[发明专利]一种铝合金脉冲超声电弧复合焊接装置及其焊接方法

说明书

技术领域

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

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：

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：

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

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。

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。

本发明还具有如下技术特征：

1、单片机调控波形包括正弦波、方波和三角波

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：