超声频脉冲电弧气电立焊方法及应用技术

本发明专利技术公开一种超声频脉冲电弧气电立焊方法及应用，其在超声频脉冲电源输出端串联大功率超声耦合器后，将超声频脉冲电源与气电立焊电源以并联方式向焊炬供电，实现对直流气电立焊大功率电弧的可调频调幅超声频脉冲调制；所述大功率超声耦合器包括有感的线绕限流电阻和与之串联的大电流耦合电容，使耦合电容可直接与包括限流电阻自生电感在内的线路分布电感成串联谐振状态，从而简化超声频脉冲耦合电路，实现超声频脉冲电流耦合效果最大化。本发明专利技术超声频脉冲电流调节方便、耦合效果好，可提高气电立焊电弧稳定性、改善焊缝成形、细化接头组织、提升接头强韧性，并可提高气电立焊速度，工艺适应性强，实施成本低，适用于单丝或双丝气电立焊。双丝气电立焊。双丝气电立焊。

【技术实现步骤摘要】
超声频脉冲电弧气电立焊方法及应用


[0001]本专利技术属于焊接
，具体涉及一种超声频脉冲电弧气电立焊方法及应用。

技术介绍

[0002]通过在熔化极焊接电弧上叠加超声频脉冲电流，激发电弧产生超声波，可改善焊缝组织，提高电弧焊接头力学性能。另一方面，气电立焊是一种大热输入、全板厚单道一次成形的熔化极电弧焊工艺，电弧功率大(电弧电流300～450A左右)，熔池体积大(在全板厚上为单熔池)，需要引入大幅值的超声频脉冲电流才能有效激发电弧和熔池的超声振动效应。目前，未见将超声频脉冲电流引入气电立焊电弧的报道。
[0003]中国专利号为201210285810.7、名称为“一种用于ODS合金的超声电弧焊接方法”的专利技术专利，通过超声激励电源和RC耦合电路，在直流TIG焊接电弧上并联叠加一种激励电流频率为28～80kHz、激励电流为0～30A的超声频交变电信号，激发超声波作用于ODS合金的焊接熔池，以去除焊缝气孔并细化焊缝组织。其缺点是：
①
电弧电流(60～150A)、激励电流(不超过30A)、隔直电容值(40～100PF)均较小，通用性不强；
②
没有优化隔直电容值，直接影响超声频交变电信号的耦合作用效果；
③
通过RC耦合电路中的变阻器(0～200Ω)来调节加载到电弧中的超声激励电压和电流的大小，会改变回路线路分布电感值大小，直接影响超声频交变电信号的耦合作用效果。
[0004]中国专利号为201810913444.2、名称为“超声电弧贴合滚压薄壁钢管焊接装置及焊接方法”的专利技术专利，在钨极氩弧焊电源上耦合叠加一种频率为10～800kHz、激励电流为0～60A的超声频交变电信号，将超声波通过钨极氩弧焊电弧引入到焊接熔池中，以细化薄壁钢管焊缝晶粒。其缺点是：
①
适用焊接电流小(110A)，通过用性不强；
②
对作为关键技术的耦合电路，没有实施方案，实用性不强。中国专利申请号为202011208648.X、名称为“一种用于铝合金的超声窄间隙焊接系统及方法”的专利技术专利，通过由限流电阻和耦合电容构成的RC耦合电路，将超声频电信号并联耦合进入窄间隙焊接电弧，以细化铝合金焊缝组织、减低焊缝气孔率。其缺点是：
①
选取耦合电容值时，没有考虑耦合回路电感的作用，无法获得最优耦合电容值，导致超声频电信号的耦合作用效果不佳；
②
焊接过程中需要层间调节超声激励电信号强度，操作复杂，通用性不强；
③
没有对超声激励电源的输出电流值进行标定，不方便定量调节超声频脉冲电流，实用性不强。
[0005]中国专利申请号为202110807556.1、名称为“一种用于超声电弧焊接的隔离耦合及自动开关控制装置”的专利技术专利，在三支电感和五路电容的基础上，通过不同的电容电感值组合，通过不同的串并联组合，调节超声频脉冲耦合回路的电容和电感值，完成与超声频率的匹配，将超声电信号引入焊接电弧，以激发电弧超声。其缺点是：
①
通过该装置中有限数量的电感和电容组合，仅可对回路电容和电感值进行有级调节，难以在超声频电信号的全频段上实现最优耦合，影响超声频电信号的耦合作用效果；
②
没有考虑耦合回路中的线路分布电感作用，仅通过该装置本身不能使耦合回路产生串联谐振，导致超声频电信号的耦合效果不佳；
③
在该装置中，没有直接利用耦合回路中的线路分布电感，至少需要串联一
个附加的固定电感，使超声频电信号耦合电路复杂化；
④
根据该装置的实物图(附图2)来判断，该装置中采用的电容器均为小电流容量的电容器，每路电容由多个小电流电容器并联而成，使超声频电信号耦合电路复杂化，在耦合大电流超声频信号时实用性不强；
⑤
在该装置中，没有设置限流电阻，容易烧坏外接的超声电源和回路中的耦合电容，实用性不强。
[0006]总之，现有超声频电弧工艺方法的共同特点是：
①
均针对多层多道电弧焊工艺，焊接熔池体积小，所用的超声频脉冲电源功率小，通用性不强，不适用于具有大体积熔池、全板厚单道一次成形的气电立焊工艺；
②
在选取超声频交变信号的耦合电路参数时，没有考虑耦合回路中的线路分布电感(主要来自有感的线绕限流电阻的自生电感)的影响，因而没有对耦合电路参数进行合理优化，导致超声频电信号的耦合作用效果不佳，难以在较高的超声频率下实现大幅值脉冲电流耦合；
③
在超声频信号的耦合电路或装置中，通过有限数量的电容或还包括电感的串并联组合，只能有级地调节耦合回路中的电容和电感值，不能实现超声频电信号的全频段最优耦合；
④
在超声频信号的耦合电路或装置中，没有运用大电流容量的耦合电容，也没有利用耦合回路中的线路分布电感，使得耦合电路或耦合装置复杂化，直接影响实用性；
⑤
没有对超声频脉冲电源的输出电流值进行事先标定，超声频脉冲电流参数调节不直观，操作使用不方便，实用性不强。

技术实现思路

[0007]为了克服现有技术的不足，本专利技术提出一种超声频脉冲电弧气电立焊方法，通过运用大电流电容器、有感线绕限流电阻、线路分布电感，可在不另设固定电感的情况下，构成一种串联谐振的等效RLC耦合电路，简化耦合电路结构，减少耦合电容器的并联数量，并使超声频脉冲电流耦合效果最大化，解决了大电流超声频电信号的高效耦合难题。从而，在宽频带范围内将大电流超声频脉冲交变电信号定量地耦合进入气电立焊电弧，有效激发大功率电弧的电磁收缩效应和大体积熔池的超声振动效应，可提高气电立焊电弧稳定性、改善焊缝成形、细化接头组织，提升接头强度和冲击韧性，降低对母材和焊丝的大热输入焊接性要求，并可提高焊接速度，促进气电立焊的工程应用。
[0008]为达到上述专利技术目的，本专利技术采用如下技术方案予以实现。
[0009]一种超声频脉冲电弧气电立焊方法，其包括：
①
在超声频脉冲电源12输出的一端串联用于耦合超声频脉冲电流的大功率超声耦合器13后，将超声频脉冲电源12与气电立焊电源10以并联方式向焊炬1供电；
②
焊前根据事先标定值，通过所述超声频脉冲电源12，在16～80kHz范围内设定超声频脉冲电流频率f，在20～100A范围内设定超声频脉冲电流幅值I
e
；
③
气电立焊电弧2在I形或V形坡口9内引燃后，将所述超声频脉冲电源12输出的交变超声频脉冲电流i
e
耦合叠加在气电立焊电弧2上，形成对直流气电立焊电弧2的可调频调幅超声频脉冲调制；
④
按照常规气电立焊工艺进行焊接；
[0010]其中，所述大功率超声耦合器13包括限流电阻R0和与之串联的耦合电容C、或还包括与限流电阻R0另一端串联的调配电感L0，其限流电阻R0为设有自生电感的大功率线绕电阻，其耦合电容C为单体大电流电容器、或为由若干大电流电容器串并联组成的耦合电容器组，使所述耦合电容C本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超声频脉冲电弧气电立焊方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
①
在超声频脉冲电源(12)输出的一端串联用于耦合超声频脉冲电流的大功率超声耦合器(13)后，将超声频脉冲电源(12)与气电立焊电源(10)以并联方式向焊炬(1)供电；
②
焊前根据事先标定值，通过所述超声频脉冲电源(12)，在16～80kHz范围内设定超声频脉冲电流频率f，在20～100A范围内设定超声频脉冲电流幅值I
e
；
③
气电立焊电弧(2)在I形或V形坡口(9)内引燃后，将所述超声频脉冲电源(12)输出的交变超声频脉冲电流i
e
耦合叠加在气电立焊电弧(2)上，形成对直流气电立焊电弧(2)的可调频调幅超声频脉冲调制；
④
按照常规气电立焊工艺进行焊接；其中，所述大功率超声耦合器(13)包括限流电阻R0和与之串联的耦合电容C、或还包括与限流电阻R0另一端串联的调配电感L0，其限流电阻R0为设有自生电感的大功率线绕电阻，其耦合电容C为单体大电流电容器、或为由若干大电流电容器串并联组成的耦合电容器组，使所述耦合电容C直接与包括所述限流电阻自生电感的线路分布电感L
s
成可串联谐振的状态、或与所述线路分布电感L
s
和所述调配电感L0一起成可串联谐振的状态。2.如权利要求1所述的超声频脉冲电弧气电立焊方法，其特征是：根据超声频脉冲电流频率f的大小，按照C
v
＝1/[(2πf)2·
L
v
]的原则，匹配串联谐振时所述耦合电容C的电容值C
v
，其中L
v
为超声频脉冲电流回路电感L的电感值，所述回路电感L直接为所述线路分布电感L
s
或还包括所述调配电感L0。3.如权利要求2所述的超声频脉冲电弧气电立焊方法，其特征在于，所述回路电感L的电感值L
v
的测定方法，包括如下步骤：
①
断开气电立焊电源(10)后，用无感的大功率测量电阻R
m
或直接用导线替代气电立焊电弧(2)，并选定所述耦合电容C的测试电容值C
m
；
②
由小到大或由大到小地调节超声频脉冲电流频率f，并在不同超声频脉冲电流频率f下，通过示波器观测所述超声频脉冲电源(12)...

【专利技术属性】
技术研发人员：王加友，王羿皓，朱杰，朱征宇，乔云鹏，季康，王天威，王婕，王纳，张宇，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：