CN104708215A - 同轴式超声电阻耦合焊接装置与焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同轴式超声电阻耦合焊接装置与焊接方法，该焊接装置包括上超声声极和同轴套设在其外部的上环形电极、下超声声极和同轴套设在其外部的下环形电极；上超声声极和/或下超声声极连接第一伺服加压装置，上环形电极和/或下环形电极连接第二伺服加压装置；该焊接方法包括预压阶段、电致塑性诱导固相连接阶段、熔核形成阶段以及超声振动冷却结晶阶段。本发明可以保证超声振动与电阻生热同时作用于焊点处，将超声波焊接与电阻点焊工艺有效耦合在一起，引入超声空化的清理效应，并使金属在焊接过程中产生电致塑性效应和高频超声细晶作用，从而可以高效率、高质量、低能耗的焊接有色金属以及高强钢等典型难焊金属材料。

Description

同轴式超声电阻耦合焊接装置与焊接方法

技术领域

本发明涉及一种压力焊接技术领域，具体的说，是涉及电阻点焊与超声波点焊交叉的焊接技术。

背景技术

电阻点焊是一种广泛应用于薄板结构连接的焊接工艺方法，常在汽车工业、航空航天以及电子器件等领域中应用。由于其工艺特点，电阻点焊适合连接电阻值较大的碳钢、不锈钢等黑色金属材料。但是采用电阻点焊连接铝合金、镁合金等有色轻金属时，由于工件存在氧化膜以及电阻率小等特性，焊接时功耗大、易产生缺陷，难以保证连接质量。

超声波点焊是一种利用工件做超声频率的相对振动，从而达到连接的焊接工艺；其工艺特点适合连接铝合金镁合金等有色轻金属。然而，由于其实现连接需要靠工件界面处发生剧烈的塑性变形，超声波点焊在连接碳钢、不锈钢以及高强钢等硬度较高的材料时存在较大困难。同时，由于超声换能器能量阈值的限制，被连接的工件厚度也有较大限制。此外，采用超声波焊接工艺连接金属材料的时候，需要一工件相对另一工件做相对运动，因此对被连接工件的大小也有较大限制。一般超声波点焊应用于电子器件中的箔材连接，不能应用于一定尺寸以上的结构材料连接。

有关研究表明，当对正在发生塑性变形的金属材料施加一定临界值以上的直流或脉冲电流时，会出现材料的变形抗力突然降低的现象，称为金属的电致塑性效应。由于电阻点焊时工件局部会通过高密度的电流，因此满足金属出现电致塑性效应需要的条件。

此外对凝固中的金属施加超声波振动，由于金属枝晶被破碎，因此会使凝固后的微观组织晶粒细化，称为超声细晶作用。

将超声波点焊与电阻点焊方式相结合，可以起到相互补充、相互促进的效果。现有将超声波与电阻点焊复合的工艺是将超声振动直接加载在电阻点焊的电极上，其应用领域和焊接效果极为有限。这是因为在超声波焊接工艺中，要求声极的声阻较小使超声振动的能量能有效的传递至工件处，而现有超声电阻复合焊接工艺使超声振动的能量将消耗在声阻较大的电极上，不能有效的将超声振动能量传递至焊点处，因此对被焊工件的材质与厚度有较大的限制，同时焊接质量的提升效果有限。

综上所述，有必要开发一种能够高效率的将超声振动与电阻生热耦合在一起，并同时使超声振动能量与电阻产热同时作用于焊点处的焊接技术。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于如何使超声振动能量与电阻产热有效的耦合作用于焊点处，从而实现对有色金属以及高强钢等典型难焊金属材料的高效焊接，提供一种同轴式超声电阻耦合焊接装置与焊接方法，可以保证超声振动与电阻生热同时作用于焊点处，将超声波焊接与电阻点焊工艺有效耦合在一起，引入超声空化的清理效应，并使金属在焊接过程中产生电致塑性效应和高频超声细晶作用，扩展了焊接对象，减小了焊点缺陷，提高了接头质量，节省了能量消耗，从而可以高效率、高质量、低能耗的焊接有色金属以及高强钢等典型难焊金属材料。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：

一种同轴式超声电阻耦合焊接装置，包括位于被焊工件上方的上超声声极、同轴套设在所述上超声声极外部的上环形电极、位于被焊工件下方的下超声声极、同轴套设在所述下超声声极外部的下环形电极，所述上超声声极和所述下超声声极同轴设置；所述上超声声极和所述上环形电极间隙配合并以润滑脂填充其间隙，所述下超声声极和所述下环形电极间隙配合并以润滑脂填充其间隙；

所述上超声声极和/或所述下超声声极连接有第一伺服加压装置，所述上环形电极和/或所述下环形电极连接有第二伺服加压装置；

所述上超声声极和/或所述下超声声极连接于超声发生器及换能器；

所述上环形电极和所述下环形电极连接于电源。

其中，所述上超声声极、所述下超声声极的端面设置有微齿或花纹。

其中，所述上环形电极、所述下环形电极为平面电极或弧面电极。

其中，所述电源包括直流电源和脉冲电源。

一种利用同轴式超声电阻耦合焊接装置的焊接方法，包括如下步骤：

(1)预压阶段：

所述上超声声极和/或所述下超声声极在所述第一伺服加压装置的控制下对被焊工件施加第一压力，使被焊工件的被连接区域紧密贴合；

开启所述超声发生器及换能器，使所述上超声声极和/或所述下超声声极做超声振动；

(2)电致塑性诱导固相连接阶段：

所述上环形电极和/或所述下环形电极在所述第二伺服加压装置的控制下对被焊工件施加第二压力，使其与被焊工件紧密贴合；

所述第一压力大于所述第二压力，使被焊工件产生在所述上超声声极和所述下超声声极投影下的界面紧密贴合、而在所述上环形电极和所述下环形电极投影下的环状区域分离的微翘曲；

所述电源输出脉冲电流50ms～200ms，使被焊工件产生固相连接；

(3)熔核形成阶段：

将所述电源输出的脉冲电流改为直流电流，通电时间100ms～600ms，被焊工件的被连接区域形成熔核；

(4)超声振动冷却结晶阶段：

所述电源停止输出直流电流，继续保持所述第一压力和所述第二压力并保持所述上超声声极和/或所述下超声声极的超声振动50ms～200ms，被焊工件形成冶金连接。

一种利用同轴式超声电阻耦合焊接装置的焊接方法，包括如下步骤：

(1)预压阶段：

所述上超声声极和/或所述下超声声极在所述第一伺服加压装置的控制下对被焊工件施加第一压力，使被焊工件的被连接区域紧密贴合；

开启所述超声发生器及换能器，使所述上超声声极和/或所述下超声声极做超声振动；

(2)电致塑性诱导固相连接阶段：

所述上环形电极和/或所述下环形电极在所述第二伺服加压装置的控制下对被焊工件施加第二压力，使其与被焊工件紧密贴合；

所述第一压力大于所述第二压力，使被焊工件产生在所述上超声声极和所述下超声声极投影下的界面紧密贴合、而在所述上环形电极和所述下环形电极投影下的环状区域分离的微翘曲；

所述电源输出脉冲电流50ms～200ms，使被焊工件产生固相连接。

本发明的有益效果是：

(一)本发明将超声波点焊的超声声极与电阻点焊的环形电极同轴设置，并且在焊接过程中对超声声极和环形电极施以不同的压力以使被焊工件产生特定的微翘曲，从而保证超声振动的能量与电阻产生的热量同时作用于焊点处，在此基础上开启超声振动、脉冲电流、直流电流，直至停止电流后继续超声振动，使被焊工件在焊接过程中产生电致塑性效应和高频超声细晶作用，不仅使高硬度金属能够以超声波焊接的方法进行固相连接，而且还保证熔核金属得到超细晶粒，点焊接头的质量得到强化，进而最终实现对有色金属以及高强钢等典型难焊材料的高效、节能以及无缺陷的焊接。

(二)本发明将两种适应不同应用场合的焊接方法有效的耦合在一起，通过对焊接工艺参数的调节，即可以对不同材质不同厚度的工件组合焊接，因此应用领域较广，尤其适合焊接有色金属以及高强钢等典型难焊金属材料。

(三)本发明的环形电极同轴套设在超声声极外部，环形电极和超声声极分别直接作用于被焊工件；一方面使超声振动能量有效传递至被焊工件处，避免消耗在声阻较大的电极上，减少超声声极的磨损，对声极起到保护作用；另一方面在焊接过程中，电流集中通过被焊工件的焊点，而环形电极与工件贴合面的电流密度较小，从而环形电极在焊接过程中的磨损也较小。

(四)本发明在预压阶段引入超声清理作用，能够有效清除有色轻金属表面的氧化膜或高硬度黑色金属表面的油污和锈迹，因此可以提高焊接质量；此外与含有化学清理、机械清理的焊接工艺相比，焊接效率也更高。

附图说明

图1是本发明所提供的同轴式超声电阻耦合焊接装置的结构示意图；

图2是本发明所提供的同轴式超声电阻耦合焊接方法步骤示意图；

其中，(a)为焊接前的准备状态；(b)为预压阶段；(c)为电致塑性诱导固相连接阶段；(d)为熔核形成阶段；(e)为超声振动冷却结晶阶段；(f)为焊接完成后的状态。

图中：1、上环形电极；2、下环形电极；3、上超声声极；4、下超声声极；5、被焊工件。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及效果，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

实施例1

如图1所示，本实施例公开了一种同轴式超声电阻耦合焊接装置，主要包括上环形电极1、下环形电极2、上超声声极3、下超声声极4、第一伺服加压装置、第二伺服加压装置、电源、超声发生器及换能器。

上超声声极3和下超声声极4均为圆柱体结构，直径均为6mm，高度均为20mm。上超声声极3位于被焊工件5上方，下超声声极4位于被焊工件5下方，上超声声极3和下超声声极4上下同轴设置。根据焊接材料不同，上超声声极3和下超声声极4的端面可以为平面，也可以设置有微齿或花纹，以确保有效传递超声能量。上超声声极3和下超声声极4可做垂直于被焊工件5表面的超声频率振动、沿着自身轴线的超声扭转运动或平行于工件表面的平动。

上环形电极1和下环形电极2均为圆环体结构，外径均为20mm，内径均为8mm，高度均为15mm。上环形电极1位于被焊工件5上方，并同轴地套设在上超声声极3外部；下环形电极2位于被焊工件5下方，并同轴地套设在下超声声极4外部；可见上环形电极1和下环形电极2也是上下同轴设置的。上环形电极1与上超声声极3、下环形电极2与下超声声极4同轴设置，可以有效的将超声振动的能量与电阻产生的热量同时作用于焊点处，为焊接工艺中引入电致塑性效应和高频超声细晶作用打下重要基础。

上环形电极1和下环形电极2均可选用平面电极或弧面电极，即与工件接触的形式为平面接触和弧面接触；其中平面接触的压痕较浅，弧面接触的电流密度分布更均匀，可根据具体工况要求进行选择。

上超声声极3和上环形电极1为间隙配合，并以润滑脂填充其间隙；下超声声极4和下环形电极2为间隙配合，并以润滑脂填充其间隙。这是为了上超声声极3和上环形电极1、下超声声极4和下环形电极2之间的相对运动更加顺畅。

第一伺服加压装置、第二伺服加压装置均为压力焊领域常见的以伺服电机提供加压力矩的装置。第一伺服加压装置单独控制上超声声极3加压，下超声声极4固定；第二伺服加压装置单独控制上环形电极1加压，下环形电极2固定。

超声发生器及换能器分别连接上超声声极3和下超声声极4。超声发生器及换能器为超声波点焊领域常用的发生器及换能器，通过声学系统产生谐振，将超声振动能量通过上超声声极3和下超声声极4传递到被焊工件5。

电源分别连接上环形电极1和下环形电极2。电源包括直流电源和脉冲电源，根据焊接时的具体工序切换使用。

如图2所示，利用上述同轴式超声电阻耦合焊接装置进行焊接的方法，其具体操作步骤如下：

被焊工件5为两张DP980板材，厚度均为2mm。

如图2(a)所示，将被焊工件5装夹在下超声声极4与下环形电极2之上。

(1)预压阶段：

如图2(b)所示，上超声声极3在第一伺服加压装置的控制下接触被焊工件5后，对被焊工件5施加第一压力(5kN)，使被焊工件5的被连接区域紧密贴合；

保持第一压力(5kN)，开启超声发生器及换能器，使上超声声极3和下超声声极4产生超声振动，超声振动频率为25kHz，超声振幅为15μm；

此阶段，对于铝合金、镁合金等有色金属，在超声清理的作用下其表面氧化可以被有效去除；而对于高强钢等高硬度黑色金属，可起到清理表面油污和锈迹的作用。

(2)电致塑性诱导固相连接阶段：

保持上超声声极3和下超声声极4的超声振动，上环形电极1在第二伺服加压装置的控制下向被焊工件5移动直至与其贴合，然后对被焊工件5施加第二压力(1kN)；

控制上超声声极3所提供的第一压力大于上环形电极1所提供的第二压力，被焊工件5将产生微翘曲，导致其在上超声声极3投影下的界面紧密贴合、而在上环形电极1投影下的环状区域分离，从而使得后续通电时，电流只会从在上超声声极3投影下的被焊工件5部分通过。此时由于被焊工件5在上环状电极1投影下的面积大于其在上超声声极3投影下的面积，因此上环状电极1和下环状电极2与被焊工件5贴合面的电流密度小于焊点电流密度，从而保证上环状电极1和下环状电极2的磨损较小。

此时开启连接上环形电极1和下环形电极2的电源(此时为脉冲电源)，输出脉冲电流50ms，脉冲电流幅值为2kA，脉宽为5ms，间隔时间20ms。被焊工件5中有电流通过的部分将产生电致塑性作用，在上超声声极3加压，并且上超声声极3和下超声声极4超声振动的影响下，被焊工件5产生固相连接，如图2(c)所示。因此，本发明可以实现采用超声波焊接的方法连接以往采用该方法不能焊接的硬质金属。另外，电致塑性作用也可减小上超声声极3和下超声声极4的磨损，对其起到保护作用。

(3)熔核形成阶段：

保持上超声声极3和下超声声极4的超声振动，并保持上超声声极3的第一压力和上环形电极1的第二压力，开启与上环形电极1和下环形电极2连接的的电源(此时为直流电源)，使其输出直流电流，直流电流为9kA，通电时间300ms；被焊工件5之间的贴合面在将电阻热的作用下发生熔化，形成熔核，如图2(d)所示。而上超声声极3和下超声声极4同时进行振动，可以保证焊接接头的上下对称性更好。

(4)超声振动冷却结晶阶段：

使电源(此时为直流电源)停止输出直流电流，保持上超声声极3和下超声声极4的超声振动，并保持上超声声极3的第一压力和上环形电极1的第二压力，保持200ms，熔核金属在压力与超声振动的作用下冷却结晶，被焊工件5形成冶金连接，如图2(e)所示，此时超声细晶作用可以使其熔核金属得到超细晶粒，减小焊点中的缺陷，提高接头质量。

最终上超声声极3和上环状电极1回到原位，为焊接下一焊点做好准备，如图2(f)所示。

实施例2

本实施例2提供了一种同轴式超声电阻耦合焊接装置，其与实施例1的区别仅在于，第一伺服加压装置同时控制上超声声极3和下超声声极4进行加压，第二伺服加压装置同时控制上环形电极1和下环形电极2进行加压；电源为脉冲电源。

而利用该同轴式超声电阻耦合焊接装置对7075铝合金材质的被焊工件5(厚度为2mm)进行焊接，其具体操作步骤如下：

(1)预压阶段：上超声声极3和下超声声极4在第一伺服加压装置的控制下向被焊工件5移动，接触被焊工件5后对被焊工件5施加第一压力(5kN)，使被焊工件5的被连接区域紧密贴合；保持第一压力，开启超声发生器及换能器，使上超声声极3和下超声声极4产生超声振动。

(2)电致塑性诱导固相连接阶段：保持上超声声极3和下超声声极4的超声振动，上环形电极1和下环形电极2在第二伺服加压装置的控制下向被焊工件5移动直至与其贴合，然后对被焊工件5施加第二压力；控制上超声声极3和下超声声极4所提供的第一压力大于上环形电极1和下环形电极2所提供的第二压力，被焊工件5将产生微翘曲。此时开启连接上环形电极1和下环形电极2的电源，输出脉冲电流。被焊工件5中有电流通过的部分将产生电致塑性作用，在上超声声极3和下超声声极4加压并且超声振动的影响下，被焊工件5产生固相连接。

工艺参数为：声极压力5kN，电极压力1kN；超声振动频率为20kHz，超声振幅为5μm；脉冲电流幅值为12kA，脉宽为5ms，间隔时间10ms。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种同轴式超声电阻耦合焊接装置，其特征在于，包括位于被焊工件上方的上超声声极、同轴套设在所述上超声声极外部的上环形电极、位于被焊工件下方的下超声声极、同轴套设在所述下超声声极外部的下环形电极，所述上超声声极和所述下超声声极同轴设置；所述上超声声极和所述上环形电极间隙配合并以润滑脂填充其间隙，所述下超声声极和所述下环形电极间隙配合并以润滑脂填充其间隙；

所述上超声声极和/或所述下超声声极连接有第一伺服加压装置，所述上环形电极和/或所述下环形电极连接有第二伺服加压装置；

所述上超声声极和/或所述下超声声极连接于超声发生器及换能器；

所述上环形电极和所述下环形电极连接于电源。

2.根据权利要求1所述的一种同轴式超声电阻耦合焊接装置，其特征在于，所述上超声声极、所述下超声声极的端面设置有微齿或花纹。

3.根据权利要求1所述的一种同轴式超声电阻耦合焊接装置，其特征在于，所述上环形电极、所述下环形电极为平面电极或弧面电极。

4.根据权利要求1所述的一种同轴式超声电阻耦合焊接装置，其特征在于，所述电源包括直流电源和脉冲电源。

5.一种利用如权利要求1-4中任一项同轴式超声电阻耦合焊接装置的焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)预压阶段：

所述上超声声极和/或所述下超声声极在所述第一伺服加压装置的控制下对被焊工件施加第一压力，使被焊工件的被连接区域紧密贴合；

开启所述超声发生器及换能器，使所述上超声声极和/或所述下超声声极做超声振动；

(2)电致塑性诱导固相连接阶段：

所述上环形电极和/或所述下环形电极在所述第二伺服加压装置的控制下对被焊工件施加第二压力，使其与被焊工件紧密贴合；

所述第一压力大于所述第二压力，使被焊工件产生在所述上超声声极和所述下超声声极投影下的界面紧密贴合、而在所述上环形电极和所述下环形电极投影下的环状区域分离的微翘曲；

所述电源输出脉冲电流50ms～200ms，使被焊工件产生固相连接；

(3)熔核形成阶段：

将所述电源输出的脉冲电流改为直流电流，通电时间100ms～600ms，被焊工件的被连 接区域形成熔核；

(4)超声振动冷却结晶阶段：

所述电源停止输出直流电流，继续保持所述第一压力和所述第二压力并保持所述上超声声极和/或所述下超声声极的超声振动50ms～200ms，被焊工件形成冶金连接。

6.一种利用如权利要求1-4中任一项同轴式超声电阻耦合焊接装置的焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)预压阶段：

所述上超声声极和/或所述下超声声极在所述第一伺服加压装置的控制下对被焊工件施加第一压力，使被焊工件的被连接区域紧密贴合；

开启所述超声发生器及换能器，使所述上超声声极和/或所述下超声声极做超声振动；

(2)电致塑性诱导固相连接阶段：

所述上环形电极和/或所述下环形电极在所述第二伺服加压装置的控制下对被焊工件施加第二压力，使其与被焊工件紧密贴合；

所述第一压力大于所述第二压力，使被焊工件产生在所述上超声声极和所述下超声声极投影下的界面紧密贴合、而在所述上环形电极和所述下环形电极投影下的环状区域分离的微翘曲；

所述电源输出脉冲电流50ms～200ms，使被焊工件产生固相连接。