CN104384696B - 铝合金板材电阻焊接工艺及焊接设备 - Google Patents

铝合金板材电阻焊接工艺及焊接设备 Download PDF

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Abstract

铝合金板材电阻焊接工艺及焊接设备，属于焊接的技术领域，针对铝合金特殊的焊接工艺及材料焊接特性，为得到更好的焊接强度及焊点表面成型效果，研制开发专用于铝合金焊接设备。焊接时，通过大电流对铝合金焊点进行加热，此时随焊点温度升高，焊接焊点热膨胀作用力作用到焊机加压机构主轴上。此时通过压力传感器检测到铝合金热膨胀反作用力，焊接控制系统通过实时检测动态电阻及压力传感器反馈焊接压力，焊接控制系统在焊接过程中的每一个毫秒内都能对焊接电流、焊接时间进行自动调整，达到比较理想的焊接效果。铝合金板材电阻焊接设备，包括有机体、焊接变压器、上电极组件、下电极组件，伺服加压系统、水冷组件、电控系统等。

Description

铝合金板材电阻焊接工艺及焊接设备
技术领域
本发明属于焊接的技术领域，具体是一种铝合金板材的焊接工艺及焊接设备。
背景技术
用于金属点焊的传统的电阻焊机，为了获得良好的熔核，一般采用检测焊接点的动态电阻的变化量并反馈到控制系统，进而调整焊接电流的大小和时间。但由于铝合金电阻率低，焊接点的动态电阻的变化量很小，采用传统的检测焊接点的动态电阻的变化量作为反馈量的控制方法很难达到良好的焊接效果；同时，由于铝合金的导热、导电率高，特别是相邻焊点的间距较小的情况下在焊接时需要极大的焊接电流且焊接时间要短，避免分流、散热过多。一般传统电阻焊机的控制方法无法满足焊接或满足不了焊接质量及表面成型要求。
发明内容
针对铝合金的焊接工艺，根据铝合金材料焊接特性，为得到更好的焊接强度及焊点表面成型效果，研制开发专用于铝合金焊接设备。
利用电阻焊机对铝合金板材进行焊接，通过压力传感器检测铝合金板材在焊接时产生的热膨胀作用力，然后将压力传感器检测到的力反馈到控制系统，然后控制系统根据力的反馈进行自动调整焊接电流、焊接时间。由于各个检测信号及反馈信号都在千分之一秒钟（毫秒级）内完成，焊机控制系统在2毫秒内完成焊接电流及时间的自动调整，从而达到良好焊接效果。
铝合金焊接设备焊接电源采用中频逆变电源，频率为1000Hz，焊接时间为毫秒级，焊接输出电流为直流，其功率因数可以达到99%。在焊机电极伺服加压机构上安装高精度压力传感器，压力控制精度在±20N。
铝合金焊接工艺与其它材料不同，关键在于主焊接前需要增加一个预热处理，采用较小的电流对焊接工件进行预热，在此过程中检测到其它影响焊接因素，通过控制系统进行对预热时间的长短进行调整。在主焊接之前，焊接控制系统对预热处理后铝合金电阻值与正常电阻值进行对比检测，通过设定起始条件，可减少焊接过程的变化量。
主焊接时，通过大电流对铝合金焊点进行加热，此时随着焊点温度升高，焊接点热膨胀作用力作用到焊机加压机构主轴上。此时通过压力传感器检测到铝合金热膨胀反作用力，焊接控制系统通过实时检测动态电阻及压力传感器反馈焊接压力，焊接控制系统在主焊接过程中的每一个毫秒内都能对焊接电流、焊接时间进行自动调整，达到比较理想的焊接效果。
焊接过程一般都在300毫秒（0.3秒钟）内完成，各个检测都是千分之一秒(1毫秒)内完成。
工艺流程简述：
人工手动定位工件或机械手抓取工件到铝合金专用焊接设备，脚踏焊接按钮启动开关或程序自动启动焊接程序。焊机加压机构得到信号下压，预压一定时间后，焊接控制系统对待焊铝合金板材先进行一个小电流预热，进行电阻检测，预热时间完成后，焊接控制系统开始大电流放电进行焊接，在焊接过程中需要对焊接动态电阻及焊接压力进行实时检测，并将检测结果反馈到焊接控制系统，焊接控制系统根据各个反馈结果进行自动调整焊接电流、焊接时间，直至焊接完成。焊接完成后电极伺服加压机构继续对焊点施压，直至焊点熔核形成然后加压机构复位，一个焊点焊接完成。
铝合金板材电阻焊接设备，包括有机体、焊接变压器、上电极组件、下电极组件，伺服加压系统、水冷组件、电控系统等。
焊机机体主要承载所有零部件支承，由低碳钢板焊接而成，机体焊接完成后还要进行机体整体退火处理，消除焊接应力。
焊接变压器采用硅钢片、整流二极管组装而成，变压器具有功率因数高，功率因数可达99%，焊接规范条件范围大，体积小。
控制器对焊接时间控制精度为1毫秒，毫秒级的控制精度，大大提高焊接质量。控制器可以实现预热、上坡、焊接、下坡、后热等五段加热过程，且每个焊点的焊接时间，焊接电流，焊接电极压力，焊接参数修改时间及其焊接出错记录。
伺服加压系统采用伺服缸，内部安装高精度压力传感器，通过闭环可以实时检测加压力并进行实时反馈。
伺服加压系统安装在焊机机体中心上部，主要作用是对待焊工件进行施压焊接。
水冷组件主要对焊接变压器、控制器及上下电极的冷却，电极的冷却可以提高使用寿命。电控系统通过PLC对整个焊机的各个动作及防护进行控制，通过人机界面可以实现焊接规范的编程。
铝合金板材焊接设备伺服加压系统安装方式：伺服加压系统安装在焊机机体中心上部，伺服加压系统由伺服电机、过渡接头、伺服电机安装板、接头、安装盖板、压力传感器、直线导轨组件、导向主轴、安装座及连接板组成。伺服加压系统的导向机构采用直线导轨，安装方式：安装座上对称安装两个直线导轨，每个直线导轨上安装两个两个滑块。直线导轨的滑块与导向主轴连接，实现导向主轴上下运行导向，伺服电机与伺服电机安装板连接，伺服电机安装板装配在安装板上，伺服电机轴头通过过渡接头与接头连接，利用接头与导向主轴连接，在导向主轴内安装压力传感器。
当伺服电机运转时，电机主轴通过行星丝杆带动导向主轴上下运行，同时直线导轨上滑块一起与导向主轴运行。在焊接工件时通过伺服电机主轴压紧压力传感器，实现焊接时的压力反馈。
附图说明
图1为焊接后的工件；
图2为经拉力机破坏检测后的工件；
图3铝合金板材中频逆变焊接设备，包括图3-1至3-3共三幅，其中图3-1为主视图，图3-2为左视图，图3-3为俯视图，序号如下：
1、伺服加压组件，2、次级导电软铜带，3、上电极组件，4、下电极组件，5、机体，6、脚踏开关，7、中频逆变变压器，8、焊接控制系统，9、压力传感器，10、电极机构导向组件，11、水冷组件；
图4电极伺服加压机构，包括图4-1至4-5共五幅，其中4-1为主视图，图4-2为左视图，图4-3为仰视图，图4-4为图4-1B-B剖视图，图4-5为图4-4C-C剖视图，序号如下：
21、伺服电机，22、过渡接头，23、伺服电机安装板，24、接头，25、安装盖板，26、压力传感器，27、直线导轨组件，28、导向主轴，29、安装座，30、连接板；
图5为压力检测自适应曲线图；
①为参考压力曲线；
②为实际测量的压力曲线；
③为实际测量曲线和参考曲线存在差异；
最终结论：控制系统降低电流、延长焊接时间；
图6为焊接工艺自动调节响应图；
④实际焊接电流曲线:
⑤实际焊接时间曲线;
最终结论:焊接时间自动延长，焊接电流自动增加。
具体实施方式
根据铝合金焊接特性及工艺要求，设计、制作专用于铝合金中频逆变焊接设备。焊机的结构与低碳钢焊接设备基本相同，不同点在于增加实时动态电阻的检测及焊接时热膨胀产生反作用力的压力传感器及高智能化控制系统。
铝合金板材采用汽车行业特殊材料，材料为AA5000-S，板厚分别为：3mm、2.5mm、2mm、1.5mm及1mm。板材在2mm以上的焊点大小为10mm，上下电极采用大直径球面电极，球面半径SR200。
焊接工艺：焊接以3mm+3mm的铝合金板材为例，增加一段预热，预热电流设定为10000安培，时间为100毫秒。焊接时电流48000安培，压力为40000N，焊接时间为160毫秒。由于铝合金的热膨胀系数较高，在焊接时肉眼直接可以观察到因热膨胀引起上电极上升，此时通过焊接时压力反馈及实时检测待焊工件的动态电阻，焊接控制系统自动调整焊接电流及焊接时间，见图6曲线表，铝合金焊接后工件见图1。
以上参数是多次焊接取得的最理想数值，上述参数焊接完成后，利用50000N拉力机进行焊点撕裂检测（达到撕裂效果，焊点不脱落，木材撕裂），撕裂效果见图2。
然后对其它不同厚度工件进行焊接，无论焊接外观及焊接质量均比较美观。和传统焊接技术相比，降低了生产成本，增强工件的生产性，改善连焊接接质量，改善了工艺安全性。
铝合金板材特殊电阻焊接设备，包括有机体5、焊接变压器7、上电极组件3、下电极组件4，伺服加压系统1、水冷组件11、电控系统8。
伺服加压系统安装在焊机机体中心上部，主要作用是对待焊工件进行施压焊接。
伺服加压系统采用伺服缸，内部安装高精度压力传感器，通过闭环可以实时检测加压力并进行实时反馈。
铝合金板材焊接设备伺服加压系统安装方式：伺服加压系统安装在焊机机体中心上部，伺服加压系统由伺服电机21、过渡接头22、伺服电机安装板、接头24、安装盖板25、压力传感器26、直线导轨27组件、导向主轴28、安装座29及连接板30组成。伺服加压系统的导向机构采用直线导轨27，具有防转作用。安装方式：安装座29上对称安装两个直线导轨27，每个直线导轨27上安装两个两个滑块。直线导轨27的滑块与导向主轴28连接，实现导向主轴上下运行导向，同时具有防转作用，若导向部分不增加防转机构，焊接工件时电极会旋转，无法满足焊接要求。伺服电机21与伺服电机安装板23连接，伺服电机安装板23装配在安装板30上，伺服电机轴头通过过渡接头22与接头24连接，然后利用接头24与导向主轴28连接，在导向主轴28内安装压力传感器26。
当伺服电机运转时，电机主轴通过行星丝杆带动导向主轴上下运行，同时直线导轨上滑块一起与导向主轴运行。在焊接工件时通过伺服电机主轴压紧压力传感器，实现焊接时的压力反馈。
焊机电极位置的位移量通过伺服系统可实现较高的精度，可以实现额定推力内压力大小的调整，压力大小的可以通过调整伺服机构的电压进行，其压力控制精度可以达到5％以内。另外通过压力传感器行成闭环控制系统，压力控制精度可以达到1％，可以完全满足焊接的使用要求。根据焊接工件特点可以满足焊接时的动态要求，当上下电极修磨后高度降低，通过控制系统设定可以自动补偿两者的修磨量。

Claims (5)

1.一种铝合金板材电阻焊接工艺，其特征是焊接前需要增加一个预热处理，采用较小的电流对焊接工件进行预热，在此过程中检测到影响焊接因素，通过焊接控制系统对预热时间的长短进行调整，在主焊接之前，焊接控制系统对预热处理后铝合金电阻值与正常电阻值进行对比检测；
主焊接时，通过大电流对铝合金焊点进行加热，此时随着焊点温度升高，焊接焊点热膨胀作用力作用到焊机加压机构主轴上，此时通过压力传感器检测到铝合金热膨胀反作用力，焊接控制系统通过实时检测动态电阻及压力传感器反馈焊接压力，焊接控制系统在焊接过程中的每一个毫秒内都能对焊接电流、焊接时间进行自动调整。
2.根据权利要求1所述的铝合金板材电阻焊接工艺，其特征是焊接过程在300毫秒内完成，各个检测都是在千分之一秒内完成。
3.根据权利要求1所述的铝合金板材电阻焊接工艺，其特征是铝合金板材，材料为AA5000-S，板厚分别为：3mm、2.5mm、2mm、1.5mm或1mm。
4.根据权利要求1所述的铝合金板材电阻焊接工艺，其特征是：焊接铝合金板材，预热电流设定为10000安培，时间为100毫秒，焊接时电流48000安培，压力为40000N，焊接时间为160毫秒。
5.一种铝合金板材电阻焊接设备，包括有机体（5）、焊接变压器（7）、上电极组件（3）、下电极组件（4）、水冷组件（11）、电控系统（8），其特征是还包括有伺服加压系统（1），伺服加压系统（1）安装在机体（5）中心上部，伺服加压系统由伺服电机（21）、过渡接头（22）、伺服电机安装板（23）、接头（24）、安装盖板（25）、压力传感器（26）、直线导轨组件、导向主轴（28）、安装座（29）及连接板（30）组成，伺服加压系统的导向机构采用直线导轨（27），安装方式为，安装座（29）上对称安装两个直线导轨（27），每个直线导轨（27）上安装两个滑块，直线导轨（27）的滑块与导向主轴（28）连接，实现导向主轴（28）上下运行导向，伺服电机（21）与伺服电机安装板（23）连接，伺服电机安装板（23）装配在安装座（29）上，伺服电机（21）轴头通过过渡接头（22）与接头（24）连接，利用接头（24）与导向主轴（28）连接，在导向主轴（28）内安装压力传感器（26）。
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