CN102500901A - 复合脉冲点焊工艺及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种将传统电阻点焊的工频点焊电流与电容储能放电脉冲复合在一起的电阻点焊工艺及系统。其中高电流峰值，短放电时间的储能放电脉冲释放在工频焊接电流结束后，和工频回火电流开始前的焊核凝固阶段。这种复合脉冲点焊工艺通过复合脉冲点焊系统来实现，其中复合脉冲点焊系统由工频脉冲部分，电容储能放电部分和同步系统共同构成。本发明中的复合脉冲点焊工艺及系统能显著改善焊区组织，细化晶粒，弱化各向异性，减少焊接裂纹，均匀化成分，从而提高电阻点焊机械性能。

Description

复合脉冲点焊工艺及系统

技术领域

本发明涉及焊接技术领域的焊接工艺，具体涉及的是一种复合脉冲点焊工艺及其焊接系统。

背景技术

传统的电阻点焊工艺因其冶金过程简单，易于实现机械化和自动化，在工业生产，尤其在汽车制造领域得到了广泛的应用。但是，随着对焊接工艺和焊接质量要求的不断提高，如何通过设计电阻点焊电流工艺参数，来改善焊区组织，从而提升焊接性能，成为电阻点焊技术研究的重要任务。

F.Hayat在“The effects of the welding current on heat input，nugget geometry，andthe mechanical and fractural properties of resistance spot welding on Mg/Al dissimilarmaterials(镁/铝异种材料电阻点焊在热输入、焊块形状以及机械和破坏特性方面焊接电流的效果)”，Materials and Design 32(2011)2476-2484(《材料和设计》2011年第32卷2476-2484页)，以及P.Marash等在“Microstructure and failure behavior ofdissimilar resistance spot welds between low carbon galvanized and austenitic stainlesssteels(低碳镀锌钢与奥氏体不锈钢间异种材料电阻点焊的微结构和失效行为)”，Materials Science and Engineering A 480(2008)175-180(《材料科学和工程》2008年A480卷175-180页)中，通过破坏性试验，得到改变电流参数情况下，焊接区域几何尺寸，化学成分等宏观因素与强度硬度等机械性能的关系。他们还进行失效机制分析和组织结构表征，表明裂纹，熔合区等缺陷及缺陷密集区域对焊接机械性能起到很大负面作用。

赵熹华等在“点焊熔核‘柱状+等轴’组织形成机理分析”，《金属科学与工艺》1989年12月，第八卷，第3、4期中，分析了焊接过程中，尤其是熔核凝固过程中的组织形貌变化，从结晶机制角度讨论了焊后组织中粗大柱状晶，枝晶与等轴细晶的形成过程。其中，粗大等轴晶体间由于冷却速度过快导致的缩松缺陷严重影响点焊的强度和韧性。

为了获得更好的焊接质量，许多学者对点焊电脉冲的工艺设计进行了研究。中国实用新型87212994.2号记载了一种“点焊机二次脉冲控制系统”，通过逐点焊接与逐点回火的配合，改善焊点区域的组织，降低由于快速冷却而造成的脆性，加之易于系统化，效率高，相比于不回火或整体回火有很大的优势。徐国成等在“弹簧钢电阻点焊接头随机回火热处理过程”，《焊接学报》2010年2月第31卷第2期中，进一步研究了弹簧钢单脉冲回火处理与多脉冲回火处理的回火温度和点焊温度场分布，得到了多脉冲回火处理能获得更好点焊质量的结论。张正林在吉林大学硕士学位论文“超高强度钢的中频点焊性能研究”中，对超高强度钢的中频点焊工艺做了较为系统的研究。

何树先在“铝合金的熔体温度处理和电脉冲处理研究”，《2002年上海交通大学博士学位论文》中，对亚共晶铝合金A356低温熔体施加电容储能放电脉冲，并观察了凝固组织，得到了如下结论：1.电脉冲的施加能显著细化亚共晶A356铝合金的凝固组织，而且680℃熔体的凝固组织由未施加电脉冲时的树枝晶转变为施加电脉冲以后的非树枝晶；2.电容的充电电压高，充电电容大，放电次数多将有助于细化A356的凝固组织；3.电脉冲施加的阶段对凝固组织细化有影响，在凝固开始阶段放电比在凝固后期放电有更加明显的细化效果。何树先还从磁致收缩效应，冲击波作用等方面分析了电容储能放电脉冲的作用机制。更有趣的是，他还通过铝箔的磁致收缩模拟了脉冲电磁力的作用效果。

这些学者的研究从微观机制角度分析了传统点焊工艺的不足，并在工艺改进上进行了探索，为获得更好的点焊机械性能提供理论及实验基础。

但是，电阻点焊回火脉冲仍限于工频周波脉冲，没有尝试将电容储能放电产生的高电流密度峰值，短放电时间的电流脉冲作为回火脉冲。并且从硬件角度来说，现有技术做到交流焊机的电流峰值大幅升高需要整个交流脉冲电焊系统提升，代价很大，稳定性也难以保证。而关于熔体电容储能放电脉冲处理的研究仍限于铸造领域，他们在铸造实验中将金属加热至熔化的方法也不是电阻点焊中的电阻热。更没有对电阻点焊中进行电容储能放电脉冲回火的操作性进行研究。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种脉冲点焊工艺及脉冲点焊系统，能够实现细化晶粒，弱化各向异性，减少微裂纹，最终提高点焊的综合机械性能。

发明内容

本发明针对原有点焊工艺的不足，提供了一种复合脉冲点焊工艺，并通过复合脉冲点焊系统来实现。本发明将原有的工频点焊的基础上加入了电容储能放电脉冲，施加于焊接电流与回火电流之间的熔核凝固阶段，从而实现细化晶粒，弱化各向异性，减少微裂纹，最终提高点焊的综合机械性能。

所述的复合脉冲点焊工艺通过以下机理来实现组织和机械性能的改进：首先在熔核凝固开始阶段，会有大量柱状晶，枝晶产生。高强度的瞬时电流带来的冲击波效应，以及高速变化电场产生的电磁力将对这些枝晶组织产生作用，使枝晶被撕裂，从而为新的晶粒形成提供形核核心。这样，正在凝固的熔核中结晶核心数量增加，晶粒长大过程中相互的抑制更为明显，而且其它晶粒的抑制在空间分布也更均匀，从而使平均晶粒尺寸变小，细化了晶粒，而且各向异性的程度也降低。由霍尔佩奇关系可知，组织晶粒的细化将提高凝固组织的强度。第二，由于点焊熔核的冷却速度很快，在凝固过程中有些地方来不及得到液体金属的补充就被封闭在固相中，成为缩松缺陷，严重影响机械韧性。电容储能放电脉冲可以对正在凝固的熔核补充适度的能量，融化部分固相，使液相金属填充进去，从而减少缩松缺陷的形成，提高机械性能。

本发明公开的复合脉冲电焊工艺通过如下的复合脉冲点焊系统来实现，该系统包括：同步及控制芯片、工频脉冲产生装置和电容储能放电脉冲产生装置，其中：同步及控制芯片通过控制信号输出线与工频脉冲产生装置、电容储能放电脉冲产生装置相连，通过传感器测量焊接电路中的电流。工频电脉冲产生装置、电容储能放电脉冲产生装置的两个输出端并行联接，共同连接与电极两端，工频脉冲产生装置、电容储能放电脉冲产生装置的控制信号来自同步及控制芯片。

所述的同步及控制芯片可以根据参数的设置，实现焊接电流波形的控制，其中焊接电流波形的控制包括：工频脉冲的频率和峰值、电容储能放电脉冲以及工频脉冲、电容放电脉冲的放电开始时间几方面的控制。

所述的复合脉冲点焊系统先进行如下方式设置：

1 在控制总线上设置系统开关时间。

2 设置工频脉冲的波形及周波数，电容储能放电脉冲的波形。

3 设置工频脉冲放电装置、电容储能放电脉冲产生装置开启时间的间隔。

所述的复合脉冲点焊系统通过如下方式进行工作：

1 控制总线上发出焊接开始的信号给同步控制芯片，开始一次焊接过程。

2 电极逐渐压紧待焊接区域，并使电极压力升至设定值并保持一定时间。

3 同步控制芯片先触发工频脉冲产生装置的开关，工频脉冲产生装置按照之前的波形及周波数设定开始工作。

4 同步芯片按照事先设定的时间间隔，在工频脉冲产生装置开启一定时间后开启电容储能放电脉冲产生装置，电容储能放电脉冲产生装置则按事先设定的参数放出高峰值、短放电时间的脉冲电流。

5 在经过一段时间间隔以后减小电极压力，直至电极离开焊接区域，一次焊接结束。

所述的复合脉冲点焊系统继承了点焊自动化、以及焊接参数数字化的优势，并在此基础上根据复合脉冲点焊工艺的需要将技术较为成熟的工频脉冲产生装置、与电容储能放电脉冲产生装置同步整合在一起。因此，所述的复合脉冲电焊系统不仅能分别产生参数可调的工频脉冲和电容放电脉冲，还能将两种脉冲按需要的时间间隔同步到一起。

与现有点焊系统相比，本发明中的复合脉冲电焊系统在实现复合脉冲点焊工艺的同时，独立于发展较为成熟的工频脉冲产生装置和电容储能放电脉冲产生装置，其应用不受具体工频脉冲产生装置和电容储能脉冲产生装置的类型限制；另外，相比于相同峰值的工频脉冲直接进行凝固组织处理，电容储能脉冲引入的能量小，虽然稍减缓凝固速度，但不至于使熔核整体再次发生熔化。而且由于电容储能放电脉冲放电时间短，可以将此脉冲施加于不同的凝固阶段。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的焊机系统框图；

图2是图1所示实施例的焊机工艺图。

具体实施方式

如图1所示，复合脉冲点焊系统的一个较佳实施例包括：同步及控制芯片10、工频脉冲产生装置20，电容储能放电脉冲产生装置30和控制总线40，其中：同步及控制芯片10通过控制信号输出线与工频脉冲产生装置20、电容储能放电脉冲产生装置30相连，通过传感器测量焊接电路中的电流。工频电脉冲产生装置20、电容储能放电脉冲产生装置30的两个输出端并行联接，共同连接于电极两端25、26，工频脉冲产生装置20、电容储能放电脉冲产生装置30的控制信号来自同步及控制芯片10。本实施例中，焊接材料50为两块厚度为0.9mm的65Mn弹簧钢板。

同步及控制芯片10可以根据参数的设置，实现焊接电流波形的控制，其中焊接电流波形的控制包括：工频脉冲的频率和峰值、电容储能放电脉冲以及工频脉冲、电容放电脉冲的放电开始时间几方面的控制。

图2所示为复合脉冲电焊工艺的电流时序，图中，曲线1所示为电极压力，在工艺过程中保持3.2kN，先后通过弹簧钢板的电流依次为：曲线2所示的工频预热电流4kA，持续时间3周波；曲线3所示的工频焊接焊接电流7kA，持续时间6周波；曲线4所示的电容储能放电脉冲峰值电流40kA，放电时间100us，保持无电流5周波；以及，曲线5所示的工频回火电流4kA，持续时间5周波。

在其他实施例中，电容储能放电脉冲放电时间可以为从几十微秒到几百微秒，只要其远小于工频焊接电流一个周波的时间，并且，电容储能放电脉冲电流峰值为从一万安培到十万安培，远大于一般工频焊接数千安培的峰值电流，即可实现本发明的目的。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种复合脉冲点焊系统，包括：同步及控制芯片、工频脉冲产生装置和电容储能放电脉冲产生装置，其中：

同步及控制芯片通过控制信号输出线与工频脉冲产生装置、电容储能放电脉冲产生装置相连，通过传感器测量焊接电路中的电流；工频电脉冲产生装置、电容储能放电脉冲产生装置的两个输出端并行联接，共同连接与电极两端，工频脉冲产生装置、电容储能放电脉冲产生装置的控制信号来自同步及控制芯片；

所述同步及控制芯片可以根据参数的设置，实现焊接电流波形的控制，其中焊接电流波形的控制包括：工频脉冲的频率和峰值、电容储能放电脉冲以及工频脉冲、电容放电脉冲的放电开始时间的控制。

2.一种复合脉冲点焊工艺，采用如权利要求1所述的复合脉冲点焊系统，其特征在于，

首先对所述的复合脉冲点焊系统进行如下方式的设置：

1)在控制总线上设置系统开关时间；

2)设置工频脉冲的波形及周波数，电容储能放电脉冲的波形；

3)设置工频脉冲放电装置、电容储能放电脉冲产生装置开启时间的间隔；

然后所述的复合脉冲点焊系统通过如下步骤进行工作：

步骤一，控制总线上发出焊接开始的信号给同步控制芯片，使一次焊接过程开始；

步骤二，电极逐渐压紧待焊接区域，并使电极压力升至设定值并保持一定时间；

步骤三，同步控制芯片先触发工频脉冲产生装置的开关，工频脉冲产生装置按照之前的波形及周波数设定开始工作；

步骤四，同步芯片按照事先设定的时间间隔，在工频脉冲产生装置开启一定时间后开启电容储能放电脉冲产生装置，电容储能放电脉冲产生装置则按事先设定的参数放出高峰值、短放电时间的脉冲电流；

步骤五，在经过一段时间间隔以后减小电极压力，直至电极离开焊接区域，一次焊接结束。

3.如权利要求2所述的复合脉冲点焊工艺，其特征在于，步骤三中，所述工频脉冲产生装置产生的工频脉冲包括预热、焊接和回火三段周期性电流波形，并且步骤四中，电容储能放电脉冲波形位于焊接电流与回火电流之间的无电流区域，此时焊区熔核正在凝固。

4.如权利要求3所述的复合脉冲点焊工艺，其特征在于，所述工频脉冲的预热、焊接和回火电流的频率为50Hz。

5.如权利要求4所述的复合脉冲点焊工艺，其特征在于，所述的电容储能放电脉冲放电时间的范围为从几十微秒到几百微秒，远小于工频焊接电流一个周波的时间；电容储能放电脉冲电流峰值的范围为从一万安培到十万安培，远大于工频焊接电流峰值电流。

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