CN113600982B - 一种用于螺柱焊的螺钉及焊接装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于螺柱焊的螺钉，包括螺钉本体、圆环凸台和锥形凸台，螺钉本体的端部设有圆环凸台以及一个或多个锥形凸台，圆环凸台围设于一个或多个锥形凸台。本发明还涉及一种焊接装置。该用于螺柱焊的螺钉及焊接装置的目的是解决螺柱焊焊接质量及稳定性差的问题。

Description

一种用于螺柱焊的螺钉及焊接装置

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，具体涉及一种用于螺柱焊的螺钉及其焊接装置。

背景技术

螺柱或类似的金属柱状物及其他紧固件焊接在工件上的方法称为螺柱焊，具有快速、可靠、操作简单和成本低等优点，可以焊接不锈钢、铝以及铜及高温合金等金属，目前航空发动机用隔热屏采用螺柱焊实现螺钉和散热板的连接。螺柱焊由电容放电提供焊接所需的能量，当电容放电时，螺柱和工件之间出现很短时间的电弧，电弧会熔化工件表面和螺柱顶端的少量金属，随后螺柱浸入熔池，熔化金属迅速冷却，形成焊接接头。螺柱焊的焊接时间极短，通常情况下在5ms之内，螺柱焊显著的特点是放电过程不可控和焊接时间不可调节，因此焊接过程中非常容易出现未熔化、未焊合、焊合率低、飞溅过大等缺陷。螺柱焊接中的变量有焊接电流和螺柱结构(接触端面的凸起形状和长度)。根据待焊构件的材料及厚度，焊接的电流范围基本确定，因此决定螺柱焊焊接质量的主要因素为螺柱的结构。螺柱焊时，为了实现尖端放电，目前螺柱焊时螺钉的待焊端面通常预制圆柱凸台或圆锥凸台。

目前，针对螺柱焊的螺钉结构设计是下端面预制圆柱凸台或圆锥凸台，采用圆柱形凸台时，接头的中心区域易产生未焊合，这是因为焊接过程中接触面积大，焊接电流高，熔化的金属多，产生的瞬间放电爆炸力使得熔化的金属向四周飞溅，中心区域的金属不足以填充，形成了中心区域的未焊合，同时产生大量的飞溅，当焊接的螺钉存在裙边的时候，飞溅难以去除干净，影响零件表面质量，难以满足使用要求。当采用圆锥形的螺钉时，接触方式为点接触，焊接电流小，焊接接头的四周容易产生未焊合，同时容易产生单侧飞溅。这主要是因为，圆锥形貌的螺钉，整体焊接电流小，熔化的金属少，产生的爆炸力低，因此导致四周的金属在焊接的过程中没有液态金属填充，焊接质量难以保证；同时圆锥凸台为点接触，焊接时容易产生侧向偏转，导致产生单侧飞溅，单侧未焊合，焊接强度难以满足使用要求，综上所述，采用圆台形或圆锥形凸台，螺柱焊存在焊合率低、飞溅大、单侧飞溅等问题。

因此，发明人提供了一种用于螺柱焊的螺钉及焊接装置。

发明内容

(1)要解决的技术问题

本发明实施例提供了一种用于螺柱焊的螺钉及焊接装置，解决了螺柱焊焊接质量及稳定性差的技术问题。

(2)技术方案

本发明的实施例提供了一种用于螺柱焊的螺钉，包括螺钉本体、圆环凸台和锥形凸台，所述螺钉本体的端部设有所述圆环凸台以及一个或多个锥形凸台，所述圆环凸台围设于一个或多个所述锥形凸台。

进一步地，所述圆环凸台沿所述螺钉本体的端部周向设置。

进一步地，所述锥形凸台为圆锥凸台。

进一步地，所述螺钉本体的直径为5mm。

进一步地，所述锥形凸台的高度为0.8～1.2mm。

进一步地，所述锥形凸台的底部直径为0.8～1.2mm。

进一步地，所述圆环凸台的高度比所述锥形凸台的高度低0.1～0.3mm。

进一步地，所述圆环凸台的内径为4.4～4.6mm，外径为4.6～4.8mm。

本发明的实施例还提供了一种应用于上述螺钉的焊接装置，包括电机、连接套、定位套、焊枪、斜垫块、螺柱焊底座及定位板，所述电机的输出轴通过所述连接套与所述焊枪连接，所述连接套套设于所述焊枪且用于定位所述焊枪；

所述焊枪的一端设有用于安装螺钉的安装部，所述定位套套设于所述安装部且用于定位所述安装部，所述安装部穿设于所述定位板以使所述螺钉垂直接触于待焊曲面零件的曲面方向；

所述螺柱焊底座放置于所述斜垫块的斜槽内且用于放置所述待焊曲面零件，所述定位板放置于所述待焊曲面零件上且与所述螺柱焊底座相配合用于定位所述待焊曲面零件。

进一步地，所述焊接装置还包括联轴器，所述电机的输出轴通过所述联轴器与所述连接套连接。

(3)有益效果

综上，本发明通过采用一个或多个锥形凸台、外侧圆环凸台遮挡的形式来提高螺柱焊焊合率以及减少焊接飞溅，提高螺柱焊接头稳定性和焊接质量，实现高强度螺柱焊焊接。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种用于螺柱焊的螺钉的立视图；

图2是本发明实施例提供的一种用于螺柱焊的螺钉的主视图；

图3是本发明实施例提供的一种焊接装置的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种焊接装置中的焊枪的结构示意图。

图中：

101-螺钉；102-圆环凸台；103-锥形凸台；1-电机；2-连接套；201-定位孔；3-定位套；4-焊枪；401-安装部；5-斜垫块；6-螺柱焊底座；7-定位板；8-联轴器；100-螺钉；200-待焊曲面零件。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。

图1、2分别是本发明实施例提供的一种用于螺柱焊的螺钉的立视、主视图，包括螺钉本体101、圆环凸台102和锥形凸台103，螺钉本体101的端部设有圆环凸台102以及一个或多个锥形凸台103，圆环凸台102围设于一个或多个锥形凸台103。

在上述实施方式中，针对螺柱焊焊接质量及稳定性差的问题，本发明提出一种新型高强度高稳定性螺柱焊螺钉结构设计思路，并进行实物制造及连接，螺钉结构的设计思路如下：

第一、螺柱的凸台要满足焊合电流下实现金属的熔化，但瞬间爆发力不能过大，以防中心区域未焊合；

第二、熔化的金属能够满足焊缝界面的填充，以防未焊合；

第三、熔化的金属不能自由的向四周飞溅，导致飞溅过大。

基于上述设计思路，设计了一种以一个或多个锥形凸台+外侧凸台圆环的螺钉结构，与现阶段其它连接方法相比，焊接接头飞溅显著降低、焊接接头焊合率显著提高，接头的焊合率不低于95％。螺钉结构制造简单，接头的可靠性也大大提高，可以满足实际应用的需要。

采用本发明的新型高强度高稳定性螺柱焊螺钉结构，焊接接头飞溅显著减少，焊接接头的稳定性以及焊接质量显著提高，焊合率不低于95％，接头的室温强度不低于550MPa，650℃高温拉伸强度不低于350MPa，大大提高了螺柱焊的应用范围，可直接应用于先进发动机隔热屏结构的螺柱与散热板的连接。

本发明采用新型高强度高稳定性的螺柱焊螺钉结构，焊前对金属表面进行物理清理。所述的物理清理是采用400目金相砂纸打磨，去除氧化膜，然后使用丙酮或酒精清洗干净。将准备好的螺钉置于螺柱焊焊枪中，焊接电流60A～90A，焊接结束的试样目视检测飞溅情况，采用超声无损检测，采用金相解剖验证超声检测结果。前面所述的螺柱焊螺钉的凸台结构具体如下：待焊螺钉的直径为φ5mm，底面中心凸起圆锥高度0.8～1.2mm，圆锥底面直径φ0.8～φ1.2mm，外侧圆环凸台高度低于圆锥高度0.1～ 0.3mm，圆环的内径尺寸φ4.4～φ4.6mm，外径尺寸φ4.6～φ4.8mm。

不同于传统的螺柱焊螺钉操作方式，本发明采用的圆锥形凸台，利用圆锥尖端放电形成液态金属，因此焊接过程中施加的压力不宜过大，当焊接压力比较大时，螺钉尖端发生变形，导致接触面积变大，尖端放电效果不好，导致融化的金属较少，焊接过程容易形成未焊合；当焊接压力过小，没有形成良好的接触，融化的金属容易飞溅，因此整个焊接过程需要严格控制焊接压力，保证螺钉焊接质量。基于此，在焊接过程中专门设计一个数显压力的装置，保证每次焊接过程的压力精准控制，保证螺钉焊接过程的稳定性。

在一些可选的实施例中，圆环凸台102沿螺钉本体101的端部周向设置。其中，这是圆环凸台102的一种具体设置形式，可以很好地防护锥形凸台103，防止焊接过程中接头飞溅。

在一些可选的实施例中，锥形凸台103为圆锥凸台。其中，圆锥凸台是锥形凸台的一种具体结构形式，圆锥形的结构易加工。

图3、4分别是本发明实施例还提供的一种焊接装置，包括电机1、连接套2、定位套3、焊枪4、斜垫块5、螺柱焊底座6及定位板7，电机1 的输出轴通过连接套2与焊枪4连接，连接套2套设于焊枪4且用于定位焊枪4；

焊枪4的一端设有用于安装螺钉100的安装部401，定位套3套设于安装部401且用于定位安装部401，安装部401穿设于定位板7以使螺钉 100垂直接触于待焊曲面零件200的曲面方向；

螺柱焊底座6放置于斜垫块5的斜槽内且用于放置待焊曲面零件200，定位板7放置于待焊曲面零件200上且与螺柱焊底座6相配合用于定位待焊曲面零件200。

在一些可选的实施例中，焊接装置还包括联轴器8，电机1的输出轴通过联轴器8与连接套2连接。

在一些可选的实施例中，连接套2沿其周向设置多个用于定位焊枪4 的定位孔201。具体地，多个定位孔201沿其周向均匀分布，焊枪4上沿其周向设有与定位孔201相适配的凸起(图中未示出)，两者相互配合用以实现连接套2与焊枪4之间的精准定位。

在上述实施方式中，针对曲面构件曲面处螺钉螺柱焊以及焊接过程中焊接压力精准控制问题，提出了如图3所示的焊接装置，首先通过工装设计将曲面带角度的焊接方式转变为垂直方向类似平面焊接，然后通过电机和工装配合实现焊接过程中预压力的精准控制，最终配合提出的新型螺钉结构，实现整个螺钉螺柱焊的过程中焊接质量的精准控制和焊接质量的提升。

具体操作步骤如下：

步骤1、将焊枪和连接套通过周向均匀分布的定位孔实现两者的精确定位；

步骤2、定位套的内径尺寸和焊枪的安装部匹配实现两者的定位；同时将待焊螺钉装配到焊枪内实现焊前螺钉的装配；

步骤3、联轴器、电机轴、电机整体装配在垂直水平面的架子上，保证三者的固定，将连接套上端面的轴和联轴器连接，实现精准定位；

步骤4、将螺柱焊底座放置在斜垫块上，将待焊曲面零件放置在螺柱焊底座上端面，同时将定位板放置在待焊曲面零件上，其中定位板和待焊曲面零件通过定位销实现精准定位；

步骤5、定位套的外径尺寸和定位板的孔径尺寸匹配，将定位套嵌入定位板的定位孔，最终实现整个装配过程；

步骤6、焊前通过上述步骤1-5实现了螺钉和待焊曲面零件的精准定位和装配，将曲面螺钉的焊接转变成垂直于曲面法向，竖直方向的运动；

步骤7、打开电机，根据电机显示数值精确控制输出的压力，通过电机轴竖直向下的运动带动连接套向下运动，进而带动焊枪和螺钉沿着竖直方向运动，根据焊枪及连接套自身的重力以及电机输出的压力，最终实现焊接过程压力的精准控制。

实施例1

本实施方式采用新型高强度高稳定性螺柱焊螺钉结构，开展螺柱与板材的螺柱连接，焊接材料为高温合金GH5188(Co-20～24Cr-20～24Ni-13～ 16W)，螺柱的外形尺寸为直径5mm×12mm，待焊板材的尺寸为1mm× 200mm×100mm，采用螺柱焊设备进行两者的连接，焊前采用400目金相砂纸打磨螺钉和板材待焊面，去除氧化膜，然后使用丙酮或酒精清洗干净。将打磨干净的螺柱放置于焊枪内部，再将焊枪放置于带有导轨的专用工装，保证螺柱焊接过程的垂直度和位置度；将待焊板材与螺柱焊机的阴极相连，确保焊接过程形成闭合回路。焊接前，移动导轨，模拟焊接时螺钉与板材的相对位置，确认无误后，打开电源，调整焊接电流65A～85A；移动导轨至螺柱和待焊板接触后，打开开关，实现两者的连接，同一个参数下重复 5次焊接。同时开展常规的圆锥、圆柱凸台螺柱焊接试验，对比分析新型螺柱焊螺钉的稳定性以及焊合率情况。

采用新型高强度高稳定性螺柱焊螺钉结构的实验表明，焊接接头的飞溅情况显著改善，只有少量飞溅附着于焊接界面。接头的稳定性及焊合率显著提高，接头的焊合率不低于95％，接头的接头强度显著提高，室温强度不低于550MPa，650℃高温拉伸强度不低于350MPa。焊接过程中由于预制的圆环凸台结构阻碍了中心熔化金属向四周飞溅，导致熔化的金属全部用于填充焊接界面，焊合率显著提高的同时，减少了螺柱焊的飞溅。

需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。

以上仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (5)

1.一种基于用于螺柱焊的螺钉的焊接方法，其特征在于，采用的焊接装置包括电机(1)、连接套(2)、定位套(3)、焊枪(4)、斜垫块(5)、螺柱焊底座(6)及定位板(7)、用于保证每次焊接过程的压力精准控制的数显压力装置，所述电机(1)的输出轴通过所述连接套(2)与所述焊枪(4)连接，所述连接套(2)套设于所述焊枪(4)且用于定位所述焊枪(4)；

所述焊枪(4)的一端设有用于安装螺钉(100)的安装部(401)，所述定位套(3)套设于所述安装部(401)且用于定位所述安装部(401)，所述安装部(401)穿设于所述定位板(7)以使所述螺钉(100)垂直接触于待焊曲面零件(200)的曲面方向；所述螺柱焊底座(6)放置于所述斜垫块(5)的斜槽内且用于放置所述待焊曲面零件(200)，所述定位板(7)放置于所述待焊曲面零件(200)上且与所述螺柱焊底座(6)相配合用于定位所述待焊曲面零件(200)，所述电机(1)的输出轴通过联轴器(8)与所述连接套(2)连接；

用于螺柱焊的螺钉包括螺钉本体(101)、圆环凸台(102)和锥形凸台(103)，所述螺钉本体(101)的端部设有所述圆环凸台(102)以及一个或多个锥形凸台(103)，所述圆环凸台(102)围设于一个或多个所述锥形凸台(103)；所述圆环凸台(102)沿所述螺钉本体(101)的端部周向设置，所述锥形凸台(103)为圆锥凸台；所述圆环凸台(102)的高度比所述锥形凸台(103)的高度低0.1～0.3mm；

焊接方法包括以下步骤：

步骤1、将焊枪和连接套通过周向均匀分布的定位孔实现两者的精确定位；

步骤2、定位套的内径尺寸和焊枪的安装部匹配实现两者的定位；同时将待焊螺钉装配到焊枪内实现焊前螺钉的装配；

步骤3、联轴器、电机轴、电机整体装配在垂直水平面的架子上，保证三者的固定，将连接套上端面的轴和联轴器连接，实现精准定位；

步骤4、将螺柱焊底座放置在斜垫块上，将待焊曲面零件放置在螺柱焊底座上端面，同时将定位板放置在待焊曲面零件上，其中定位板和待焊曲面零件通过定位销实现精准定位；

步骤5、定位套的外径尺寸和定位板的孔径尺寸匹配，将定位套嵌入定位板的定位孔，最终实现整个装配过程；

步骤6、焊前通过上述步骤1-5实现了螺钉和待焊曲面零件的精准定位和装配，将曲面螺钉的焊接转变成垂直于曲面法向，竖直方向的运动；

步骤7、打开电机，根据数显压力装置显示数值精确控制输出的压力，通过电机轴竖直向下的运动带动连接套向下运动，进而带动焊枪和螺钉沿着竖直方向运动，根据焊枪及连接套自身的重力以及电机输出的压力，最终实现焊接过程压力的精准控制。

2.根据权利要求1所述的基于用于螺柱焊的螺钉的焊接方法，其特征在于，所述螺钉本体(101)的直径为5mm。

3.根据权利要求1所述的基于用于螺柱焊的螺钉的焊接方法，其特征在于，所述锥形凸台(103)的高度为0.8～1.2mm。

4.根据权利要求1所述的基于用于螺柱焊的螺钉的焊接方法，其特征在于，所述锥形凸台(103)的底部直径为0.8～1.2mm。

5.根据权利要求1所述的基于用于螺柱焊的螺钉的焊接方法，其特征在于，所述圆环凸台(102)的内径为4.4～4.6mm，外径为4.6～4.8mm。

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