專利名稱：復(fù)合脈沖點(diǎn)焊工藝及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及焊接技術(shù)領(lǐng)域的焊接工藝，具體涉及的是一種復(fù)合脈沖點(diǎn)焊工藝及其焊接系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的電阻點(diǎn)焊工藝因其冶金過程簡單，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化，在工業(yè)生產(chǎn)， 尤其在汽車制造領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是，隨著對焊接工藝和焊接質(zhì)量要求的不斷提高，如何通過設(shè)計(jì)電阻點(diǎn)焊電流工藝參數(shù)，來改善焊區(qū)組織，從而提升焊接性能，成為電阻點(diǎn)焊技術(shù)研究的重要任務(wù)。F. Hayat 在"The effects of the welding current on heat input, nugget geometry,and the mechanical and fractural properties of resistance spot welding on Mg/Al dissimilar materials (鎂/鋁異種材料電阻點(diǎn)焊在熱輸入、焊塊形狀以及機(jī)械和破壞特性方面焊接電流的效果)”，Materials and Design 32 (2011) 2476-M84 (《材料和設(shè)計(jì)》2011 年第 32 卷 2476-2484 頁)，以及 P. Marash 等在“Microstructure and failure behavior of dissimilar resistance spot welds between low carbon galvanized and austenitic stainless steels (低碳鍍鋅鋼與奧氏體不銹鋼間異種材料電阻點(diǎn)焊的微結(jié)構(gòu)和失效行為)”，Materials Science and Engineering A 480(2008) 175-180(《材料科學(xué)和工程;^〉2008年A480卷175-180頁)中，通過破壞性試驗(yàn)，得到改變電流參數(shù)情況下，焊接區(qū)域幾何尺寸，化學(xué)成分等宏觀因素與強(qiáng)度硬度等機(jī)械性能的關(guān)系。他們還進(jìn)行失效機(jī)制分析和組織結(jié)構(gòu)表征，表明裂紋，熔合區(qū)等缺陷及缺陷密集區(qū)域?qū)附訖C(jī)械性能起到很大負(fù)面作用。趙熹華等在“點(diǎn)焊熔核‘柱狀+等軸’組織形成機(jī)理分析”，《金屬科學(xué)與工藝》1989 年12月，第八卷，第3、4期中，分析了焊接過程中，尤其是熔核凝固過程中的組織形貌變化， 從結(jié)晶機(jī)制角度討論了焊后組織中粗大柱狀晶，枝晶與等軸細(xì)晶的形成過程。其中，粗大等軸晶體間由于冷卻速度過快導(dǎo)致的縮松缺陷嚴(yán)重影響點(diǎn)焊的強(qiáng)度和韌性。為了獲得更好的焊接質(zhì)量，許多學(xué)者對點(diǎn)焊電脈沖的工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。中國實(shí)用新型872U994. 2號(hào)記載了一種“點(diǎn)焊機(jī)二次脈沖控制系統(tǒng)”，通過逐點(diǎn)焊接與逐點(diǎn)回火的配合，改善焊點(diǎn)區(qū)域的組織，降低由于快速冷卻而造成的脆性，加之易于系統(tǒng)化，效率高，相比于不回火或整體回火有很大的優(yōu)勢。徐國成等在“彈簧鋼電阻點(diǎn)焊接頭隨機(jī)回火熱處理過程”，《焊接學(xué)報(bào)》2010年2月第31卷第2期中，進(jìn)一步研究了彈簧鋼單脈沖回火處理與多脈沖回火處理的回火溫度和點(diǎn)焊溫度場分布，得到了多脈沖回火處理能獲得更好點(diǎn)焊質(zhì)量的結(jié)論。張正林在吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文“超高強(qiáng)度鋼的中頻點(diǎn)焊性能研究”中，對超高強(qiáng)度鋼的中頻點(diǎn)焊工藝做了較為系統(tǒng)的研究。何樹先在“鋁合金的熔體溫度處理和電脈沖處理研究”，《2002年上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文》中，對亞共晶鋁合金A356低溫熔體施加電容儲(chǔ)能放電脈沖，并觀察了凝固組織，得到了如下結(jié)論1.電脈沖的施加能顯著細(xì)化亞共晶A356鋁合金的凝固組織，而且680°C熔體的凝固組織由未施加電脈沖時(shí)的樹枝晶轉(zhuǎn)變?yōu)槭┘与娒}沖以后的非樹枝晶； 2.電容的充電電壓高，充電電容大，放電次數(shù)多將有助于細(xì)化A356的凝固組織；3.電脈沖施加的階段對凝固組織細(xì)化有影響，在凝固開始階段放電比在凝固后期放電有更加明顯的細(xì)化效果。何樹先還從磁致收縮效應(yīng)，沖擊波作用等方面分析了電容儲(chǔ)能放電脈沖的作用機(jī)制。更有趣的是，他還通過鋁箔的磁致收縮模擬了脈沖電磁力的作用效果。這些學(xué)者的研究從微觀機(jī)制角度分析了傳統(tǒng)點(diǎn)焊工藝的不足，并在工藝改進(jìn)上進(jìn)行了探索，為獲得更好的點(diǎn)焊機(jī)械性能提供理論及實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。但是，電阻點(diǎn)焊回火脈沖仍限于工頻周波脈沖，沒有嘗試將電容儲(chǔ)能放電產(chǎn)生的高電流密度峰值，短放電時(shí)間的電流脈沖作為回火脈沖。并且從硬件角度來說，現(xiàn)有技術(shù)做到交流焊機(jī)的電流峰值大幅升高需要整個(gè)交流脈沖電焊系統(tǒng)提升，代價(jià)很大，穩(wěn)定性也難以保證。而關(guān)于熔體電容儲(chǔ)能放電脈沖處理的研究仍限于鑄造領(lǐng)域，他們在鑄造實(shí)驗(yàn)中將金屬加熱至熔化的方法也不是電阻點(diǎn)焊中的電阻熱。更沒有對電阻點(diǎn)焊中進(jìn)行電容儲(chǔ)能放電脈沖回火的操作性進(jìn)行研究。因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員致力于開發(fā)一種脈沖點(diǎn)焊工藝及脈沖點(diǎn)焊系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)細(xì)化晶粒，弱化各向異性，減少微裂紋，最終提高點(diǎn)焊的綜合機(jī)械性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對原有點(diǎn)焊工藝的不足，提供了一種復(fù)合脈沖點(diǎn)焊工藝，并通過復(fù)合脈沖點(diǎn)焊系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明將原有的工頻點(diǎn)焊的基礎(chǔ)上加入了電容儲(chǔ)能放電脈沖，施加于焊接電流與回火電流之間的熔核凝固階段，從而實(shí)現(xiàn)細(xì)化晶粒，弱化各向異性，減少微裂紋，最終提高點(diǎn)焊的綜合機(jī)械性能。所述的復(fù)合脈沖點(diǎn)焊工藝通過以下機(jī)理來實(shí)現(xiàn)組織和機(jī)械性能的改進(jìn)首先在熔核凝固開始階段，會(huì)有大量柱狀晶，枝晶產(chǎn)生。高強(qiáng)度的瞬時(shí)電流帶來的沖擊波效應(yīng)，以及高速變化電場產(chǎn)生的電磁力將對這些枝晶組織產(chǎn)生作用，使枝晶被撕裂，從而為新的晶粒形成提供形核核心。這樣，正在凝固的熔核中結(jié)晶核心數(shù)量增加，晶粒長大過程中相互的抑制更為明顯，而且其它晶粒的抑制在空間分布也更均勻，從而使平均晶粒尺寸變小，細(xì)化了晶粒，而且各向異性的程度也降低。由霍爾佩奇關(guān)系可知，組織晶粒的細(xì)化將提高凝固組織的強(qiáng)度。第二，由于點(diǎn)焊熔核的冷卻速度很快，在凝固過程中有些地方來不及得到液體金屬的補(bǔ)充就被封閉在固相中，成為縮松缺陷，嚴(yán)重影響機(jī)械韌性。電容儲(chǔ)能放電脈沖可以對正在凝固的熔核補(bǔ)充適度的能量，融化部分固相，使液相金屬填充進(jìn)去，從而減少縮松缺陷的形成，提高機(jī)械性能。本發(fā)明公開的復(fù)合脈沖電焊工藝通過如下的復(fù)合脈沖點(diǎn)焊系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)包括同步及控制芯片、工頻脈沖產(chǎn)生裝置和電容儲(chǔ)能放電脈沖產(chǎn)生裝置，其中同步及控制芯片通過控制信號(hào)輸出線與工頻脈沖產(chǎn)生裝置、電容儲(chǔ)能放電脈沖產(chǎn)生裝置相連，通過傳感器測量焊接電路中的電流。工頻電脈沖產(chǎn)生裝置、電容儲(chǔ)能放電脈沖產(chǎn)生裝置的兩個(gè)輸出端并行聯(lián)接，共同連接與電極兩端，工頻脈沖產(chǎn)生裝置、電容儲(chǔ)能放電脈沖產(chǎn)生裝置的控制信號(hào)來自同步及控制芯片。所述的同步及控制芯片可以根據(jù)參數(shù)的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)焊接電流波形的控制，其中焊接電流波形的控制包括工頻脈沖的頻率和峰值、電容儲(chǔ)能放電脈沖以及工頻脈沖、電容放電脈沖的放電開始時(shí)間幾方面的控制。所述的復(fù)合脈沖點(diǎn)焊系統(tǒng)先進(jìn)行如下方式設(shè)置1在控制總線上設(shè)置系統(tǒng)開關(guān)時(shí)間。2設(shè)置工頻脈沖的波形及周波數(shù)，電容儲(chǔ)能放電脈沖的波形。3設(shè)置工頻脈沖放電裝置、電容儲(chǔ)能放電脈沖產(chǎn)生裝置開啟時(shí)間的間隔。所述的復(fù)合脈沖點(diǎn)焊系統(tǒng)通過如下方式進(jìn)行工作1控制總線上發(fā)出焊接開始的信號(hào)給同步控制芯片，開始一次焊接過程。2電極逐漸壓緊待焊接區(qū)域，并使電極壓力升至設(shè)定值并保持一定時(shí)間。3同步控制芯片先觸發(fā)工頻脈沖產(chǎn)生裝置的開關(guān)，工頻脈沖產(chǎn)生裝置按照之前的波形及周波數(shù)設(shè)定開始工作。4同步芯片按照事先設(shè)定的時(shí)間間隔，在工頻脈沖產(chǎn)生裝置開啟一定時(shí)間后開啟電容儲(chǔ)能放電脈沖產(chǎn)生裝置，電容儲(chǔ)能放電脈沖產(chǎn)生裝置則按事先設(shè)定的參數(shù)放出高峰值、短放電時(shí)間的脈沖電流。5在經(jīng)過一段時(shí)間間隔以后減小電極壓力，直至電極離開焊接區(qū)域，一次焊接結(jié)
束ο所述的復(fù)合脈沖點(diǎn)焊系統(tǒng)繼承了點(diǎn)焊自動(dòng)化、以及焊接參數(shù)數(shù)字化的優(yōu)勢，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)復(fù)合脈沖點(diǎn)焊工藝的需要將技術(shù)較為成熟的工頻脈沖產(chǎn)生裝置、與電容儲(chǔ)能放電脈沖產(chǎn)生裝置同步整合在一起。因此，所述的復(fù)合脈沖電焊系統(tǒng)不僅能分別產(chǎn)生參數(shù)可調(diào)的工頻脈沖和電容放電脈沖，還能將兩種脈沖按需要的時(shí)間間隔同步到一起。與現(xiàn)有點(diǎn)焊系統(tǒng)相比，本發(fā)明中的復(fù)合脈沖電焊系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)復(fù)合脈沖點(diǎn)焊工藝的同時(shí)，獨(dú)立于發(fā)展較為成熟的工頻脈沖產(chǎn)生裝置和電容儲(chǔ)能放電脈沖產(chǎn)生裝置，其應(yīng)用不受具體工頻脈沖產(chǎn)生裝置和電容儲(chǔ)能脈沖產(chǎn)生裝置的類型限制；另外，相比于相同峰值的工頻脈沖直接進(jìn)行凝固組織處理，電容儲(chǔ)能脈沖引入的能量小，雖然稍減緩凝固速度，但不至于使熔核整體再次發(fā)生熔化。而且由于電容儲(chǔ)能放電脈沖放電時(shí)間短，可以將此脈沖施加于不同的凝固階段。以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進(jìn)一步說明，以充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。


圖1是本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施例的焊機(jī)系統(tǒng)框圖；圖2是圖1所示實(shí)施例的焊機(jī)工藝圖。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，復(fù)合脈沖點(diǎn)焊系統(tǒng)的一個(gè)較佳實(shí)施例包括同步及控制芯片10、工頻脈沖產(chǎn)生裝置20，電容儲(chǔ)能放電脈沖產(chǎn)生裝置30和控制總線40，其中同步及控制芯片10 通過控制信號(hào)輸出線與工頻脈沖產(chǎn)生裝置20、電容儲(chǔ)能放電脈沖產(chǎn)生裝置30相連，通過傳感器測量焊接電路中的電流。工頻電脈沖產(chǎn)生裝置20、電容儲(chǔ)能放電脈沖產(chǎn)生裝置30的兩個(gè)輸出端并行聯(lián)接，共同連接于電極兩端25、26，工頻脈沖產(chǎn)生裝置20、電容儲(chǔ)能放電脈沖產(chǎn)生裝置30的控制信號(hào)來自同步及控制芯片10。本實(shí)施例中，焊接材料50為兩塊厚度為0. 9mm的65Mn彈簧鋼板。同步及控制芯片10可以根據(jù)參數(shù)的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)焊接電流波形的控制，其中焊接電流波形的控制包括工頻脈沖的頻率和峰值、電容儲(chǔ)能放電脈沖以及工頻脈沖、電容放電脈沖的放電開始時(shí)間幾方面的控制。圖2所示為復(fù)合脈沖電焊工藝的電流時(shí)序，圖中，曲線1所示為電極壓力，在工藝過程中保持3. 2kN，先后通過彈簧鋼板的電流依次為曲線2所示的工頻預(yù)熱電流4kA，持續(xù)時(shí)間3周波；曲線3所示的工頻焊接焊接電流7kA，持續(xù)時(shí)間6周波；曲線4所示的電容儲(chǔ)能放電脈沖峰值電流40kA，放電時(shí)間lOOus，保持無電流5周波；以及，曲線5所示的工頻回火電流4kA，持續(xù)時(shí)間5周波。在其他實(shí)施例中，電容儲(chǔ)能放電脈沖放電時(shí)間可以為從幾十微秒到幾百微秒，只要其遠(yuǎn)小于工頻焊接電流一個(gè)周波的時(shí)間，并且，電容儲(chǔ)能放電脈沖電流峰值為從一萬安培到十萬安培，遠(yuǎn)大于一般工頻焊接數(shù)千安培的峰值電流，即可實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的。以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的較佳具體實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)無需創(chuàng)造性勞動(dòng)就可以根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術(shù)領(lǐng)域中技術(shù)人員依本發(fā)明的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過邏輯分析、推理或者有限的實(shí)驗(yàn)可以得到的技術(shù)方案，皆應(yīng)在由權(quán)利要求書所確定的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種復(fù)合脈沖點(diǎn)焊系統(tǒng)，包括同步及控制芯片、工頻脈沖產(chǎn)生裝置和電容儲(chǔ)能放電脈沖產(chǎn)生裝置，其中同步及控制芯片通過控制信號(hào)輸出線與工頻脈沖產(chǎn)生裝置、電容儲(chǔ)能放電脈沖產(chǎn)生裝置相連，通過傳感器測量焊接電路中的電流；工頻電脈沖產(chǎn)生裝置、電容儲(chǔ)能放電脈沖產(chǎn)生裝置的兩個(gè)輸出端并行聯(lián)接，共同連接與電極兩端，工頻脈沖產(chǎn)生裝置、電容儲(chǔ)能放電脈沖產(chǎn)生裝置的控制信號(hào)來自同步及控制芯片；所述同步及控制芯片可以根據(jù)參數(shù)的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)焊接電流波形的控制，其中焊接電流波形的控制包括工頻脈沖的頻率和峰值、電容儲(chǔ)能放電脈沖以及工頻脈沖、電容放電脈沖的放電開始時(shí)間的控制。
2.一種復(fù)合脈沖點(diǎn)焊工藝，采用如權(quán)利要求1所述的復(fù)合脈沖點(diǎn)焊系統(tǒng)，其特征在于， 首先對所述的復(fù)合脈沖點(diǎn)焊系統(tǒng)進(jìn)行如下方式的設(shè)置1)在控制總線上設(shè)置系統(tǒng)開關(guān)時(shí)間；2)設(shè)置工頻脈沖的波形及周波數(shù)，電容儲(chǔ)能放電脈沖的波形；3)設(shè)置工頻脈沖放電裝置、電容儲(chǔ)能放電脈沖產(chǎn)生裝置開啟時(shí)間的間隔； 然后所述的復(fù)合脈沖點(diǎn)焊系統(tǒng)通過如下步驟進(jìn)行工作步驟一，控制總線上發(fā)出焊接開始的信號(hào)給同步控制芯片，使一次焊接過程開始； 步驟二，電極逐漸壓緊待焊接區(qū)域，并使電極壓力升至設(shè)定值并保持一定時(shí)間； 步驟三，同步控制芯片先觸發(fā)工頻脈沖產(chǎn)生裝置的開關(guān)，工頻脈沖產(chǎn)生裝置按照之前的波形及周波數(shù)設(shè)定開始工作；步驟四，同步芯片按照事先設(shè)定的時(shí)間間隔，在工頻脈沖產(chǎn)生裝置開啟一定時(shí)間后開啟電容儲(chǔ)能放電脈沖產(chǎn)生裝置，電容儲(chǔ)能放電脈沖產(chǎn)生裝置則按事先設(shè)定的參數(shù)放出高峰值、短放電時(shí)間的脈沖電流；步驟五，在經(jīng)過一段時(shí)間間隔以后減小電極壓力，直至電極離開焊接區(qū)域，一次焊接結(jié)束ο
3.如權(quán)利要求2所述的復(fù)合脈沖點(diǎn)焊工藝，其特征在于，步驟三中，所述工頻脈沖產(chǎn)生裝置產(chǎn)生的工頻脈沖包括預(yù)熱、焊接和回火三段周期性電流波形，并且步驟四中，電容儲(chǔ)能放電脈沖波形位于焊接電流與回火電流之間的無電流區(qū)域，此時(shí)焊區(qū)熔核正在凝固。
4.如權(quán)利要求3所述的復(fù)合脈沖點(diǎn)焊工藝，其特征在于，所述工頻脈沖的預(yù)熱、焊接和回火電流的頻率為50Hz。
5.如權(quán)利要求4所述的復(fù)合脈沖點(diǎn)焊工藝，其特征在于，所述的電容儲(chǔ)能放電脈沖放電時(shí)間的范圍為從幾十微秒到幾百微秒，遠(yuǎn)小于工頻焊接電流一個(gè)周波的時(shí)間；電容儲(chǔ)能放電脈沖電流峰值的范圍為從一萬安培到十萬安培，遠(yuǎn)大于工頻焊接電流峰值電流。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種將傳統(tǒng)電阻點(diǎn)焊的工頻點(diǎn)焊電流與電容儲(chǔ)能放電脈沖復(fù)合在一起的電阻點(diǎn)焊工藝及系統(tǒng)。其中高電流峰值，短放電時(shí)間的儲(chǔ)能放電脈沖釋放在工頻焊接電流結(jié)束后，和工頻回火電流開始前的焊核凝固階段。這種復(fù)合脈沖點(diǎn)焊工藝通過復(fù)合脈沖點(diǎn)焊系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，其中復(fù)合脈沖點(diǎn)焊系統(tǒng)由工頻脈沖部分，電容儲(chǔ)能放電部分和同步系統(tǒng)共同構(gòu)成。本發(fā)明中的復(fù)合脈沖點(diǎn)焊工藝及系統(tǒng)能顯著改善焊區(qū)組織，細(xì)化晶粒，弱化各向異性，減少焊接裂紋，均勻化成分，從而提高電阻點(diǎn)焊機(jī)械性能。
文檔編號(hào)B23K11/11GK102500901SQ201110364000
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月16日
發(fā)明者呂智, 李?yuàn)W, 沈耀, 金學(xué)軍, 馬佳偉 申請人:上海交通大學(xué)