CN110026699A - 一种用于薄板金属材料的超声辅助电阻点焊装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于薄板金属材料的超声辅助电阻点焊装置及方法，属于焊接制造技术领域。该装置包括电阻点焊电极和位于电阻点焊电极一侧的超声工具头；超声工具头的轴线与所述点焊电极的轴线之间的距离为2‑15cm；点焊方法包括：1)施加电极压力夹紧被焊工件，通过加压装置将超声工具头与被焊工件紧密贴合，开启超声发生器；2)开启电阻点焊电源输出电流，形成点焊熔核；3)停止输出电流，被焊工件在电极压力和超声振动共同作用下冷却结晶；4)停止输出电流50‑200ms后，关闭超声发生器。本发明不改变原有电阻点焊设备，将超声直接施加到被焊工件上，焊后熔核组织细化、孔隙性缺陷少，实现了铝合金等轻量化金属材料的高质量点焊连接。

Description

一种用于薄板金属材料的超声辅助电阻点焊装置及方法

技术领域

本发明涉及焊接制造技术领域，具体涉及一种用于薄板金属材料的超声辅助电阻点焊装置及方法。

背景技术

薄板金属材料的电阻点焊技术因具有高效率、低成本、高自动化程度等优点，已成为航空航天、汽车制造、轨道交通等领域应用最广泛的焊接方法之一。然而，对于铝合金、镁合金和钛合金等轻量化金属材料，焊点的质量是限制其大规模应用的瓶颈之一。轻量化金属材料含合金元素较多，表面易于氧化，在电阻点焊过程中，熔核区金属快速熔化和凝固，导致熔核中形成较大的凝固收缩应力并且成分来不及均匀化，容易出现缩孔、疏松和裂纹等孔隙性缺陷。

超声波作用于金属熔体会产生一系列的物理效应，主要有声空化和声流效应。声空化效应在熔体中产生局部高温高压以及冲击波和声射流；声流效应促进金属熔体的流动。这些物理效应共同作用，影响熔体的流动和凝固行为，使熔核组织细化并减少孔隙性缺陷。目前已有将超声引入电阻点焊的报道：申请号为201510096036.9的中国专利，同轴式超声辅助电阻点焊装置及方法，采用与电阻点焊电极同轴的环形超声工具头实现超声-电阻点焊复合，对原有的电阻点焊设备改动较大，增加了装置的复杂程度，且超声振动只能垂直或平行于待焊工件施加。申请号为201510357883.6的中国专利，一种超声波-电阻复合焊接方法，通过在点焊电极上直接施加超声振动达到超声波-电阻焊的复合，这种设计不足之处在于，点焊时的电极压力严重阻碍电极的超声振动，而且电极高速振动可能加剧电极磨损。

综上所述，已有的超声辅助电阻点焊方法，存在装置复杂和超声振动利用率低的问题，因此，需要发明一种装置简单、易于实施并有效利用超声振动的超声辅助电阻点焊装置及方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于薄板金属材料的超声辅助电阻点焊装置及方法，在不改动原有电阻点焊设备的前提下，通过超声工具头直接将超声振动施加在点焊熔核周围母材上，利用超声的声空化和声流效应细化熔核组织、减少孔隙性缺陷，从而达到改善点焊质量，提高接头力学性能的目的。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种用于薄板金属材料的超声辅助电阻点焊装置，该装置包括电阻点焊电极和位于电阻点焊电极一侧的超声工具头；所述电阻点焊电极包括上电极和下电极，上电极和下电极均为圆柱状结构，上电极和下电极分别相对设置于待焊工件的上方和下方；所述超声工具头设于待焊工件下方，其为圆柱状结构；所述超声工具头的轴线与所述下电极的轴线之间的距离为2-15cm。

所述电阻点焊电极设有加压装置Ⅰ，加压装置Ⅰ能够对上电极和下电极同时施加所需压力，并将压力传输至待焊位置。

所述上电极和下电极均与电阻点焊电源相连接；点焊时，待焊薄板材料相搭接，加压装置Ⅰ通过上电极和下电极分别向薄板材料的搭接处施压，且电阻点焊电源输出电流，使薄板材料在搭接处焊合。

所述超声工具头通过换能器与超声发生器连接；所述超声工具头设有加压装置Ⅱ。

所述待焊工件的上方对应于超声工具头的位置设有限位装置，所述限位装置的下表面为平面，点焊时限位装置的下表面与待焊工件的上表面紧密贴合。

所述超声工具头的端面可设置花纹或微齿结构；所述超声工具头轴线与待焊工件的角度为0-90°。

利用所述装置进行薄板金属材料的超声辅助电阻点焊方法，该方法包括如下步骤：

(1)预压阶段：将待焊工件以搭接的方式置于所述电阻点焊电极的上电极和下电极中间，通过加压装置Ⅰ向上电极和下电极施加压力夹紧被焊工件；再通过加压装置Ⅱ将向超声工具头施加压力使其与被焊工件紧密贴合，通过限位装置保持工件不发生位移变形；开启超声发生器，使超声工具头发生振动；

(2)通电形核阶段：电阻点焊电源输出电流，被焊工件在搭接面上形成点焊熔核；

(3)冷却阶段：电阻点焊电源停止输出电流，被焊工件在电极压力和超声振动共同作用下冷却结晶；

(4)分离阶段：电阻点焊电源停止输出电流50-200ms后，停止超声工具头振动，卸载点焊电极压力和超声工具头压力，被焊工件与超声辅助电阻点焊装置分离。

本发明的有益效果是：

1)本发明在电阻点焊电极附近单独设置超声工具头，不改变原有电阻点焊设备，方法适应性高。

2)本发明在保证电阻点焊自动化和高效率的前提下，将超声直接施加到被焊工件上，超声振动阻力小，提高了超声的利用率。

3)本发明通过引入超声促进电阻点焊熔核金属的传质传热，使熔核组织细化并抑制熔核中孔隙性缺陷形成，实现了轻量化金属材料的高质量点焊连接。

附图说明

图1是本发明用于薄板金属材料的超声辅助电阻点焊装置结构示意图；

图2是实施例1的熔核纵截面宏、微观形貌；

图3是对比例1的熔核纵截面宏、微观形貌；

图4是实施例2的熔核纵截面宏、微观形貌；

图5是对比例2的熔核纵截面宏、微观形貌。

图中：1-上电极；2-上板；3-下板；4-下电极；5-限位装置；6-超声工具头；7-换能器；8-超声发生器；9-电阻点焊电源。

具体实施方式

为了进一步了解本发明的内容、特点及效果，列举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

本发明首先提供一种用于薄板金属材料的超声辅助电阻点焊装置，其结构如图1所示。该装置包括电阻点焊电极和位于电阻点焊电极一侧的超声工具头6，所述超声工具头通过换能器7与超声发生器8连接；所述电阻点焊电极包括上电极1和下电极4，上电极和下电极均为圆柱状结构，上电极和下电极分别相对设置于待焊工件的上方和下方；所述超声工具头设于待焊工件下方，其为圆柱状结构；所述超声工具头的轴线与所述下电极的轴线之间的距离优选为10cm。

所述待焊工件是由金属薄板搭接而成，包括上板2和下板3。

所述电阻点焊电极设有加压装置Ⅰ，加压装置Ⅰ能够对上电极和下电极同时施加所需压力，并将压力传输至待焊位置。所述上电极和下电极均与电阻点焊电源9相连接；点焊时，上板2和下板3相搭接，加压装置Ⅰ通过上电极和下电极分别向薄板材料的搭接处施压，且电阻点焊电源输出电流，使薄板材料在搭接处焊合。

所述超声工具头设有加压装置Ⅱ；所述待焊工件的上方对应于超声工具头的位置设有限位装置5，所述限位装置的上、下表面为平面，其整体结构可为柱状，点焊时限位装置的下表面与待焊工件的上表面紧密贴合且限位装置保持不动。

所述超声工具头的端面可设置花纹或微齿结构；所述超声工具头轴线与待焊工件的角度为0-90°。

实施例1

本实施例的超声辅助电阻点焊装置中，上电极1和下电极4直径均为8mm。超声工具头6直径为5mm，在与下电极4轴线相距10cm的位置与工件接触。超声工具头6与下电极4之间的距离可以有效保证超声的能量作用于熔核，同时超声工具头6与下电极4不发生干涉。根据焊接材料不同，超声工具头6的端面可以为平面也可以设置有花纹或微齿，以保证有效传递超声振动。超声工具头6与被焊工件的角度可以为0-90°之间。

超声发生器8和换能器7为超声波领域常用装置，通过声学系统产生谐振将超声振动能量通过超声工具头6传递到被焊工件。为了防止在工具头压力下薄板工件发生位移变形，需要设置限位装置5。

电阻点焊电源9可以选用直流、交流或脉冲电源。电阻点焊电源9连接上电极1和下电极4，对其输出直流、交流或脉冲电流。

利用上述超声辅助电阻点焊装置对2张2.5mm厚的5083铝合金板材进行点焊，具体操作步骤如下：

1)预压阶段：

上电极1在加压装置Ⅰ的控制下对被焊工件上板2施加1.2kN压力，调整限位装置5使其接触上板2，超声工具头6在加压装置Ⅱ的控制下对被焊工件下板3施加100N压力，使电阻点焊电极和超声工具头与被焊工件紧密接触。保持上电极1和超声工具头6的压力，开启超声发生器8，使超声工具头6发生振动，超声振动频率为38kHz，振幅50μm。

2)通电形核阶段

保持上电极1压力及超声工具头6的振动，开启电阻点焊电源9输出30kA的直流电流，通电时间150ms。被焊工件搭接面上的接触点在电阻热的作用下熔化。在此阶段，超声在熔核金属中产生空化和声流效应，促进熔体中的传热和传质。

3)冷却结晶阶段

保持上电极1压力及超声工具头6的振动，电阻点焊电源9停止输出电流，被焊工件的熔核区金属在电极压力和超声振动共同作用下冷却结晶，凝固后的熔核组织细化，孔隙性缺陷减少。

4)分离阶段

电阻点焊电源9停止输出电流100ms后，停止超声工具头6振动，卸载电极压力和超声工具头压力，被焊工件与点焊电极和超声工具头6分离，完成点焊过程。图2是实施例1的熔核纵截面宏、微观形貌。

实施例2

本实施例采用与实施例1相同的超声辅助电阻点焊装置，对2张1mm厚的6061铝合金板材进行点焊，具体操作步骤如下：

1)预压阶段：

上电极1在加压装置Ⅰ的控制下对被焊工件上板2施加1.2kN压力，调整限位装置5使其接触上板2，超声工具头6在加压装置Ⅱ的控制下对被焊工件下板3施加50N压力，使电阻点焊电极和超声工具头与被焊工件紧密接触。保持上电阻点焊电极1和超声工具头6的压力，开启超声发生器8，使超声工具头6发生振动，超声振动频率为38kHz，振幅30μm。

2)通电形核阶段

保持上电极1压力及超声工具头6的振动，开启电阻点焊电源9输出20kA的直流电流，通电时间100ms。被焊工件搭接面上的接触点在电阻热的作用下熔化。在此阶段，超声在熔核金属中产生空化和声流效应，促进熔体中的传热和传质。

3)冷却结晶阶段

保持上电极1压力及超声工具头6的振动，电阻点焊电源9停止输出电流，被焊工件的熔核区金属在电极压力和超声振动共同作用下冷却结晶，凝固后的熔核组织细化，孔隙性缺陷减少。

4)分离阶段

电阻点焊电源9停止输出电流50ms后，停止超声工具头6振动，卸载电极压力和超声工具头压力，被焊工件与点焊电极和超声工具头6分离，完成点焊过程。图4是实施例2的熔核纵截面宏、微观形貌。

对比例1

与实施例1采用的焊接装置、焊接工艺参数及材料完全相同，区别在于不加超声。图3是对比例1的熔核纵截面宏、微观形貌。

对比例2

与实施例2采用的焊接装置、焊接工艺参数及材料完全相同，区别在于不加超声。图5是对比例2的熔核纵截面宏、微观形貌。

Claims (7)

1.一种用于薄板金属材料的超声辅助电阻点焊装置，其特征在于：该装置包括电阻点焊电极和位于电阻点焊电极一侧的超声工具头；所述电阻点焊电极包括上电极和下电极，上电极和下电极均为圆柱状结构，上电极和下电极分别相对设置于待焊工件的上方和下方；所述超声工具头设于待焊工件下方，其为圆柱状结构；所述超声工具头的轴线与所述下电极的轴线之间的距离为2-15cm。

2.根据权利要求1所述的用于薄板金属材料的超声辅助电阻点焊装置，其特征在于：所述电阻点焊电极设有加压装置Ⅰ，加压装置Ⅰ能够对上电极和下电极同时施加所需压力，并将压力传输至待焊位置。

3.根据权利要求2所述的用于薄板金属材料的超声辅助电阻点焊装置，其特征在于：所述上电极和下电极均与电阻点焊电源相连接；点焊时，待焊薄板材料相搭接，加压装置Ⅰ通过上电极和下电极分别向薄板材料的搭接处施压，且电阻点焊电源输出电流，使薄板材料在搭接处焊合。

4.根据权利要求3所述的用于薄板金属材料的超声辅助电阻点焊装置，其特征在于：所述超声工具头通过换能器与超声发生器连接；所述超声工具头设有加压装置Ⅱ。

5.根据权利要求4所述的用于薄板金属材料的超声辅助电阻点焊装置，其特征在于：所述待焊工件的上方对应于超声工具头的位置设有限位装置，所述限位装置的下表面为平面，点焊时限位装置的下表面与待焊工件的上表面紧密贴合。

6.根据权利要求1所述的用于薄板金属材料的超声辅助电阻点焊装置，其特征在于：所述超声工具头的端面可设置花纹或微齿结构；所述超声工具头轴线与待焊工件的角度为0-90°。

7.一种利用权利要求5所述装置进行的用于薄板金属材料的超声辅助电阻点焊方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

(1)预压阶段：将待焊工件以搭接的方式置于所述电阻点焊电极的上电极和下电极中间，通过加压装置Ⅰ向上电极和下电极施加压力夹紧被焊工件；再通过加压装置Ⅱ将向超声工具头施加压力使其与被焊工件紧密贴合，通过限位装置保持工件不发生位移变形；开启超声发生器，使超声工具头发生振动；

(2)通电形核阶段：电阻点焊电源输出电流，被焊工件在搭接面上形成点焊熔核；

(3)冷却阶段：电阻点焊电源停止输出电流，被焊工件在电极压力和超声振动共同作用下冷却结晶；

(4)分离阶段：电阻点焊电源停止输出电流50-200ms后，停止超声工具头振动，卸载点焊电极压力和超声工具头压力，被焊工件与超声辅助电阻点焊装置分离。