[发明专利]一种声-磁同轴耦合调控GTAW电弧焊接装置及焊接方法

说明书

一种声‑磁同轴耦合调控GTAW电弧焊接装置及焊接方法，属于焊接与增材制造技术领域。本发明解决了现有的电弧焊接中，电弧能量低、构件组织粗大，现有技术晶粒细化作用效果不均匀的问题。声‑磁同轴耦合装置通过焊枪控制架实现位置调节，声‑磁同轴耦合装置包括超声换能器、超声变幅杆、水冷装置及电磁铁，超声换能器与超声变幅杆首尾同轴固接，电磁铁、水冷装置及超声变幅杆由外向内依次同轴套装，超声换能器的顶端固装在焊枪控制架上，钨极同轴穿设在声‑磁同轴耦合装置上。声场、磁场能与热源和熔池同步移动，在电磁力和声辐射力的双重作用下对电弧进行压缩，进一步提高电弧能量，极大的提高焊接效率。

技术领域

本发明涉及一种声-磁同轴耦合调控GTAW电弧焊接装置及焊接方法，属于焊接与增材制造技术领域。

背景技术

与众多焊接方法相比，电弧焊接的优势明显，如生产效率高、操作相对简单、焊接工况要求低等，广泛应用于众多行业，如建筑、汽车、造船以及航空航天等行业。在电弧焊接技术的发展历程中，始终以获得更加优质的焊接接头、更高的焊接效率为主要目标。在实际应用中可以发现，传统电弧焊接存在焊接效率低、接头变形大、熔深小和接头组织粗大等不足。基于上述问题，众多研究人员开发了多种电弧复合焊接方法，其基本思想均是通过引入外部能量对电弧焊接过程进行调控与改善，从而实现优质、高效的焊接技术。

目前常用的电弧复合焊接方法主要激光-电弧、磁控-电弧和超声-电弧。激光-电弧焊接过程中能够实现中厚板一次成形，大大的提高了焊接效率，但是设备昂贵、焊接工况要求高。磁控电弧则是利用电磁铁对电弧焊接过程进行调控，如文献“孙雅杰,常云龙.磁控电弧焊接过程及新技术研究进展[J].材料导报,2020,v.34(21):159-169.”指出在不同类型的外加磁场作用下，电弧的形态、空间位置、电弧运动的特点发生改变，同时也能对熔池流动产生影响，从而达到改善焊缝组织与性能的目的。然而这种工艺受限于电磁铁自身物理性能，电磁力过大后容易烧毁线圈，从而造成一些安全隐患。在利用超声调控电弧方面，如文献“谢伟峰.超声-电弧等离子体作用机制及焊接特性研究[D].哈尔滨工业大学,2016.”，通过改变声场参数对电弧形态进行调控，能够起到压缩电弧提高电弧能量的目的，同时利用声空化和声流效应对焊缝组织进行改善，从而达到提高接头性能的目的。但是这种方法也受制于现有超声特性，若超声功率过大时会隔绝保护气，使得焊缝保护效果降低。

发明内容

本发明是为了解决现有电弧焊接中，电弧能量低、构件组织粗大，现有技术晶粒细化作用效果不均匀的问题，进而提供了一种声-磁同轴耦合调控GTAW电弧焊接装置及焊接方法。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种声-磁同轴耦合调控GTAW电弧焊接装置，它包括主架体、焊枪控制架、声-磁同轴耦合装置、GTAW焊接电源、超声电源及交直流变频电源，其中，所述焊枪控制架固装在主架体上，所述声-磁同轴耦合装置通过所述焊枪控制架实现位置调节，所述声-磁同轴耦合装置包括超声换能器、超声变幅杆、水冷装置及电磁铁，其中超声换能器与超声变幅杆首尾同轴固接，电磁铁、水冷装置及超声变幅杆由外向内依次同轴套装，超声换能器的顶端固装在焊枪控制架上，钨极同轴穿设在声-磁同轴耦合装置上，且钨极与GTAW焊接电源之间、超声换能器与超声电源之间以及电磁铁与交直流变频电源之间分别采用导线连接。

进一步地，超声变幅杆上沿周向开设有保护气通道，且保护气通道的进气口位于超声变幅杆的顶端，出气口位于超声变幅杆的底端。

进一步地，所述焊枪控制架包括十字滑台及连接件，所述声-磁同轴耦合装置通过所述连接件固装在十字滑台上。

进一步地，所述连接件呈L形板结构，超声换能器的顶端固装在L形板结构的水平侧板上，且L形板结构的水平侧板上开设有竖向通孔，钨极的上端穿过竖向通孔且通过导线与GTAW焊接电源连接。

进一步地，所述主架体包括支架及工作平台，所述工作平台安装在所述支架上且位于声-磁同轴耦合装置的下方。