CN103993312A - 旋转体表面电火花熔敷改性工艺及装置 - Google Patents

Abstract

一种旋转体表面电火花熔敷改性工艺及装置，其特征在于：将工件放置在旋转工作台上，对工件做电火花表面熔敷，熔敷层在结晶过程中对工件施加超声振动。所述的工件为点焊电极。其装置的组合换能器与旋转式工作台驱动装置连接为一体，被加工工件放置在组合换能器上。旋转体（点焊电极）表面熔敷层在电火花和超声波共同作用下完成，可以达到细化涂层晶粒以及防止点焊涂层电极热影响区晶粒粗大等问题。可以改善传统点焊电极电火花熔敷工艺所不能克服的问题，进而使涂层的晶粒细化、涂层的缺陷降低、涂层与基体的结合力提高，从而使电极表面涂层性能得以改善，最终实现点焊电极寿命的大幅提高。本发明具有操作简单、成本低、适用性强，噪音低等优点。

Description

旋转体表面电火花熔敷改性工艺及装置

技术领域

本发明涉及一种旋转体表面电火花熔敷改性工艺及装置，特别是点焊电极电火花表面熔敷装置及工艺的改造技术。 

背景技术

随着汽车工业的飞速发展和人们都环境要求的提高，镀层（镀锌、镀铝）钢板和铝板在汽车上的应用越来越多；电阻点焊是现代汽车制造工业中最重要的工艺方法，它具有生产效率高、焊接成本低。易于实现自动化而被广泛应用于机械制造和汽车生产中。点焊电极是点焊过程中的主要消耗件，在点焊过程中电极的主要功能是传输电流、加压和散热。由于电极与工件接触时的温度较高，而且点焊电极自身具有一定的电阻，在点焊电流的作用下也会产生电阻热，因此点焊电极头部的温升很快，达到了稍低于焊点熔核的高温，使电极头部在高温和高压的共同作用下产生失效（点焊铝合金板时尤为突出）。为了提高点焊电极的使用寿命，国内外学者开展了大量研究工作。研究结果表明，提高电极寿命的主要途径包括开发点焊电极材料及对现有电极头部进行表面处理，其中对点焊电极表面处理最具潜力。由于点焊过程中电极受到力、热及冶金作用的部位主要在电极头部的表面，故对电极头部表面处理是提高电极使用寿命最经济、最有效的途径。目前，通过点焊电极表面改性提高点焊电极寿命的研究主要包括： 

1.       电刷镀Co：此工艺通过在点焊电极端面电刷镀金属材料Co，使用刷镀Co后的点焊电极改善点焊镀锌钢板时的焊接工艺。此工艺的实验结果表明，在电极端面电刷镀钴可以改善镀锌钢板的点焊工艺性能；刷镀层厚度不同镀锌钢板点焊工艺性能改善程度不同，在一定刷镀层厚度范围内，厚度越厚，改善程度越大；刷镀层与电极基体间有足够的结合强度；刷镀层一定程度上阻止了镀锌钢板点焊过程中铜锌合金层的形成。点焊电极电刷镀钴后，虽然对点焊镀锌钢板工艺有所改善，但是该工艺对电刷镀液配置有严格的限制，并且具有一定的污染，因此工业化应用还鲜见报道。

2.       表面渗钛：该工艺采用普通化学热处理的方法向铜电极表面渗入钛，实验结果揭示，采用表面化学人处理的方法，在电极表面渗入钛能使电极表面硬度提高，使得电极的抗变形能力增强。渗入的钛与铜的相互作用使电极表面的耐磨性与热稳定提高，减弱了铜与锌之间的相互作用。避免和减少了铜锌合金层的产生，对电极寿命有一定的延长。虽然，通过化学热处理方法向点焊电极表面渗钛能提高点焊电极寿命，但是渗钛后点焊电极的寿命提高很有限，提高幅度大致为未处理电极寿命的1倍左右。 

3.       离子注入钨：该工艺在真空条件下，将注入的原子电离成离子，由引出系统引出离子束流，使带电离子在电场下加速，直接注入到靶室中的固体材料表面，形成一定厚度的离子注入层，进而改变表层的结构和组分，以获得新性能的表面表面处理工艺。经实验室验证，点焊电极经离子后，电极抗氧化能力显著提高，焊接过程重点烧损与飞溅也有所减少；电极的机械性能也有所提高，表现在抗疲劳性能增强，电极直径增减减缓，电极寿命由未交工前的600点提高到800点。虽然离子注入钨，对点焊电极的机械性能、抗氧化性，以及寿命都有所改善，但是电极寿命的提高幅度相当有限。不仅如此，离子注钨工艺相对复杂，且设备投入也交大。 

4.       电火花表面沉积。电火花沉积(Electro Spark Deposition)是一种低应力、低变形的表面强化工艺。从表面处理技术角度定义电火花，通过电火花放电，把作为电极的导电材料熔渗进金属基体的表层，与母材形成冶金结合，使基体表面的物理化学和力学性能得到改善的一种表面处理技术。从微弧焊技术角度定义电火花，利用电容放电产生的短时大电流脉冲，形成温度高达5000~25000k的高温等离子弧，将电极材料熔化或气化，并过渡到工件上的一种脉冲电弧微焊接技术。由于电火花工艺所独具的特点，使其在材料表面改性方面得到了广泛应用，这其中也包括点焊电极电火花表面沉积。点焊电极电火花表面沉积中较为成功的研究包括，点焊电极表面电火花原位熔敷TiC、TiB2、TiB2-TiC，并且上述成果也开始应用于汽车车身的点焊连接。虽然，点焊电极电火花表面熔敷在工艺及工业应用上取得了显著成果，但是也存在某些不足。例如，沉积过程中局部高温，使得被加工电极涂层以下部分区域晶粒粗大（如图所示）。涂层在提高电极寿命方面效果较为明显，但是由于基本部分区域晶粒变大，使得涂层的优势难以充分发挥，进而限制了涂层电极寿命的大幅提高。 

根据相关研究报道，超声波在铸造、焊接领域对铸件以及焊接结构的性能提高有很大的帮助。其原理是，超声产生的空化效应和声流效应,对铸件、焊接熔池，以及热影响区晶粒细化起到了很好的促进作用。中国发明专利（CN 102019531 A 便携式超声辅助电火花沉积修复与抛光一体化装置及工艺，专利号CN201010525967.3）提供了一种超声辅助的技术方案，但是超声波加载在放电电极上，超声波只对电火花的产生和熔敷过渡有作用，对加工工件表面的熔敷层作用很小，因此专利（CN 102019531 A）对改善电火花熔覆层的作用效果不明显。 

发明内容： 

本发明目的在于，本发明的目的在于提供一种旋转体表面电火花熔敷改性工艺及装置，使得涂层点焊电极性能得以提高，进而大幅提高其使用寿命。

本发明的技术方案：一种旋转体表面电火花熔敷改性工艺，其特征在于：将工件放置在旋转工作台上，对工件做电火花表面熔敷，熔敷层在结晶过程中对工件施加超声振动，熔敷层的结晶是在超声波振动下完成的。 

如上所述的旋转体表面电火花熔敷改性工艺，其特征在于：所述的工件为点焊电极。 

旋转体表面电火花熔敷改性装置，包括振动器、电火花电源、组合换能器及工作台驱动装置、超声波发生器，超声波发生器与组合换能器电连接，其特征在于：组合换能器与旋转式工作台驱动装置连接为一体，被加工工件放置在组合换能器上。 

如上所述的旋转体表面电火花熔敷改性装置，其特征在于：所述工件为点焊电极 

如上所述的旋转体表面电火花熔敷改性装置，其特征在于：

电火花电源A包括：电火花电源正极1、电火花电源负极2；

振动器B包括：振动片3、放电电极紧固螺钉4、放电电极5、偏心轮6、手柄7、绝缘电木8；软轴9；小功率电机10；

组合换能器Ⅰ包括：被涂覆工件；工作台负极12、组合换能器输入端负极13、组合换能器输入端正极14、换能器外壳19、变幅杆20、换能器21、平带轮22、滚珠轴承23、三爪卡盘24、钻夹头25；

工作台驱动装置Ⅱ包括；工作台驱动电机15；三角传动带16；

超声波发生器D包括：超声波输出端负极17、超声波输出端正极18；

电火花电源正极1与振动片3连接，电火花电源负极2与工作台负极12相连，放电电极5通过放电电极紧固螺钉4固定于振动片3上，手柄7通过软轴9与小功率电机10连接，小功率电机10通过软轴9驱动手柄7带动偏心轮6旋转，实现振动熔敷；超声波输出端负极17与组合换能器输入端负极13相连、超声波输出端正极18与组合换能器输入端正极14连接；在驱动电机15驱动下，旋转平台通过皮带轮22、三角传动带16带动旋转；换能器21与组合换能器输入端负极13、组合换能器输入端正极14连接；变幅杆20与换能器21连接且作为旋转工作平台的旋转轴；钻夹头25通过三爪卡盘24固定于旋转平台；被涂覆点焊电极11通过钻夹头25夹持进行超声波辅助电火花沉积。

上述振动器作为电火花放电时的正极与电火花电源通过导线连接，放电电极通过放电电极紧固螺钉紧固于振动片，电火花电源负极与工作台负极通过导线连接，振动熔敷在小功率电机、软轴、手柄以及偏心轮的协同作用完成。 

上述超声波输出端正极、超声波输出端负极通过导线分别与组合换能器输入端正极、组合换能器输入端负极连接。 

上述变幅杆与换能器通过轴承进行连接，且变幅杆作为旋转工作平台的旋转轴带动三爪卡盘、钻夹头进行旋转。 

上述换能器通过换能器外壳进行封装，且外壳采用绝缘材料。 

上述三爪卡盘通过螺钉规定与旋转轴上，钻夹头固定于三爪卡盘之上，被涂覆点焊电极通过钻夹头夹持，并与钻夹头一起旋转进行超声波辅助电火花沉积加工。 

本发明旋转体表面电火花熔敷改性装置的加工工艺，包括以下步骤。 

1）根据预获得涂层成分选择合适的放电电极材料，并正确装夹。 

2) 开启电源，包括电火花沉积电源、超声波电源、传功装置电源、振动器电源，并调节相关参数，主要包括振动器振动频率，传动装置转速，超声波功率等。超声波辅助电火花点焊电极表面沉积过程中，将放电电极与被沉积点焊电极略微接触，并左右移动。点焊电极电火花表面沉积时间，根据沉积材料有所区别，原则上待涂层均匀分布于点焊电极表面，没有基体外露为宜，且在沉积过程中应避免沉积时间过长而到导致被沉积点焊电极产生退火软化。 

3）待沉积结束后，关闭转动加工平台电源，取下涂层电极。根据需要，可以在取下涂层电极后，再装夹未沉积的点焊电极进行未沉积点焊电极的表面沉积工作。 

4）在点焊电极表面沉积完成以后，若无需对未沉积点焊电极进行加工，需切断设备所有电源开关。 

本发明由于采用超声辅助电火花熔敷工艺，与传统电火花振动熔敷工艺，及专利（CN 102019531 A）相比，具有如下特点； 

1）在本发明中超声波直接作用在被熔敷工件上，涂层在超声波作用下结晶，而专利（CN 102019531 A）超声波作用在放电电极上，因此超声波作用于涂层的效果会有明显的不同。将超声波直接作用于工件这是本发明特色与创新之处，因为只有在本发明的情况下，超声波才能作用于熔敷层的结晶过程，从而使熔敷层的晶粒细化和提高熔敷层与基体的结合强度。

2）在本发明中超声波直接作用在被熔敷工件上，超声波对电火花涂层与基体之间的热影响区也有作用，能减少电火花涂层与基体之间的热影响区的大小，而专利（CN 102019531 A）超声波作用在放电电极上对电火花涂层与基体之间的热影响区没有作用。 

本发明旋转体表面电火花熔敷改性装置综合了电火花沉积与超声波材料改性方面的优点，具有可实现性强、适用性高、成本低，操作简单等方面优点。 

附图说明

图1为发明装置的原理示意图； 

图2为旋转工作台结构简图；

图3不同沉积工艺涂层电极金相对比图；a.没有超声波辅助 b.有超声波辅助；

图4 不同沉积工艺涂层电极显微硬度对比；

图5 采用专利（CN 102019531 A）原理所得到涂层电极金相。

A.电火花电源、B.振动器、C. 组合换能器及工作台驱动装置、D.超声波发生器、1.电火花电源正极、2.电火花电源负极、3.振动片、4.放电电极紧固螺钉、5.放电电极、6.偏心轮、7.手柄、8.绝缘电木、9.软轴、10.小功率电机、11.被涂覆点焊电极、12.工作台负极、13. 组合换能器输入端负极、14. 组合换能器输入端正极、15.工作台驱动电机、16.三角传动带、17.超声波发生器输出端负极、18.超声波发生器输出端正极、19.换能器外壳、20.变幅杆、21.换能器、22.平带轮、滚23.珠轴承、24.三爪卡盘、25.钻夹头 

具体实施方式

实施例： 

本发明实施例的结构示意图如1、2所示，一种旋转体表面电火花熔敷改性装置，主要构件包括电火花电源A（包括：电火花电源正极1、电火花电源负极2；

振动器B（包括：振动片3、放电电极紧固螺钉4、放电电极5、偏心轮6、手柄7、绝缘电木8）；软轴9）；小功率电机10；

组合换能器及工作台驱动装置C（组合换能器Ⅰ包括：被涂覆点焊电极11；工作台负极12、组合换能器输入端负极13、组合换能器输入端正极14、换能器外壳19、变幅杆20、换能器21、平带轮22、滚珠轴承23、三爪卡盘24、钻夹头25；工作台驱动装置Ⅱ包括；工作台驱动电机15；三角传动带16）；

超声波发生器D（包括：超声波输出端负极17、超声波输出端正极18）。

电火花电源正极1与振动片3连接，电火花电源负极2与工作台负极12相连，放电电极5通过放电电极紧固螺钉4固定于振动片3上，手柄7通过软轴9与小功率电机10连接，小功率电机10通过软轴9驱动手柄7带动偏心轮6旋转，实现振动熔敷；超声波输出端负极17与组合换能器输入端负极13相连、超声波输出端正极18与组合换能器输入端正极14连接；在驱动电机15驱动下，旋转平台通过皮带轮22、三角传动带16带动旋转；换能器21与组合换能器输入端负极13、组合换能器输入端正极14连接；变幅杆20与换能器21连接且作为旋转工作平台的旋转轴；钻夹头25通过三爪卡盘24固定于旋转平台；被涂覆点焊电极11通过钻夹头25夹持进行超声波辅助电火花沉积。 

本实例中，上述振动器B作为电火花放电时的正极与电火花电源通过导线连接（振动片3与电火花元电源正极1连接），放电电极5通过放电电极紧固螺钉4紧固于振动片3，电火花电源负极2与工作台负极12通过导线连接，振动熔敷在小功率电机10、软轴9、手柄7以及偏心轮6的协同作用完成 

本实例中，上述超声波输出端正极18、超声波输出端负极17通过导线分别与组合换能器输入端正极14、组合换能器输入端负极13连接。

本实例中，上述变幅杆20与换能器21通过轴承进行连接，且变幅杆20作为旋转工作平台的旋转轴带动三爪卡盘24、钻夹头25进行旋转。 

本实例中，上述换能器21通过换能器外壳10进行封装，且外壳采用绝缘材料。 

本实例中，上述三爪卡盘24通过螺钉规定与旋转轴上，钻夹头25固定于三爪卡盘24之上，被涂覆点焊电极11通过钻夹头25夹持，并与钻夹头一起旋转进行超声波辅助电火花沉积加工。 

本发明旋转体表面电火花熔敷改性装置的加工工艺，包括以下步骤。 

1）根据预获得涂层成分选择合适的放电电极材料，并正确装夹。 

2) 开启电源，包括电火花沉积电源、超声波电源、传功装置电源、振动器电源，并调节相关参数，主要包括振动器振动频率，传动装置转速，超声波功率等。超声波辅助电火花点焊电极表面沉积过程中，将放电电极与被沉积点焊电极略微接触，并左右移动。点焊电极电火花表面沉积时间，根据沉积材料有所区别，原则上待涂层均匀分布于点焊电极表面，没有基体外露为宜，且在沉积过程中应避免沉积时间过长而到导致被沉积点焊电极产生退火软化。 

3）待沉积结束后，关闭转动加工平台电源，取下涂层电极。根据需要，可以在取下涂层电极后，再装夹未沉积的点焊电极进行未沉积点焊电极的表面沉积工作。 

4）在点焊电极表面沉积完成以后，若无需对未沉积点焊电极进行加工，需切断所有开关。 

本实施例中。超声波功率为70W，超声频率为50kHz，振动器频率1kHz，旋转工作平台转速700n/min,电火花沉积材料为TiC，电火花沉积电压为7v，沉积时间为2min。对比实验试样，除未使用超声波辅助电火花熔敷沉积以外，其他电火花沉积参数完全一致。通过检测发现，使用超声波辅助电火花沉积得到的涂层和未使用超声波辅助电火花沉积得到的涂层性能相比：使用超声波辅助电火花沉积得到的涂层的硬度有较大的提高，涂层的缺陷有较大的降低、涂层与基体的结合力提高。使用超声波辅助电火花沉积得到的TiC涂层电极寿命为800点，而未使用超声波辅助电火花沉积得到的TiC涂层电极寿命仅为500点。两工艺下获得的涂层电极金相如图3所示。从图3b中可以发现，使用超声波辅助电火花沉积工艺所得沉积TiC涂层涂层缺陷较少，涂层下面的热影响区晶粒尺寸和区域都明显较未使用超声波辅助电火花沉积（图3a）工艺小。图4为不同沉积工艺涂层电极涂层下基体显微硬度分布对比，从图4中可以发现，使用超声辅助工艺沉积涂层电极基体硬度（圆点线）较为均为，热影响区的区域并不明显，而未使用超声辅助工艺沉积涂层电极基体硬度（方点线）有明显的硬度下降区域（该区域就是热影响区）。可以认为，在超声波辅助电火花沉积作用下（将超声波加载在工件上），涂层电极热影响区基体晶粒生长受到超声波振动作用，使得具有热影响区特征的枝晶碎断，进而避免了大晶粒热影响区的出现。 

图5是采用专利（CN 102019531 A）的工艺原理（将超声波加载在放电电极上）得到的涂层电极的金相照片，其超声波功率为70W，超声频率为50kHz，将超声加载在放电电极上，电火花放电电极材料为TiC，振动器频率1kHz，旋转工作平台转速700n/min,，电火花沉积电压为7v，沉积时间为2min，从图5可以发现，和没有超声波辅助电火花沉积工艺得到的涂层相比（图3a），将超声波加载在放电电极上辅助电火花沉积得到的涂层的缺陷并没有降低、涂层下面的热影响区晶粒尺寸和区域都较未使用超声波辅助电火花沉积工艺差不多。通过实验发现将超声波加载在放电电极上辅助电火花沉积得到的TiC涂层电极寿命为500点，而未使用超声波辅助电火花沉积得到的TiC涂层电极寿命基本一样。 

本发明方法通过超声波辅助电火花沉积工艺，使得传统电火花沉积工艺下涂层电极基体晶粒更为细化，减少了因为热影响区作用导致涂层电极机械性能降低的可能。因此，本发明能有效改善传统点焊电极沉积所难以克服的问题。不仅如此，本发明设备陈本低，操作简单，本发明除应用于点焊电极表面沉积以外还可以用于旋转体表面电火花改性处理，具有广阔的适用空间。 

本发明专利的保护范围并不限于上述实施例，凡是不背离本发明构思的改变或等同替代均包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (5)

1.一种旋转体表面电火花熔敷改性工艺，其特征在于：将工件放置在旋转工作台上，对工件做电火花表面熔敷，熔敷层在结晶过程中对工件施加超声振动，熔敷层的结晶是在超声波振动下完成的。

2.如权利要求1所述的旋转体表面电火花熔敷改性工艺，其特征在于：所述的工件为点焊电极。

3.旋转体表面电火花熔敷改性装置，包括振动器、电火花电源、组合换能器及工作台驱动装置、超声波发生器，超声波发生器与组合换能器电连接，其特征在于：组合换能器与旋转式工作台驱动装置连接为一体，被加工工件放置在组合换能器上。

4.如权利要求3所述的旋转体表面电火花熔敷改性装置，其特征在于：所述工件为点焊电极。

5.如权利要求3或4所述的旋转体表面电火花熔敷改性装置，其特征在于：

电火花电源（A）包括：电火花电源正极（1）、电火花电源负极（2）；

振动器（B）包括：振动片（3）、放电电极紧固螺钉（4）、放电电极（5）、偏心轮（6）、手柄（7）、绝缘电木（8）；软轴（9）；小功率电机（10）；

组合换能器（Ⅰ）包括：被涂覆工件；工作台负极（12）、组合换能器输入端负极（13）、组合换能器输入端正极（14）、换能器外壳（19）、变幅杆（20）、换能器（21）、平带轮（22）、滚珠轴承（23）、三爪卡盘（24）、钻夹头（25）；

工作台驱动装置（Ⅱ）包括；工作台驱动电机（15）；三角传动带（16）；

超声波发生器（D）包括：超声波输出端负极（17）、超声波输出端正极（18）；

电火花电源正极（1）与振动片（3）连接，电火花电源负极（2）与工作台负极（12）相连，放电电极（5）通过放电电极紧固螺钉（4）固定于振动片（3）上，手柄（7）通过软轴（9）与小功率电机（10）连接，小功率电机（10）通过软轴（9）驱动手柄（7）带动偏心轮（6）旋转，实现振动熔敷；超声波输出端负极（17）与组合换能器输入端负极（13）相连、超声波输出端正极（18）与组合换能器输入端正极（14）连接；在驱动电机（15）驱动下，旋转平台通过皮带轮（22）、三角传动带（16）带动旋转；换能器（21）与组合换能器输入端负极（13）、组合换能器输入端正极（14）连接；变幅杆（20）与换能器（21）连接且作为旋转工作平台的旋转轴；钻夹头（25）通过三爪卡盘（24）固定于旋转平台；被涂覆点焊电极（11）通过钻夹头（25）夹持进行超声波辅助电火花沉积。