基于cmt的铝合金电弧点焊方法及焊接系统的制作方法

文档序号:3207339阅读:850来源:国知局
专利名称:基于cmt的铝合金电弧点焊方法及焊接系统的制作方法
技术领域
本发明涉及一种金属焊接的方法,具体涉及一种基于CMT的铝合金与铝合金的电弧点焊方法及焊接系统,属于焊接技术领域。
背景技术
铝合金密度小、比强度高、成形性好,已成为汽车轻量化趋势中替代传统钢材应用最广泛的轻金属材料,这就涉及到铝合金与铝合金连接的问题。铝合金连接技术主要包括电阻点焊、搅拌摩擦点焊、半空心铆钉自冲铆接等。电阻点焊技术普遍应用于汽车的钢板车身的连接,而铝合金具有热导率大、电阻率较低、线膨胀系数大等特点,因而导致电阻点焊时能耗变高,电极表面损耗较快,焊核夹杂气孔严重,焊接过程产生飞溅,接头质量不稳定等问题。搅拌摩擦点焊属于固相连接技术,具有能量输入·较低、变形较小等优点,虽一定程度上避免了上述问题,但焊接结束后会留下工艺孔匙,从而容易产生应力集中,并使接头强度降低;由德国发明的回填式搅拌摩擦点焊技术虽然焊后不会留下工艺孔匙,但其装备结构复杂,成本及控制精度要求较高,且焊接速度慢。半空心铆钉自冲铆接是应用较为广泛的铝合金连接技术,其为机械冷成形工艺,该工艺使铆钉与板料之间形成牢固互锁的结构,能够有效避免铝合金熔化焊过程存在的问题,其连接具有较高强度,然而当铆接低延展率的铝合金时,接头容易产生裂纹甚至脆裂,而且铆接薄板时对铆钉模具组合设计要求高,此外铆钉会使焊接成本上升,同时会无形中增加车身质量。经过对现有技术的检索发现,Fronius基于熔化极惰性气体保护焊(MIG)发明了一种称作冷金属过渡(Cold Metal Transfer,简称CMT)的电弧焊工艺。由于CMT方法通过数字化控制使焊丝回抽实现金属熔滴的过渡,与常规的电弧焊工艺相比热输入大大降低,成为一种极具应用前景的铝合金连接方法。目前该方法通常用于缝焊,由于铝合金线膨胀系数大,所以当用于铝合金焊接时,尤其在焊接薄板时接头会产生很大的焊接变形,难以很好地完成铝合金的连接。

发明内容
本发明针对上述现有技术存在的不足,提供一种基于CMT的铝合金电弧点焊方法,对上层铝合金板点焊位置进行打孔预处理,同时下层铝合金板放置垫块,采用CMT电弧焊技术施焊填充工艺孔从而形成焊点,以达到减小焊接变形、增加点焊工艺窗口、提闻点焊接头质量及其稳定性的目的。本发明还提供一种用以实现上述基于CMT的铝合金电弧点焊方法的焊接系统。本发明是通过以下技术方案实现的一种基于CMT的铝合金电弧点焊方法,其包括以下步骤第一步,在待焊的一铝合金板上打出工艺孔,所述的工艺孔为圆柱形或圆台形;第二步,将带孔铝合金板重叠放置于另一待焊的不带孔铝合金板之上,同时将一垫块放置于该不带孔铝合金板之下,通过一夹紧装置将待焊的铝合金板与该垫块夹紧,所述的垫块的材料为高熔点金属;第三步,将装有焊丝的CMT电弧焊系统的焊枪与待焊铝合金板的板面垂直设置且该焊丝对准所述工艺孔的中心;第四步,向焊接部位预先通入保护气体,然后采用预定的焊接参数,以CMT模式引燃电弧,焊丝燃烧并填充所述工艺孔,同时熔化所述工艺孔的边缘与不带孔铝合金板形成熔焊接头,最后熄灭电弧并继续通入保护气体防止熔焊接头氧化;所述的预定的焊接参数为焊接电流85A 158A、焊接电压12. 6V 16. 8V、送丝速度5. Om/min 7. Om/min以及焊接时间O. 3s I. 9s,所述的CMT模式是指,奥地利Fronius公司提出的CMT方法,该CMT方法通过数字化控制使焊丝回抽实现金属熔滴的过渡。本发明的又一技术方案是一种实施所述基于CMT的铝合金电弧点焊方法的电弧焊接系统,其包括焊丝、气 瓶、CMT电弧焊系统、机器人控制柜、机器人和夹紧装置,其中,焊丝装于CMT电弧焊系统中,充有氩气的气瓶与CMT电弧焊系统连通,CMT电弧焊系统与机器人控制柜相连并传输焊接控制信号,机器人控制柜与机器人相连并传输机器人运动控制信号,夹紧装置在焊接过程中夹紧所述带孔铝合金板、不带孔铝合金板以及垫块。所述的CMT电弧焊系统包括焊枪、送丝机、主机电源和冷却液箱,其中,焊枪与送丝机、主机电源以及冷却液箱相连,并且装在机器人的端部,主机电源连接并控制送丝机,主机电源连接冷却液箱并向之提供电源和控制信号,主机电源与所述机器人控制柜相连,所述焊丝设置于送丝机中且安装在焊枪上。所述的机器人为工业机械臂,其拥有六个旋转运动轴,所述焊枪安装在该工业机械臂的第六轴上。本发明与现有技术相比具有以下优点本发明将点焊代替连续缝焊,能够大大降低焊接热输入,从而减小了由于铝合金线膨胀系数大导致的接头严重变形;上层铝合金板进行打孔预处理提高了点焊工艺窗口,解决了铝合金CMT直接点焊过程中,小焊接参数使下层铝合金板热输入不足,而导致无法与上层铝合金板熔合以及焊接质量不稳定等问题;下层铝合金板放置垫块解决了铝合金CMT点焊过程中,大焊接参数使焊点塌陷甚至产生裂缝以及焊接质量不稳定等问题;同时,打工艺孔和放置垫块的工艺措施简单易行,相比自冲铆接工艺成本低,而且对长期以来基于电阻点焊工艺的车身零部件制造没有影响,易于推广应用。


图I为本发明的示意图。图2为本发明所述电弧焊接系统的示意图。图3为本发明焊接过程的工作原理图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的实施例作详细说明,该实施例以本发明技术方案为前提给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。请结合参阅图I和图2本发明的示意图,图示的基于CMT的铝合金电弧点焊方法的电弧焊接系统包括焊丝4、气瓶6、CMT电弧焊系统5、机器人控制柜7、机器人8和夹紧装置9。其中,焊丝4装于CMT电弧焊系统5中,充有氩气的气瓶6与CMT电弧焊系统5连通,CMT电弧焊系统5与机器人控制柜7相连并传输焊接控制信号,机器人控制柜7与机器人8相连并传输机器人8运动控制信号,夹紧装置9在焊接过程中夹紧上层的带孔铝合金板I和下层的不带孔铝合金板2以及垫块3。所述的CMT电弧焊系统5包括焊枪10、送丝机11、主机电源12和冷却液箱13。其中,所述焊枪10与送丝机11、主机电源12以及冷却液箱13相连,并且装在机器人8的端部;所述主机电源12同时连接送丝机11、冷却液箱13和机器人控制柜7,主机电源12控制送丝机11的运行,同时向冷却液箱13提供电源和控制信号,在焊接过程中冷却CMT电弧焊系统5,该主机电源12还向机器人控制柜7传输焊接过程中的输入、输出信号;所述焊丝4设置于送丝机11中,并且安装在焊枪10上,其通过焊枪10作为填充金属熔化滴入上层带孔铝合金板I的工艺孔中,与下层不带孔铝合金板2熔合形成熔焊接头。 所述的机器人8为工业机械臂,承重能力为5kg,工作半径为1444mm,其拥有六个旋转运动轴,所述焊枪10安装在该工业机械臂8的第六轴上,在焊接过程中机器人8带动焊枪10,使之精确定位于带孔铝合金板I上工艺孔的中心位置。请结合参阅图I和图3,本发明所述基于CMT的铝合金电弧点焊方法通过上述电弧焊接系统实现,其包括以下步骤第一步,焊接工件预处理,在待焊的一铝合金板I上打出工艺孔,所述的工艺孔为圆柱形或圆台形。第二步,将带孔铝合金板I重叠放置于另一待焊的不带孔铝合金板2之上,同时将一垫块3放置于该不带孔铝合金板2之下,通过所述夹紧装置9将待焊的铝合金板I和2与该垫块3夹紧,保证垫块3与下层不带孔铝合金板2紧紧贴合;所述的垫块3的材料为黄铜等高熔点金属,以防止焊接过程中与待焊工件熔合。第三步,将装有焊丝4的CMT电弧焊系统5的焊枪10与待焊铝合金板I和2的板面垂直设置,并且使该焊丝4对准所述工艺孔的中心(见图I)。第四步,向焊接部位预先通入保护气体,然后采用预先设定的焊接参数,以CMT模式引燃电弧,焊丝4燃烧并填充所述工艺孔,同时熔化所述工艺孔的边缘与不带孔铝合金板2形成熔焊接头,最后熄灭电弧并继续通入保护气体防止熔焊接头氧化。所述的预定的焊接参数的范围为焊接电流85A 158A、焊接电压12. 6V 16. 8V、送丝速度5. Om/min 7. Om/min以及焊接时间O. 3s I. 9s。所述的CMT模式是指,奥地利Fronius公司提出的CMT方法,该CMT方法通过数字化控制使焊丝回抽实现金属熔滴的过渡,与常规的电弧焊熔滴过渡方式相比焊接热输入可以大大降低,因此本发明对于热输入量的控制有较高要求的材料,如铝合金,能够取得很好的效果。下面结合实施例对本发明的具体实施步骤作进一步说明。实施例一本实施例中垫块3的材料采用黄铜,待焊铝合金板I和2均为铝合金AA6061-T6,板件厚度匹配待焊铝合金板1、2用机械打磨方式去除表面的氧化层,用丙酮试剂去除待焊位置的油污,焊丝4的材料为AlSi5,直径为I. 2_。
焊接参数为焊接电流132A,焊接电压15. 9V,送丝速度6. 2m/min,弧长修正0%,焊丝回抽频率70Hz,采用氩气作为保护气体,其流量15L/min,焊接时间Is。本实施例工作过程如图3a 图3h所示第一步、焊接材料预处理在待焊铝合金板I上打出工艺孔;所述的工艺孔为圆柱形,直径6. 5_。第二步、将带孔铝合金板I重叠放置于待焊不带孔铝合金板2之上,同时将垫块3放置于下层不带孔铝合金板2之下,通过夹紧装置9将待焊铝合金板1、2以及垫块3夹紧;第三步、将装有焊丝4的焊枪10与待焊铝合金板1、2的板面垂直设置且焊丝4对准工艺孔的中心;第四步、向焊接部位预先通入保护气体后,采用预先设定好的焊接参数以CMT模式引燃电弧,焊丝4燃烧并填充工艺孔,同时熔化所述上层带孔铝合金板I工艺孔的边缘与 下层不带孔铝合金板2,形成熔焊接头,熄灭电弧并继续通入保护气体防止接头氧化。实施例二工艺过程步骤与实施例一相同,所不同的是焊接参数为焊接电流85A,焊接电压12. 6V,送丝速度5. Om/min,焊接时间I. 9s。实施例三工艺过程步骤与实施例一相同,所不同的是焊接参数为焊接电流158A,焊接电压16. 8V,送丝速度7. Om/min,焊接时间O. 3s。在上述焊接参数条件下焊接,上层带孔铝合金板I打孔有助于上、下铝合金板熔合形成熔焊接头,下层不带孔铝合金板2之下放置垫块能够有效地避免因铝合金熔点低而导致的焊点塌陷,因而焊接质量及其稳定性均得到提高,能够获得良好的焊接接头,接头形貌平整对称,无飞溅,气孔、裂纹等焊接缺陷少。焊后采用万能试验机进行拉伸,接头可以达到较高的剪切强度。同时,多点连续点焊接头形貌平整美观、焊后变形小,上、下两层板件基本保持平整,与缝焊相比,无明显弯曲,采用本发明方法可大大减小被连接工件的变形。
权利要求
1.一种基于CMT的铝合金电弧点焊方法,其特征是,包括以下步骤 第一步,在待焊的一铝合金板上打出工艺孔; 第二步,将带孔铝合金板重叠放置于另一待焊的不带孔铝合金板之上,同时将一垫块放置于该不带孔铝合金板之下,通过一夹紧装置将待焊的铝合金板与该垫块夹紧; 第三步,将装有焊丝的CMT电弧焊系统的焊枪与待焊铝合金板的板面垂直设置且该焊丝对准所述工艺孔的中心; 第四步,向焊接部位预先通入保护气体,然后采用预定的焊接参数,以CMT模式引燃电弧,焊丝燃烧并填充所述工艺孔,同时熔化所述工艺孔的边缘与不带孔铝合金板形成熔焊接头,最后熄灭电弧并继续通入保护气体防止熔焊接头氧化。
2.根据权利要求I所述的基于CMT的铝合金电弧点焊方法,其特征是,在第四步步骤中,所述的预定的焊接参数为焊接电流85A 158A、焊接电压12. 6V 16. 8V、送丝速度5.Om/min 7. Om/min 以及焊接时间 O. 3s I. 9s。
3.根据权利要求I或2所述的基于CMT的铝合金电弧点焊方法,其特征是,所述的工艺孔为圆柱形或圆台形。
4.根据权利要求I所述的基于CMT的铝合金电弧点焊方法,其特征是,所述的垫块的材料为高熔点金属。
5.根据权利要求I所述的基于CMT的铝合金电弧点焊方法,其特征是,所述的CMT模式是指,奥地利Fronius公司提出的CMT方法,该CMT方法通过数字化控制使焊丝回抽实现金属熔滴的过渡。
6.一种实施权利要求I所述基于CMT的铝合金电弧点焊方法的电弧焊接系统,其特征是,所述电弧焊接系统包括焊丝、气瓶、CMT电弧焊系统、机器人控制柜、机器人和夹紧装置,其中,焊丝装于CMT电弧焊系统中,充有氩气的气瓶与CMT电弧焊系统连通,CMT电弧焊系统与机器人控制柜相连并传输焊接控制信号,机器人控制柜与机器人相连并传输机器人运动控制信号,夹紧装置在焊接过程中夹紧所述带孔铝合金板、不带孔铝合金板以及垫块。
7.根据权利要求6所述的电弧焊接系统,其特征是,所述的CMT电弧焊系统包括焊枪、送丝机、主机电源和冷却液箱,其中,焊枪与送丝机、主机电源以及冷却液箱相连,并且装在机器人的端部,主机电源连接并控制送丝机,主机电源连接冷却液箱并向之提供电源和控制信号,主机电源与所述机器人控制柜相连,所述焊丝设置于送丝机中且安装在焊枪上。
8.根据权利要求7所述的电弧焊接系统,其特征是,所述的机器人为工业机械臂,其拥有六个旋转运动轴,所述焊枪安装在该工业机械臂的第六轴上。
全文摘要
一种基于CMT的铝合金电弧点焊方法及焊接系统,该方法包括在上层铝合金板上打出工艺孔并将之叠放于下层不带孔铝合金板之上;将垫块放置于下层铝合金板之下,通过夹紧装置将待焊工件与垫块夹紧;将装有焊丝的焊枪与待焊工件的板面垂直设置且焊丝对准工艺孔的中心;向待焊接部位预先通入保护气体,以CMT模式引燃电弧,焊丝燃烧并填充工艺孔,同时熔化下层铝合金板与上层铝合金板工艺孔的边缘,形成熔焊接头;该焊接系统包括焊丝、气瓶、CMT电弧焊系统、机器人控制柜、机器人和夹紧装置。本发明用CMT工艺实现铝合金板之间的点焊连接,提升了焊接工艺窗口,提高了焊接质量及其稳定性,具有变形小、成本低、简单易行和易于推广的优点,适用于铝合金材料之间的焊接。
文档编号B23K9/173GK102896398SQ20121038273
公开日2013年1月30日 申请日期2012年10月10日 优先权日2012年10月10日
发明者李永兵, 魏泽宇, 雷海洋, 林忠钦 申请人:上海交通大学
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