[发明专利]一种基于超声搅拌的电弧焊缝晶粒细化设备及其方法

说明书

本发明公开了一种基于超声搅拌的晶粒细化设备及其方法，包括：待焊板件、焊枪、焊机、超声波发生器、超声波探针、石墨纤维片，将一根超声波探针直接插入焊接熔池并且在电弧后面预设距离的位置进行超声搅拌。采用本发明的技术方案，待焊板件可以固定在夹具上以防止焊接变形，而且超声波探针在焊接熔池内的位置可以根据需要进行调整，对超声波探针长度、超声探针与焊枪的距离、超声的振幅进行了合理地设计，使焊缝区细化的晶粒覆盖率达到最高，提升电弧焊的焊接质量。

技术领域

本发明属于焊接技术领域，尤其涉及一种基于超声搅拌的电弧焊缝晶粒细化设备及其方法。

背景技术

由于焊接过程热输入较大，容易造成焊缝及近缝区金属过热和晶粒粗大。晶粒粗大使焊缝的强度、塑性、韧性降低，焊缝的塑性降低将使焊缝变脆，冲击值达不到要求，甚至在使用中突然断裂。另外，晶粒粗大会给焊缝探伤造成困难，掩盖一些缺陷。相反，根据Hall-Petch关系可知，焊缝中细小的晶粒会降低凝固裂纹敏感性并且优化焊缝的机械性能，如强度、韧性、延展性等。

目前很多研究针对金属材料的熔池凝固特点提出了多种晶粒细化方法，但是目前的各种方法都存在各种缺陷，如影响焊接过程的柔性、设备复杂、由于影响电弧稳定性而无法应用于熔丝过程等。在此背景下，有文献提出了基于外加超声能量的电弧焊缝晶粒细化方法。

有文献报道，在钨极气体保护焊焊接6943铝合金和熔化极气体保护焊焊接316L不锈钢时，利用超声振动待焊板件得到了非常理想的晶粒细化焊缝。钨极气体保护焊焊接6943铝合金的研究中所用超声设备的功率为2kW，频率为20kHz。不幸的是，当工件被紧实的固定在固定的夹具上或者与一个固定的结构相连时，超声振动工件将会变得非常困难。有文献提出一个解决这个问题的改进方法，即将填充焊丝固定装置固定在超声波发生器上，并使填充焊丝的尖端与熔池边缘接触以传递超声波进入焊接熔池。超声设备的参数为600W，19kHz。由于焊丝固定装置和焊接熔池都非常小，所以在该研究中所用的超声设备功率可以如此小，这是这个方法的另一个优势。然而，由于焊丝的熔点非常低，当焊丝被进给到距离熔池比较近以加强熔池振动时，焊丝尖端趋向于熔化，熔滴长大并阻止晶粒继续细化。

超声强度的定义为I＝ρc(2πfA)²/2(ρ为液体密度，c为液体中声音的传播速度，f为超声频率，A为超声振幅)，在液体镁中产生充分的声空化现象的条件为I≥78W/cm²。如果我们用一个非常细的探针在钨极气体保护焊的小体积液态金属熔池中进行超声搅拌，熔融金属所产生的阻力将会非常小，因此可以使用一个较小功率而且价格也较低的超声设备就可以得到很好的晶粒细化效果。

因此，基于这个基本原理，本发明设计提出一个基于超声能量的导入，具有良好晶粒细化效果而且设备简单易行的电弧焊缝晶粒细化方法，通过从试件背面插入超声探针，通过石墨纤维片解决熔池金属向下流淌的问题。本发明设计了新的实用超声探头，提出了一种新的超声探针插入方式，通过晶粒大量细化实现高质量电弧焊接。

发明内容

本发明为解决电弧焊接中存在的已知晶粒粗大问题，提供能够提高电弧焊缝强度的焊接方法。

为解决上述问题，本发明提供一种基于超声搅拌的电弧焊接晶粒细化设备及其方法，解决了镁合金焊缝晶粒粗大使焊缝的强度、塑性、韧性降低，焊缝的塑性降低将使焊缝变脆，冲击值达不到要求，甚至在使用中突然断裂的问题。

一种基于超声搅拌的电弧焊缝晶粒细化设备，包括：待焊板件、焊枪、焊机、超声波发生器、超声波探针、石墨纤维片；其中，超声波发生器连接超声波探针，超声波探头被不锈钢管包裹，超声波探针穿透于石墨纤维片；所述焊枪与待焊板件之间垂直，且位于待焊板件上方，所述焊枪与所述超声波发生器相对垂直；待焊板件固定在可运动小车上，所述焊枪与超声波探头的位置在焊接过程中相对固定；将所述超声波探针直接插入焊接熔池并且在电弧后面预设距离的位置进行超声搅拌。

作为优选，超声波探针材料为钨丝。