CN109807444B - 一种压电致动器辅助施压的电阻焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电致动器辅助施压的电阻焊接方法，通过压电致动器推动运动端头实现传统气缸/伺服/其他加压方式以外的另一级压力推动装置，将该装置同轴内置于环形电极，通过运动端头长度调节实现并联/串联加压方式，运动端头通过环形电极内部伸出，从而形成两级压力驱动的电阻点焊方法。该方法可分阶段对焊接质量进行调控，在预压力阶段通过压电致动器高频振动实现氧化膜清理作用，在通电焊接阶段通过压电致动器高频振动实现熔池搅拌、晶粒细化作用，在断电锻压阶段通过压电致动器高频振动实现应力消除作用，可对焊点质量进行有效强化，同时易于实现自动化，提高生产效率。

Description

一种压电致动器辅助施压的电阻焊接方法

技术领域

本发明涉及一种新型电阻焊(包括但不限于电阻点焊、缝焊)过程电极压力的复合高动态调控方法，属于焊接方法领域。

背景技术

电阻焊是压力焊的一种，包括点焊、缝焊、凸焊等具体形式，其焊接质量最关键的两大因素就是电极压力和焊接电流波形的调控。其中电阻点焊尤其以其高效率、低成本、易于自动化等优点在汽车白车身装配、制造中长期占主导地位，随着汽车轻量化进程的推进，铝合金材料、高强钢和超高强钢的使用，对电阻点焊工艺提出更高的要求和新的挑战。以下内容以电阻点焊过程为典型载体，说明本发明针对电阻焊接过程电极压力的复合高动态调控思想和实现方法。

电极压力的是电阻点焊工艺重要参数，通过在点焊过程中有效的控制压力输出与金属熔化、凝固的配合，可有效的提高电阻点焊质量。针对目前电阻点焊技术，压力加载方式主要有气动加压和电伺服加压两种方式。气动加压方式中，气动焊枪的技术特性与电阻点焊的技术要求决定了气动焊枪的电极力在焊接过程中固定、不可调，响应时间长，由于点焊的焊接时间(电流通电)非常短，只有约10个周波(200ms)，而要在此很短时间内通过改变电极力实现对焊点质量控制，气动加压方式无法满足。电伺服加压方式中，其主要通过调整伺服电机的电流来改变电机的扭矩，进而改变电极压力，响应时间大幅缩短，约为3个周波(60ms)，仍然无法在点焊周期内实现电极压力的高动态脉冲编程调控，限制了电阻焊接过程质量控制的有效途径。。

特别是针对各类新型铝合金、超高强钢、铝钢等异种金属焊接，电阻焊接质量往往较差，接头性能损失大，如能实现电阻焊接过程电极压力的高动态脉冲调控，使电极压力响应速度提升到1ms以内，可为电阻焊过程质量调控提供极为有力的手段。例如，针对新型轻质铝合金材料，由于其热导率大等自身材料属性，点焊过程通常采用短时间、大电流的焊接硬规范。有学者指出，铝合金电阻点焊，焊接通电阶段时间较短(40-80ms)，焊接区膨胀速度快，熔核快速生长，120ms后熔核尺寸基本保持不变，说明焊接后期，熔核处产热与散热达到了热平衡。根据铝合金电阻点焊规范，厚度小于1mm的铝合金，焊接有效通电时间为20-40ms；厚度在1-2mm之间的铝合金，焊接有效通电时间为80-100ms。可见，传统的电伺服加压方式仍然无法在短时间内实现焊接通电过程中的压力可编程调控。

为解决传统电阻点焊压力加载动态响应不足的问题，本发明在传统电阻点焊机气动/伺服加压基础上，发明一种新的“宏微复合压力编程调控”方法，即宏观压力由传统加压方式提供，焊接过程中压电致动器驱动电极端头提供高动态微观复合压力。本发明给出一种实现这种电极复合压力输出的环状电极设计示例，说明发明内容和工作原理，电极外环与电极臂相连，压电致动器元件置于电极臂内部，前端连接运动端头与环形电极端面形成锥台电极端头，后端通过螺栓或其它方法固定，可为压电致动器提供大小可调的预紧力，外环在气缸/伺服电机驱动现有压力加载方式下产生宏观静压力，压电致动器在外部驱动电压控制下在整个焊接过程指定阶段产生可调可控的高频脉冲压力，脉冲波形可以按需设计，从而形成宏观压力和微观高频压力叠加的输出形式。新型电极端头由外环端面及中部运动端头组成，运动端头是通过与环形电极内部接触实现电流的导通，从而整个电极端头均可通电，保证了电阻点焊在熔化过程中的能量输入。由于压电致动器高频脉冲激振力的输入，影响了电阻点焊形核过程，高频激振力将作用于熔凝态熔核熔池，对熔池形成搅拌，打碎内部枝晶臂以达到细化晶粒的作用，进一步增加焊点强度。

发明内容

本发明目的在于克服现有电阻点焊过程动态调节能力不足，提出一种压电致动器辅助电阻点焊压力调控焊接方法。该焊接方法通过将压电致动器内置于电极内腔使电极压力呈现宏观静压和高频激振力组合的新型压力输出形式，通过改变环状电极压力内部结构实现宏观压力和压电伺服动态压力的串联或并联输出，从而实现电机压力宏微串联复合或并联复合编程、调控调。焊接过程中，在预压阶段、焊接阶段和锻压阶段分别对压力进行调节和组合，不仅实现了氧化膜清理，也实现了在熔化过程中晶粒细化的效果。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为一种压电致动器辅助施压的电阻焊接方法，本方法是在电阻点焊机基础上增加压电致动辅助压力调节。在焊接过程中，通过压电致动器使上/下电极压力呈现宏观静压和高频激振力组合的压力输出形式，通过焊接电压触发机制，实现对压电致动器的起振时间、振动持续时间、振动频率及压电致动器输出压力的控制，从而实现压力输出的不同组合形式及分阶段振动效果。所述的电阻点焊机能为气动电阻点焊机和电伺服电阻点焊机。

上/下电极由两级组成，两级之间由螺栓紧固，上/下电极内部中空能够保证将绝缘保护后的压电致动器推动系统置入；上/下电极材料根据待焊金属为纯铜，铬铜或铍铌铜。

上/下电极端部呈环形，环形内径与压电致动器推动系统端部的运动端头外壁形成配合，保证电流导通；环形电极是基于平面电极，球面电极或弧面电极加工完成。

压电致动器推动系统由端部运动端头、压电致动器、压力传感器和尾部紧固螺栓组成，在端部运动端头和压电致动器连接处，压电致动器与压力传感器连接处，压电致动器外部均设置有绝缘保护；端部运动端头从环形电极中部伸出，外壁与环形电极内壁形成配合保证电流导通；整个推动系统零件均位于电极内腔中心，尾部由紧固螺栓与电极外壁连接，实现预紧力的调节。

端部运动端头能够加工成不同长度，依据伸出部分的长度调节实现两种加压方式，包括并联加压方式和串联加压方式。并联加压方式：安装运动端头后，其端部与电极端部水平/略低，气缸/伺服电机施加的力全部作用于环形电极，压电致动器的预紧力仅来自于尾部紧固螺栓；焊接电流流经环形电极和运动端头；通电后熔核膨胀与运动端头端部接触，运动端头由压电致动器驱动锤击熔核。串联加压方式：安装运动端头后，其端部高于电极端部，压电致动器预紧力来自于尾部紧固螺栓和气缸/伺服电机压力；焊接电流流仅经运动端头；通电后运动端头整体锤击熔核。

压电致动器控制系统依次由电压触发装置、信号发生器和压电致动器驱动器组成。测量焊接过程中的电压信号，该电压信号的上升沿与通电时刻同步，因此通过该电压信号触发装置能够实现对压电致动器推动系统的振动阶段的划分：当通过电压触发停止压电致动器时能够实现在预压阶段的振动；当通过电压触发启动压电致动器时，能够实现在通电过程的振动；当通过电压触发启动压电致动器并设置与通电时间相同的延时时，能够实现在断电后的振动。通过信号发生器的输出波形控制，对压电致动器的起振时间、振动持续时间、振动频率及压电致动器输出压力的控制，形成不同阶段的振动组合以及不同振动强度。

使用过程中电极按照常规夹持方式安装于电阻点焊机。

电极的冷却能够采取水冷或者气冷等冷却方式。

该焊接方法具体操作步骤如下(以传统气动加压电阻点焊为例)：

(1)焊前准备。将焊件准备就绪并用夹具固定，可根据情况适当选择是否进行表面清洗。选择不同长度运动端头从而选择并联加压方式/串联加压方式，调节电极尾部紧固螺栓设置预紧力，连接压电致动器控制系统保证电路导通。启动电阻点焊机，打开气泵(如使用的为气动焊机)。

(2)焊接参数设置。根据待焊材料及厚度确定焊接压力、焊接通电时间，并由小到大增加电流选择合适的焊接参数。根据辅助振动阶段不同的需求，设置信号发生器输出方波信号的延时时间、振动持续时间、频率以及幅值。

(3)焊接。待焊接参数设置完毕后，踏下点焊踏板进行焊接。观察焊接过程中是否存在飞溅，进而设置压电致动器的动态压力输出；通过调节不同的压电致动器参数(频率、振幅、持续时间)和振动阶段，实现晶粒细化进而得到高质量焊核。

与现有技术相比，本发明方法的优点如下。

1、与传统电阻点焊中气动加压、电伺服加压相比较，本发明可高动态地对焊接过程压力进行调节和控制，通过压电致动器元件可在微秒级时间单位上迅速响应，并且提供足够的推力。因此，在保证基本焊接压力的前提下，可对压力分阶段且高动态调节，为电阻点焊焊接过程和质量控制提供保证条件。

2、与传统电阻点焊过程相比较，本发明由于增加了一级高动态元件，丰富了电阻点焊过程的参数组合。因此，可在预压阶段施加高频驱动力主要作用于氧化膜清理，在通电阶段施加高频驱动力主要作用于熔核内部金属液体搅拌，在锻压阶段施加高频驱动力主要作用于凝固阶段熔核锤击和应力消除，从三个不同层面实现对焊接质量的提高。

3、对于本发明，设计是基于传统电阻焊机，在使用过程中只需更换新型电阻焊电极及附加的压电致动单元的驱动控制系统，无需改动整个生产线。因此，本发明在可以提高焊点质量的同时，更易于实现生产线的更新，且无需增加额外的工序，提高焊接生产效率和质量。

附图说明

图1是本焊接方法电极结构示意图。

图2是本焊接方法工作示意图。

图中：1：运动端头，2：压电致动器，3：压力传感器，4：尾部紧固螺栓，5：环形电极，6：尾部电极，7：上、下电极连接螺栓，8：螺母，9：压电致动器外侧绝缘层，10：压力传感器外部绝缘垫，11：压电致动器与运动端头间绝缘层，12：压电致动器连接线a，18：压电致动器连接线b，13：压力传感器连接线a，15：压力传感器连接线b，14：工控机，16：电流信号线，17：电压信号线，19：数据采集装置，20：压电致动器触发装置，21：压电致动器驱动器，22：信号发生器/信号编程装置，23、上电极，24、下电极，25：电阻点焊机踏板，26：气缸/伺服加压电机，27：电阻点焊机控制面板，28：电阻电焊机。

具体实施方式

以下参考附图具体地说明本发明实施方式。

首先，安装压电致动器辅助的电阻点焊电极，选择运动端头长度实现并联加压/串联加压，将运动端头1与绝缘层11连接固定，压电致动器2与外侧绝缘层9连接固定，压力传感器3与绝缘层10连接固定，通过螺纹连接将运动端头1与绝缘层11，压电致动器2与外侧绝缘层9，压力传感器3与绝缘层10共三部分同轴连接插入环形电极5，运动端头1穿过环形电极前端。将尾部电极6与上述部件同轴连接，通过上、下电极紧固螺栓7、螺母8将两部分连接固定，将尾部紧固螺栓4从尾部电极口插入并通过螺纹拧紧，确保整个电阻点焊电极内部结构稳定同轴连接。压电致动器连接线a12、压电致动器连接线b 18和压力传感器连接线a13、压力传感器连接线b15从电阻点焊电极侧壁小孔导出以备后续测量连接使用。

然后，将安装好的电阻点焊电极安装在电阻点焊机的电极臂上，对位置进行初始化设置。将压电致动器2通过连接线a12、压电致动器连接线b18依次与压电致动驱动器21、信号发生器22相连，压电致动器2的参数调整在信号发生器22中进行设置。依次将压电致动器发生装置20和压电致动器发生器21相连。分别通过压力信号连接线15、电流信号连接线16和电压连接线17将相应的传感器接入数据采集卡19，数据采集卡19与工控机相连实现数据的采集、存储、分析和控制。

最后，在做好电极组装、安装和电路连接后，检查通过，启动电阻点焊机28，通过控制面板27设置焊接参数，其中焊接压力装置26为气缸加压或者为电伺服电机加压。将待焊工件置于电极中心，踏下电阻点焊机踏板25，完成一次焊接过程。分析和保存数据，观察焊件表面成型、熔核尺寸以及焊接过程中有无飞溅等质量缺陷，调整焊接参数，如此往复，直至获得质量满足的熔核。

利用本发明的压电致动器辅助的电阻点焊装置可以实现电阻点焊过程中压力的高动态调节和分阶段压力形式组合，以适应不同的焊件需求。压电致动器的振动作用可以实现在预压阶段的氧化膜清理，通电焊接阶段的金属熔池搅拌、晶粒细化，以及断电锻压阶段的残余应力消除等作用。此外，还可以通过快速调控，消除焊接过程中飞溅等缺陷，且自动化、工业化潜力较大，有效提高焊核质量和生产效率。

Claims (8)

1.一种压电致动器辅助施压的电阻焊接方法，其特征在于：本方法是在电阻点焊机基础上增加压电致动辅助压力调节；在焊接过程中，通过压电致动器使上/下电极压力呈现宏观静压和高频激振力组合的压力输出形式，通过焊接电压触发机制，实现对压电致动器的起振时间、振动持续时间、振动频率及压电致动器输出压力的控制，从而实现压力输出的不同组合形式及分阶段振动效果；所述的电阻点焊机能为气动电阻点焊机和电伺服电阻点焊机；压电致动器推动系统由端部运动端头、压电致动器、压力传感器和尾部紧固螺栓组成，在端部运动端头和压电致动器连接处，压电致动器与压力传感器连接处，压电致动器外部均设置有绝缘保护；端部运动端头从环形电极中部伸出，外壁与环形电极内壁形成配合保证电流导通；整个推动系统零件均位于电极内腔中心，尾部由紧固螺栓与电极外壁连接，实现预紧力的调节；

端部运动端头能够加工成不同长度，依据伸出部分的长度调节实现两种加压方式，包括并联加压方式和串联加压方式；并联加压方式：安装运动端头后，其端部与电极端部水平/略低，气缸/伺服电机施加的力全部作用于环形电极，压电致动器的预紧力仅来自于尾部紧固螺栓；焊接电流流经环形电极和运动端头；通电后熔核膨胀与运动端头端部接触，运动端头由压电致动器驱动锤击熔核；串联加压方式：安装运动端头后，其端部高于电极端部，压电致动器预紧力来自于尾部紧固螺栓和气缸/伺服电机压力；焊接电流流仅经运动端头；通电后运动端头整体锤击熔核。

2.根据权利要求1所述的一种压电致动器辅助施压的电阻焊接方法，其特征在于：上/下电极由两级组成，两级之间由螺栓紧固，上/下电极内部中空能够保证将绝缘保护后的压电致动器推动系统置入。

3.根据权利要求2所述的一种压电致动器辅助施压的电阻焊接方法，其特征在于：上/下电极材料根据待焊金属为纯铜，铬铜或铍铌铜。

4.根据权利要求1所述的一种压电致动器辅助施压的电阻焊接方法，其特征在于：上/下电极端部呈环形，环形内径与压电致动器推动系统端部的运动端头外壁形成配合，保证电流导通；环形电极是基于平面电极，球面电极或弧面电极加工完成。

5.根据权利要求1所述的一种压电致动器辅助施压的电阻焊接方法，其特征在于：压电致动器控制系统依次由电压触发装置、信号发生器和压电致动器驱动器组成；测量焊接过程中的电压信号，该电压信号的上升沿与通电时刻同步，因此通过该电压信号触发装置能够实现对压电致动器推动系统的振动阶段的划分：当通过电压触发停止压电致动器时能够实现在预压阶段的振动；当通过电压触发启动压电致动器时，能够实现在通电过程的振动；当通过电压触发启动压电致动器并设置与通电时间相同的延时时，能够实现在断电后的振动；通过信号发生器的输出波形控制，对压电致动器的起振时间、振动持续时间、振动频率及压电致动器输出压力的控制，形成不同阶段的振动组合以及不同振动强度。

6.根据权利要求1所述的一种压电致动器辅助施压的电阻焊接方法，其特征在于：使用过程中电极按夹持方式安装于电阻点焊机。

7.根据权利要求1所述的一种压电致动器辅助施压的电阻焊接方法，其特征在于：电极的冷却能够采取水冷或者气冷冷却方式。

8.根据权利要求1所述的一种压电致动器辅助施压的电阻焊接方法，其特征在于：该焊接方法具体操作步骤如下，

(1)焊前准备；将焊件准备就绪并用夹具固定，可根据情况适当选择是否进行表面清洗；选择不同长度运动端头从而选择并联加压方式/串联加压方式，调节电极尾部紧固螺栓设置预紧力，连接压电致动器控制系统保证电路导通；启动电阻点焊机，打开气泵；

(2)焊接参数设置；根据待焊材料及厚度确定焊接压力、焊接通电时间，并由小到大增加电流选择合适的焊接参数；根据辅助振动阶段不同的需求，设置信号发生器输出方波信号的延时时间、振动持续时间、频率以及幅值；

(3)焊接；待焊接参数设置完毕后，踏下点焊踏板进行焊接；观察焊接过程中是否存在飞溅，进而设置压电致动器的动态压力输出；通过调节不同的压电致动器参数和振动阶段，实现晶粒细化进而得到高质量焊核。

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