[发明专利]一种超声波聚焦声场与非熔化极电弧焊接复合的焊接装置

说明书

技术领域

本发明涉及焊接技术，具体说就是一种超声波聚焦声场与非熔化极电弧焊接复合的焊接装置。

背景技术

众所周知，焊接技术在航空航天、桥梁造船、压力容器、金属结构等领域应用的极为普遍，并且随着现代化技术的不断进步，对焊接质量和焊接效率的要求越来越高。随着科技的发展和进步，焊接方法也在不断改进，为了提高焊接质量和焊接效率，现已设计出了多种复合焊接方法，超声波复合焊接就是其中的一种。

通过超声装置向焊接空间中辐射超声波，并将超声波产生的声辐射力作用在电弧上，使电弧形态产生了明显的收缩现象，实现了电弧能量的集中，从而使所得到的焊缝熔深增加，实现普通焊接环境下的高质量焊接。但是当超声变幅杆发射端形状为平面时，焊接过程中辐射出的超声强度稍弱，并且随着与超生源距离的增大，声场能量密度迅速减小，在焊接过程中有电弧摆动现象。

近年来开展了多种复合电弧焊接方法的研究，其中包括了超声波与电弧焊接复合的研究和超声波声场聚焦的研究。

200710144659.4和200710144660.7的专利中，分别公开了超声波与非熔化极和熔化极电弧复合的焊接方法。通过超声振动装置是焊接电极上产生超声振动，电弧形态产生了明显的收缩现象，实现了电弧能量的集中，但是平面状的变幅杆下端发射出的超声波垂直入射到工件上，经工件反射后又回到钨极下方的空间中，从而与后续发射出的超声波形成驻波，焊接效果不佳。

201010291292.0的专利中，公开了一种超声波聚焦声场与熔化极电弧焊接复合的焊接装置，将变幅杆下端做成凹面使超声波形成聚焦声场，但是凹面形成的超声波聚焦声场的能量场力的方向在垂直分量上占大部分，水平分量上却很小，从而不能很好地作用于电弧，上述特点限制了超声波与电弧焊接复合方法的进一步发展。

发明内容

 本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种提高超声波能量密度，改善电弧形态和提高电弧能量密度、实现高效率高质量焊接的超声波聚焦声场与非熔化极电弧焊接复合的焊接装置。

本发明可以通过如下措施达到：

一种超声波聚焦声场与非熔化极电弧焊接复合的焊接装置，包括焊接喷嘴，其特征在于焊接喷嘴内设有超声波换能器，超声波变幅杆一端与超声波换能器相连接，另一端设有超声波发散面，超声波发散面对应的焊接喷嘴内壁上设有与超声波发散面相似的超声波反射面，超声波换能器、超声波变幅杆和超声波发散面的轴线与焊接喷嘴的轴线相重合，超声波换能器、超声波变幅杆、超声波发散面及焊接喷嘴的上、下端设有容纳焊丝的轴线通孔，超声电源通过电缆与超声波换能器之间连接。

本发明所述的超声波发散面位于变幅杆下端部，超声波发散面与焊接喷嘴出口相对应的面呈弧形，且半径R应用范围为10-50mm，使超声波形成聚焦声场，在变幅杆下方空间沿钨极方向形成多个类球状聚焦声场，而聚焦后的超声波经过工件的反射散向空气中，形成行波，不会对超声波聚焦声场造成影响，有利于稳定焊接。

本发明所述的超声波发生器的功率为1-2000W，产生的超声频电信号频率为15-100KHz。

本发明所述的超声波电信号通过超声波换能器转化为超声频机械振动，其振动频率为15-100KHz，振动幅度为1-200μm。

本发明所述的超声波变幅杆与超声波换能器连接，将超声振动振幅放大到10-1500μm。

本发明所述的超声波变幅杆下端的超声波发散面半径r₁应用范围为10-20mm，喷嘴壁半径r₂应用范围为20-40mm。

本发明所述的超声波发散面为圆弧面（如图2）其圆心位于通孔中轴线上，且半径R应用范围为10-50mm，以圆心为原点建立直角坐标系，圆弧所在曲线方程为x²+y²=R²。

本发明所述的超声波反射面曲线为椭圆，以超声波发射点和超声波聚焦点为椭圆的两个焦点建立直角坐标系，则超声波反射面曲线所在曲线方程为x²/r₂²+r₂²y²/r₁²R²=1。