CN104708216A - 同轴式超声辅助电阻点焊装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种同轴式超声辅助电阻点焊装置及方法，该点焊装置包括上电阻点焊电极和同轴套设在其外部的上环形超声振动声极、下电阻点焊电极和同轴套装在其外部的下环形超声振动声极，上环形超声振动声极和/或下环形超声振动声极连接有第一伺服加压装置，上电阻点焊电极和/或下电阻点焊电极连接有第二伺服加压装置。本发明在保证电阻点焊易于实现自动化以及高效率优点的前提下，有效地将超声波振动作用于焊点熔核的凝固过程，实现对轻量化高强金属材料的优质连接；超声振动的能量能够有效传递至工件焊点处，抑制焊接缺陷，提高焊接质量；能够有效改善焊点处的偏析情况，大幅提高焊接接头的力学性能。

Description

同轴式超声辅助电阻点焊装置及方法

技术领域

本发明涉及一种压力焊接技术领域，具体的说，是涉及薄壁板材电阻焊接技术。

背景技术

高能超声加工在现代制造业中的多个领域取得了应用，如超声清洗、超声金属成型以及超声铸造等。相关研究结果显示，超声振动在金属熔体凝固的过程中会产生独特的作用，可以改善金属凝固后的微观组织结构，优化其力学性能。其中，超声振动对金属熔体凝固的影响机制主要包括超声空化形核增殖和超声破碎枝晶两方面。采用超声振动辅助铸造，可使凝固后的金属晶粒细化、成分均匀以及减少缺陷的产生。

电阻点焊工艺广泛应用于汽车工业、航空航天、轨道列车以及电力电子等工业领域中的薄壁结构板材连接。然而随着当今工业界对被连接材料的不断升级，常常需要采用电阻点焊工艺连接超高强度钢、超硬铝、高强镁合金和高强钛合金等难于焊接的材料。与常规材料相比，以上先进材料在应用电阻点焊工艺进行连接的时候会遇到以下几点问题：1)超高强度钢以及钛合金等材料的电阻点焊熔核往往为方向较为明显的树枝晶组织，造成接头的断裂韧性较低；2)以上先进材料含合金元素较多，焊接过程容易出现偏析、气孔以及裂纹等缺陷；3)有色金属表面往往存在氧化膜，给焊接过程带来困难。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于如何对轻量化高强材料实现高效率连接，提供一种同轴式超声辅助电阻点焊装置及方法，在保证电阻点焊高效率及易实现自动化优点不变的情况下，能够改善熔核金属微观组织，提高其接头质量，更加适合连接先进轻量化高强金属材料。

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：

一种同轴式超声辅助电阻点焊装置，包括位于被焊工件上方的上电阻点焊电极、同轴套设在所述上电阻点焊电极外部的上环形超声振动声极、位于被焊工件下方的下电阻点焊电极、同轴套装在所述下电阻点焊电极外部的下环形超声振动声极，所述上电阻点焊电极和所述下电阻点焊电极同轴设置；所述上环形超声振动声极和所述上电阻点焊电极间隙配合并以润滑脂填充其间隙，所述下环形超声振动声极和所述下电阻点焊电极间隙配合并以润滑脂填充其间隙；

所述上环形超声振动声极和/或所述下环形超声振动声极连接有第一伺服加压装置，所述上电阻点焊电极和/或所述下电阻点焊电极连接有第二伺服加压装置；

所述上环形超声振动声极和/或所述下环形超声振动声极连接于超声发生器及换能器；

所述上电阻点焊电极和所述下电阻点焊电极连接于电阻焊电源。

其中，所述上环形超声振动声极、所述下环形超声振动声极的端面设置有微齿或花纹。

其中，所述上电阻点焊电极、所述下电阻点焊电极选用平面电极或弧面电极。

其中，所述电阻焊电源选用直流电源、交流电源或脉冲电源。

一种利用同轴式超声辅助电阻点焊装置的焊接方法，包括如下步骤：

(1)超声预压阶段：

所述上环形超声振动声极和/或所述下环形超声振动声极在所述第一伺服加压装置的控制下对被焊工件施加压力，使所述上环形超声振动声极和所述下环形超声振动声极与被焊工件紧密贴合；开启所述超声发生器及换能器，使所述上环形超声振动声极和/或所述下环形超声振动声极做超声振动；

(2)通电形核阶段：

所述上电阻点焊电极和/或所述下电阻点焊电极在所述第二伺服加压装置的控制下对被焊工件施加压力，使所述上电阻点焊电极和所述下电阻点焊电极与被焊工件紧密贴合；所述电阻焊电源输出直流电流、交流电流或脉冲电流100ms～600ms，使被焊工件贴合面形成熔核；

(3)超声辅助冷却结晶阶段：

所述电阻焊电源停止输出电流，被焊工件的熔核金属在压力及超声振动的影响下冷却结晶；

(4)分离阶段：

所述电阻焊电源停止输出电流50ms～200ms后，停止所述上环形超声振动声极和/或所述下环形超声振动声极的超声振动，所述上环形超声振动声极和/或所述下环形超声振动声极在所述第一伺服加压装置的控制下、所述上电阻点焊电极和/或所述下电阻点焊电极在所述第二伺服加压装置的控制下与被焊工件分离。

本发明的有益效果是：

(一)本发明在保证电阻点焊易于实现自动化以及高效率优点的前提下，有效地将超声波振动作用于焊点熔核的凝固过程，实现对轻量化高强金属材料的优质连接。

(二)本发明在电阻点焊电极外部同轴套设环形超声振动声极，并且环形超声振动声极声阻小，因此超声振动的能量能够有效传递至工件焊点处，抑制焊接缺陷，提高焊接质量。

(三)本发明的超声辅助冷却结晶阶段引入超声振动的细化晶粒作用，能够有效改善焊点处的偏析情况，大幅提高焊接接头的力学性能。

(四)本发明在超声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辅助电阻点焊装置的结构示意图；

图2是本发明所提供的同轴式超声辅助电阻点焊方法步骤示意图；

其中，(a)为焊接前的准备状态；(b)为超声预压阶段；(c)为通电形核阶段；(d)为超声辅助冷却结晶阶段；(e)为分离阶段。

图中：1、上电阻点焊电极；2、下电阻点焊电极；3、上环形超声振动声极；4、下环形超声振动声极；5、被焊工件；6、超声发生器及换能器；7、电阻焊电源。

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：

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，主要包括上电阻点焊电极1、下电阻点焊电极2、上环形超声振动声极3、下环形超声振动声极4、第一伺服加压装置、第二伺服加压装置、超声发生器及换能器6、电阻焊电源7。

上电阻点焊电极1和下电阻点焊电极2均为圆柱体结构，直径均为8mm，高度均为15mm；端面直径为6mm含1mm圆角；内含直径为4mm的冷却水槽。上电阻点焊电极1位于被焊工件5上方，下电阻点焊电极2位于被焊工件5下方，上电阻点焊电极1和下电阻点焊电极2上下同轴设置。上电阻点焊电极1和下电阻点焊电极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。

上环形超声振动声极3和下环形超声振动声极4均为圆环体结构，外径均为18mm，内径均为8mm，高度均为10mm。上环形超声振动声极3位于被焊工件5上方，并同轴地套设在上电阻点焊电极1外部；下环形超声振动声极4位于被焊工件5下方，并同轴地套装在下电阻点焊电极2外部；可见上环形超声振动声极3和下环形超声振动声极4也是上下同轴设置的。上环形超声振动声极3与上电阻点焊电极1、下环形超声振动声极4与下电阻点焊电极2同轴设置，可以有效的保证超声振动的能量作用于焊点处，为焊接工艺中超声辅助电阻点焊打下重要基础。

根据焊接材料不同，上环形超声振动声极3和下环形超声振动声极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。上环形超声振动声极3和下环形超声振动声极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。

上环形超声振动声极3和上电阻点焊电极1为间隙配合，并以润滑脂填充其间隙；下环形超声振动声极4和下电阻点焊电极2为间隙配合，并以润滑脂填充其间隙。这是为了上环形超声振动声极3和上电阻点焊电极1、下环形超声振动声极4和下电阻点焊电极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。第一伺服加压装置可以同时控制上环形超声振动声极3和下环形超声振动声极4进行加压，也可以单独控制上环形超声振动声极3或下环形超声振动声极4加压；第二伺服加压装置同时控制上电阻点焊电极1和下电阻点焊电极2进行加压，也可以单独控制上电阻点焊电极1或下电阻点焊电极2进行加压。

超声发生器及换能器分别连接上环形超声振动声极3和下环形超声振动声极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环形超声振动声极3和下环形超声振动声极4传递到被焊工件5。

电阻焊电源7可以选用直流电源、交流电源或脉冲电源。电阻焊电源7分别连接上电阻点焊电极1和下电阻点焊电极2，对其输出直流电流、交流电流或脉冲电流。

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：

以第一伺服加压装置单独控制上环形超声振动声极3、第二伺服加压装置单独控制上电阻点焊电极1为例。被焊工件5为两张7075高强铝合金板材，厚度为2mm。

如图2(a)所示，将被焊工件5装夹在下电阻点焊电极2与下环形超声振动声极4之上。

(1)超声预压阶段：

如图2(b)所示，上环形超声振动声极3在第一伺服加压装置的控制下对被焊工件5施加压力(1kN)，使上环形超声振动声极3和下环形超声振动声极4与被焊工件5紧密贴合；

保持上环形超声振动声极3的压力，开启超声发生器及换能器6，使上环形超声振动声极3和下环形超声振动声极4做超声振动，超声振动频率为20kHz，超声振幅为15μm；

此阶段被焊工件5表面的油污以及氧化膜将在超声清理的作用下被清除干净。

(2)通电形核阶段：

如图2(c)所示，保持上环形超声振动声极3的压力，并保持上环形超声振动声极3和下环形超声振动声极4的超声振动，上电阻点焊电极1在第二伺服加压装置的控制下对被焊工件5施加压力(3kN)，使上电阻点焊电极1和下电阻点焊电极2与被焊工件4紧密贴合；

开启电阻焊电源7输出25kA的直流电流，通电时间100ms。被焊工件5贴合面在电阻热的作用下熔化，形成熔核。而上环形超声振动声极3和下环形超声振动声极4同时进行振动，可以保证焊接接头的上下对称性更好。

(3)超声辅助冷却结晶阶段：

如图2(d)所示，保持上环形超声振动声极3的压力和上电阻点焊电极1的压力，并保持上环形超声振动声极3和下环形超声振动声极4的超声振动，电阻焊电源7停止输出电流，被焊工件5的熔核金属在压力及超声振动的影响下冷却结晶。

在此阶段中，凝固的金属组织晶粒细化，成分偏析被抑制，减小裂纹、气孔等缺陷的出现几率。

(4)分离阶段：

如图2(e)所示，电阻焊电源7停止输出电流50ms后，停止上环形超声振动声极3和下环形超声振动声极4的超声振动，上环形超声振动声极3在第一伺服加压装置的控制下、上电阻点焊电极1在所述第二伺服加压装置的控制下与被焊工件5分离。

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 (5)

1.一种同轴式超声辅助电阻点焊装置，其特征在于，包括位于被焊工件上方的上电阻点焊电极、同轴套设在所述上电阻点焊电极外部的上环形超声振动声极、位于被焊工件下方的下电阻点焊电极、同轴套装在所述下电阻点焊电极外部的下环形超声振动声极，所述上电阻点焊电极和所述下电阻点焊电极同轴设置；所述上环形超声振动声极和所述上电阻点焊电极间隙配合并以润滑脂填充其间隙，所述下环形超声振动声极和所述下电阻点焊电极间隙配合并以润滑脂填充其间隙；

所述上环形超声振动声极和/或所述下环形超声振动声极连接有第一伺服加压装置，所述上电阻点焊电极和/或所述下电阻点焊电极连接有第二伺服加压装置；

所述上环形超声振动声极和/或所述下环形超声振动声极连接于超声发生器及换能器；

所述上电阻点焊电极和所述下电阻点焊电极连接于电阻焊电源。

2.根据权利要求1所述的一种同轴式超声辅助电阻点焊装置，其特征在于，所述上环形超声振动声极、所述下环形超声振动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辅助电阻点焊装置，其特征在于，所述上电阻点焊电极、所述下电阻点焊电极选用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辅助电阻点焊装置，其特征在于，所述电阻焊电源选用直流电源、交流电源或脉冲电源。

5.一种利用如权利要求1-4中任一项同轴式超声辅助电阻点焊装置的焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)超声预压阶段：

所述上环形超声振动声极和/或所述下环形超声振动声极在所述第一伺服加压装置的控制下对被焊工件施加压力，使所述上环形超声振动声极和所述下环形超声振动声极与被焊工件紧密贴合；开启所述超声发生器及换能器，使所述上环形超声振动声极和/或所述下环形超声振动声极做超声振动；

(2)通电形核阶段：

所述上电阻点焊电极和/或所述下电阻点焊电极在所述第二伺服加压装置的控制下对被焊工件施加压力，使所述上电阻点焊电极和所述下电阻点焊电极与被焊工件紧密贴合；所述电阻焊电源输出直流电流、交流电流或脉冲电流100ms～600ms，使被焊工件贴合面形成熔核；

(3)超声辅助冷却结晶阶段：

所述电阻焊电源停止输出电流，被焊工件的熔核金属在压力及超声振动的影响下冷却 结晶；

(4)分离阶段：

所述电阻焊电源停止输出电流50ms～200ms后，停止所述上环形超声振动声极和/或所述下环形超声振动声极的超声振动，所述上环形超声振动声极和/或所述下环形超声振动声极在所述第一伺服加压装置的控制下、所述上电阻点焊电极和/或所述下电阻点焊电极在所述第二伺服加压装置的控制下与被焊工件分离。