CN111195767A - 一种超声波辅助电阻点焊提升电极寿命方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超声波辅助电阻点焊提升电极寿命方法，该方法利用超声波辅助电阻点焊焊接而提升电极使用寿命；包括如下步骤：预压阶段：将电阻点焊上、下电极预压到待焊工件上；超声波辅助阶段：启动超声波系统，高频的机械振动能由点焊电极传递到工件表面，在压力共同作用下，工件表面的镀层、氧化膜及油脂等被震碎并驱除出电极/工件之间的界面，使电极与工件之间获得纯净的金属接触；焊接阶段：在电极之间施加电流和焊接压力进行焊接；维持与休止阶段：维持程序到程序运行结束；本发明利用超声波辅助电阻点焊，清除了电极/工件之间杂质并降低了接触电阻，有效地提升了电极的使用寿命，进而改善了焊缝质量和提升了焊缝的稳定性。

Description

一种超声波辅助电阻点焊提升电极寿命方法
技术领域
本发明属于电阻点焊技术领域，具体涉及一种超声波辅助电阻点焊提升电极寿命方法。
背景技术
在汽车制造中，电阻点焊是连接汽车车身各个金属构件的最常用连接方法，通常汽车车身上存在约5000点电阻点焊留下的焊点，而这些焊点通常是由自动化电阻点焊机器执行；为了实现高效生产，通常电阻点焊的电极(通常为铜合金)都需要经历一系列连续焊接，电极磨损较为严重后才进行修磨，而修磨频率往往对生产节拍有着很大的影响。当电极磨损速度快，不仅需要频繁修磨而降低生产效率和损耗大量的铜合金电极，同时在电极端面严重磨损后继续焊接时，焊缝质量也及其不稳定，因此改善电极寿命是提升生产效率和获取优质且稳定焊缝的关键因素之一。
在汽车轻量化发展理念的指导下，汽车工业越来越多地应用高强钢、铝合金和镁合金等材料制造汽车车身，旨在获取更轻的车身从而实现车身减重，进而实现节能减排的目的。随着车身上材料应用的多样化，电阻点焊将面临同种材料或异种材料焊接，以及两层板或多层板搭接焊接的挑战，比如钢/钢、钢/钢/钢、钢/铝、铝/铝和铝/铝/铝等组合。电阻点焊在连续焊接过程中，由于电极端面连续地与工件表面接触；由于不同材料的表面状态不一致，当电极/工件之间的接触电阻较高时容易产较大的热量，电极端面局部区域在力和热的共同作用下产生变形；同时工件表面的镀层或杂质等容易粘连在电极端面，对电极造成腐蚀作用，这极大地降低了电极的使用寿命。
钢材为汽车车身上最广泛应用的材料，为了提升钢材的耐腐蚀性能，通常在材料表面镀Zn、Al和Sn等镀层；对于汽车常用的镀锌钢板，由于较软锌层的存在，增大了电极端面与工件之间的接触面积，因此接触电阻也较小，焊接时需要采用比裸钢更大的焊接电流。由于电极端面在焊接时反复的加热和机械冲击下，铜电极与锌层产生合金化反应形成Cu5Zn8合金，以及表面粘连较厚Cu-Zn合金层和Zn-Fe合金层，这种合金层具有较高的电阻率，因此在后续焊接中电极/工件之间产生更多的焦耳热，这进一步加剧Zn-Cu合金化，加速了电极磨损，使得电极端面凹陷，随着焊点数增加其质量逐渐降低。此外在焊点表面粘连的低熔点Cu-Zn合金容易进入到基材造成液态金属脆化开裂，将进一步影响着焊缝质量。
特别地，铝合金被认为最有可能广泛应用于汽车车身的轻量化合金材料之一，但铝合金电阻点焊焊接存在巨大的挑战，其中电极使用寿命短是限制铝合金采用电阻点焊连接的关键因素所在。通常铝合金在连续电阻点焊时的前几个点就开始出现电极粘连和电极端面烧损或粘连的痕迹；当焊点数增加到20～30点左右时，电极端面烧损或粘连已经非常严重，同时焊点表面状态也变得非常差，需要重新对电极端面进行修磨才能进行另一系列的焊点制造。
由于铝合金的高导电、导热性能，进行铝合金电阻点焊时焊接电流通常是焊接相同厚度钢材三倍左右。而铝合金在制造和运输等过程，会形成厚度约为0.1μm绝缘、硬度和熔点(2054℃)高且致密的氧化膜(Al2O3)。在大的焊接电流下，电极/工件之间接触电阻很大，产生大量的焦耳热，导致产生严重铝铜合金化，随着焊点的增多电极表面出现铝粘连严重，甚至电极/工件之间产生严重的飞溅，降低了电极帽的使用寿命。此外，由于氧化膜的厚度不均匀，电极/工件之间的接触电阻也不均匀，因此了电极/工件之间的温度场也及其不均匀，这导致了电极端面烧损和粘连情况也不一致，导致容易形成熔核偏移或获得异型熔核，降低了焊缝的质量。
因此提升铝合金电阻点焊时电极寿命的关键所在是避免Al2O3层，有文献报道通过化学清洗和电弧清洗的方法去除铝合金氧化膜，结果表明通过采用化学清洗和电弧处理等方法清理铝合金表面氧化膜之后，合格焊点(
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t为板厚)数高达1700到2300点，对比只能获得200点合格焊点的未清理氧化膜的铝合金来说，电极寿命有了巨大的提升。然而在实际生产中，为了保证生产效率和成本，通常不进行氧化膜处理，为此通用汽车发明了一种新型MRD电极旨在实现铝合金电阻点焊在实际生产中获得应用，此电极端面具有多个凸起的同心环，在焊接时，凸起同心环能刺破铝合金表面的氧化膜而与铝基材直接接触，降低了电极/工件之间的接触电阻，工件/电极之间的产热量得到了降低，因此电极寿命得到了一定程度的提升。虽然凸起的同心环能刺破表面氧化膜，但是依旧无法改变环与环之间与工件接触的区域依旧存在完整氧化膜的事实；当凸起的同心环在热和机械力学作用下变形、压塌或磨损后，无法再刺破铝合金表面氧化膜，因此多点连续焊之后MRD电极一样存在电极粘连和烧损的问题。因此铝合金电阻点焊电极寿命低依旧是行业的难题。
发明内容
为了解决上述电阻点焊中的电极寿命低的技术难题，特别的解决铝合金电阻点焊的挑战，本发明提供了一种超声波辅助电阻点焊提升电极寿命方法，本方法利用超声波能转换成高频的机械振动能的原理，将机械振动能从电阻点焊的电极传递到电极端面与工件接触界面之间，在高频的机械振动能作用下，电极端面破碎并清除工件表面的镀层、氧化膜及油污等杂质，进而实现电极与纯净金属之间的接触，最大化地降低电极/工件之间的接触电阻，避免因为电极/工件产热过多而出现电极烧损和严重粘连等问题，从而提升电极的使用寿命。
基于以上目的，本发明提出了一种超声波辅助电阻点焊提升电极寿命方法，其方案如下：
S1预压阶段：上、下电极对搭接好的工件在合适的预压时间下施加一定的预压力；
S2超声波辅助阶段：启功超声波系统，将高频的机械振动能由电极传递到电极/工件接触面之间，破碎及清除工件之间的镀层、氧化膜和油污等；
S3电阻点焊阶段：选择合适的焊接参数对工件进行电阻点焊；
S4维持与休止阶段：维持程序直到程序运行结束。
进一步的，重复上述S1-S4步骤而实现连续焊接过程，获得一系列的焊点。
进一步的，所述工件材质为能进行电阻点焊焊接的金属材料。
进一步的，所述工件材质为钢材、铝合金、镁合金和钛合金中的同种或异种。
更进一步的，所述钢材包括低碳钢、低合金高强钢、高强钢、先进高强钢、中的同种或异种。
进一步的，所述工件厚度为0.2～6mm。
进一步的，所述搭接的工件层数≥两层。
进一步的，所述上、下电极连接在X型焊钳、C型焊钳的机器人上或立式点焊设备上。
更进一步的，所述的点焊设备为交流、直流或直流脉冲点焊设备。
更进一步的，所述的上、下电极端面存在5μm-100μm的粗糙度或存在特定几何形状的电极端面。
进一步的，所述预压力大小为500-7000N。
更进一步的，所述压力大小为1000N-5000N。
进一步的，所述预压时间为50-2000ms。
更进一步的，所述预压时间为50ms-800ms。
进一步的，所述的超声波加载在电阻点焊的上电极或下电极或者同时加载在上、下电极。
进一步的，所述超声波振动能量由切向方向(垂直于工件厚度方向)传递到电极/工件之间或纵向方向(平行于工件厚度方向)传递到电极/工件之间。
进一步的，所述的超声波频率大小为10～80kHz，超声波振幅选用范围为5～60μm，超声波作用时间为10-2000ms。
进一步的，所述的焊接参数中，焊接压力为1-10kN；焊接时间为30-2000ms；焊接电流为4-50kA。
进一步的，所述的维持阶段中维持时间为0-2000ms。
进一步的，所述的电阻点焊采用气缸或伺服电机等驱动电极对搭接工件施加压力，然后对电极施加交流、直流或者直流脉冲电，电流由电极的流经工件，在工件之间产生大量的焦耳热熔化金属，电流停止后熔融的金属凝固成完整的熔核。
本发明的有益的效果是，与现有的电阻点焊技术相比，具有以下的优势：
1、在电阻点焊焊接前施加高频机械振动能，破碎并驱除电极接触的工件表面的镀层、氧化膜或油脂等，降低了电极/工件之间的接触电阻，避免了电极/工件之间产生较大的且不均匀的焦耳热而减轻了电极的磨损，极大地提升电极使用寿命。
2、电极/工件接触电阻降低，减缓了电极的粘连和避免了表面飞溅等问题，提升了电阻点焊的焊缝的质量和稳定性，进而提升了生产效率和降低生产成本。
附图说明
图1为实施例中超声波辅助电阻点焊焊接示意图。
图2为实施例中超声波辅助电阻点焊焊接时序示意图。
图3为实施例中超声波辅助电阻点焊焊接预压阶段示意图。
图4为实施例中超声波辅助电阻点焊焊接超声波辅助阶段示意图。
图5为实施例中超声波辅助电阻点焊、维持及休止阶段示意图。
附图标记如下：1.上电极超声波耦合器，2.下电极超声波耦合器，3.上电极焊枪臂，4.下电极焊枪臂，5.上电极，6.下电极，7.熔核，8.上层工件，9.下层工件，10.电极/工件间的镀层或氧化膜，11.工件/工件间的镀层或氧化膜，A.振幅，ν振动方向，F.力，I.电流，t.时间
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优势变得更好地被理解，以下结合附图，对本发明进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用来解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
选用厚度为2mm的汽车用6061铝合金板材，不对铝合金表面的氧化膜进行处理，仅采用抹布对铝合金表面进行均匀化除油污处理。
具体步骤为:
a.搭接：将两块铝合金板材搭接在一起，采用特定的夹具将搭接好的工件进行夹持固定。
b、超声波高频振动破碎并清除表面氧化膜：启动焊接机器人，运行编程好的连续焊接程序，将集成超声波辅助系统的电阻点焊的焊钳(如图1所示)对搭接好的铝合金第一个目标焊点区域进行超声辅助焊接；首先启动设定好的焊接程序移动下电极焊枪臂4，使得下电极6端面与下层铝合金工件9表面相互接触，并且保证电极垂直于工件表面；接着启动焊钳的伺服电机使上电极焊枪臂3下压，使上电极5与上层铝合金8表面相互接触。对铝合金施加合适的例如3000N的预压力F1，使上、下电极端面紧密贴合上层、下层铝合金表面(如图5)；设置预压时间为200ms(如图2中0～t4)。接着启功超声波系统，调节适当的超声振动频率、振幅以及作用时间(例如超声波振动频率为15kHz，振幅为20μm，作用时间为100ms)，避免在超声波能量作用下，电极端面与工件表面之间过度摩擦振动产生较大的热量(如图2中t2～t3)。超声波系统将电能转换成高频机械振动能，由上电极超声波耦合器1、上电极焊枪臂3和上电极5传递到上电极/上层铝板接触面之间；高频机械振动能同时由下电极超声波耦合器2、下电极焊枪臂4和下电极6传递到下电极/下层铝板接触面之间，振动方向是切向方向(垂直板厚方向)。在压力和切向高频率的振动的共同作用下，电极/铝合金板材之间形成一个高频的摩擦过程，电极/工件间的氧化膜10被破碎并排除，使上/下电极端面与铝合金基材纯净的金属相互接触(如图4)。
c、电阻点焊：超声辅助处理完成后，启动电阻点焊的焊接程序，选用合适的焊接参数，例如焊接时间为150ms，焊接电流为36kA，焊接压力F2为4500N(如图2中t6～t7)。经过超声辅助破碎并清除电极/铝合金之间的氧化膜，电极/铝合金之间的接触电阻实现较大的降低，避免了由于电极/工件之间接触电阻太大导致生产大量的焦耳热；防止了电极端面快速烧损和出现严重粘连的问题。
d、维持和休止：维持焊接压力F2为4500N，时间50ms后终止焊接程序，获得完整的熔核(如图5所示)。
重复上述a-d过程，可获得一系列铝合金连续焊接的焊点。
实施例2
选用厚度为1.5mm的汽车用HRDP600镀锌钢板，不对DP600板材表面的镀锌层进行处理，仅采用抹布对DP600板材表面进行均匀化除油污处理。
具体步骤为:
a、搭接：将两块DP600板材搭接在一起，采用特定的夹具将搭接好的工件进行夹持固定。
b、超声波高频振动破碎并清除表面镀锌层：启动焊接机器人，运行编程好的连续焊接程序，将集成超声波辅助系统的电阻点焊的焊钳(如图1所示)对搭接好的DP600板材第一个目标焊点区域进行超声辅助焊接；首先启动设定好的焊接程序移动下电极焊枪臂4，使得下电极6端面与下层铝合金工件9表面相互接触，并且保证电极垂直于工件表面；接着启动焊钳的伺服电机使上电极焊枪臂3下压，使上电极5与上层DP600板8表面相互接触。对DP600板施加合适的例如2500N的压力F1，使上、下电极端面紧密贴合上层、下层DP600板表面(如图3)；设置预压时间为300ms(如图2中0～t4)。接着启功超声波系统，调节适当的超声振动频率、振幅以及作用时间(例如超声波振动频率为15kHz，振幅为20μm，作用时间为80ms)，避免在超声波能量作用下，电极端面与工件表面之间过度摩擦振动产生较大的热量(如图2中t2～t3)。超声波系统将电能转换成高频机械振动能，由上电极超声波耦合器1、上电极焊枪臂3和上电极5传递到上电极/上层DP600板接触面之间；高频机械振动能同时由下电极超声波耦合器2、下电极焊枪臂4和下电极6传递到下电极/下层DP600板接触面之间，振动方向是切向方向(垂直板厚方向)。在压力和切向高频率的振动的共同作用下，电极/DP600板材之间形成一个高频的摩擦过程，电极/工件间的镀锌层10被破碎并排除，使上/下电极端面与DP600板基材纯净的金属相互接触(如图4)。
c、电阻点焊：超声辅助处理完成后，启动电阻点焊的焊接程序，选用合适的焊接参数，例如焊接时间为280ms，焊接电流为11.5kA，焊接压力F2为4900N(如图2中t6～t7)。经过超声辅助破碎并清除电极/DP600板之间的镀锌层，减少了电极/DP600板材之间的锌含量，避免了由于电极电极端面快速粘连锌层；减缓了铜电极与锌合金化的进程，减轻了电极端面快速烧损和出现严重粘连的问题。
d、维持和休止：维持焊接压力F2为4900N，时间180ms后终止焊接程序，获得完整的熔核(如图5所示)。
重复上述a-d过程，可获得一系列DP600钢板连续焊接的焊点。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明方法的前提下，可以进行若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种超声波辅助电阻点焊提升电极寿命方法，其特征在于，包含以下步骤：
S1预压阶段：上、下电极对搭接好的工件在合适的预压时间下施加一定的预压力；
S2超声波辅助阶段：启功超声波系统，将高频的机械振动能由电极传递到电极/工件接触面之间；
S3电阻点焊阶段：选择合适的焊接参数对工件进行电阻点焊；
S4维持与休止阶段：维持程序直到程序运行结束。
2.根据权利要求1所述的一种超声波辅助电阻点焊提升电极寿命方法，其特征在于：所述工件厚度为0.2～6mm；搭接的层数≥两层；搭接的材质为钢材、铝合金、镁合金和钛合金中的同种或异种。
3.根据权利要求1所述的一种超声波辅助电阻点焊提升电极寿命方法，其特征在于：上、下电极连接在X型焊钳、C型焊钳的机器人上或立式点焊设备上，所述的点焊设备为交流、直流或直流脉冲点焊设备。
4.根据权利要求1所述的一种超声波辅助电阻点焊提升电极寿命方法，其特征在于：所述的预压力大小为500-7000N，预压时间为50-2000ms。
5.根据权利要求1所述的一种超声波辅助电阻点焊提升电极寿命方法，其特征在于：所述的超声波加载在电阻点焊的上电极或下电极或者同时加载在上、下电极。
6.根据权利要求5所述的一种超声波辅助电阻点焊提升电极寿命方法，其特征在于：超声波能量的振动方向由切向方向(垂直于工件厚度方向)传递到工件。
7.根据权利要求5所述的一种超声波辅助电阻点焊提升电极寿命方法，其特征在于：超声波能量的振动方向由纵向方向(平行于工件厚度方向)传递到工件。
8.根据权利要求1所述的一种超声波辅助电阻点焊提升电极寿命方法，其特征在于：所述的超声波频率大小为10～80kHz，超声波振幅选用范围为5～60μm；作用时间为10-2000ms。
9.根据权利要求1所述的一种超声波辅助电阻点焊提升电极寿命方法，其特征在于：所述的焊接参数中，焊接压力为1-10kN；焊接时间为30-2000ms；焊接电流为4-50kA。
10.根据权利要求1所述的一种超声波辅助电阻点焊提升电极寿命方法，其特征在于：所述的维持阶段中维持时间为0-2000ms。
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