CN102267002A

CN102267002A - 一种磁控电阻点焊方法及装置

Info

Publication number: CN102267002A
Application number: CN2011102095407A
Authority: CN
Inventors: 李永兵; 林忠钦; 沈琦; 来新民; 陈关龙
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2011-07-25
Filing date: 2011-07-25
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2031-07-25
Also published as: CN102267002B

Abstract

本发明涉及一种磁控电阻点焊方法及装置，其中方法包括1)当磁控系统处于开机或复位状态时，同步系统通过第一电流传感器连续检测电阻点焊焊枪的焊接电流的通断及其强弱，并判断电阻点焊焊枪是否有电流通过，若为是，执行步骤3)，若为否，执行步骤2)；2)同步系统发送关断数字信号00给电力变换装置，使其继续处于关断状态，并返回步骤1)等步骤；其中装置包括同步系统、电力变换装置、上激磁线圈、下激磁线圈、电阻点焊焊枪、第一电流传感器和第二电流传感器。与现有技术相比，本发明具有外部磁场与焊接电流可协控、有效提高电阻点焊接头综合机械性能、适用范围广等优点。

Description

一种磁控电阻点焊方法及装置

技术领域

本发明涉及磁控焊接技术领域，尤其是涉及一种磁控电阻点焊方法及装置。

背景技术

早在上世纪70年代，前苏联学者M.A.Abralov(Automatic Welding，Vol.30，No.5，52-55，1977)研究了外部轴向磁场作用下钨极氩弧焊焊缝金属的结晶组织和机械性能，结果表明，外部磁场能够有效细化焊缝金属的一次结晶组织并提高接头强度。然而，由于电阻点焊与电弧焊在工艺上存在较大差异，使得该技术无法直接应用于电阻点焊领域：

(1)不同于电弧焊的移动热源焊接，电阻点焊属于固定位置焊接工艺，其整体焊接过程包括预压、加热、保压三个阶段。对于钢、铝等常见金属材料的电阻点焊，只有加热阶段存在电流流经被焊工件，而在之后的保压冷却阶段，磁场将失去作用。

(2)电阻点焊过程中，被焊工件被夹持在上、下电极之间，焊接电流自电极端面由纵向流经焊接工件。由于电极端面与被焊工件的尺寸几何差异及接触影响，电流在熔核中呈纵向的双鼓形，这导致在上下两个“鼓”中，焊接电流在熔核径向的分量完全相反。当施加外部轴向磁场时，上半熔核与下半熔核内将产生反方向的周向磁场力，从而使上下两个“鼓”相互牵制，产生能量内耗，大大降低电磁搅拌的强度。

中国专利“交流缝焊机磁控装置”(申请号200320109642.2)采用四个永磁体对电阻缝焊过程中缝焊接头的形成进行控制，有效的细化了晶粒，提高了接头拉剪强度。电阻点焊与电阻缝焊虽同属电阻焊工艺，但仍然存在较大差异：

(1)电阻缝焊属于连续焊接工艺，整个焊接过程中电流始终存在，不同于电阻点焊只有加热阶段有电流通过。另外一方面，电阻缝焊过程中，由于电流的分流效应，滚轮后侧尚未凝固的金属中仍然有电流流过，使得磁场仍然能够作用于该区域，而电阻点焊则不存在这种可能性。

(2)电阻缝焊的焊缝通常比较平直，磁控系统容易布置。然而，电阻点焊工况十分复杂，该专利中提出的侧置磁控系统尺寸过大，极易与被焊工件发生干涉，无法应用于生产实际中。

(3)该专利中提出的磁控系统以永磁体为外部磁场源，具有以下局限性：

a)磁场大小取决于永磁体与工件之间的距离，调节困难且精度低；

b)只能产生恒定磁场，磁场模式单一；

c)焊接过程中磁场强度无法根据需求改变；

d)永磁体体积大、间距小，容易与车身零件和工装夹具产生干涉；

e)在实际的连续焊装过程中，环境温度较高，而永磁体超过80摄氏度磁性就会明显衰减，无法保证磁控效果。

为了克服永磁体的不足，中国专利“磁控电阻点焊系统”(申请号：200910056333.5)提出一种基于励磁线圈的磁控电阻点焊系统，基于该系统可以获得不同励磁模式和强度的交变磁场。然而，该专利并未涉及如何控制磁场与焊接电流，以实现对电阻点焊质量的最优控制。

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出一种外部磁场与焊接电流可协控、有效提高电阻点焊接头综合机械性能、且适用范围广的磁控电阻点焊方法及装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种磁控电阻点焊方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)当磁控系统处于开机或复位状态时，同步系统通过第一电流传感器连续检测电阻点焊焊枪的焊接电流的通断及其强弱，并判断电阻点焊焊枪是否有电流通过，若为是，执行步骤3)，若为否，执行步骤2)；

2)同步系统发送关断数字信号00给电力变换装置，使其继续处于关断状态，并返回步骤1)；

3)同步系统判断流过焊枪的电流是否大于设定值，若为是，发送数字信号01至电力变换装置，并执行步骤4)；若为否，发送数字信号10至电力变换装置，并执行步骤4)；

4)电力变换装置接收到非00数字信号后，即按照预设模式生成相应的励磁电流波形信号，并根据数字信号的类型对励磁电流波形信号进行功率放大：

a)如果电力变换装置接收到数字信号01，则按照预设值对生成的波形信号进行低倍放大以产生低励磁电流；

b)如果电力变换装置接收到数字信号10，则按照预设值对生成的波形信号进行高倍放大以产生高励磁电流；

5)电力变换装置生成的励磁电流信号以等强度、反方向输出给上激磁线圈、下激磁线圈以生成两个强度相同、极性相反的磁场，实现电阻点焊过程的磁场控制。

所述的步骤3)中的设定值为500～1500安培。

所述的步骤3)中的设定值为1000安培。

一种实施所述的磁控电阻点焊方法的装置，其特征在于，包括同步系统、电力变换装置、上激磁线圈、下激磁线圈、电阻点焊焊枪、第一电流传感器和第二电流传感器；所述的同步系统的输入端通过第一电流传感器与电阻点焊焊枪连接，所述的同步系统的输入端通过第二电流传感器分别与上激磁线圈、下激磁线圈连接；同步系统的输出端与电力变换装置的输入端连接；上激磁线圈和下激磁线圈分别固定设置于电阻点焊焊枪的电极臂上；上激磁线圈和下激磁线圈的驱动输入端和接地端分别与电力变换装置的输出端并联。

所述的同步系统通过第二电流传感器检测上激磁线圈、下激磁线圈的工作电流，为电力变换装置提供激磁线圈过流保护信号，以封锁电力变换装置的驱动输出实现保护功能。

所述的上激磁线圈、下激磁线圈均为带有铁芯的螺线管电磁线圈。

所述的上激磁线圈、下激磁线圈的极性相反、同轴固定于电阻点焊焊枪电极臂上，且在电极闭合状态下相对于上、下电极接触面对称分布。

所述的电阻点焊焊枪提供两个阶段不同大小的电流，分别为焊接电流和搅拌辅助电流，两段电流之间间隔0～100毫秒，其中，大于设定值的电流为焊接电流，小于设定值的电流为搅拌辅助电流。

所述的电力变换装置输出到上、下激磁线圈的励磁电流信号大小相同且同步。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)提高焊接质量，在熔核增大阶段通过液态金属的周向加速运动增大熔核直径，在结晶阶段通过未凝固金属的周向运动消除成份偏析和结晶裂纹、提高等轴晶数量、细化晶粒，最终提高电阻点焊接头的综合机械性能；

2)适用范围广，能够应用于钢等黑金属以及铝合金、镁合金等轻金属的电阻点焊并提高焊点的综合机械性能，若应用于汽车焊装生产线，不仅可以提高汽车车身的连接强度，还能够节约成本。

附图说明

图1为本发明的硬件结构示意图；

图2为本发明的工艺流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

本发明硬件结构包括同步系统1、电力变换装置2、上激磁线圈3、下激磁线圈4、电阻点焊焊枪5、第一电流传感器6、第二电流传感器7、被焊工件8。其中：同步系统1的输入端通过第一电流传感器6与电阻点焊焊枪5连接，同步系统1的输入端通过第二电流传感器7分别与上激磁线圈3、下激磁线圈4连接；同步系统1的输出端与电力变换装置2的输入端连接以传输电磁搅拌同步控制信号和激磁线圈保护信号。上激磁线圈3和下激磁线圈4分别固定在电阻点焊焊枪5的上、下电极处；上激磁线圈3和下激磁线圈4的驱动输入端和接地端分别与电力变换装置2的输出端并联。

所述的同步系统1通过第一电流传感器6检测焊接电流的通断及其强弱，从而控制电力变换装置2的开启。如果未检测到电流通过，则向电力变换装置2发出信号00；如果检测到高于1000安培的电流，说明焊接系统处于熔核增大阶段，则向电力变换装置2发出信号01；如果检测到低于1000安培的电流，说明焊接系统处于晶粒细化阶段，则向电力变换装置2发出信号10。

所述的同步系统1通过第二电流传感器7检测上激磁线圈3、下激磁线圈4的工作电流，为电力变换装置2提供激磁线圈过流保护信号，以封锁电力变换装置2的驱动输出实现保护功能。

所述的电力变换装置2用于电力调整和转换，并按照预设模式生成相应的励磁电流波形信号，并根据数字信号的类型对励磁电流波形信号进行功率放大。当接收到同步系统1发出的信号01，电力变换装置2对生成的波形信号进行低倍放大，产生低强度励磁电流；当接收到同步系统1发出的信号10，电力变换装置2对生成的波形信号进行高倍放大，产生高强度励磁电流。其他情况下，电力变换装置2保持关闭状态。

所述的上激磁线圈3和下激磁线圈4为带有铁芯的螺线管激磁线圈，为电磁搅拌作用提供合适的交变磁场。

所述的电阻点焊焊枪5用于传导焊接电流，同时起到固定工件、减小接触电阻、防止飞溅产生的作用。

所述的被焊工件8为常见钢、铝等焊接板材。

本实例工作过程如图2所示，其中：电阻点焊过程分为三阶段：0～t₁为预压阶段，t₁～t₂为加热焊接阶段，t₂～t₃为保压阶段。在焊接阶段，施加较强的焊接电流I₁和低倍励磁电流i₁，带动熔化中的金属做周向运动，从而增大熔核直径；在保压阶段，施加较弱的辅助搅拌电流I₂和高倍励磁电流i₂，强化搅拌效果，从而细化晶粒组织，消除成分偏析。整个电阻点焊过程中，上、下电极对被焊接工件施加压力F，以达到固定工件、减小接触电阻、防止飞溅的目的。

本实施例中的被焊工件8为高强度双相钢板DP590，板件厚度匹配：2.25毫米+2.25毫米。

本实施例中的电极压力F为5.5千牛。

本实施例中的预压时间t₁为200毫秒，焊接时间t₂为900毫秒，保压时间t₃为600毫秒。

本实施例中的加热焊接电流I₁为9500安培，辅助搅拌电流I₂为800安培。

本实施例中的励磁电流i₁为900毫安，励磁电流i₂为2000毫安，均为直流波。

本实例工作过程参照图2如下所述：将被焊工件8放置在焊装夹具上，在0～t₁时间，进入预压阶段，电阻点焊焊枪5通过上、下电机对被焊工件8施加力F，并保持改电极力F不变，直至整个焊接过程结束；在t₁～t₂时间，进入熔核增大阶段，焊枪对被焊工件8施以焊接电流I₁，与此同时，同步系统1检测到电阻点焊变压器的初级电流信号，并对其进行判断，将信号01发送至电力变换装置2；电力变换装置2根据接收到的信号01对生成的直流信号进行低倍放大，产生低强度励磁电流i₁，对搅拌熔化中的金属进行周向搅拌，从而增大熔核直径；在t₂～t₃时间，进入晶粒细化阶段，焊枪对被焊工件8施以辅助搅拌电流I₂，与此同时，同步系统1检测到电阻点焊变压器的初级电流信号，并对其进行判断，将信号10发送至电力变换装置2；电力变换装置2根据接收到的信号10对生成的直流信号进行高倍放大，产生高强度励磁电流i₂，对熔核内的液态金属进行强化搅拌，打碎结晶前沿的枝晶，增加形核质点，细化晶粒，消除成份偏析和结晶裂纹；同时，促进熔核中未凝固金属的热交换，降低温度梯度，增加等轴晶数量。晶粒细化阶段结束后，电阻点焊焊枪5撤消对被焊工件8的压紧力，返回初始工位，整个电阻点焊过程结束。通过焊后金相检测手段可知，该磁控电阻点焊熔核直径为7.94毫米，被焊工件接合面附近晶粒走向模糊，熔化区微观组织为等轴晶与枝状晶的混合；而相同焊接参数下，无外加磁场的传统电阻点焊熔核直径为7.11毫米，被焊工件接合面附近晶粒走向明显，熔化区微观组织多为粗大的枝状晶。通过力学性能检测手段可知，该磁控电阻点焊接头的拉剪力为32.5千牛；相同焊接参数下，无外加磁场的传统电阻点焊接头的拉剪力为28.7千牛。由此可见，在该双线圈励磁系统的搅拌作用下，电阻点焊的熔核直径增加了约11.7％，熔核内晶粒组织得到细化，其接头拉剪力提高了约13.2％。

Claims

1.一种磁控电阻点焊方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种磁控电阻点焊方法，其特征在于，所述的步骤3)中的设定值为500～1500安培。

3.根据权利要求2所述的一种磁控电阻点焊方法，其特征在于，所述的步骤3)中的设定值为1000安培。

4.一种实施权利要求1所述的磁控电阻点焊方法的装置，其特征在于，包括同步系统、电力变换装置、上激磁线圈、下激磁线圈、电阻点焊焊枪、第一电流传感器和第二电流传感器；所述的同步系统的输入端通过第一电流传感器与电阻点焊焊枪连接，所述的同步系统的输入端通过第二电流传感器分别与上激磁线圈、下激磁线圈连接；同步系统的输出端与电力变换装置的输入端连接；上激磁线圈和下激磁线圈分别固定设置于电阻点焊焊枪的电极臂上；上激磁线圈和下激磁线圈的驱动输入端和接地端分别与电力变换装置的输出端并联。

5.根据权利要求4所述的磁控电阻点焊方法的装置，其特征在于，所述的同步系统通过第二电流传感器检测上激磁线圈、下激磁线圈的工作电流，为电力变换装置提供激磁线圈过流保护信号，以封锁电力变换装置的驱动输出实现保护功能。

6.根据权利要求4所述的磁控电阻点焊方法的装置，其特征在于，所述的上激磁线圈、下激磁线圈均为带有铁芯的螺线管电磁线圈。

7.根据权利要求4所述的磁控电阻点焊方法的装置，其特征在于，所述的上激磁线圈、下激磁线圈的极性相反、同轴固定于电阻点焊焊枪电极臂上，且在电极闭合状态下相对于上、下电极接触面对称分布。

8.根据权利要求4所述的磁控电阻点焊方法的装置，其特征在于，所述的电阻点焊焊枪提供两个阶段不同大小的电流，分别为焊接电流和搅拌辅助电流，两段电流之间间隔0～100毫秒，其中，大于设定值的电流为焊接电流；小于设定值的电流为搅拌辅助电流。

9.根据权利要求4所述的磁控电阻点焊方法的装置，其特征在于，所述的电力变换装置输出到上、下激磁线圈的励磁电流信号大小相同且同步。