专利名称：一种超声能-电阻热精密复合的焊接方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及有色金属微型零件焊接技术领域，尤其是一种超声能-电阻热精密复 合的焊接方法及装置。
背景技术：
随着电子信息、新能源、汽车、航空航天等行业的飞速发展，有色金属得到了广泛 应用，其中对有色金属的焊接需求也越来越多，但由于有色金属的导电性、导热性和热膨胀 系数较高，如果采用目前通用的焊接方法会造成有色金属的焊接，特别是有色金属微型零 件的直接焊接达不到预期的要求，焊接性较差。目前有色金属之间的直接焊接主要有三种， 分别是摩擦焊、电阻焊和超声波焊接。摩擦焊是利用焊件断面发生相对旋转运动时相互摩擦产生的热使端部达到热塑 性状态，然后进行顶锻，完成焊接的方法。目前常用的焊接方法有旋转摩擦焊、线性摩擦焊、 搅拌摩擦焊等。旋转摩擦焊主要是针对轴类零件，线性摩擦焊主要是针对非轴对称零件，搅 拌摩擦焊主要是针对板类零件，摩擦焊通常适用于较大尺寸的零件，但对于小尺寸有色金 属零件的焊接仍然存在困难。电阻焊是利用电流流过工件和接触面时所产生的电阻热加热金属，然后在压力作 用下完成焊接。根据接头形式不同分为电阻点焊、电阻缝焊和电阻对焊等。电阻点焊和电 阻缝焊是使接头内局部熔化，界面完全消失。电阻对焊在较高温度下形成塑性连接，杂质被 排除，其接头性能与界面塑性变形、高温扩散及杂质排除等因素有关，比超声波焊接界面融 合好，比有熔化的接头性能稍差。由于电阻焊对电阻具有高度敏感性，而有色金属的电阻率 低、热导率高，所以电阻焊对黑色金属材料比较有效，对有色金属应用不太理想。此外，由于 应用该焊接方法时会有较大的热输入和易于变形，所以对小尺寸有色金属零件进行电阻焊 时，接头变形比较严重。超声波焊是利用超声频率的机械振动能量，使待焊金属件进行连接的一种特殊方 法。超声波焊接方法其中也利用了摩擦原理，只是这种摩擦是超声振动在接触界面上产生 的微摩擦，产生的能量有限。超声波在有色金属焊接方面用得比较多的是集成电路引线的 超声键合(Ultrasonic Bonding)或热超声键合(Thermosonic Bonding)。其中预热会使热 超声键合接头性能更好，所以热超声键合是超声波键合的主流。另外，超声波焊还用于电池 镍片、铜、铝材料焊接等场合。对于有色金属，由于超声波焊接能量不足、有色金属导热快， 所以接头表面平均温升有限，接触面间形成局部区域固相连接，接头强度不高。目前已有研 究是通过采用复合超声振动和从工艺上改善接头等措施来提高超声波焊接接头的性能，但 这些方式仍然仅靠超声摩擦产生固相连接，只是增大了有效固相接合面积，界面平均温升 仍然有限，连接机理没有发生实质性改变。所以应用发展缓慢。因此，需要提供一种可对有色金属微型零件直接焊接的方法及装置。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种可对有色金属微型 零件直接焊接的超声能_电阻热精密复合的焊接方法及装置。本发明提供了一种超声能-电阻热精密复合的焊接方法，首先，工具头以预定压 力压紧待焊工件，然后将超声脉冲与电阻焊电流按照预设波形精密导入待焊部位进行复合 作用，焊接完毕后，升起工具头，停止超声电源和电阻焊电源，使焊头进行自然冷却，最后超 声电源再次发出一超声脉冲，使工件顺利的从工具头上脱落。具体包括以下步骤(1)预压阶段将待焊工件置于超声能_电阻热复合能量导入系统的工具头和工 作台之间，工具头按照预先设定的压力压紧工件；(2)焊接阶段根据焊件不同，预设焊接参数，根据预设的超声脉冲与电流匹配相 位分别启动数字超声系统中的数字功率超声电源和精密逆变电阻焊电源系统中的精密逆 变电阻焊电源；所述数字功率超声电源根据预设的超声脉冲波形输出电脉冲驱动数字超声 系统中的换能器产生超声波，超声能-电阻热复合能量导入系统中的变幅杆将该超声波的 振幅调整成焊接所需振幅后传递给所述工具头，工具头将超声振动作用于工件上；所述精 密逆变电阻焊电源根据预设的电阻焊电流波形提供焊接电流，通过所述工具头、工作台与 电源形成回路，所产生的电阻热作用于工件上，超声振动和电阻热对工件进行焊接；在焊接 过程中，通过所述数字超声系统中的以DSP为核心的数字控制电路及所述精密逆变电阻焊 电源系统中的以MCU为核心的控制电路协同进行精密控制；(3)冷却阶段焊接完毕后，将工具头升起，停止数字功率超声电源和精密逆变电 阻焊电源，焊头进行自然冷却；(4)后处理阶段再次启动数字功率超声电源，发出一时间为0. 01-0. 2s、振幅为 10-20 μ m的超声脉冲，使工件顺利的从工具头上脱落，焊接过程结束。所述步骤(1)中，加压方式为气动加压、弹簧加压、液压加压或者伺服加压。所述步骤(2)中，预设的超声能与电阻热匹配相位有同步、交叉模式；所述预设的 超声脉冲与电阻焊电流匹配相位为交叉模式时，由电阻焊电流产生的电阻热预热工件或由 超声脉冲产生的超声能预热工件；所述预设的超声脉冲与电阻焊电流相位为同步模式时， 焊接过程中至少有一个超声脉冲与电阻焊电流同步。所述步骤(2)中，预设的超声脉冲或电流为不连续模式。所述步骤(2)中，所述预设焊接参数包括预压时间、超声焊接时间、超声振幅/ A(超声电源功率)、电阻焊电流/I及时间、压力大小、超声能与电阻热匹配相位及电阻焊电 流波形和超声脉冲波形。步骤(2)中，所述在焊接过程中，通过所述数字超声系统中的以DSP为核心的数字 控制电路及所述精密逆变电阻焊电源系统中的以MCU为核心的控制电路进行精密的协同 控制，具体是指所述以DSP为核心的数字控制电路通过采集所述换能器两端的电流电压相位检 测信号、电流和电压信息，调整输出PWM的频率以及脉宽至所述数字超声系统中的功率逆 变电路，实现频率自动跟踪；采集所述工作台处的电极压力并输出显示；通过通信形式把 预设焊接参数传递给所述以MCU为核心的控制电路；并且在进行上述操作时，与外界保持故障信息的传递；所述以MCU为核心的控制电路根据预设焊接参数及从所述精密逆变电阻焊电源 系统中的次级整流电路采集的焊接电流和电极电压反馈信号，调整输出PWM信号的脉宽， 实现每个阶段电流的稳定，进而保证电阻热的精密可控，然后将经过处理得到的驱动控制 信号传送至精密逆变电阻焊电源系统中的功率逆变电路，从而实现电阻热的精密输出以及 与以DSP为核心的数字控制电路之间精密的协同控制。本发明还提供一种实施上述方法的超声能-电阻热精密复合的焊接装置，包括数 字超声系统、精密逆变电阻焊电源系统和超声能-电阻热复合能量导入系统；所述数字超 声系统和精密逆变电阻焊电源系统信号连接，数字超声系统、精密逆变电阻焊电源系统分 别与所述超声能_电阻热复合能量导入系统连接。其中，所述超声能-电阻热复合能量导入系统包括变幅杆、工具头、工作台；变幅 杆、工具头连为一体；待焊工件置于工作台上，工具头置于待焊工件上；所述工具头的振动 形式为一维线性振动或纵扭复合振动；变幅杆为两级变幅杆；所述数字超声系统包括数字功率超声电源和换能器，所述数字功率超声电源包括 整流滤波电路、功率逆变电路、高频变压器、匹配网络、驱动保护电路以及以DSP为核心的 数字控制电路，所述数字功率超声电源的整流滤波电路、功率逆变电路、高频变压器、匹配 网络、换能器依次连接，所述换能器与所述变幅杆通过超声波驱动连接，以DSP为核心的数 字控制电路与所述数字超声系统的驱动保护电路、功率逆变电路依次连接；所述精密逆变电阻焊电源系统包括整流滤波电路、功率逆变电路、高频变压器、次 级整流电路、驱动保护电路以及以MCU为核心的控制电路，所述精密逆变电阻焊电源系统 的整流滤波电路、功率逆变电路、高频变压器、次级整流电路依次连接，所述次级整流电路 输出端与所述工具头、工作台分别电路连接，以MCU为核心的控制电路与所述精密逆变电 阻焊电源系统的驱动保护电路、功率逆变电路依次连接；所述以DSP为核心的数字控制电路与所述以MCU为核心的控制电路通信连接。更具体地，所述以DSP为核心的数字控制电路，包括DSP控制器、开关、IXD面板， 所述DSP控制器通过其I/O端口分别与开关、IXD面板信号连接，通过其INT端口与外界信 号连接，通过其AD采样模块与所述换能器两端信号连接，通过其PWM驱动模块与所述数字 超声系统的驱动保护电路信号连接；所述以MCU为核心的控制电路，包括MCU控制器，所述MCU控制器通过其AD采样 模块与所述精密逆变电阻焊电源系统的次级整流电路输出端信号连接，通过其PWM驱动模 块与所述精密逆变电阻焊电源系统的驱动保护电路信号连接。所述以DSP为核心的数字控制电路与所述以MCU为核心的控制电路通信连接的方 式为CAN总线、USB、RS232或RS485通信方式。本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果1、本发明是将超声能和电阻热这两种物理性质、能量传输机制截然不同的热源复 合在一起，作用于同一加工位置，既充分发挥了两种热源的各自的优势，又相互弥补了各自 的不足，从而形成一种全新高效的热源。2、本发明中超声能和电阻热并不是简单的叠加，而是存在复杂的物理作用，电阻 热效应集中于界面，避免母材产生较大的变形；界面接触点的快速温升减小界面变形抗力，促进超声振动过程界面膜破碎和杂质排除；超声振动改变接触形态，接触点滑移增强电流 界面产热；接触动态变化促进电流、塑性变形均态化分布等，因而有利于促进焊件界面产热 和各种效应，使焊件接头性能得到显著提升，焊接效率得到较大提高。3、本发明尤其适用于对同种或异种有色金属微型零件的直接焊接。
图1是本发明方法的流程示意图；图2是本发明方法在实施例1中预设的超声脉冲和电阻焊电流波形图；图3是图1所示方法的装置结构示意图；图4是图3中精密复合焊接部分结构示意图；图5至图9为本发明方法在实施例2至6中预设的超声脉冲和电阻焊电流波形图。
具体实施例方式下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限 于此。实施例1如图1所示，本发明一种超声能-电阻热精密复合的焊接方法，首先，工具头以预 定压力压紧待焊工件，然后将超声脉冲与电阻焊电流按照预设波形精密导入待焊部位进行 复合作用，焊接完毕后，升起工具头，停止超声电源和电阻焊电源，使焊头进行自然冷却，最 后超声电源再次发出一超声脉冲，使工件顺利的从工具头上脱落。具体包括以下步骤(1)预压阶段将待焊工件置于超声能_电阻热复合能量导入系统的工具头和工 作台之间，工具头按照预先设定的压力压紧工件；(2)焊接阶段根据焊件不同，预设焊接参数，根据预设的超声脉冲与电流匹配相 位分别启动数字超声系统中的数字功率超声电源和精密逆变电阻焊电源系统中的精密逆 变电阻焊电源；所述数字功率超声电源根据预设的超声脉冲波形输出电脉冲驱动数字超声 系统中的换能器产生超声波，超声能-电阻热复合能量导入系统中的变幅杆将该超声波的 振幅调整成焊接所需振幅后传递给所述工具头，工具头将超声振动作用于工件上；所述精 密逆变电阻焊电源根据预设的电阻焊电流波形提供焊接电流，通过所述工具头、工作台与 电源形成回路，所产生的电阻热作用于工件上，超声振动和电阻热对工件进行焊接；在焊接 过程中，通过所述数字超声系统中的以DSP为核心的数字控制电路及所述精密逆变电阻焊 电源系统中的以MCU为核心的控制电路协同进行精密控制；(3)冷却阶段焊接完毕后，将工具头升起，停止数字功率超声电源和精密逆变电 阻焊电源，焊头进行自然冷却；(4)后处理阶段再次启动数字功率超声电源，发出一时间为0.01s、振幅为10 μ m 的超声脉冲，使工件顺利的从工具头上脱落，焊接过程结束。所述步骤(1)中，加压方式为气动加压。所述步骤(2)中，如图2所示，所述预设的超声能与电阻热匹配相位为交叉模式， 由电阻焊电流产生的电阻热预热工件，超声脉冲和电阻焊电流为连续模式。
所述步骤(2)中，所述预设焊接参数包括预压时间、超声焊接时间、超声振幅/ A(超声电源功率)、电阻焊电流/I及时间、压力大小、超声能与电阻热匹配相位及电阻焊电 流波形和超声脉冲波形。步骤(2)中，所述在焊接过程中，通过所述数字超声系统中的以DSP为核心的数字 控制电路及所述精密逆变电阻焊电源系统中的以MCU为核心的控制电路进行精密的协同 控制，具体是指所述以DSP为核心的数字控制电路通过采集所述换能器两端的电流电压相位检 测信号、电流和电压信息，调整输出PWM的频率以及脉宽至所述数字超声系统中的功率逆 变电路，实现频率自动跟踪；采集所述工作台处的电极压力并输出显示；通过通信形式把 预设焊接参数传递给所述以MCU为核心的控制电路；并且在进行上述操作时，与外界保持 故障信息的传递；所述以MCU为核心的控制电路根据预设焊接参数及从所述精密逆变电阻焊电源 系统中的次级整流电路采集的焊接电流和电极电压反馈信号，调整输出PWM信号的脉宽， 实现每个阶段电流的稳定，进而保证电阻热的精密可控，然后将经过处理得到的驱动控制 信号传送至精密逆变电阻焊电源系统中的功率逆变电路，从而实现电阻热的精密输出以及 与以DSP为核心的数字控制电路之间精密的协同控制。如图3所示，为实现上述超声能-电阻热精密复合的焊接方法的装置结构原理图， 该装置包括数字超声系统、精密逆变电阻焊电源系统和超声能_电阻热复合能量导入系 统；所述数字超声系统和精密逆变电阻焊电源系统信号连接，数字超声系统、精密逆变电阻 焊电源系统分别与所述超声能_电阻热复合能量导入系统连接。其中，所述超声能-电阻热复合能量导入系统包括变幅杆、工具头、工作台；变幅 杆、工具头连为一体；待焊工件置于工作台上，工具头置于待焊工件上；所述工具头的振动 形式为一维线性振动或纵扭复合振动；变幅杆为两级变幅杆；所述数字超声系统包括数字功率超声电源和换能器，所述数字功率超声电源包括 整流滤波电路、功率逆变电路、高频变压器、匹配网络、驱动保护电路以及以DSP为核心的 数字控制电路，所述数字功率超声电源的整流滤波电路、功率逆变电路、高频变压器、匹配 网络、换能器依次连接，所述换能器与所述变幅杆通过超声波驱动连接，以DSP为核心的数 字控制电路与所述数字超声系统的驱动保护电路、功率逆变电路依次连接；所述精密逆变电阻焊电源系统包括整流滤波电路、功率逆变电路、高频变压器、次 级整流电路、驱动保护电路以及以MCU为核心的控制电路，所述精密逆变电阻焊电源系统 的整流滤波电路、功率逆变电路、高频变压器、次级整流电路依次连接，所述次级整流电路 输出端与所述工具头、工作台分别电路连接，以MCU为核心的控制电路与所述精密逆变电 阻焊电源系统的驱动保护电路、功率逆变电路依次连接；所述以DSP为核心的数字控制电路与所述以MCU为核心的控制电路通信连接。更具体地，所述以DSP为核心的数字控制电路，包括DSP控制器、开关、IXD面板， 所述DSP控制器通过其I/O端口分别与开关、IXD面板信号连接，通过其INT端口与外界信 号连接，通过其AD采样模块与所述换能器两端信号连接，通过其PWM驱动模块与所述数字 超声系统的驱动保护电路信号连接；所述以MCU为核心的控制电路，包括MCU控制器，所述MCU控制器通过其AD采样
8模块与所述精密逆变电阻焊电源系统的次级整流电路输出端信号连接，通过其PWM驱动模 块与所述精密逆变电阻焊电源系统的驱动保护电路信号连接。所述以DSP为核心的数字控制电路与所述以MCU为核心的控制电路通信连接的方 式为CAN总线通信方式。在本发明方法中，预设的超声脉冲和电阻焊电流波形图如图2所示，焊接循环过 程具体如下(1)预压阶段(Ο-tl)将待焊工件置于超声能_电阻热复合能量导入系统的工具 头和工作台之间，工具头按照预先设定的压力压紧工件；(2)焊接阶段(tl-t6)在此阶段中，超声能和电阻热通过如图2所示的预设的超 声脉冲和电阻焊电流波形图对工件进行复合作用，其中tl-t2阶段为电阻焊电流预热工件阶段，电阻焊电流从0逐渐增大到Il并维持稳 定，此阶段的预热可以减小工件塑性变形抗力，促进工件表面氧化膜等杂物的破碎，为超声 能更有效的作用于焊接界面做准备。t2-t3阶段为超声能和电阻热进行第一次复合作用，其中超声振幅从0逐渐增大 到Al并维持稳定，电阻焊电流维持为II，一方面电阻热继续加热工件加速焊接界面塑性变 形能力，促进超声焊接；另一方面通过超声作用，可改变焊件接触形态，扩大焊件之间的界 面接触面积，接触点滑移增强电流界面产热，接触面动态变化促进电流、塑性变形均态化分 布等，从而有利于促进界面产热和其它各种效应。t3_t4阶段超声能先以振幅Al作用于工件上，然后逐渐增大至A2，而电阻焊电流 从Il增大为12后维持稳定，在此阶段中一方面超声能和电阻热的相互作用继续加强，另一 方面电阻焊电流增大使得焊接界面两侧原子振动更加激烈，有助于促进焊件原子之间的扩 散或合金化的倾向，为形成优异的焊接接头奠定基础。t4-t5阶段，超声振幅维持在A2不变，精密逆变电阻焊电源减小输出功率，电阻焊 电流减小为13。通过前面几个阶段超声能和电阻热复合作用，焊件界面的热量、变形以及原 子扩散/合金化等已经达到形成新的界面的能力，加大超声能和减小电流目的是保持新界 面形成过程中能量稳定，防止过热形成脆性化合物或界面温度降低不利于界面成型等。t5-t6阶段，超声能仍以振幅A2作用于焊件，电阻焊电源停止工作，在前面复合能 量作用形成界面基础上，超声能进一步促进新形成的界面均勻化，使界面充分融合，最终在 超声能作用下形成优良的焊点。(3)冷却阶段(t6_t7)工具头升起，超声电源和电阻焊电源均停止工作，焊头进 行自然冷却。(4)后处理阶段(t7_t8)此阶段的目的主要是防止硬度较低焊件黏着在工具头 上，时长为0.01s，在此阶段超声电源发出一超声脉冲A3，大小为10 μ m，使工件顺利的从工 具头上脱落。焊接过程完成，等待下一次焊接过程。实施例2本实施例除下述特征外其他结构和过程同实施例1 本发明方法所述步骤(1)中， 加压方式为弹簧加压。所述步骤(2)中，所述预设的超声脉冲和电阻焊电流波形图如图5所示，由超声能 预热工件。
所述步骤(4)中，再次启动数字功率超声电源，发出一时间为0. 2s、振幅为20 μ m 的超声脉冲，使工件顺利的从工具头上脱落，焊接过程结束。本发明装置超声能_电阻热复合能量导入系统中工具头的振动形式为纵扭复合 振动。本发明装置超声_电阻焊协同控制系统是将数字功率超声电源和精密逆变电阻 焊电源通过USB进行通信。在本实施例中，预设的超声脉冲和电阻焊电流波形图如图5所示，焊接循环过程 中焊接阶段具体说明如下tl-t2阶段为超声能预处理工件阶段，超声波以较大振幅Al作用于焊件，此阶段 的较大的超声能通过超音频微摩擦作用于焊接界面，使焊件接触微凸点出氧化膜等杂物迅 速破除，并使微凸点接触面积有所增大，可以有效改善焊接电流流通路径，为促进电流在界 面产热做准备。t2-t3阶段为超声能和电阻热进行第一次复合作用，其中超声振幅为A2，电阻焊 电流为II。在此阶段中电流值Il较大，目的是促进界面温升，进而增强界面两侧原子激活 能，有助于促进焊件原子之间的扩散或合金化的倾向，为形成优异的焊接接头奠定基础。在t3_t4阶段，数字超声电源提高输出功率，即超声振幅变大为A3，精密逆变电阻 焊电源减小电流输出，将电流减少为12，目的是保证焊接新界面形成过程中能量的稳定，防 止界面温度过高形成脆性物质或温度过低不利于界面成型，从而形成均勻一致的焊接接头。t4-t5阶段超声能仍以振幅A3作用于焊件，电阻焊电源停止工作，在前面复合能 量作用形成界面基础上，超声能进一步促进新形成的界面均勻化，使界面充分融合，最终在 超声能作用下形成优良的焊点。实施例3本实施例除下述特征外其他结构和过程同实施例1 本发明方法所述步骤(1)中， 加压方式为液压加压。所述步骤(2)中，所述预设的超声脉冲和电阻焊电流波形图如图6所示，所述预设 的超声能与电阻热匹配相位为同步模式，由电流产生的电阻热和超声能同时预热工件。本发明装置超声_电阻焊协同控制系统是将数字功率超声电源和精密逆变电阻 焊电源通过RS232形式进行通信。在本实施例中，预设的超声脉冲和电阻焊电流波形图如图6所示，焊接循环过程 中焊接阶段具体说明如下tl_t2阶段超声能和电阻热同时作用于焊件，其中超声振幅为Al，超声焊电流为 II，这一阶段的目的是通过复合能量的充分作用于焊件接触面，使界面接触形态向有利于 超声、电流作用方向变化，促进界面接触区域的塑性变形。t2-t3阶段超声波振幅和电阻焊电流同时增大，超声振幅由Al增大为A2，超声焊 电流由Il增大为12，目的是在复合能量共同处理焊件接触面的基础上，迅速提高界面两侧 原子的激活能，使界面两侧的原子通过扩散或合金化形成新的焊接界面。实施例4本实施例除下述特征外其他结构和过程同实施例3 本发明方法所述步骤(1)中， 加压方式为伺服加压。
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所述步骤(2)中，所述预设的超声脉冲和电阻焊电流波形图如图7所示，预设的超 声能脉冲与电流同步的仅为一个。本发明装置超声_电阻焊协同控制系统是将数字功率超声电源和精密逆变电阻 焊电源通过RS485形式进行通信。在本实施例中，预设的超声脉冲和电阻焊电流波形图如图7所示，焊接循环过程 中焊接阶段具体说明如下在tl_t2阶段中，超声能和电阻热复合作用于界面与新的界面成型同时完成。根 据实际焊件的极地电阻率和极大导热率，设定超声振幅Al与电流Il以较大的值进行焊接， 一方面大的超声振幅可以极快处理界面接触形态，与此同时电流路径的改善可以促进电阻 热的提高，进而促进超声作用，在此基础上随着界面两侧原子能量的迅速提高，原子之间的 扩散或合金化可以较快的完成，从而形成优良的焊接界面。实施例5本实施例除下述特征外其他结构和过程同实施例1 本发明方法所述步骤(2)中， 预设的超声脉冲和电阻焊电流波形图如图8所示，超声能和电阻热同时预热工件，超声脉 冲连续，电流不连续。在本实施例中，预设的超声脉冲和电阻焊电流波形图如图8所示，焊接循环过程 中焊接阶段具体说明如下tl-t7阶段超声能以超声振幅Al持续作用于焊件，超声焊电流为不连续模式，大 小为II，这种模式主要针对对热量变化比较敏感的特殊焊件，采用电流间隔施加目的为在 保证复合能量充分作用同时保证焊接界面热量的平稳。t7-tll阶段超声波振幅和电阻焊电流同时增大，超声振幅由Al增大至A2，电阻焊 电流仍为间隔模式，由Il增大至12，目的是在复合能量共同处理焊件接触面的基础上，迅 速提高界面两侧原子的激活能，使界面两侧的原子通过扩散或合金化形成新的焊接界面。实施例6本实施例除下述特征外其他结构和过程同实施例5 本发明方法所述步骤(2)中， 预设的超声脉冲和电阻焊电流波形图如图9所示，超声能预热工件，超声脉冲不连续，电流 连续。在本实施例中，预设的超声脉冲和电阻焊电流波形图如图9所示，焊接循环过程 中焊接阶段具体说明如下tl-t2为超声能预处理工件阶段，超声波以较大振幅Al作用于焊件，此阶段的较 大的超声能通过超音频微摩擦作用于焊接界面，使焊件接触微凸点出氧化膜等杂物迅速破 除，并使微凸点接触面积有所增大，可以有效改善焊接电流流通路径，为促进电流在界面产 热做准备。t2_t7阶段电阻热连续作用于焊件，超声能间隔作用于焊件，其中超声波振幅为 A2，电阻焊电流为II，这一阶段的目的是通过复合能量的充分作用于焊件接触面，使界面接 触形态向有利于超声、电流作用方向变化，促进界面接触区域的塑性变形。t7_tll阶段超声波振幅和电阻焊电流同时增大，超声振幅由A2增大至A3，仍为间 隔模式，电阻焊电流由Il增大至12，目的是在复合能量共同处理焊件接触面的基础上，迅 速提高界面两侧原子的激活能，使界面两侧的原子通过扩散或合金化形成新的焊接界面。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的 限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化， 均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
一种超声能 电阻热精密复合的焊接方法，其特征在于首先，工具头以预定压力压紧待焊工件，然后将超声脉冲与电阻焊电流按照预设波形精密导入待焊部位进行复合作用，焊接完毕后，升起工具头，停止超声电源和电阻焊电源，使焊头进行自然冷却，最后超声电源再次发出一超声脉冲，使工件顺利的从工具头上脱落。
2.根据权利要求1所述一种超声能-电阻热精密复合的焊接方法，其特征在于具体包 括以下步骤(1)预压阶段将待焊工件置于超声能-电阻热复合能量导入系统的工具头和工作台 之间，工具头按照预先设定的压力压紧工件；(2)焊接阶段根据焊件不同，预设焊接参数，根据预设的超声脉冲与电流匹配相位分 别启动数字超声系统中的数字功率超声电源和精密逆变电阻焊电源系统中的精密逆变电 阻焊电源；所述数字功率超声电源根据预设的超声脉冲波形输出电脉冲驱动数字超声系统 中的换能器产生超声波，超声能_电阻热复合能量导入系统中的变幅杆将该超声波的振幅 调整成焊接所需振幅后传递给所述工具头，工具头将超声振动作用于工件上；所述精密逆 变电阻焊电源根据预设的电阻焊电流波形提供焊接电流，通过所述工具头、工作台与电源 形成回路，所产生的电阻热作用于工件上，超声振动和电阻热对工件进行焊接；在焊接过程 中，通过所述数字超声系统中的以DSP为核心的数字控制电路及所述精密逆变电阻焊电源 系统中的以MCU为核心的控制电路协同进行精密控制；(3)冷却阶段焊接完毕后，将工具头升起，停止数字功率超声电源和精密逆变电阻焊 电源，焊头进行自然冷却；(4)后处理阶段再次启动数字功率超声电源，发出一时间为0.01-0.2s、振幅为 10-20 μ m的超声脉冲，使工件顺利的从工具头上脱落，焊接过程结束。
3.根据权利要求2所述一种超声能_电阻热精密复合的焊接方法，其特征在于所述 步骤(1)中，加压方式为气动加压、弹簧加压、液压加压或者伺服加压。
4.根据权利要求2所述一种超声能_电阻热精密复合的焊接方法，其特征在于所述 步骤(2)中，预设的超声能与电阻热匹配相位有同步、交叉模式；所述预设的超声脉冲与电 阻焊电流匹配相位为交叉模式时，由电阻焊电流产生的电阻热预热工件或由超声脉冲产生 的超声能预热工件；所述预设的超声脉冲与电阻焊电流相位为同步模式时，焊接过程中至 少有一个超声脉冲与电阻焊电流同步；所述步骤(2)中，预设的超声脉冲或电阻焊电流为不连续模式；所述步骤(2)中，所述预设焊接参数包括预压时间、超声焊接时间、超声振幅/A(超声 电源功率)、电阻焊电流/I及时间、压力大小、超声能与电阻热匹配相位及电阻焊电流波形 和超声脉冲波形。
5.根据权利要求2所述一种超声能-电阻热精密复合的焊接方法，其特征在于步骤 (2)中所述在焊接过程中，通过所述数字超声系统中的以DSP为核心的数字控制电路及所 述精密逆变电阻焊电源系统中的以MCU为核心的控制电路进行精密的协同控制，具体是 指所述以DSP为核心的数字控制电路通过采集所述换能器两端的电流电压相位检测信 号、电流和电压信息，调整输出PWM的频率以及脉宽至所述数字超声系统中的功率逆变电 路，实现频率自动跟踪；采集所述工作台处的电极压力并输出显示；通过通信形式把预设焊接参数传递给所述以MCU为核心的控制电路；并且在进行上述操作时，与外界保持故障 信息的传递；所述以MCU为核心的控制电路根据预设焊接参数及从所述精密逆变电阻焊电源系统 中的次级整流电路采集的焊接电流和电极电压反馈信号，调整输出PWM信号的脉宽，实现 每个阶段电流的稳定，进而保证电阻热的精密可控，然后将经过处理得到的驱动控制信号 传送至精密逆变电阻焊电源系统中的功率逆变电路，从而实现电阻热的精密输出以及与以 DSP为核心的数字控制电路之间精密的协同控制。
6.一种超声能-电阻热精密复合的焊接装置，其特征在于所述超声能-电阻热精密 复合的焊接装置包括数字超声系统、精密逆变电阻焊电源系统和超声能_电阻热复合能量 导入系统；所述数字超声系统和精密逆变电阻焊电源系统信号连接，数字超声系统、精密逆 变电阻焊电源系统分别与所述超声能_电阻热复合能量导入系统连接。
7.根据权利要求6所述一种超声能_电阻热精密复合的焊接装置，其特征在于所述 超声能-电阻热复合能量导入系统包括变幅杆、工具头、工作台；变幅杆、工具头连为一体； 待焊工件置于工作台上，工具头置于待焊工件上；所述工具头的振动形式为一维线性振动 或纵扭复合振动；变幅杆为两级变幅杆；所述数字超声系统包括数字功率超声电源和换能器，所述数字功率超声电源包括整流 滤波电路、功率逆变电路、高频变压器、匹配网络、驱动保护电路以及以DSP为核心的数字 控制电路，所述数字功率超声电源的整流滤波电路、功率逆变电路、高频变压器、匹配网络、 换能器依次连接，所述换能器与所述变幅杆通过超声波驱动连接，以DSP为核心的数字控 制电路与所述数字超声系统的驱动保护电路、功率逆变电路依次连接；所述精密逆变电阻焊电源系统包括整流滤波电路、功率逆变电路、高频变压器、次级整 流电路、驱动保护电路以及以MCU为核心的控制电路，所述精密逆变电阻焊电源系统的整 流滤波电路、功率逆变电路、高频变压器、次级整流电路依次连接，所述次级整流电路输出 端与所述工具头、工作台分别电路连接，以MCU为核心的控制电路与所述精密逆变电阻焊 电源系统的驱动保护电路、功率逆变电路依次连接；所述以DSP为核心的数字控制电路与所述以MCU为核心的控制电路通信连接。
8.根据权利要求7所述一种超声能-电阻热精密复合的焊接装置，其特征在于所述 以DSP为核心的数字控制电路，包括DSP控制器、开关、IXD面板，所述DSP控制器通过其I/ 0端口分别与开关、IXD面板信号连接，通过其INT端口与外界信号连接，通过其AD采样模 块与所述换能器两端信号连接，通过其PWM驱动模块与所述数字超声系统的驱动保护电路 信号连接；所述以MCU为核心的控制电路，包括MCU控制器，所述MCU控制器通过其AD采样模块 与所述精密逆变电阻焊电源系统的次级整流电路输出端信号连接，通过其PWM驱动模块与 所述精密逆变电阻焊电源系统的驱动保护电路信号连接。
9.根据权利要求6所述一种超声能_电阻热精密复合的焊接装置，其特征在于所述 以DSP为核心的数字控制电路与所述以MCU为核心的控制电路通信连接的方式为CAN总 线、USB、RS232或RS485通信方式。
全文摘要
本发明提供了一种超声能-电阻热精密复合的焊接方法，工具头以预定压力压紧待焊工件，然后将超声脉冲与电阻焊电流按照预设波形精密导入待焊部位进行复合作用，焊接完毕后，升起工具头，停止超声电源和电阻焊电源，使焊头进行自然冷却，最后超声电源再次发出一超声脉冲，使工件顺利的从工具头上脱落。本发明还公开了实现上述方法的装置，包括数字超声系统、精密逆变电阻焊电源系统和超声能-电阻热复合能量导入系统。本发明将超声能和电阻热这两种热源复合在一起，形成了一种全新高效的热源，经过复杂的物理作用，使焊件接头性能得到显著提升，焊接效率得到较大提高，尤其适用于对同种或异种有色金属微型零件的直接焊接。
文档编号B23K28/02GK101966624SQ20101028007
公开日2011年2月9日 申请日期2010年9月10日 优先权日2010年9月10日
发明者曹彪, 杨景卫 申请人:华南理工大学