CN106312289A - 一种预冲压变形处理的超声波金属焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种预冲压变形处理的超声波金属焊接方法。包括如下步骤：将待焊接的板材放入模具固定限位后，对待焊接的板材进行预变形处理，使待焊接的板材背面产生预设形状及高度的凸台；将预变形处理得到的板材与待焊接的基础板材搭接，将超声波焊头移动到预变形处理位置，进行焊接，最终得到均匀牢固的焊接接头。本发明主要通过对待焊接的板材进行预变形处理，然后再进行焊接，从而使焊接过程中焊点位置受力更均匀，能量更加集中，从而提高焊接强度，节省焊接能耗，并可以形成不同形状的焊点，满足结构件设计需求。

Description

一种预冲压变形处理的超声波金属焊接方法

技术领域

本发明属于焊接技术领域，尤其涉及一种适用于预冲压变形处理的超声波金属焊接方法。

背景技术

超声波焊接是利用超声波的高频振动,在静压力的作用下将弹性振动能量转变为工件间的摩擦功和形变能的一种压力焊接方法。随着超声波焊接装备的发展，超声波焊接已经适用于金属板材连接，并且因其高效、低耗、环保等独特优势，超声波金属焊接具有广阔的应用前景。

超声波焊接工艺中焊接参数(焊接时间、焊接压力、焊接振幅等)对焊接效果影响复杂，另外材料硬度、表面粗糙度、材料尺寸、材料成分等均会使得焊接效果具有不稳定性。目前有各种不同方法来改善焊接效果，包括优化夹具、设计焊接单元等。超声波焊接虽然可以实现金属板材的高强度连接，但其应用仍然存在相应的问题：

1)焊接能耗需求高。在初始焊接界面形成阶段，需要通过静压力使焊头作用处板材产生变形，变形处上下板材强烈摩擦形成连接，静压力带动板材变形需要消耗大量超声波能量。

2)界面流动难。超声波焊接、搅拌摩擦焊等固相焊界面一旦形成涡流状搅拌形貌，即可增加焊接强度。然而，超声波焊接只有在较大能耗时才能产生强烈塑性流动，因此难以形成“自锁”型界面。

发明内容

根据上述提出的焊接过程中的工艺参数对焊接效果的影响、焊接能耗高界面流动难等技术问题，而提供一种预冲压变形处理的超声波金属焊接方法。本发明主要通过对待焊接的板材进行预变形处理，然后再进行焊接，从而使焊接过程中焊点位置受力更均匀，能量更加集中，摩擦更充分，焊点界面形成强烈搅拌作用，从而提高焊接强度，节省焊接能耗，并可以形成不同形状的焊点，满足结构件设计需求。

本发明采用的技术手段如下：

一种预冲压变形处理的超声波金属焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、将待焊接的板材放入模具固定限位后，对待焊接的板材进行预变形处理，使待焊接的板材背面产生预设形状及高度的凸台；

S2、将预变形处理得到的板材与待焊接的基础板材搭接，将超声波焊头移动到预变形处理位置，进行焊接，最终得到均匀牢固的焊接接头。

进一步地，所述步骤S1中，采用冲压、锻压或机械加工方法对待焊接的板材进行预变形处理，亦或者是其他原理相似的处理方式进行预变形处理。

进一步地，经过预变形处理形成的所述凸台形状为矩形、圆形、球形、多边形或根据需要设置的形状，不局限于上述的形状，根据实际需要设置，所述凸台的高度小于等于2mm。所述板材的上表面形成的凹形结构，可采用视觉识别技术配合机器人进行自动化焊接。

进一步地，所述待焊接的板材为可进行超声波焊接的金属材料，板材厚度小于等于5mm。

进一步地，所述待焊接的板材为铝合金、镁合金、钛合金、钢铁、铜合金或镍合金。

较现有的焊接工艺相比，本发明具有以下优势：

1、本发明可以减少超声波焊接静压力对板材变形环节所需能量，消除焊点之外工件间的摩擦，使超声波能量更有效的作用于焊接位置，焊点处摩擦更充分。因此可以降低焊接能耗，节省焊接成本。

2、本发明预冲压形成的凸台，可以使焊点位置受力更均匀，同时在静压力的作用下凸台可以有效的压入另一侧焊接板材表面，形成界面的强烈搅拌，特别是在决定连接强度的焊点边缘形成涡流状互锁结构。

3、本发明预冲压可以形成不同形状的凸台，通过不同焊点的设计，以满足不同结构件力学性能的需求。

4、本发明预冲压变形后可在板材表面形成相应凹痕，从而在配合机器人进行自动化焊接时，为焊接位置识别提供了视觉特征值，可提高生产效率。

5、通过本发明焊接位置预冲压变形处理，与相同焊接能耗条件下的直接焊接相比，焊接强度可大幅提高，增加了焊接工艺窗口，促进了超声波焊接的工业应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的流程示意图。

图2为本发明的待焊接的板材经预变形处理后的凸台的示意图。

图3为本发明预冲压焊接与直接焊力学性能对比图。

图4为本发明预冲压焊接与直接焊微观组织对比图。

图中：1、待焊接的板材；2、模具上模；3、模具下模；4、焊机。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种预冲压变形处理的超声波金属焊接方法，包括如下步骤：

S1、将待焊接的板材1放入模具，通过模具上模2和模具下模3将待焊接的板材1夹持固定限位后，采用冲压、锻压或机械加工方法对待焊接的板材1进行预变形处理，使待焊接的板材1背面产生预设形状及高度的凸台(如图2所示)，经过预变形处理形成的所述凸台形状为矩形、圆形、球形、多边形或根据需要设置的形状，所述凸台的高度小于等于2mm。

S2、将预变形处理得到的板材1与待焊接的基础板材搭接，将焊机4的超声波焊头移动到预变形处理位置，进行焊接，最终得到均匀牢固的焊接接头。

所述待焊接的板材1为可进行超声波焊接的金属材料，为铝合金、镁合金、钛合金、钢铁、铜合金或镍合金等金属，板材厚度小于等于5mm。

实施例1

采用本发明焊接镁合金板材结构件，制备过程包括以下步骤：

S1、将镁合金板材1放入模具中，通过模具上模2和模具下模3将镁合金板材1夹持固定限位后，开始冲压，位移保持5s，冲压结束后板材实测下压量为0.10mm，得到的板材表面如图2所示。

S2、将预变形处理的试件(上板)与另外待焊接的基础板材(下板)放入焊机4中，定位使上板的预冲压后位置与焊头相对应，可开始超声波焊接，焊后即可得到高强度接头。

采用不同焊接时间的方法对比预冲压对焊接强度的影响，得到的结果如图3所示。可以看出，预冲压后接头强度与直接焊接相比有显著的提升，特别是低能耗条件下焊接效果更为显著。另外对焊接的接头进行微观金相观察，如图4所示，图4a)为未处理板材焊接接头，图4b)为预变形处理板材焊接接头。可以看出直接焊接后焊点界面平滑，而预冲压后焊点界面成涡旋形貌，有效的增加了焊点强度。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种预冲压变形处理的超声波金属焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、将待焊接的板材放入模具固定限位后，对待焊接的板材进行预变形处理，使待焊接的板材背面产生预设形状及高度的凸台；

S2、将预变形处理得到的板材与待焊接的基础板材搭接，将超声波焊头移动到预变形处理位置，进行焊接，最终得到均匀牢固的焊接接头。

2.根据权利要求1所述的预冲压变形处理的超声波金属焊接方法，其特征在于，所述步骤S1中，采用冲压、锻压或机械加工方法对待焊接的板材进行预变形处理。

3.根据权利要求2所述的预冲压变形处理的超声波金属焊接方法，其特征在于，经过预变形处理形成的所述凸台形状为矩形、圆形、球形、多边形或根据需要设置的形状，所述凸台的高度小于等于2mm。

4.根据权利要求1所述的预冲压变形处理的超声波金属焊接方法，其特征在于，所述待焊接的板材为可进行超声波焊接的金属材料，板材厚度小于等于5mm。

5.根据权利要求4所述的预冲压变形处理的超声波金属焊接方法，其特征在于，所述待焊接的板材为铝合金、镁合金、钛合金、钢铁、铜合金或镍合金。