[发明专利]交替超声场辅助窄间隙焊接方法

说明书

本发明公开了一种交替超声场辅助窄间隙焊接方法，包括1）将加工好的被焊工件放在焊接平台上，将被焊接工件开坡口，四角压紧，坡口上方两侧分别放置一个超声装置，超声发生器下端分别指向坡口的相对另一侧，电极在两超声中间布置；2）焊接，左右超声装置交替工作，促使电弧左右摆动；3）焊接过程中，调整超声装置的功率和频率参数，改变电弧偏摆幅度，使电弧参数大小合理搭配超声参数，4）焊接完成后，关闭系统，空冷至室温，擦拭干净，完成焊接。本发明保证超声场能够有效控制电弧偏转，压缩电弧，增强电弧能量，有效解决窄间隙侧壁难熔的关键问题。

技术领域

本发明涉及一种金属窄间隙焊接方法，具体涉及一种交替超声场辅助窄间隙焊接方法。

背景技术

随着厚板在深海工程、舰艇、厚壁管道及压力容器等金属构件中的应用日益广泛，对厚板的焊接效率和焊接质量也提出了更高要求。传统焊接方法需开大角度V型坡口，会产生焊接填充量大、接头变形大和焊接效率低等不足。窄间隙焊接技术因采用窄且深的小角度U型或者I型坡口而具有焊接效率高、焊材消耗少及热输入低等优势，且随着板厚的增加，窄间隙焊接的优势愈加明显。

虽然窄间隙焊接具有诸多优势，但是由于窄间隙焊接采用的小角度坡口，坡口侧壁与热源的中轴线几乎平行，电弧热源无法对坡口侧壁直接加热，而常规电弧的热量分布为高斯分布，电弧外围热量偏低，造成电弧对坡口侧壁的热输入不足，容易出现侧壁未熔合缺陷，从而对大型结构件使用安全造成严重的安全隐患。因此，开发先进的窄间隙焊接侧壁熔合控制技术从而保证侧壁的充分熔合是窄间隙焊接需要解决的关键问题。

中国专利申请号为2018108913656、名称为“一种船用钛合金厚板的振动热丝窄间隙焊接方法”的发明专利申请，首次将低频振动辅助方法引入窄间隙电弧焊接技术中，通过焊丝的低频振动对熔池进行搅拌。该技术的优点是可通过焊丝的低频振动改善熔池的结晶状态，细化晶粒。缺点是：焊丝振动频率低，超声频振动对焊接的有利作用得不到发挥。

中国专利号为2008101503712、名称为“窄间隙熔化极气体保护焊焊枪”的发明专利申请，在焊枪保护气室内安装压电晶片和匹配层，压电晶片上、下两面通过导线与高频振荡器电连接，产生超声波束，引起液态金属产生超声振动,改变了液态熔池金属的表面张力,增强了液态金属的流动性及其破碎氧化膜的能力,使得熔池液态金属与焊件坡口侧壁金属充分熔合。然而，所述的窄间隙焊枪与电弧摇摆或旋转相比，仅仅利用超声对液态金属的振动作用来解决侧壁未熔合，其可靠性及稳定性较低。

关于超声在非窄间隙焊接领域中的应用，中国专利申请号为CN201010123736.X、名称为“基于交流电弧激发超声的铝合金及铝基复合材料焊接方法”的专利申请文件，在常规铝合金及铝基复合材料的焊接工艺中,根据高通滤波器原理构建一台隔离耦合装置,将电弧超声激励源与弧焊电源通过该装置连接,使交变电信号耦合进交流电弧中,激励出的超声波直接作用于熔池,改善铝合金及铝基复合材料的焊接冶金及结晶过程。该技术的优点是：不需要复杂的超声施加装置，不受限于坡口及被焊工件的形状尺寸，随焊性好。该技术的缺点是：超声频电信号的耦合可引起附加的热输入，会引起晶粒粗化；同时，熔池超声振动能量相对较低。

中国申请号为202011208648X，公开了一种用于铝合金的超声窄间隙焊接系统及方法，所述焊接系统由超声频激励电源、耦合波形控制系统、焊接电源、窄间隙焊炬及联合控制开关构成，焊接方法是联合控制开关按设定程序对焊接回路及超声回路进行异步精确控制；耦合波形控制系统利用限流电阻控制耦合电容的充放电实现一种低热影响的超声频耦合电信号，从而避免电耦合附加热输入对焊缝晶粒细化的不利影响；通过控制超声激励频率确保每层焊接时熔池处于共振，改变不同层焊接时的超声输入能量，实现窄间隙焊接头组织的均匀化，去除焊缝气孔，解决了接头性能不均匀问题。同时，减小了传统摇摆电弧窄间隙焊的摇摆角度及侧壁停留时间，提高了焊接效率。该技术的缺点是：超声主要作用于焊接熔池，没有对窄间隙焊接的侧壁难熔问题提出有效解决方案。