[发明专利]大电流高频率任意波形电弧耦合超声能场激励装置及方法

说明书

本发明涉及一种大电流高频率任意波形电弧耦合超声能场激励装置及方法，该装置与电焊机的电弧焊电源连接，所述的装置包括用于产生小信号超音频波形的信号生成组件和小信号波形放大组件，所述的小信号波形放大组件用于接收并放大小信号超音频波形，输出波形、振幅、频率相同的大电流高频率交变电流。与现有技术相比，本发明具有能够输出大电流高频率交变电流、输出电流稳定性好，当外部电流超载时安全性好等优点。

技术领域

本发明涉及一种电弧耦合超声能场激励装置及方法，尤其是涉及一种大电流高频率任意波形电弧耦合超声能场激励装置及方法。

背景技术

在电弧焊接过程中耦合超声能场是一种提高金属构件焊接品质的有效手段。对于核电机组建设、涡扇发动机制造等高端工程领域，电弧焊接被广泛用于生产不锈钢、低合金钢、Ni基合金、Ti合金等焊接构件。这些焊接构件用量大，通常在高温、高压强、高辐射、高载荷的工作环境中服役，故需要较高的安全鲁棒性。因此，迫切需要改善传统的电弧焊接工艺，提高焊接效率，改善焊接件的显微组织、提高焊接件的综合力学性能。超声能场是一种特殊的外加物理场，其本质是频率＝20kHz的机械振动波及波的传递过程。当超声能场耦合于焊接熔池时，可以为焊接熔池带来特殊的物理效应，如射流搅拌、空化泡生长及爆破等，进而有望改变金属焊缝的形成过程，以人为干预、调控金属构件的焊接品质。超声能场耦合于电弧焊接过程的方法主要包括机械耦合和电气耦合两大方式。

其中，机械耦合超声能场的方式主要通过机械振动器外加换能器的形式，通过焊接工件、焊接电弧等中间媒介，将超声能场叠加于焊接熔池。例如，专利CN201710157697.7通过改装GTAW焊枪，将机械换能器发出的超声能场通过焊接电弧耦合于GTAW焊接过程。此类超声能场的耦合方式较为直观，但存在一些不足之处，例如机械振动器不宜长期在高温环境中工作、需要大幅改变焊枪结构、超声能场频率为离散值等。电气耦合超声能场的方式可以较好地避免这些缺陷。该方式通过在DC焊接电流中引入频率大于20kHz的交变电流，迫使焊接电弧发生周期性振动，进而将超声能场耦合于焊接熔池。例如，专利CN01143444.9通过在焊接电源两侧并联高频AC电源，将高频AC电流叠加于DC电流之上；专利CN201710157697.7研发了一种在GMAW电源上叠加高频AC电流的装置，AC电流频率为20～100kHz，电流峰峰值为100A。受益于交变电流的特性，超声能场的频率、振幅可以连续调节；产生高频交变电流的激励装置可以布置得离焊接电弧较远，不容易受焊接热影响；交变电流可以直接从焊枪的接头端导入，不需要改变焊枪结构。电气耦合超声能场在高频交变电流可控性、焊接适应性等方面具有较强的优势。

根据上述电气耦合超声能场的特点可知，实现电气方式产生超声能场的关键是设计制造一种超声能场激励装置，产生振幅幅值大、频率高、波形不失真、且振幅频率连续可调的交变电流。大功率、大电流、高频率任意波形电弧耦合超声能场激励装置可以产生功率更大、波形更完善的超声能场，有利于在电弧焊接过程中充分发挥外加超声能场的优势。但是，目前超声能场激励装置的频率通常低于100kHz，电流振幅较小且波形形貌质量较差，难以复现sine等电流形貌，不利于发挥超声能场的优势。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种大电流高频率任意波形电弧耦合超声能场激励装置及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种大电流高频率任意波形电弧耦合超声能场激励装置，该装置与电焊机的电弧焊电源连接，所述的装置包括用于产生超音频任意波形(电压0～5V、振幅-5～+5V、频率16～150kHz)的小信号生成组件和小信号波形放大组件，所述的小信号波形放大组件用于接收并放大小信号超音频波形，输出波形、振幅、频率相同的大电流高频率交变电流。