专利名称：一种外加声场式钛合金手工焊接装置及焊接方法
技术领域：
本发明属于钛合金的电弧焊接技术领域，具体地说是设备简单、操作方便的外加声场式钛合金手工焊接装置及焊接方法。
背景技术：
众所周知，钛合金作为一种轻质、高强、耐腐蚀的合金材料，在航空航天及人们日常生活中很多领域应用，而且应用越来越广泛，在很多结构件的应用中，势必会遇到钛合金间或钛合金与其它材料间的连接问题，目前，涉及到的连接方法有扩散焊、摩擦焊、爆炸焊、TIG焊、激光焊、电子束焊接、钎焊等，其不足操作复杂，连接效果差。超声振动产生的振动可使TIG电弧静特性整体向上平移，电弧长度La与辐射端高度H匹配良好时，超声作用下电弧电压升高明显。电弧长度与辐射端高度为2-26、3-24、4-24,5-20 (单位:mm)时，同比电弧静特性曲线上移幅度最大；当超声振动作用于TIG焊接电弧时，电弧可产生向中心压缩的效果，电弧导电横截面积减小；由电阻定律可知，缩小了电流导通的截面积，整体对外电阻增加，其电位梯度也将增大，而电流不变时表现为电弧电压升高，电弧能量增加。并且随着电弧被压缩，电弧中心区粒子密度增加，在电子运动过程中与阳离子或氩气原子碰撞几率也就增加，进而缩短自由电子的平均自由程，宏观上表现为焊接电流不变的前提下，需要较大的电弧电压增加导电粒子定向移动速度，以克服由于碰撞带来的自由程降低，表现为电弧作用下焊缝深宽比的增加。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种通过机械耦合的方式，将手持式普通TIG焊枪与超声振动系统相耦合组成的外加声场式钛合金手工焊接装置及焊接方法。本发明可 以通过如下措施达到。一种外加声场式钛合金手工焊接装置，包括手持式TIG焊枪、超声波换能器和超声变幅杆组成超声振动体，其特征在于超声波换能器和超声变幅杆组成的超声振动体经中心孔套设在TIG焊枪前端部陶瓷喷嘴处，TIG焊枪、超声波换能器和超声变幅杆同轴线，TIG焊枪端部一般缩在超声变幅杆内，变幅杆端部呈阶台状，以增加辐射面积.焊枪上安装有焊接开关、超声开关和微调机构，通过触发超声开关能够控制超声波发生器中空气继电器的开闭，排除TIG起弧时的高频干扰。一种外加声场式钛合金焊接方法，其特征在于步骤如下:
步骤一:首先调节手持TIG焊枪钨极与超声波换能器和超声变幅杆轴线重合，通过旋动微调螺母旋钮调节超声振动体和TIG焊枪的相对位置，测量并调节变幅杆阶台发射面高度H和TIG焊枪钨极与工件距离La的大小，使在焊接时超声场对电弧的作用达到最强，辐射端高度和弧长的对应关系为:第一组H=20mm、La=5mm,第二组H=24mm、La=3 4mm,第三组H=26mm、La=2mm ；
步骤二:启动TIG焊机，触发焊接开关按钮，按常规TIG焊接方法起弧，起弧后触发超声开关按钮，超声波发生器中的空气继电器闭合，接通超声波发生器，将50Hz工频电转换为15kHz IOOkHz高频电，再经超声振动装置将高频电转化为振幅为10-150 iim的同频率机械振动；
步骤三:手持操作焊枪，调整焊枪与工件角度，根据施焊位置进行施焊，实现钛合金的超声TIG复合焊接；
步骤四:再次触发超声开关按钮，空气继电器断开，超声振动停止；触发焊接开关，焊接电弧媳灭，保证滞后送气时间0 30s,待钦合金试件冷却后,移走焊枪,完成焊接过程。本发明高强度超声在液态传播时，会在金属熔体中产生声流效应，声流对破坏边界层、加速传质传热、打碎钛合金初生的粗大3相晶粒，提高异质形核率，促进微细颗粒弥散起到了细化晶粒的作用，焊接熔池上作用的电弧压力提高，焊接熔深显著增加，大大提高了焊接效率；同时在焊接过程中加入超声后，在过热区和热影响区部分的晶粒尺寸减小，提高接头疲劳强度和塑性，而且本发明工艺适应性强，不受工件尺寸限制，适合全位置焊接，实用性强，对钛合金自身或与其它材料的连接接头都具有良好的改善作用。
图1是本发明方法的实验装置原理图。图2是本发明具体焊接示意图。图中标记:钨极1、微调旋钮2、超声开关3、焊接开关4、焊枪5、超声波换能器6、超声波变幅杆7。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步描述。如图所示，一种外加声场式钛合金手工焊接装置，包括手持式TIG焊枪5、超声波换能器6和超声变幅杆7组成超声振动体，其特征在于超声波换能器6和超声变幅杆7组成的超声振动体经中心孔套设在TIG焊枪5前端部陶瓷喷嘴处，TIG焊枪5、超声波换能器6和超声变幅杆7同轴线，TIG焊枪5端部缩在超声变幅杆7内，变幅杆7端部呈阶台状，以增加辐射面积.焊枪5上安装有焊接开关4、超声开关3和微调机构2，通过触发超声开关3能够控制超声波发生器中空气继电器的开闭，排除TIG起弧时的高频干扰。一种外加声场式钛合金焊接方法，其特征在于步骤如下:
步骤一:首先调节手持TIG焊枪5的钨极I与超声发射装置轴线重合，通过旋动微调螺母2旋钮调节超声振动体和TIG焊枪5的枪体的相对位置，测量并调节变幅杆阶台发射面高度H和TIG焊枪钨极与工件距离La的大小，使在焊接时超声场对电弧的作用达到最强，福射端高度和弧长的对应关系为:第一组H=20mm、La=5mm,第二组H=24mm、La=3 4mm,第三组 H=26mm> La=2mm ；
步骤二:启动TIG焊机，触发焊接开关按钮4，按常规TIG焊接方法起弧，起弧后触发超声开关按钮，超声波发生器中的空气继电器闭合，接通超声波发生器，将50Hz工频电转换为15kHz IOOkHz高频电，再经超声振动装置将高频电转化为振幅为10-150 iim的同频率机械振动；
步骤三:手持操作焊枪5， 调整焊枪与工件角度，根据施焊位置进行施焊，实现钛合金的超声TIG复合焊接；
步骤四:再次触发超声开关3按钮，空气继电器断开，超声振动停止；触发焊接开关，焊接电弧媳灭，保证滞后送气时间O 30s,待钦合金试件冷却后,移走焊枪,完成焊接过程。本发明高强度超声在液态传播时，会在金属熔体中产生声流效应，声流对破坏边界层、加速传质传热、打碎钛合金初生的粗大3相晶粒，提高异质形核率，促进微细颗粒弥散起到了细化晶粒的作用，焊接熔池上作用的电弧压力提高，焊接熔深显著增加，大大提高了焊接效率；同时在焊接过程中加入超声后，在过热区和热影响区部分的晶粒尺寸减小，提高接头疲劳强度和塑性，而且本发明工艺适应性强，不受工件尺寸限制，适合全位置焊接，实用性强，对钛合金自身或与其它材料的连接接头都具有良好的改善作用。本发明通过机械耦合的方 式将手持式普通TIG焊枪枪体耦合于由超声波换能器和超声变幅杆组成的超声振动装置通孔内并保证两者同轴，变幅杆与超声换能器达到共振，将超声电源产生的、频率在15kHd00kHz连续可调的超声频交变电信号转化为超声变幅杆发射端面的同频率机械振动，按常规钛合金TIG电弧焊接方法进行焊接，超声开关控制超声波发生器中空气继电器的开闭，以排除超声电源和TIG起弧高频信号的相互干扰，电弧等离子体受到电弧空间超声场的作用，提高电弧等离子能量集中程度，改变电弧下方熔体流动和结晶行为，加大焊缝熔深和改善焊缝组织性能。钛合金因具有高强度、耐腐蚀性好、高热强度、密度小等优异力学性能被广泛应用于航空航天工业制造中的重要结构材料和航空发动机的低压压器机盘及叶片，从而取代不锈钢、耐热钢作为结构金属。目前，钛合金焊接最常用的方法是TIG焊，然而TIG焊接具有电弧能量密度低、焊接电弧分布不集中，导致效率低，当采用大规范时，由于钛合金熔点高、热容量大、导热系数小常引起焊接区过热，焊缝晶粒组织粗大，接头塑韧性不足和焊接变形增加。影响接头力学性能和结构整体寿命。本发明的目的是提出一种外加声场式钛合金手工焊接方法，将普通TIG手工焊枪枪体耦合于由同轴的超声波换能器和变幅杆组成的超声振动系统中孔内部保证两者同轴，焊枪上安装有两个触发开关，通过触发超声开关能够控制超声波发生器中空气继电器的闭合，以达到随开随用，排除高频干扰的目的。焊接时，焊接电弧上同时施加高密度超声能量，在相同热输入的情况下，由于超声场作用使得电弧能量更加集中，焊接熔池上作用的电弧压力提高，焊接熔深显著增加，大大提高了焊接效率；同时在焊接过程中加入超声后，在过热区和热影响区部分的晶粒尺寸减小，提高接头疲劳强度和塑性。而且本发明工艺适应性强，不受工件尺寸限制，适合全位置焊接，实用性强，对钛合金自身或与其它材料的连接接头都具有良好的改善作用。
权利要求
1.一种外加声场式钛合金手工焊接装置，包括手持式TIG焊枪、超声波换能器和超声变幅杆组成超声振动体，其特征在于超声波换能器和超声变幅杆组成的超声振动体经中心孔套设在TIG焊枪前端部陶瓷喷嘴处，TIG焊枪、超声波换能器和超声变幅杆同轴线，增加辐射面积.焊枪上安装有焊接开关、超声开关和微调机构，通过触发超声开关能够控制超声波发生器中空气继电器的开闭，排除TIG起弧时的高频干扰。
2.一种外加声场式钛合金焊接方法，其特征在于步骤如下: 步骤一:首先调节手持TIG焊枪钨极与超声波换能器和超声变幅杆轴线重合，通过旋动微调螺母旋钮调节超声振动体和TIG焊枪的相对位置，测量并调节变幅杆阶台发射面高度H和TIG焊枪钨极与工件距离La的大小，使在焊接时超声场对电弧的作用达到最强，辐射端高度和弧长的对应关系为:第一组H=20mm、La=5mm,第二组H=24mm、La=3 4mm,第三组H=26mm、La=2mm ； 步骤二:启动TIG焊机，触发焊接开关按钮，按常规TIG焊接方法起弧，起弧后触发超声开关按钮，超声波发生器中的空气继电器闭合，接通超声波发生器，将50Hz工频电转换为15kHz IOOkHz高频电，再经超声振动装置将高频电转化为振幅为10-150 iim的同频率机械振动； 步骤三:手持操作焊枪，调整焊枪与工件角度，根据施焊位置进行施焊，实现钛合金的超声TIG复合焊接； 步骤四:再次触发超声开关按钮，空气继电器断开，超声振动停止；触发焊接开关，焊接电弧媳灭，保证滞后送气时间0 30s,待钦合金试件冷却后,移走焊枪,完成焊接过程。
全文摘要
本发明公开了一种外加声场式钛合金手工焊接装置，其特征在于超声波换能器和超声变幅杆组成的超声振动体经中心孔套设在TIG焊枪前端部陶瓷喷嘴处，TIG焊枪、超声波换能器和超声变幅杆同轴线，以增加辐射面积.焊枪上安装有焊接开关、超声开关和微调机构，通过触发超声开关能够控制超声波发生器中空气继电器的开闭，排除TIG起弧时的高频干扰，步骤如下首先焊枪钨极与超声波换能器和超声波变幅杆轴线重合；启动TIG焊机，触发焊接开关按钮，按常规TIG焊接方法起弧；手持操作焊枪，调整焊枪与工件角度，根据施焊位置进行施焊，实现钛合金的超声TIG复合焊接，本发明工艺适应性强，不受工件尺寸限制，适合全位置焊接，实用性强，对钛合金自身或与其它材料的连接接头都具有良好的改善作用。
文档编号B23K28/02GK103212914SQ20131017269
公开日2013年7月24日 申请日期2013年5月13日 优先权日2013年5月13日
发明者孙清洁, 王斌, 黄海艇, 冯吉才 申请人:哈尔滨工业大学(威海)