CN108319748B - 用于网板电阻点焊的异型电极的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于网板电阻点焊的异型电极的设计方法，包括如下的步骤：1，选择合适电极材料；2，绘制初步异形电极二维图；3，建立立体几何模型；4，确定边界条件；5，采用专用分析软件，分析电极与网板工件接触状态、电阻热量和散热情况等指标；6，采用工艺试验的方法进行比对；7，确定点焊异形电极结构。本发明解决了网板结构点焊生产效率低，产品质量不稳定的问题，提高点焊精度和焊缝质量。借助模拟分析软件和工艺试验结构，对异形电极结构进行优化，确定了异形点焊电极的结构，最终实现网板结构产品的电阻点焊。本发明可以应用于网板结构工件的电阻点焊中，在其它电阻焊领域也有广阔的应用前景。

Description

用于网板电阻点焊的异型电极的设计方法
技术领域
本发明属于电阻焊电极设计方法。电阻焊中除了电源系统，点焊电极是最重要的部件，其不仅影响到工件传导电流、传递压力，导散热量，还直接影响到点焊质量和点焊效率。本发明具体指平板材料与滤网的电阻点焊(以下简称网板工件)，如何保证焊缝质量、提高生产效率，降低产品废品率。
背景技术
单组元火箭发动机是为航天飞行器提供化学动力的组件，是航天推进系统的核心组件。在单组元火箭发动机内部存在大量网、板连接结构的部件，如隔板部件、挡板部件和头部部件，这些结构一般都采用手工电阻点焊方式进行连接，其作用主要隔离不同规格催化剂或防止催化剂颗粒散落出来，堵塞喷注器小孔。
单组元火箭发动机工作时，通过打开电磁阀，将贮箱及管路内的燃料按需求提供到头部部件内，头部部件将通过毛细管和滤网将燃料均匀喷淋到不同规格催化剂上，经过催化分解，利用化学能转化为热能，瞬间生成高温、高压的燃气(喉部最高温度高达1400℃)，经过发动机身部(喉部)压缩，产生推力。而在这一过程中，无论是隔板组件、挡板组件和头部部件，都会受到热量对流、传导和辐射的影响，网板部件最高温度高达1000℃，同时也会受到流经燃料、高压燃气反复冲刷，对电阻点焊焊缝强度(特别是高温性能)、疲劳性能要求很高。综上所述，单组元火箭发动机的网板部件需要在高温、高压下，反复疲劳考核，对网板部件电阻点焊质量一致性和可靠性要求很高。因此可以通过改进点焊电极来保证产品质量，提高生产效率，降低生产成本。
电阻焊是将被焊金属工件压紧于两个电极之间，并通以电流，利用电流经过工件接触面及临近区域产生的电阻热，将其局部加热到熔化或塑性状态，使之形成金属结合的一种连接方法。电阻点焊属于电阻焊的一种，点焊时，工件只在有限的接触面上，即所谓“点连接”，并形成扁球状熔核。点焊电极主要功能包括：向工件传导电流、向工件传递压力、迅速导散焊接区的热量。
网板点焊焊缝无法通过X射线等无损检测方式有效检查，只能通过破坏性试验或功能性试验检测，同时人工点焊方式也难以保证点焊质量的一致性。
发明内容
为解决网板工件电阻点焊质量一致性差、生产效率低的问题，设计了一种异形点焊电极，该点焊电极可以降低人为因素，提高点焊精度和点焊质量。
为了达到上述发明目的，本发明通过设计点焊电极，优化接触面位置和面积，非接触面结构以及内部水冷结构的方法，来提高网板焊接一致性和点焊质量。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明提供了一种用于网板电阻点焊的异型电极的设计方法，其包括如下步骤：
S1：选择电极材料；
S2：绘制二维网板点焊位置图，并绘制初步异型电极二维图；
S3：根据所述初步异型电极二维图绘制异型电极三维图，在热结构分析软件中对异型电极和网板工件建立立体几何模型，并对所述立体几何模型进行必要简化；
S4：确定焊接参数以及边界条件；
S5：根据所述焊接参数和边界条件分析异型电极和网板工件的接触状态、电阻热量和散热情况；
S6：根据步骤S5获得的分析结果优化点焊异型电极的边界条件和仿真有效性；
S7：通过改变电极与网板工件接触位置，接触形状和非接触面结构，来保证点焊位置、尺寸和焊点质量，最终确定异形电极的结构。
作为优选方案，所述电极材料的选择依据为网板工件的材料和厚度，当网板工件的材料为铝合金时，电极材料选择电导率不低于48S/m、硬度HRB不低于60的铜合金材料；当网板工件的材料为不锈钢或高温合金时，电极材料选择电导率不低于45mS/m、硬度HRB不低于78的铜合金材料。
一般都采用铜材料作为点焊的电极材料。由于铝合金电导率比较好，为35mS/m，采用高电导率、中等硬度的材料作为电极，如锆铌铜CuZrNb(电导率为48S/m，硬度HRB为60)。不锈钢、高温合金的电导率仅为10mS/m左右，采用高电导率、高硬度的材料作为电极，如铬锆铌铜CuCrZrNb(电导率为45S/m，硬度HRB为78)。
作为优选方案，步骤S5中，利用热结构分析软件分析异型电极和网板工件的接触状态、电阻热量和散热情况。
作为优选方案，步骤S4中，所述焊接参数包括电阻点输入热量，所述电阻点输入热量由焦耳定律计算得出。
具体为：Q＝I2Rt
式中Q——接头产热，I——电流，R——接触电阻，t——时间。
在接触电阻不变的情况下，由于点焊面积增加，必然要求点焊输入能量也要增加，因此一般通过调整电流和时间，其中电流调整比较显著。
作为优选方案，步骤S6中所述的优化点焊异型电极的方法为缩小接触面积或增加冷却水的功能。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明可以通过异形电极的设计，来保证质量一致性，提高点焊精度，降低人为因素，提高生产效率。本发明在电阻焊领域具有广泛的应用前景。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为网板点焊位置平面图；
图2为本发明中的异形电极的结构示意图；
图3为本发明中的异形电极点焊网板工件示意图；
图4为本发明中的异型电极的实物图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明提供的用于网板电阻点焊的异型电极的设计方法，具体包括如下步骤：
S1，根据网、板材料、厚度，选择与产品相适应的电极材料、对于铝合金来说，一般采用高电导率、中等强度的材料，如纯铜或镉铜；对于不锈钢、高温合金一般采用较高电导率、高强度的材料包括铬铜、铬锆铜等材料；
S2，针对网、板点焊位置、尺寸和实际使用性能，绘制二维网板点焊位置平面图，具体见附图1，并根据平面图和设备结构设计异形点焊电极，并在电极内部增加水冷流道，并绘制初步异形电极二维图，见附图2；
S3，绘制三维立体图，对异形电极和网板工件建立立体几何模型，并对模型进行必要的简化；
S4，根据网板工件点焊位置和面积，确定焊接参数值，并根据电极材料、接触面形状、非接触面结构和内部水冷流道，确定边界条件。其中水流道尽可能靠近电极与工件接触表面，保证足够的冷却能力；
S5，根据焊接参数边界条件，主要考虑点焊电源能力(如电压、电流、压力)和网板工件的点焊面积；采用专用分析软件，分析电极与网板工件接触状态、电阻热量和散热情况等指标；根据工件使用要求，设计电阻点焊工艺参数。以不锈钢板、高温合金网为例，主要技术参数如下：
点焊电压：2.5～5V；
点焊电流：10～155kA；
加载压力：0.2～2MPa；
电极材料：锆铜合金。
S6，根据分析结果，进一步优化异形点焊工装，如缩小接触面积、增加冷却水的功能，采用工艺试验进行比对，从而进一步优化边界条件设置和仿真有效性。
S7，通过改变异形电极结构，包括接触形状、非接触面结构以及水冷内腔的结构，来保证点焊位置、形状和焊点质量，最终确定异形点焊电极结构。采用异形电极点焊网板工件示意图见附图3，实物图见附图4。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (4)

1.一种用于网板电阻点焊的异型电极的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：选择电极材料；
S2：绘制二维网板点焊位置图，并绘制初步异型电极二维图；
S3：根据所述初步异型电极二维图绘制异型电极三维图，在热结构分析软件中对异型电极和网板工件建立立体几何模型，并对所述立体几何模型进行必要简化；
S4：确定焊接参数以及边界条件；
S5：根据所述焊接参数和边界条件分析异型电极和网板工件的接触状态、电阻热量和散热情况；
S6：根据步骤S5获得的分析结果优化点焊异型电极的边界条件和仿真有效性；
S7：通过改变电极与网板工件接触位置，接触形状和非接触面结构，来保证点焊位置、尺寸和焊点质量，最终确定异形电极的结构；
步骤S6中所述的优化点焊异型电极的方法为缩小接触面积或增加冷却水的功能。
2.如权利要求1所述的用于网板电阻点焊的异型电极的设计方法，其特征在于，所述电极材料的选择依据为网板工件的材料和厚度，当网板工件的材料为铝合金时，电极材料选择电导率不低于48S/m、硬度HRB不低于60的铜合金材料；当网板工件的材料为不锈钢或高温合金时，电极材料选择电导率不低于45mS/m、硬度HRB不低于78的铜合金材料。
3.如权利要求1所述的用于网板电阻点焊的异型电极的设计方法，其特征在于，步骤S5中，利用热结构分析软件分析异型电极和网板工件的接触状态、电阻热量和散热情况。
4.如权利要求1所述的用于网板电阻点焊的异型电极的设计方法，其特征在于，步骤S4中，所述焊接参数包括电阻点输入热量，所述电阻点输入热量由焦耳定律计算得出。
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