调控波形包括正弦波、方波和三角波。

3.根据权利要求1-2任一项所述的一种铝合金脉冲超声电弧复合焊接装置得出的一种铝合金脉冲超声电弧复合焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：

①清洗待焊工件焊接位置，将换能器放于待焊工件上方，同时固定待焊工件，非熔化极铝合金板焊适合厚度3mm以下薄板焊接，待焊工件上表面与换能器下端面之间距离为12～

28mm，超声脉冲频率大于30Hz，占空比大于70％；而熔化极焊铝合金板适合5mm以上厚板焊接，待焊工件与换能器下端面之间距离5～15mm，脉冲频率1-20Hz，占空比小于百分之70％；

②在焊接时，先启动焊接电源实现电弧引弧，待电弧稳定后，再启动脉冲超声源，换能器将电能转换为机械振动，并将振动幅度放大，然后单片机控制三极管开关电路的开与关，脉冲频率调节范围为1Hz～10MHz，脉冲超声电弧复合作用于焊接熔池。

说明书

一种铝合金脉冲超声电弧复合焊接装置及其焊接方法

技术领域

[0001] 本发明涉及铝合金焊接领域，具体涉及一种铝合金脉冲超声电弧复合焊接装置及其焊接方法。

背景技术

[0002] 铝及其合金材料不仅具有比重小、强度高、热电导率高、耐腐蚀能力强，并且拥有优良的物理特性和力学性能，所以近年来被广泛应用于航空、航天、汽车、机械制造等行业领域，而随之相应的铝合金焊接因应力集中产生严重变形，或焊缝气孔、夹渣、未焊透等缺陷，导致焊缝金属裂纹或材质疏松，严重影响了产品质量及性能。因此如何优化铝合金的焊接技术已成为研究的热点问题。超声波因在液体熔体中传播能够产生空化效应、声流效应等超声波效应，故在材料热加工领域得到广泛应用。例如在液态金属成型过程中施加超声波，能够打碎枝晶，明显细化凝固组织。超声电弧复合焊接在提高电弧能量密度，细化焊缝晶粒，减小焊缝残余应力等方面取得了明显效果。申请号为200710144659.4和200710144660.7的专利分别公开了超声波与非熔化极和熔化极电弧焊接过程复合的焊接方法，通过施加超声，电弧明显收缩，能量更加集中，焊缝熔深增加，而且焊缝组织明显细化，接头质量提高。但是由于声辐射力的不足，在大规范焊接时，焊接热输入增加，更易出现电弧不稳定情况，最终传入熔池内部能量极其有限，所以如何进一步提高声能利用率是超声电弧复合焊接方法中的一个亟待解决的问题。超声波电源输出的功率在电弧焊接过程中对熔融金属处理有极其重要的影响。根据文献“用高能超声制备金属基复合材料的现状与发展，王俊，周尧和，舒光冀，《铸造》，1997(12)，40-42”以及“超声波电源脉冲特性及其试验研究，李健.中南大学硕士研究生论文，2010”报道，超声功率越大，金属熔体内部空化效应越强，可使熔体凝固点降低，流动性增加，晶粒细化效果更加明显。脉冲电源具有输出高峰值功率的特点，脉冲超声场与连续超声场声压特性有所不同，这种差异可能对铝合金焊接接头产生重要影响。当超声作用时，超声场所引起的声流为金属熔体中液相流动最为主要的形式，可用达西定律进行表述，其微分形式为：

[0003]

[0004] 式中：K-液相渗透系数；g-加速度；U-液相流速；P-压力；ρL-液相密度；η-动力粘度；L-液相体积分数。由浅井滋生理论研究可知，通过分解达西定律的所得到的V方向上和流速U的分量如下：

[0005]

[0006] 由上式可以分析出金属熔池中液体流速的大小由导入的超声功率决定，即超声波电源输出的功率对熔池处理有着极其重要的影响，导入熔池的超声功率越大，则空化效应越强使得合金的晶粒细化效果也越好。在已有超声电源平均输出功率一定的基础上获得高峰值输出功率，可对超声铝合金晶粒细化效果产生正面影响，有效提高铝合金焊接接头的力学性能。

发明内容

[0007] 基于以上不足之处，本发明提供一种铝合金脉冲超声电弧复合焊接装置及其焊接方法，该装置既适用于铝合金的非熔化极电弧焊，也适用于铝合金熔化极电弧焊，本发明提出了将脉冲超声引入电弧焊接过程，脉冲超声具有高峰值功率的特点，脉冲超声场与连续超声场声压特性有所不同，这将对焊接过程中焊接熔池产生显著影响。

[0008] 本发明所采用的技术如下：一种铝合金脉冲超声电弧复合焊接装置，包括焊接电源(1)、电极(2)、换能器(9)、超声发生系统，焊接电源(1)与电极(2)连接，电极由换能器中心穿过，超声发生系统与换能器(9)连接，本装置还包括电流电压检测电路(13)、DSP处理器(14)、单片机(10)、三极管开关电路(11)和驱动电路(12)；电流电压检测电路(13)与超声发生系统的匹配电路(8)的输出端连接，电流电压检测电路(13)与DSP处理器(14)连接，DSP处理器(14)与驱动电路(12)连接，单片机(10)与三极管开关电路(11)连接，三极管开关电路(11)与驱动电路(12)连接，驱动电路(12)与超声发生系统的DC/AC全桥逆变电路连接(7)；电流电压检测电路(13)采集超声发生系统输出的流经换能器的电流电压信号，然后输入给DSP处理器(14)，DSP处理器(14)做运算后，将PWM驱动信号以一定频率送至驱动电路(12)，通过设定所需的脉冲频率与占空比，利用单片机(10)控制三极管开关电路(11)的开与关，进而实现PWM驱动信号电流调制驱动电路(12)的流通与中断，从而实现超声发生系统以脉冲方式工作，使其输出高峰值功率。

[0009] 本发明还具有如下技术特征：

[0010] 1、单片机调控波形包括正弦波、方波和三角波

[0011] 2、采用以上焊接装置得出的一种铝合金脉冲超声电弧复合焊接方法，包括以下步骤：

[0012] ①清洗待焊工件焊接位置，将换能器放于待焊工件上方，同时固定待焊工件，非熔化极铝合金板焊适合厚度3mm以下薄板焊接，待焊工件上表面与换能器下端面之间距离为12～28mm；而熔化极焊铝合金板适合5mm以上厚板焊接，待焊工件与换能器下端面之间距离
5～15mm；

[0013] ②在焊接时，先启动焊接电源实现电弧引弧，待电弧稳定后，再启动脉冲超声源，换能器将电能转换为机械振动，并将振动幅度放大，然后单片机控制三极管开关电路的开与关，脉冲频率调节范围为1Hz～10MHz，脉冲超声电弧复合作用于焊接熔池。

[0014] 本发明除了具有普通超声电弧复合焊接方法的优点外，在脉冲超声的作用下，整体提高了声辐射效率及声辐射力，影响了电弧形态，改变了熔滴过渡条件，改善了焊接时的能量分布，进而改善接头组织形态、成分的均一化程度以及接头的强度等力学特征。此外，通过对脉冲频率的优化设置，可以增强焊接电弧空间内的声辐射力，进一步增大焊缝熔深，细化焊缝组织，也改善了大规范焊接条件下的电弧不稳定情况。对于减少焊接铝合金时产生的气孔、裂纹、应力集中严重等焊接缺陷有明显效果。

附图说明

[0015] 图1是本发明装置原理框图；

[0016] 图2是占空比示意图；

[0017] 图3是铝合金脉冲超声电弧复合焊接超声作用过程示意图；

[0018] 图4是脉冲信号产生电路图。

具体实施方式

[0019] 下面结合附图对本发明作进一步的说明：

[0020] 实施例1：

[0021] 结合图1，一种铝合金脉冲超声电弧复合焊接装置，包括焊接电源1、电极2、换能器9、超声发生系统，焊接电源1与电极2连接，电极由换能器中心穿过，超声发生系统与换能器
9连接，焊接电源1与电极2和待焊工件4构成完整电弧3引弧电路系统，根据不同的焊接方法，电极2是非熔化电极钨极或是熔化电极焊丝，本装置还包括电流电压检测电路13、DSP处理器14、单片机10、三极管开关电路11和驱动电路12；电流电压检测电路13与超声发生系统的匹配电路8的输出端连接，电流电压检测电路13与DSP处理器14连接，DSP处理器14与驱动电路12连接，单片机10与三极管开关电路11连接，三极管开关电路11与驱动电路12连接，驱动电路12与超声发生系统的DC/AC全桥逆变电路连接7；电流电压检测电路13采集超声发生系统输出的流经换能器的电流电压信号，然后输入给DSP处理器14，DSP处理器14做运算后，将PWM驱动信号以一定频率送至驱动电路12，通过设定所需的脉冲频率与占空比，利用单片机10控制三极管开关电路11的开与关，进而实现PWM驱动信号电流调制驱动电路12的流通与中断，从而实现超声发生系统以脉冲方式工作，使其输出高峰值功率。单片机波形包括正弦波、方波和三角波三种波形切换。单片机型号：AT98C51；DSP处理器型号：TMS320F2812。

[0022] AC/DC整流/滤波系统6、DC/AC全桥逆变系统7和匹配电路8依次连接构成了本装置的连续超声发生系统，用以产生超声频信号并向超声换能器9提供电能的装置。首先将交流输入5转变成超声电流，超声电流再通过相应的匹配电路8激励换能器产生相同频率的弹性振动。流经换能器的电流电压信号由电流/电压检测电路13获取后，被DSP处理器14经过一定的运算将PWM驱动信号以一定频率送至驱动电路12。本装置中脉冲的实现是通过控制面板设定所需的脉冲频率与占空比，利用单片机10控制三极管开关电路11的开与关，进而实现PWM驱动信号电流调制驱动电路12的流通与中断。单片机输出一定频率脉宽的控制信号就可以使PWM波驱动信号以脉冲方式驱动功率管，这样就可以实现超声电源以脉冲方式工作，使其输出高峰值功率。通过单片机软件编程，使三极管开关导通关闭的时间在开关周期内可调，即利用软件PWN脉宽控制占空比，从而控制逆变电路开关管的工作与空闲时间，达到控制功率管输出不同峰值电压的目的。占空比越大，逆变电路输出的电压越高，负载感应电压越高。其中占空比如图2所示表示如下：

[0023]

[0024] 式中：ton为脉冲宽度，D为占空比，T为脉冲周期。

[0025] 换能器的机械振动振幅较小，采用两级变幅杆振幅放大后，最终在电极上方超声辐射端最大振幅可达到150um。超声发生系统最大输入功率为2000W，脉冲频率调节范围介于1Hz～10MHz之间。占空比调节范围是1％-99％。前期没有脉冲时候，即普通超声电弧焊接，超声参数调节只包括发射端半径，发射端的振幅以及发射端与下方工件的距离这几个参数。效果不是很显著，加入脉冲后固定这几个参数，只通过控制脉冲频率和占空比的大小可以更显著提高声辐射功率。在薄板焊接时，超声脉冲频率大于30Hz，占空比大于百分之70较佳。焊接厚板的时候，脉冲频率1-20Hz，占空比小于百分之70较佳。

[0026] 实施例2：

[0027] 结合图3，一种铝合金脉冲超声电弧复合焊接方法。包括以下步骤：①焊接前对焊接设备进行检查，清洗待焊工件焊接位置的杂物，并将换能器放于待焊工件上方，同时固定待焊工件。换能器下端面直径为35mm。非熔化极铝合金板焊比较适合厚度3mm以下薄板焊接，待焊工件上表面与换能器下端面之间距离12～28mm，而熔化极焊铝合金板时适宜厚板焊接，工件与换能器下端面之间距离要求5～15mm。②在焊接时，先启动焊接电源1实现电弧引弧，待电弧稳定后，再启动单片机10控制三极管开关电路11的开与关，其中脉冲频率调节范围介于1Hz～10MHz之间。超声能量一部分直接作用于电弧，一部分经过电弧最后传入焊接熔池。前者直观表现是超声辐射力作用下焊接电弧发生收缩，后者经过电弧等离子体或者其它空间介质传入熔池内部，利用相应的声学效应对熔融金属进行深度处理。声学效应包括机械效应，声流效应以及声空化效应等。焊接过程中超声除了电弧作用产生压缩效应以外，对于熔化极电弧焊接而言，电弧内部熔滴也会受到声辐射力的作用，熔滴尺寸减小，过渡频率加快，焊接飞溅和烟尘明显减弱，焊接过程稳定均匀，焊缝熔深增加，接头表面成形均匀一致，焊接效率和焊接质量均得到了提高。该方法不仅提高了铝合金焊接电弧的性能，避免了传统铝合金焊接的焊接气孔、焊接裂纹及应力集中严重等焊接缺陷，保持了熔化极电弧焊接的高生产率，而且能精确控制过渡熔滴的大小，降低焊接时的热输入量，减少焊接时的飞溅，优化接头组织形态，提高接头的强度、韧性等力学性能。