一種用于高鋼級大壁厚管線鋼焊接的裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于高鋼級，大壁厚管線鋼焊接的裝置及方法，就是將超聲波振動直接加到焊絲上，使得焊絲振動的焊接裝置及方法，可應用于高鋼級，大壁厚管線鋼非熔化極或者熔化極氣體保護焊接。
【背景技術】
[0002]對于高鋼級，大壁厚管線鋼的焊接中常常會出現兩個問題，首先當熱輸入過小時，焊縫出現脆硬第二相組織，強度、硬度有所提高，但韌性大大降低，同時可能出現未焊透，焊接熔池深度不夠，焊后成形差等質量問題，其次，熱輸入過大后，熱影響區過熱區的晶粒過分長大會形成不良組織引起熱影響區軟化問題，因為在焊接熱循環作用下，熱影響區組織在粗化的同時，會發生相變、再結晶及晶粒回復等現象，從而使熱影響區硬度下降產生軟化現象，強度級別越高，軟化問題越嚴重。軟化程度和軟化寬度與焊接工藝有很大關系，而硬度是冷裂敏感指數和熱輸入的函數。熱輸入越大，熱影響區硬度越低、寬度越寬，軟化現象就越嚴重。所以在正常熱輸入的條件下，為了改善高鋼級大壁厚管線鋼焊接熔滴過渡形式，增加熔池深度，減小焊后軟化寬度，提高焊接接頭組成成分均勻性，研制了一種用于高鋼級大壁厚管線鋼輔助焊接裝置及方法。
[0003]已有技術中，專利200810064099.6為一種超聲振動與焊絲送進系統復合的焊接方法及其裝置，采用的是將超聲波加在與焊絲平滑連接的送絲嘴上，通過送絲嘴的振動帶動焊絲振動，這樣勢必會造成超聲能量的浪費，以及對送絲嘴在大振動下的壽命是個考驗，另外工件焊接過程焊槍需要移動，從而需要加在送絲嘴上的超聲裝置進行同時移動，而此發明卻沒有明確說明超聲裝置或工件和焊槍是怎樣實現移動焊接的。另外此套裝置對焊絲的送進系統要求較高，一般非獨立的送絲裝置如將超聲波加在送絲嘴上難度很大。適用于非熔化極電弧焊接，對熔化極電弧焊接如二氧化碳氣體保護焊則無法應用，上述特點限制了超聲輔助焊接的廣泛應用。因此進一步改善超聲波施加狀態，使其應用于高鋼級大壁厚管線鋼的焊接中則需要新的焊接裝置才能實現。

【發明內容】

[0004]本發明的目的在于提供一種用于高鋼級大壁厚管線鋼焊接的裝置，該裝置原理可靠，操作簡便，焊接質量高、焊縫成形好、焊接接頭組織成分均勻化程度高，具有廣闊的市場應用前景。
[0005]本發明的另一目的還在于提供利用上述裝置對高鋼級大壁厚管線鋼進行焊接的方法，該方法提高了超聲輔助焊接的應用范圍，改善了超聲波施加狀態，使得焊接過程穩定、焊接效率高、焊縫成形好、可應用于工廠及施工現場高鋼級大壁厚管子對接的焊接。
[0006]為達到以上技術目的，本發明提供以下技術方案。
[0007]本發明通過將超聲波直接加到焊絲上，使得超聲的振動效應、空化效應通過焊絲振動傳遞給熔池，這種超聲空化過程會產生強烈的沖擊波，可以打碎初生的粗大晶體和正在長大的枝晶，從而增加形核質點，提高形核率，另外超聲振動能夠顯著地加快傳熱過程，即傳熱作用。田納西州大學Y. Cui以及臺灣逢甲大學Wen-LongDai的研宄表明：超聲能量在固態和液態中的傳播和能量衰減能夠顯著改變熱影響區和熔合區的微觀組織，對于消除未熔合區，細化熱影響區晶粒，增加熔深，改善熔焊質量等方面有重要的應用價值。超聲在焊接熔池中的有限振幅衰減使熔體內形成一定的聲壓梯度，從而形成一個流體的噴流。此噴流在整個流體中引起一個整體環流，影響溶質在熔池中的分布。同時，處于高溫狀態下的金屬熔體，由于固液界面上的晶粒強度非常低，當擾動作用在其周圍液體上，可以破壞正在生長的晶體，打碎晶體，并使熔池中的質量和熱量重新分布，從而起到晶粒細化的作用。
[0008]一種用于高鋼級大壁厚管線鋼焊接的裝置，由承載工件旋轉系統，超聲焊接復合系統，焊槍擺動支架系統三部分組成。
[0009]所述承載工件旋轉系統由工作臺控制器、滾輪支架、工件組成。
[0010]所述超聲焊接復合系統由焊絲、焊槍、送絲嘴支架、送絲嘴、超聲工具頭、變幅桿、U型承載臺、超聲換能器、方形鐵塊、連接片、焊槍支架、焊接電源、超聲波發生器以及送絲機構組成。
[0011]所述焊槍擺動支架系統由擺動器、傳動軸、角度調節器、焊槍支架夾頭、小車支架組成。
[0012]利用上述裝置對高鋼級大壁厚管線鋼進行焊接的方法，依次包括以下步驟：
[0013](I)將加工好焊接坡口的兩個對接工件放在滾輪支架上，啟動工作臺控制器，使得兩個對接工件按照設定好的速度勻速轉動；
[0014](2)根據實際焊接條件如工件厚度、焊接位置、焊絲直經、送絲速度等因素設置好焊接電壓和焊接電流，打開焊接電源，待電弧穩定后啟動超聲波發生器，超聲波發生器把AC-220V(50-60HZ)的市電轉化為高功率、高頻率（15kHZ-1000kHZ)的振蕩信號提供給超聲換能器，超聲換能器將電能轉化為超聲振動，通過變幅桿和超聲工具頭將超聲振動幅度放大到200 μ m后直接傳遞給焊絲；
[0015](3)通過角度調節器，調整好焊槍的角度使之對準焊縫；
[0016](4)啟動擺動器，通過傳動軸的進出運動，帶動焊槍前后擺動，擺動幅度可在2-50mm內設定，擺動速度可在100mm/min-2500mm/min內調節，前后擺動停頓時間0_2s ；
[0017](5)啟動送絲機構，非熔化極或者熔化極焊絲由送絲機構平穩送出，開始自動焊接。
[0018]本發明中對超聲波發生器施加在超聲換能器上的交變電信號進行了可靠的接地處理，非熔化極或者熔化極焊接電源與超聲波發生器進行了有效的隔離。
[0019]本發明所述的超聲工具頭選用耐高溫材料，并采用壓縮空氣的冷卻方式進行降溫處理。
[0020]本發明所述的超聲振動部分的輸入功率為Iw?lOOOw。
[0021]與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：本發明通過將超聲波的振動直接施加到焊絲上，實現焊絲的振動，可有效細化熱影響區晶粒，增加熔深，改善焊接接頭質量，適用于非熔化極或者熔化極氣體保護焊接。本發明通過將超聲振動直接加在焊絲上，最大化的利用了超聲能量，使得超聲的空化效應、振動效應在焊絲與熔池接觸過程中傳遞給焊接熔池，有效的控制焊后晶粒大小及焊絲熔滴過渡，從而提高了焊接接頭組織成分均勻化程度，改變焊接接頭應力分布狀態，使得焊接接頭力學性能得到大幅度提高。
【附圖說明】
[0022]圖1是一種用于高鋼級大壁厚管線鋼焊接的裝置結構示意圖。
[0023]圖2是承載工件旋轉系統示意圖。
[0024]圖3是超聲焊接復合系統示意圖。
[0025]圖4是焊槍擺動支架系統示意圖。
[0026]圖中:1、工作臺控制器，2、滾輪支架，3、工件，4、焊絲，5、焊槍，6、送絲嘴支架，7、送絲嘴，8、超聲工具頭，9、變幅桿，10、U型承載臺，11、超聲換能器，12、方形鐵塊，13、連接片，14、擺動器，15、傳動軸，16、角度調節器，17、焊槍支架夾頭，18、焊槍支架，19、小車支架，20、焊接電源，21、超聲波發生器，22、送絲機構。
【具體實施方式】
[0027]下面結合附圖和實施例進一步說明本發明。
[0028]參見圖1、圖2、圖3、圖4。
[0029]一種用于高鋼級大壁厚管線鋼焊接的裝置，由承載工件旋轉系統、超聲焊接復合系統、焊槍擺動支架系統三部分組成。
[0030]所述承載工件旋轉系統由工作臺控制器1、滾輪支架2、工件3組成，工作臺控制器I控制工件3按照設定的速度做勻速旋轉運動。
[0031]所述超聲焊接復合系統由焊槍5、焊槍支架18、送絲嘴支架6、送絲嘴7、超聲工具頭8、變幅桿9、U型承載臺10、超聲換能器11、方形鐵塊12、連接片13