同軸式超聲輔助電阻點焊裝置及方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種壓力焊接技術(shù)領域，具體的說，是涉及薄壁板材電阻焊接技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]高能超聲加工在現(xiàn)代制造業(yè)中的多個領域取得了應用，如超聲清洗、超聲金屬成型以及超聲鑄造等。相關(guān)研宄結(jié)果顯示，超聲振動在金屬熔體凝固的過程中會產(chǎn)生獨特的作用，可以改善金屬凝固后的微觀組織結(jié)構(gòu)，優(yōu)化其力學性能。其中，超聲振動對金屬熔體凝固的影響機制主要包括超聲空化形核增殖和超聲破碎枝晶兩方面。采用超聲振動輔助鑄造，可使凝固后的金屬晶粒細化、成分均勻以及減少缺陷的產(chǎn)生。
[0003]電阻點焊工藝廣泛應用于汽車工業(yè)、航空航天、軌道列車以及電力電子等工業(yè)領域中的薄壁結(jié)構(gòu)板材連接。然而隨著當今工業(yè)界對被連接材料的不斷升級，常常需要采用電阻點焊工藝連接超高強度鋼、超硬鋁、高強鎂合金和高強鈦合金等難于焊接的材料。與常規(guī)材料相比，以上先進材料在應用電阻點焊工藝進行連接的時候會遇到以下幾點問題:1)超高強度鋼以及鈦合金等材料的電阻點焊熔核往往為方向較為明顯的樹枝晶組織，造成接頭的斷裂韌性較低；2)以上先進材料含合金元素較多，焊接過程容易出現(xiàn)偏析、氣孔以及裂紋等缺陷；3)有色金屬表面往往存在氧化膜，給焊接過程帶來困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于如何對輕量化高強材料實現(xiàn)高效率連接，提供一種同軸式超聲輔助電阻點焊裝置及方法，在保證電阻點焊高效率及易實現(xiàn)自動化優(yōu)點不變的情況下，能夠改善熔核金屬微觀組織，提高其接頭質(zhì)量，更加適合連接先進輕量化高強金屬材料。
[0005]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明通過以下的技術(shù)方案予以實現(xiàn):
[0006]一種同軸式超聲輔助電阻點焊裝置，包括位于被焊工件上方的上電阻點焊電極、同軸套設在所述上電阻點焊電極外部的上環(huán)形超聲振動聲極、位于被焊工件下方的下電阻點焊電極、同軸套裝在所述下電阻點焊電極外部的下環(huán)形超聲振動聲極，所述上電阻點焊電極和所述下電阻點焊電極同軸設置；所述上環(huán)形超聲振動聲極和所述上電阻點焊電極間隙配合并以潤滑脂填充其間隙，所述下環(huán)形超聲振動聲極和所述下電阻點焊電極間隙配合并以潤滑脂填充其間隙；
[0007]所述上環(huán)形超聲振動聲極和/或所述下環(huán)形超聲振動聲極連接有第一伺服加壓裝置，所述上電阻點焊電極和/或所述下電阻點焊電極連接有第二伺服加壓裝置；
[0008]所述上環(huán)形超聲振動聲極和/或所述下環(huán)形超聲振動聲極連接于超聲發(fā)生器及換能器；
[0009]所述上電阻點焊電極和所述下電阻點焊電極連接于電阻焊電源。
[0010]其中，所述上環(huán)形超聲振動聲極、所述下環(huán)形超聲振動聲極的端面設置有微齒或花紋。
[0011]其中，所述上電阻點焊電極、所述下電阻點焊電極選用平面電極或弧面電極。
[0012]其中，所述電阻焊電源選用直流電源、交流電源或脈沖電源。
[0013]一種利用同軸式超聲輔助電阻點焊裝置的焊接方法，包括如下步驟:
[0014](I)超聲預壓階段:
[0015]所述上環(huán)形超聲振動聲極和/或所述下環(huán)形超聲振動聲極在所述第一伺服加壓裝置的控制下對被焊工件施加壓力，使所述上環(huán)形超聲振動聲極和所述下環(huán)形超聲振動聲極與被焊工件緊密貼合；開啟所述超聲發(fā)生器及換能器，使所述上環(huán)形超聲振動聲極和/或所述下環(huán)形超聲振動聲極做超聲振動；
[0016](2)通電形核階段:
[0017]所述上電阻點焊電極和/或所述下電阻點焊電極在所述第二伺服加壓裝置的控制下對被焊工件施加壓力，使所述上電阻點焊電極和所述下電阻點焊電極與被焊工件緊密貼合；所述電阻焊電源輸出直流電流、交流電流或脈沖電流10ms?600ms，使被焊工件貼合面形成熔核；
[0018](3)超聲輔助冷卻結(jié)晶階段:
[0019]所述電阻焊電源停止輸出電流，被焊工件的熔核金屬在壓力及超聲振動的影響下冷卻結(jié)晶；
[0020](4)分離階段:
[0021]所述電阻焊電源停止輸出電流50ms?200ms后，停止所述上環(huán)形超聲振動聲極和/或所述下環(huán)形超聲振動聲極的超聲振動，所述上環(huán)形超聲振動聲極和/或所述下環(huán)形超聲振動聲極在所述第一伺服加壓裝置的控制下、所述上電阻點焊電極和/或所述下電阻點焊電極在所述第二伺服加壓裝置的控制下與被焊工件分離。
[0022]本發(fā)明的有益效果是:
[0023](一)本發(fā)明在保證電阻點焊易于實現(xiàn)自動化以及高效率優(yōu)點的前提下，有效地將超聲波振動作用于焊點熔核的凝固過程，實現(xiàn)對輕量化高強金屬材料的優(yōu)質(zhì)連接。
[0024]( 二)本發(fā)明在電阻點焊電極外部同軸套設環(huán)形超聲振動聲極，并且環(huán)形超聲振動聲極聲阻小，因此超聲振動的能量能夠有效傳遞至工件焊點處，抑制焊接缺陷，提高焊接質(zhì)量。
[0025](三)本發(fā)明的超聲輔助冷卻結(jié)晶階段引入超聲振動的細化晶粒作用，能夠有效改善焊點處的偏析情況，大幅提高焊接接頭的力學性能。
[0026](四)本發(fā)明在超聲預壓階段引入超聲清理作用，能夠有效清除有色輕金屬表面的氧化膜或高硬度黑色金屬表面的油污和銹跡，因此可以提高焊接質(zhì)量；此外與含有化學清理、機械清理的焊接工藝相比，焊接效率也更高。
【附圖說明】
[0027]圖1是本發(fā)明所提供的同軸式超聲輔助電阻點焊裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖2是本發(fā)明所提供的同軸式超聲輔助電阻點焊方法步驟示意圖；
[0029]其中，(a)為焊接前的準備狀態(tài)；(b)為超聲預壓階段；(C)為通電形核階段；(d)為超聲輔助冷卻結(jié)晶階段；(e)為分離階段。
[0030]圖中:1、上電阻點焊電極；2、下電阻點焊電極；3、上環(huán)形超聲振動聲極；4、下環(huán)形超聲振動聲極；5、被焊工件；6、超聲發(fā)生器及換能器；7、電阻焊電源。
【具體實施方式】
[0031]為能進一步了解本發(fā)明的
【發(fā)明內(nèi)容】
、特點及效果，茲例舉以下實施例，并配合附圖詳細說明如下:
[0032]如圖1所示，本實施例公開了一種同軸式超聲電阻耦合焊接裝置，主要包括上電阻點焊電極1、下電阻點焊電極2、上環(huán)形超聲振動聲極3、下環(huán)形超聲振動聲極4、第一伺服加壓裝置、第二伺服加壓裝置、超聲發(fā)生器及換能器6、電阻焊電源7。
[0033]上電阻點焊電極I和下電阻點焊電極2均為圓柱體結(jié)構(gòu)，直徑均為8mm，高度均為15mm ;端面直徑為6mm含Imm圓角；內(nèi)含直徑為4mm的冷卻水槽。上電阻點焊電極I位于被焊工件5上方，下電阻點焊電極2位于被焊工件5下方，上電阻點焊電極I和下電阻點焊電極2上下同軸設置。上電阻點焊電極I和下電阻點焊電極2均可選用平面電極或弧面電極，即與工件接觸的形式為平面接觸和弧面接觸；其中平面接觸的壓痕較淺，弧面接觸的電流密度分布更均勻，可根據(jù)具體工況要求進行選擇。
[0034]上環(huán)形超聲振動聲極3和下環(huán)形超聲振動聲極4均為圓環(huán)體結(jié)構(gòu)，外徑均為18mm，內(nèi)徑均為8mm，高度均為10mm。上環(huán)形超聲振動聲極3位于被焊工件5上方，并同軸地套設在上電阻點焊電極I外部；下環(huán)形超聲振動聲極4位于被焊工件5下方，并同軸地套裝在下電阻點焊電極2外部；可見上環(huán)形超聲振動聲極3和下環(huán)形超聲振動聲極4也是上下同軸設置的。上環(huán)形超聲振動聲極3與上電阻點焊電極1、下環(huán)形超聲振動聲極4與下電阻點焊電極2同軸設置，可以有效的保證超聲振動的能量作用于焊點處，為焊接工藝中超聲輔助電阻點焊打下重要基礎。
[0035]根據(jù)焊接材料不同，上環(huán)形超聲振動聲極3和下環(huán)形超聲振動聲極4的端面可以為平面，也可以設置有微齒或花紋，以確保有效傳遞超聲能量。上環(huán)形超聲振動聲極3和下環(huán)形超聲振動聲極4可做垂直于被焊工件5表面的超聲頻率振動、沿著自身軸線的超聲扭轉(zhuǎn)運動或平行于工件