CN109249118A - 基于电阻焊的叠层板同步复合双点渐进成形装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于电阻焊的叠层板同步复合双点渐进成形装置及方法，其中装置包括分别从两侧成形叠层板的第一压头和第二压头，以及分别用于补偿第一压头和第二压头运动的两个背压气缸，所述第一压头和第二压头分别与两个背压气缸对应连接，装置还包括可调式时变电源，该可调式时变电源的一极连接至第一压头，另一极连接至第二压头，并与第一压头、叠层板和第二压头构成闭合回路。与现有技术相比，本发明提高了成形后板料的表面质量，可以通过调整输入电流实现对成形温度的控制。

Description

基于电阻焊的叠层板同步复合双点渐进成形装置及方法

技术领域

本发明涉及一种渐近成型技术，尤其是涉及一种基于电阻焊的叠层板同步复合双点渐进成形装置及方法。

背景技术

异质金属叠层板是以层状复合方式结合而成的新型复合板料，通过多层材料的复合充分发挥和合理利用了各种金属的特殊物理、力学性能，具有理想的电、热特性，低密度，优良的弯曲刚度、塌陷耐性以及振动阻尼特性，综合性能比单一金属更加优越。

目前叠层金属板件的制备方法为先通过轧制、爆炸、热浸镀以及粘接等方法制成多层材料叠层的平板，再根据产品设计形状，通过冷/热冲压成形方法而获得。然而由于异种材料的屈服应力以及成形性有较大的差异，冲压成形材料界面的变形难以协调，且对厚向叠层顺序有严格的要求，成形中也易产生拉裂、回弹等缺陷。此外，由于金属连接过程易产生脆性的金属间化合物，进一步影响后续塑性变形中的成形性。因此，受成形方法的限制，目前叠层板件的形状较为有限，其应用受到了较大限制。

板料渐进成形是一种局部加载、整体成形的无模柔性成形方法，其利用数控机床、工业机器人或专门开发的数控设备，使压头沿设定的加工轨迹压迫板料依次逐渐、连续发生塑性变形，最终达到所需要的几何形状。而在材料连接领域，电阻焊是一种较为成熟的连接技术。在这种工艺中，叠层板被置于上下滚轮之间，并以滚轮作为电极对板料施加电流和压力，材料通过热-力作用实现冶金结合。对比双点渐进成形与电阻焊的技术可以看出，虽然两种技术分别针对板料的成形和连接，但技术的实施上具有较大的相似性，使两种工艺的融合成为可能。

虽然中国专利CN104607523A提出了一种复合成形方法，该方法针对梯度材料提出将两种板料搅拌、焊合，在材料制备的同时完成了形状的成形，形成带有一定形状的复合板。但是以上装置生成的复合板料表面质量不佳，难以控制搅拌焊合时温度，搅拌摩擦过程较为复杂且轴向力较高。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于电阻焊的叠层板同步复合双点渐进成形装置及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于电阻焊的叠层板同步复合双点渐进成形装置，包括分别从两侧成形叠层板的第一压头和第二压头，以及分别用于补偿第一压头和第二压头运动的两个背压气缸，所述第一压头和第二压头分别与两个背压气缸对应连接，装置还包括可调式时变电源，该可调式时变电源的一极连接至第一压头，另一极连接至第二压头，并与第一压头、叠层板和第二压头构成闭合回路。

所述第一压头为半球形压头，所述第二压头为平底圆角压头，且其中第一压头为主动电极压头，第二压头为辅助电极压头。

所述半球压头的球半径范围为2.5～5mm，所述平底圆角压头的平底长度范围为5～10mm，圆角半径范围为2.5～5mm。

所述第一压头和第二压头均为平底圆角压头，其中第一压头和第二压头中一个为主动电极压头，另一个为辅助电极压头。

所述平底圆角压头的平底长度范围为5～10mm，圆角半径范围为2.5～5mm。

所述第一压头和第二压头均由镍基高温合金制成。

一种渐进成形装置的方法，包括：

步骤S1：根据成形件的特征确定第一压头和第二压头的组合类型。

步骤S2：根据成形件形状确定第一压头和第二压头的运动轨迹和运动时间；

步骤S3：确定所需要的电流，并设定可调式时变电源的电压；

步骤S4：根据第一压头和第二压头的运动轨迹和运动时间，确定可调式时变电源的接通时间和时刻；

步骤S5：根据第一压头和第二压头的运动轨迹和运动时间，以及可调式时变电源的接通时间和时刻对叠层板进行复合渐进成形。

所述步骤S4确定可调式时变电源的接通时间和时刻的过程具体包括：

步骤S41：设定第一压头的初始位置作为X轴原点位置，并初始化计数参数；

步骤S42：当第一压头每跨越一次X轴原点位置，则计数参数加1；

步骤S43：当计数参数为自然数n的倍数或为n的倍数加1时，接通可调式时变电源，反之，断开可调式时变电源。

当第一压头为半球形压头，所述第二压头为平底圆角压头时，所述背压气缸对第二压头施加背压力补偿第二压头Z向的运动轨迹。

当第一压头和第二压头均为平底圆角压头时，在成形过程中，两个背压气缸分别补偿第一压头和第二压头Z向的运动轨迹。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)相比于搅拌渐进复合成形方法，提高了成形后板料的表面质量，可以通过调整输入电流实现对成形温度的控制。

2)与轧制复合方法比较起来，在制造工步的顺序上实现了创新，可以显著地提高板料的成形性能，突破了现有的轧制连接-扩散退火-冲压成形的顺序化制造中所存在的板料内外材料排布约束、成形回弹以及破裂等缺陷，解决了现有技术中不同材料变形协调性低所形成的缺陷，为叠层板件的制造提供了一种新的解决思路，对于促进我国航空、航天、电子、交通运输等高端制造业的进步具有重要的理论和现实意义。

3)当第一压头为半球形压头，第二压头为平底圆角压头，并设计了半球形压头和平底圆角压头的尺寸，适用于成形形状较为规则的零件，可以提高成型效率。

4)当上下电极压头均为平底圆角压头，并设计了平底圆角压头的尺寸，适用于成形具备凸凹特征、形状不规则的零件。

5)通过背压气缸补偿副电极压头竖直方向的运动轨迹，使副压头不脱离叠板件，保证电流回路的完整性。

6)可调式时变电源选择合适的通电和断电时间，以此达到减小热量损失，减小电极损耗，防止造成焊透率过大等缺陷。

7)两个压头与板件相互接触的面积较接近，以达到流经叠层板的电流密度大小较为平稳，使得叠层板连接处的焊合质量较好。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图；

图2为本发明实施例2的结构示意图；

图3为可调式时变电源设计逻辑示意图；

图4为叠层板X-Y平面的焊合路线示意图；

其中：1、可调式时变电源，2、第一压头，3、上层金属板，4、下层金属板，5、第二压头，6、电流，7、背压气缸，8、背压气缸。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

一种基于电阻焊的叠层板同步复合双点渐进成形装置，如图1和图2所示，包括分别从两侧压板件的第一压头2和第二压头5，以及分别用于驱动第一压头2和第二压头5运动的两个背压气缸7、8，第一压头2和第二压头5分别与两个背压气缸7、8对应连接，其特征在于，装置还包括可调式时变电源1，该可调式时变电源1的一极连接至第一压头2，另一极连接至第二压头5，并与第一压头2、板件和第二压头5构成闭合回路。

优选的，第一压头2和第二压头5均由镍基高温合金制成。第一压头2和第二压头5上下设置，也可称为上下电极压头。此外，叠层板由上层金属板3和上层金属板4组成。本实施例中，第一压头2，亦为上电极压头连接至可调式时变电源1的正极，第二压头5，亦为下电极压头连接至可调式时变电源1的负极。

相比于搅拌渐进复合成形方法，提高了成形后板料的表面质量，可以通过调整输入电流实现对成形温度的精确控制。与轧制复合方法比较起来，在制造工步的顺序上实现了创新，可以显著地提高板料的成形性能，突破了现有的轧制连接-扩散退火-冲压成形的顺序化制造中所存在的板料内外材料排布约束、成形回弹以及破裂等缺陷，解决了现有技术中不同材料变形协调性低所形成的缺陷，为叠层板件的制造提供了一种新的解决思路，对于促进我国航空、航天、电子、交通运输等高端制造业的进步具有重要的理论和现实意义。

对应的，提供一种渐进成形装置的方法，包括：

首先，需要将分离的异种金属板料去除表面氧化层后，用压边圈夹住叠层板料四周，调整上下电极压头位置，使叠层板处于上下电极压头之间。

步骤S1：根据成形件的特征确定上下电极压头的组合类型。

步骤S2：根据零件形状建立模型并生成第一压头2和第二压头5基于等高线层面上的同步运动轨迹和运动时间；

步骤S3：确定所需要的电流，并设定可调式时变电源1的电压；

对于本实施例中，针对上层金属板材料为AA5052，下层金属板材料为DC05材料，将可调式时变电源的输出电流控制在15000～20000A，输出电压控制在8～12V。

步骤S4：根据第一压头2和第二压头5的运动轨迹和运动时间，确定可调式时变电源1的接通时间和时刻；

步骤S5：根据第一压头2和第二压头5的运动轨迹和运动时间，以及可调式时变电源1的接通时间和时刻对叠层板进行复合渐进成形。

如图3所示，上下电极压头的运动轨迹下，为了防止由于电流长时间保持在较大的值而造成板料表面过热，焊透率过大等缺陷，低压大电流可调式时变电源需要遵循的相关程序步骤，其中确定可调式时变电源1的接通时间和时刻的过程具体包括：

步骤S41：设定第一压头2的初始位置作为X轴原点位置，并初始化计数参数；

步骤S42：当第一压头2每跨越一次为X轴原点位置，则计数参数加1；

步骤S43：对于本实施例，当计数参数为6的倍数或为6的倍数加1时，接通可调式时变电源1，反之，断开可调式时变电源1。

如图4所示，其表示通电回路在图3所示的程序框图控制下，上下电极压头在叠层板X-Y平面的焊合轨迹图，其中A圆环区域表示当N＝0阶段和N＝1阶段时上下电极压头在X-Y平面内所焊过的区域，B圆环区域表示N＝6阶段和N＝7阶段上下电极压头在X-Y平面内所焊过的区域，C圆环区域表示N＝12阶段和N＝13阶段上下电极压头在X-Y平面内所焊过的区域。

实施例1：

如图1所示，第一压头2为半球形压头，第二压头5为平底圆角压头。优选的，半球压头的球半径范围为2.5～5mm，平底圆角压头的平底长度范围为5～10mm，圆角半径范围为2.5～5mm，其中，图1中的虚线表示电流6，适用于成形形状较为规则的零件，可以提高成型效率。

例如对于成形一个简单的椭球形零件，选择如图1所示的半球压头和平底圆角压头作为上下电极压头的组合形式，上下电极压头之间没有偏置角度，使上下电极压头与叠层板表面的接触面积大小较接近。通过背压气缸对辅助电极压头施加背压力，施加焊接压力并补偿辅助电极压头Z向的运动轨迹；

在进行渐进成形的同时施加高密度电流，板间接触面在实现在双电极压头的挤压作用下发生局部塑性变形和界面熔接，在成形的同时完成板料的焊合。在上下电极压头通电焊接时，其叠层板X-Y平面上的焊合轨迹图如图4所示。

实施例2：

本实施例与实施例1大体相似，不同的是：如图2所示，第一压头2和第二压头5均为平底圆角压头。优选的，平底圆角压头的平底长度范围为5～10mm，圆角半径范围为2.5～5mm，其中，图1中的虚线表示电流6，适用于成形具备凸凹特征、形状不规则的零件。

Claims (10)

1.一种基于电阻焊的叠层板同步复合双点渐进成形装置，包括分别从两侧成形叠层板的第一压头(2)和第二压头(5)，以及分别用于补偿第一压头(2)和第二压头(5)运动的两个背压气缸(7、8)，所述第一压头(2)和第二压头(5)分别与两个背压气缸(7、8)对应连接，其特征在于，装置还包括可调式时变电源(1)，该可调式时变电源(1)的一极连接至第一压头(2)，另一极连接至第二压头(5)，并与第一压头(2)、叠层板和第二压头(5)构成闭合回路。

2.根据权利要求1所述的一种基于电阻焊的叠层板同步复合双点渐进成形装置，其特征在于，所述第一压头(2)为半球形压头，所述第二压头(5)为平底圆角压头，且其中第一压头(2)为主动电极压头，第二压头(5)为辅助电极压头。

3.根据权利要求2所述的一种基于电阻焊的叠层板同步复合双点渐进成形装置，其特征在于，所述半球压头的球半径范围为2.5～5mm，所述平底圆角压头的平底长度范围为5～10mm，圆角半径范围为2.5～5mm。

4.根据权利要求1所述的一种基于电阻焊的叠层板同步复合双点渐进成形装置，其特征在于，所述第一压头(2)和第二压头(5)均为平底圆角压头，其中第一压头(2)和第二压头(5)中一个为主动电极压头，另一个为辅助电极压头。

5.根据权利要求4所述的一种基于电阻焊的叠层板同步复合双点渐进成形装置，其特征在于，所述平底圆角压头的平底长度范围为5～10mm，圆角半径范围为2.5～5mm。

6.根据权利要求1所述的一种基于电阻焊的叠层板同步复合双点渐进成形装置，其特征在于，所述第一压头(2)和第二压头(5)均由镍基高温合金制成。

7.一种如权利要求1～6中任一所述的渐进成形装置的方法，其特征在于，包括：

步骤S1：根据成形件的特征确定第一压头(2)和第二压头(5)的组合类型。

步骤S2：根据成形件形状确定第一压头(2)和第二压头(5)的运动轨迹和运动时间；

步骤S3：确定所需要的电流，并设定可调式时变电源(1)的电压；

步骤S4：根据第一压头(2)和第二压头(5)的运动轨迹和运动时间，确定可调式时变电源(1)的接通时间和时刻；

步骤S5：根据第一压头(2)和第二压头(5)的运动轨迹和运动时间，以及可调式时变电源(1)的接通时间和时刻对叠层板进行复合渐进成形。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤S4确定可调式时变电源(1)的接通时间和时刻的过程具体包括：

步骤S41：设定第一压头(2)的初始位置作为X轴原点位置，并初始化计数参数；

步骤S42：当第一压头(2)每跨越一次X轴原点位置，则计数参数加1；

步骤S43：当计数参数为自然数n的倍数或为n的倍数加1时，接通可调式时变电源(1)，反之，断开可调式时变电源(1)。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，当第一压头(2)为半球形压头，所述第二压头(5)为平底圆角压头时，所述背压气缸(8)对第二压头(5)施加背压力补偿第二压头(5)Z向的运动轨迹。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，当第一压头(2)和第二压头(5)均为平底圆角压头时，在成形过程中，两个背压气缸(7、8)分别补偿第一压头(2)和第二压头(5)Z向的运动轨迹。