CN110732794A - 一种超声波与电磁脉冲复合焊接装置及复合焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声波与电磁脉冲复合焊接装置及复合焊接方法，复合焊接装置包括：装置机座、复合焊接组件和焊件夹持装置；所述复合焊接组件安装在装置机座的工作台的上方，焊件夹持装置安装在工作台上，焊件夹持装置能升降；复合焊接组件包括控制箱、超声波换能器、变幅杆和焊头；超声波换能器的上端安装在控制箱的内部，超声波换能器的下端连接变幅杆，变幅杆的下端连接焊头，焊头内置电磁线圈；该复合焊接方法先利用超声波能量对两块焊接板件的焊接部位进行超声软化和去除氧化膜，再对焊接部位施加电磁线圈产生的瞬时高压电磁力，使焊接部位焊合成型。该复合焊接装置能满足异种材质板件的焊接要求，该复合焊接方法能提高焊接部位的稳定性。

Description

一种超声波与电磁脉冲复合焊接装置及复合焊接方法

技术领域

本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种超声波与电磁脉冲复合焊接装置及复合焊接方法。

背景技术

焊接是一种以加热、高温或者高压的方式接合金属或其他热塑性材料如塑料的制造工艺及技术。焊接通过下列三种途径达成接合的目的：其一，熔焊，加热欲接合之工件使之局部熔化形成熔池，熔池冷却凝固后便接合，必要时可加入熔填物辅助，它是适合各种金属和合金的焊接加工，不需压力；其二，压焊，焊接过程必须对焊件施加压力，属于各种金属材料和部分金属材料的加工；其三，钎焊，采用比母材熔点低的金属材料做钎料，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙，并与母材互相扩散实现链接焊件，适合于各种材料的焊接加工，也适合于不同金属或异类材料的焊接加工。现代焊接的能量来源有很多种，包括气体焰、电弧、激光、电子束、摩擦和超声波等。焊接又可以分为固态焊接和融化焊接。融化焊接在焊接轻金属时容易造成裂纹、气孔、收缩腔、空隙等，热影响区较大，导致焊接质量不稳定，焊接的残余应力较大，降低材料刚度和疲劳寿命。而固态焊接尤其是超声波焊接和电磁脉冲焊能够有效避免缺陷的生成。因此随着工业的发展，超声波焊接技术和电磁脉冲焊接技术逐渐兴起并快速发展。

超声波焊机是通过高频的机械振动（20kHz~50kHz）和恒定的静压力使焊接工件的界面受到较大的剪切力，使材料尤其是材料的焊接界面产生塑性变形，焊接界面将在较短的时间内急速升温，从而使工件达到固相连接的状态。研究发现超声波能促使原子运动加速，形成更多的空穴，促使金属熔点降低，具有超声软化的功能。而且超声波焊接时间短，能量利用率高，对环境比较友好，是轻金属焊接的理想焊接方式。但目前超声波焊接只能焊接厚度为3mm以下的材料，而且焊接的强度相对较低，目前适合焊接丝、箔、片等细薄件。

电磁脉冲焊接技术是利用高压电磁力在瞬间产生的撞击，使两焊件焊合的一种新型焊接法，焊接过程在瞬时完成、无污染，可进行异种金属及金属与非金属的焊接，焊接强度较高；但是，电磁脉冲焊接技术要求清理焊接工件的表面，避免工件表面的吸附层或氧化层对焊接质量的影响，焊接对工件的厚度也有一定的要求，比较适宜焊接Al与Al材，Cu与Cu板，但Mg与Cu、Mg与Fe的焊接较为困难。

结合现有技术，超声波焊接技术和电磁脉冲焊接技术在焊接同种或异种材质工件时存在缺陷，这两种焊接方法分别对焊接工件的材质有要求，适用范围受到限制。然而超声波焊接与电磁脉冲焊接相结合的焊接技术，既能够利用超声软化和去除氧化膜的功能，又能利用电磁脉冲焊超强的焊接性能，保证焊接质量，使焊接件大规模的适用于运输行业。同时，由于超声软化的作用，使焊接能量的利用率会得到提高，节约了能源。此外，现有的焊接装置在对焊接工件的夹持固定方面存在缺陷，焊接时不夹持工件容易导致工件偏移，从而影响焊接质量。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种超声波与电磁脉冲复合焊接装置及复合焊接方法，该复合焊接装置结合超声波焊接与电磁脉冲焊接，在对焊接板件施加超声波能量的焊头内置电磁线圈，复合焊接过程无需转换焊头，实现快速焊接，工作台上安装能够升降的焊件夹持装置，确保了复合焊接过程中对焊接板件的夹持，防止焊接过程中焊接板件偏移，焊接夹持装置的高度可调以满足不同厚度的焊接板件的夹持固定要求；该复合焊接方法先利用超声波能量对两块焊接板件的焊接部位进行超声软化，使焊接界面产生塑性变形以达到固相连接的状态，再对两块焊接板件的焊接部位施加电磁线圈产生的瞬时高压电磁力，使焊接部位焊合成型，该复合焊接方法提高了两块焊接板件的焊接部位的稳定性。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种超声波与电磁脉冲复合焊接装置，包括：装置机座、复合焊接组件和焊件夹持装置；所述装置机座包括工作台和固定安装在工作台上的引导轴，复合焊接组件利用引导轴安装在工作台的上方，复合焊接组件能够沿引导轴升降并利用锁紧旋钮固定位置，焊件夹持装置安装在工作台上；所述复合焊接组件包括控制箱、超声波换能器、变幅杆和焊头；所述复合焊接组件的控制箱的前表面设置有智能控制面板，超声波换能器的上端安装在控制箱的内部，超声波换能器的下端连接变幅杆，变幅杆的下端连接焊头，焊头内置电磁线圈，电磁线圈与控制箱内安装的脉冲聚能电容器电性连接；超声波换能器外接超声波电源，脉冲聚能电容器外接充电电源，超声波电源与超声波换能器之间设置有超声波电源开关，脉冲聚能电容器与电磁线圈之间设置有高压间隙放电开关,通过智能控制面板控制超声波电源开关和高压间隙放电开关的开合。

进一步的，所述工作台上设置有焊座，焊座位于焊头的正下方。

进一步的，所述焊件夹持装置包括升降夹持器和控制升降夹持器升降的电动升降器。

进一步的，所述升降夹持器包括由两个圆柱固定连接的下平台基座与上平台板和下平台基座与上平台板之间安装的活动压板，活动压板能沿圆柱上下移动，上平台板设有用于安装可调螺柱的螺纹通孔，螺柱的一端穿过上平台板与活动压板的上端面相抵；当下平台基座与活动压板之间夹持有焊接板件时，旋转螺柱使螺柱顶压住活动压板的上端，以此对焊接板件进行夹持固定。

进一步的，所述下平台基座与电动升降器的多级电动推杆固定连接，多级电动推杆安装在电动升降器的底座上，电动升降器的底座与工作台通过螺钉紧固连接。

进一步的，所述电动升降器外接有线或无线控制器，有线或无线控制器控制电动升降器的多级电动推杆伸缩，多级电动推杆的伸缩能带动下平台基座的升降，有线或无线控制器能控制电动升降器实现升降夹持器的点动升降或预设定值升降。

进一步的，所述焊件夹持装置有两个，对称安装在工作台上，分别夹持两块焊接板件；超声波焊接过程中需要两块焊接板件的焊接界面相接触，电磁脉冲焊接过程中需要两块焊接板件的焊接界面有间隔距离，两个焊件夹持装置能够分别利用有线或无线控制器控制升降，能够通过有线或无线控制器预设上焊接板件的上升距离。

本发明还公开了一种超声波与电磁脉冲复合焊接方法，使用前述超声波与电磁脉冲复合焊接装置进行焊接，安装并调试好复合焊接装置，利用升降夹持器与电动升降器将两块待焊接板件分别夹持安装，两块焊接板件的焊接界面相接触，电动升降器外接的有线或无线控制器预设上焊接板件的上升距离0.5~1.5mm，调节焊头使其与上焊接板件接触，超声波换能器接通超声波电源，脉冲聚能电容器接通充电电源；闭合超声波电源开关，超声波换能器通过变幅杆为焊头传递振动能量，利用超声波对两块焊接板件的焊接部位进行超声软化；切断超声波电源开关，通过有线或无线控制器控制电动升降器使升降夹持器所夹持的上焊接板件按预设定值上升，打开高压间隙放电开关使脉冲聚能电容器向焊头内的电磁线圈快速放电，焊头内电磁线圈产生的瞬时高压电磁力使两块焊接板件的焊接部位焊合成型。

进一步的，通过所述电动升降器外接的有线或无线控制器预设上焊接板件的上升距离为1mm。

本发明的有益效果在于：本发明的超声波与电磁脉冲复合焊接装置及复合焊接方法，能够利用焊件夹持装置夹持固定两块焊接板件，确保复合焊接过程中焊接板件的稳定，焊接夹持装置的高度可调以满足不同厚度的焊接板件的夹持固定要求；先利用超声波能量对两块焊接板件的焊接部位进行超声软化并去除焊接界面的氧化膜，通过预设上焊接板件的上升距离，能够实现超声波焊接与电磁脉冲焊接的转换过程中上焊接板件的快速上升，以满足电磁脉冲焊接时两块焊接板件的间隔距离要求，再对两块焊接板件的焊接部位施加电磁线圈产生的瞬时高压电磁力，使上焊接板件的焊接部位瞬间撞击下焊接板件的焊接部位，两焊接板件的焊接部位焊合成型；超声波焊接转换为电磁脉冲焊接的过程无需更换焊头，有效节约了焊接时间，超声波软化后焊接板件表面可能产生的氧化膜得到有效遏制，能提高焊接质量；利用超声波与电磁脉冲复合焊接两块焊接板件，能够满足不同材质的焊接板件之间的焊接要求，适用范围广泛，能够解决Mg与和Cu、Mg与Fe焊接较为困难的问题，能够解决单超声波焊接或单电磁脉冲焊接时焊接质量差的问题，能够提高两块焊接板件的焊接部位的稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明的轴测图；

图2为本发明的主视图；

图3为本发明的左视图；

图4为本发明的焊头的主视结构示意图；

图5为本发明的焊头的左视结构示意图；

图6为本发明的焊件夹持装置的主视结构示意图；

图7为本发明的焊件夹持装置的左视结构示意图；

图8为本发明的电路原理图。

附图中：1-装置机座，11-工作台，12-引导轴，13-锁紧旋钮，14-焊座，2-复合焊接组件，21-控制箱，22-超声波换能器，23-变幅杆，24-焊头，25-智能控制面板，26-电磁线圈，27-脉冲聚能电容器，28-超声波电源，29-充电电源，3-焊件夹持装置，4-升降夹持器，41-下平台基座，42-上平台板，43-活动压板，44-圆柱，45-螺柱，5-电动升降器，51-多级电动推杆，52-底座，53-螺钉，6-焊接板件，61-上焊接板件，71-超声波电源开关，72-高压间隙放电开关。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1-8所示，一种超声波与电磁脉冲复合焊接装置，包括：装置机座1、复合焊接组件2和焊件夹持装置3；所述装置机座1包括工作台11和固定安装在工作台11上的引导轴12；所述复合焊接组件2利用引导轴12安装在工作台11的上方，复合焊接组件2能够沿引导轴12升降并利用锁紧旋钮13固定位置；所述复合焊接组件2包括控制箱21、超声波换能器22、变幅杆23和焊头24；所述复合焊接组件2的控制箱21的前表面设置有智能控制面板25，智能控制面板25外接PLC控制器，通过在智能控制面板25上操作，能实现装置各开关的转换，实现电路的断开或连通、装置组成部件的升降等；超声波换能器22的上端安装在控制箱21的内部，超声波换能器22的下端连接变幅杆23，变幅杆23的下端连接焊头24，焊头24内置电磁线圈26，电磁线圈26与控制箱21内安装的脉冲聚能电容器27电性连接；超声波换能器22外接超声波电源28，脉冲聚能电容器27外接充电电源29，超声波电源28与超声波换能器22之间设置有超声波电源开关71，脉冲聚能电容器27与电磁线圈26之间设置有高压间隙放电开关72,通过智能控制面板25能控制超声波电源开关71和高压间隙放电开关72的开合；所述焊头24正下方的工作台11上设置有焊座14，焊座14的左右两侧的工作台11上对称安装有两个焊件夹持装置3，两个焊件夹持装置3分别用于夹持两块焊接板件6；所述焊件夹持装置3包括升降夹持器4和控制升降夹持器4升降的电动升降器5；所述升降夹持器4包括由两个圆柱44固定连接的下平台基座41与上平台板42和下平台基座41与上平台板42之间安装的活动压板43，活动压板43能沿圆柱44上下移动，上平台板42设有用于安装可调螺柱45的螺纹通孔，螺柱45的一端穿过上平台板42与活动压板43的上端面相抵；下平台基座41与电动升降器5的多级电动推杆51固定连接，多级电动推杆51安装在电动升降器5的底座52上，电动升降器5的底座52与工作台11通过螺钉53紧固连接；电动升降器5外接有线或无线控制器，有线或无线控制器控制电动升降器5的多级电动推杆51伸缩，多级电动推杆51的伸缩能带动下平台基座41的升降。

一种超声波与电磁脉冲复合焊接方法，使用前述超声波与电磁脉冲复合焊接装置进行焊接，安装并调试好复合焊接装置，利用升降夹持器4与电动升降器5将两块待焊接板件6分别夹持安装，使两块焊接板件6的焊接界面相接触，确保复合焊接过程中两块焊接板件6的稳定，预设上焊接板件的上升距离为1mm，调节焊头24使其与上焊接板件61接触，超声波换能器22接通超声波电源28，脉冲聚能电容器27接通充电电源29；闭合超声波电源开关71，超声波换能器22通过变幅杆23为焊头24传递振动能量，利用超声波对两块焊接板件6的焊接部位进行超声软化并去除焊接界面的氧化膜；切断超声波电源开关71，通过有线或无线控制器控制电动升降器5使上焊接板件61上升1mm，以达到两块焊接板件6电磁脉冲焊接时的间隔距离要求，打开高压间隙放电开关72使脉冲聚能电容器27向焊头24内的电磁线圈26快速放电，焊头24内电磁线圈26产生的瞬时高压电磁力使上焊接板件61的焊接部位瞬间撞击下焊接板件的焊接部位，两块焊接板件6的焊接部位焊合成型。

本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

最后应说明的是：以上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实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (9)

1.一种超声波与电磁脉冲复合焊接装置，其特征在于，包括：装置机座（1）、复合焊接组件（2）和焊件夹持装置（3）；所述装置机座（1）包括工作台（11）和固定安装在工作台（11）上的引导轴（12），复合焊接组件（2）利用引导轴（12）安装在工作台（11）的上方，复合焊接组件（2）能够沿引导轴（12）升降并利用锁紧旋钮（13）固定位置，焊件夹持装置（3）安装在工作台（11）上；所述复合焊接组件（2）包括控制箱（21）、超声波换能器（22）、变幅杆（23）和焊头（24）；所述复合焊接组件（2）的控制箱（21）的前表面设置有智能控制面板（25），超声波换能器（22）的上端安装在控制箱（21）的内部，超声波换能器（22）的下端连接变幅杆（23），变幅杆（23）的下端连接焊头（24），焊头（24）内置电磁线圈（26），电磁线圈（26）与控制箱（21）内的脉冲聚能电容器（27）电性连接；超声波换能器（22）外接超声波电源（28），脉冲聚能电容器（27）外接充电电源（29），超声波电源（28）与超声波换能器（22）之间设置有超声波电源开关（71），脉冲聚能电容器（27）与电磁线圈（26）之间设置有高压间隙放电开关（72）,通过智能控制面板（25）控制超声波电源开关（71）和高压间隙放电开关（72）的开合。

2.根据权利要求1所述的一种超声波与电磁脉冲复合焊接装置，其特征在于：所述工作台（11）上设置有焊座（14），焊座（14）位于焊头（24）的正下方。

3.根据权利要求1所述的一种超声波与电磁脉冲复合焊接装置，其特征在于：所述焊件夹持装置（3）包括升降夹持器（4）和控制升降夹持器（4）升降的电动升降器（5）。

4.根据权利要求3所述的一种超声波与电磁脉冲复合焊接装置，其特征在于：所述升降夹持器（4）包括由两个圆柱（44）固定连接的下平台基座（41）与上平台板（42）和下平台基座（41）与上平台板（42）之间安装的活动压板（43），活动压板（43）能沿圆柱（44）上下移动，上平台板（42）设有用于安装可调螺柱（45）的螺纹通孔，螺柱（45）的一端穿过上平台板（42）与活动压板（43）的上端面相抵。

5.根据权利要求4所述的一种超声波与电磁脉冲复合焊接装置，其特征在于：所述下平台基座（41）与电动升降器（5）的多级电动推杆（51）固定连接，多级电动推杆（51）安装在电动升降器（5）的底座（52）上，电动升降器（5）的底座（52）与工作台（11）通过螺钉（53）紧固连接。

6.根据权利要求5所述的一种超声波与电磁脉冲复合焊接装置，其特征在于：所述电动升降器（5）外接有线或无线控制器，有线或无线控制器控制电动升降器（5）的多级电动推杆（51）伸缩，多级电动推杆（51）的伸缩能带动下平台基座（41）的升降。

7.根据权利要求6所述的一种超声波与电磁脉冲复合焊接装置，其特征在于：所述焊件夹持装置（3）有两个，对称安装在工作台（11）上，分别夹持两块焊接板件（6）。

8.一种超声波与电磁脉冲复合焊接方法，其特征在于：使用权利要求7所述的超声波与电磁脉冲复合焊接装置进行焊接，利用升降夹持器（4）与电动升降器（5）将两块待焊接板件（6）分别夹持安装，两块焊接板件（6）的焊接界面相接触，电动升降器（5）外接的有线或无线控制器预设上焊接板件（61）的上升距离0.5~1.5mm，调节焊头（24）使其与上焊接板件（61）接触，超声波换能器（22）接通超声波电源（28），脉冲聚能电容器（27）接通充电电源（29）；闭合超声波电源开关（71），超声波换能器（22）通过变幅杆（23）为焊头（24）传递振动能量，利用超声波对两块焊接板件（6）的焊接部位进行超声软化；切断超声波电源开关（71），有线或无线控制器控制上焊接板件（61）按预设定值上升，打开高压间隙放电开关（72）使脉冲聚能电容器（27）向焊头（24）内的电磁线圈（26）快速放电，焊头（24）内电磁线圈（26）产生的瞬时高压电磁力使两块焊接板件（6）的焊接部位焊合成型。

9.一种超声波与电磁脉冲复合焊接方法，其特征在于：通过所述电动升降器（5）外接的有线或无线控制器预设上焊接板件（61）的上升距离为1mm。

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