专利名称：电容储能放电脉冲退火点焊工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种焊接技术领域的焊接工艺，具体涉及的是一种电容储能放电脉冲退火点焊工艺。
背景技术：
传统的电阻点焊工艺因其冶金过程简单，易于实现机械化和自动化，在工业生产， 尤其在汽车制造领域得到了广泛的应用。但是，随着对焊接工艺和焊接质量要求的不断提高，如何通过设计电阻点焊电流工艺参数，来改善焊区组织，从而提升焊接性能，成为电阻点焊技术研究的重要任务。
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 (镁/铝异种材料电阻点焊在热输入、焊块形状以及机械和破坏特性方面焊接电流的效果)”，Materials and Design 32 (2011) 2476-M84 (《材料和设计》2011 年第 32 卷 2476-2484 页)，以及 P. Marash 等在“Microstructure and failure behavior of dissimilar resistance spot welds between low carbon galvanized and austenitic stainless steels (低碳镀锌钢与奥氏体不锈钢间异种材料电阻点焊的微结构和失效行为)”，Materials Science and Engineering A 480(2008) 175-180(《材料科学和工程;^〉2008年A480卷175-180页)中，通过破坏性试验，得到改变电流参数情况下，焊接区域几何尺寸，化学成分等宏观因素与强度硬度等机械性能的关系。他们还进行失效机制分析和组织结构表征，表明裂纹，熔合区等缺陷及缺陷密集区域对焊接机械性能起到很大负面作用。
赵熹华等在“点焊熔核‘柱状+等轴’组织形成机理分析”，《金属科学与工艺》1989 年12月，第八卷，第3、4期中，分析了焊接过程中，尤其是熔核凝固过程中的组织形貌变化， 从结晶机制角度讨论了焊后组织中粗大柱状晶，枝晶与等轴细晶的形成过程。其中，粗大等轴晶体间由于冷却速度过快导致的缩松缺陷严重影响点焊的强度和韧性。
为了获得更好的焊接质量，许多学者对点焊电脉冲的工艺设计进行了研究。中国实用新型872U994. 2号记载了一种“点焊机二次脉冲控制系统”，通过逐点焊接与逐点回火的配合，改善焊点区域的组织，降低由于快速冷却而造成的脆性，加之易于系统化，效率高，相比于不回火或整体回火有很大的优势。徐国成等在“弹簧钢电阻点焊接头随机回火热处理过程”，《焊接学报》2010年2月第31卷第2期中，进一步研究了弹簧钢单脉冲回火处理与多脉冲回火处理的回火温度和点焊温度场分布，得到了多脉冲回火处理能获得更好点焊质量的结论。张正林在吉林大学硕士学位论文“超高强度钢的中频点焊性能研究”中，对超高强度钢的中频点焊工艺做了较为系统的研究。
Yizhou Zhou 等在"Formation of a nanostructure in a low-carbon steel under high current density electropulsing(在高电流密度电脉冲下低碳钢中纳米结构的形成)”，RAPID COMMUNICATIONS 2002 (快速通讯2002年号)中，利用高分辨电镜对经过高电流密度电脉冲处理过的低碳钢的微观组织进行表征。发现本来晶粒粗大的低碳钢中产生了纳米化的奥氏体相，并推测在高电流密度电脉冲作用下，低碳钢发生固态相变的热力学能障将发生变化。尽管许多学者对传统电阻点焊的电流波形进行了创新设计，但是电阻点焊连接的强度和焊区质量在很多实际应用中仍然不能满足需要。而通电后低碳钢中纳米相的产生仅限于严格实验室条件下，其储能放电电流波形与工业中广泛使用的工频焊接电流波形也相去甚远。因此，本领域的技术人员致力于开发一种低碳钢电容储能放电脉冲退火点焊艺， 通过细化晶粒，弱化各向异性，来提高低碳钢点焊的综合机械性能。
发明内容
本发明针对原有点焊工艺的不足，提供了一种电容储能脉冲退火点焊工艺，该工艺在传统的工频点焊焊接电流基础上引入高峰值，短放电时间的电容储能放电脉冲。本发明公开的电容储能放电脉冲退火点焊工艺通过如下的复合脉冲点焊系统来实现，该系统包括同步及控制芯片、工频脉冲产生装置和电容储能放电脉冲产生装置，其中同步及控制芯片通过控制信号输出线与工频脉冲产生装置、电容储能放电脉冲产生装置相连，通过传感器测量焊接电路中的电流。工频电脉冲产生装置、电容储能放电脉冲产生装置的两个输出端并行联接，共同连接与电极两端，工频脉冲产生装置、电容储能放电脉冲产生装置的控制信号来自同步及控制芯片。所述的同步及控制芯片可以根据参数的设置，实现焊接电流波形的控制，其中焊接电流波形的控制包括工频脉冲的频率和峰值、电容储能放电脉冲以及工频脉冲、电容放电脉冲的放电开始时间几方面的控制。所述的复合脉冲点焊系统先进行如下方式设置1在控制总线上设置系统开关时间。2设置工频脉冲的波形及周波数，电容储能放电脉冲的波形。3设置工频脉冲放电装置、电容储能放电脉冲产生装置开启时间的间隔。所述的复合脉冲点焊系统通过如下方式进行工作1控制总线上发出焊接开始的信号给同步控制芯片，开始一次焊接过程。2同步控制芯片先触发工频脉冲产生装置的开关，工频脉冲产生装置按照之前的波形及周波数设定开始工作。3同步芯片按照事先设定的时间间隔，在工频脉冲产生装置开启一定时间后开启电容储能放电脉冲产生装置，电容储能放电脉冲产生装置则按事先设定的参数放出高峰值、短放电时间的脉冲电流。本发明所述的点焊工艺具体实施步骤如下，首先电极逐渐压紧待焊接区域，并使电极压力升至设定值并保持一定时间，之后在保持电极压力的情况下施加工频电流脉冲， 利用电流通过待焊接区域产生的焦耳热进行焊接，然后仍然在维持电极压力情况下停止工频焊接电流使熔核凝固冷却，再经过一定时间间隔施加高峰值，短持续时间的储能放电脉冲对焊接区域进行退火处理，最后在经过一段时间间隔以后减小电极压力，直至电极离开焊接区域，一次焊接结束。本发明在原有的工频点焊的基础上加入了电容储能放电脉冲，施加于焊接电流结束后，此时焊接熔核完全凝固并降至室温，从而实现细化晶粒，弱化各向异性，最终提高低碳钢点焊的综合机械性能。
所述的电容储能脉冲退火点焊工艺通过以下机理来实现组织细化和机械性能的改进首先，由于电容储能放电脉冲有很大的电流峰值密度和电流增长速率，所以已经凝固并恢复到室温的焊区迅速被加热至固态相变温度以上。因此焊核区域获得极大的升温速率和过热度，从而使铁素体至奥氏体相变的临界形核半径很小。另外从系统自由能变化的角度，在电脉冲致升温的体系中，由铁素体变为奥氏体的固态相变热力学能障降低，这也促使焊核被加热过程中，大量奥氏体晶核的形成。高密度的奥氏体形核核心在长大过程中很快便受到其他奥氏体晶粒的抑制，而且这种抑制来自空间中的各个方向，使奥氏体晶粒在尺寸很小的时候就无法在继续生长，形成了高度细化且等轴的奥氏体组织。
同样地，电容储能放电时间很快结束，加之钢材和金属电极的导热性良好，刚形成细密奥氏体组织的焊核又获得很大的温度降低速率和相变过冷度，使奥氏体相变为铁素体相的临界形核半径也很小。加之铁素体形核区域主要在奥氏体晶界处，而且由于奥氏体晶粒细小，晶界所占的体积分数很大，所以易于铁素体形核的区域比例很大。这两个因素共同导致固态相变后的铁素体晶粒更为细化，甚至产生纳米晶。根据霍尔佩奇关系，晶粒细化将提高材料的强度，所以电容储能脉冲退火点焊工艺的细化晶粒的效果将显著提高电焊区域的强度性能。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
图1是本发明的一个较佳实施例的焊机系统框图2是图1所示实施例的焊机工艺图。
具体实施方式
如图1所示，复合脉冲点焊系统的一个较佳实施例包括同步及控制芯片10、工频脉冲产生装置20，电容储能放电脉冲产生装置30和控制总线40，其中同步及控制芯片10 通过控制信号输出线与工频脉冲产生装置20、电容储能放电脉冲产生装置30相连，通过传感器测量焊接电路中的电流。工频电脉冲产生装置20、电容储能放电脉冲产生装置30的两个输出端并行联接，共同连接于电极两端25、26，工频脉冲产生装置20、电容储能放电脉冲产生装置30的控制信号来自同步及控制芯片10。本实施例中，焊接材料50为厚度为0. 8mm 的两块含碳量为0. 07%的低碳钢板。
同步及控制芯片10可以根据参数的设置，实现焊接电流波形的控制，其中焊接电流波形的控制包括工频脉冲的频率和峰值、电容储能放电脉冲以及工频脉冲、电容放电脉冲的放电开始时间几方面的控制。
图2所示为电容储能放电脉冲退火点焊工艺的电流时序，图中，曲线1表示了电极压力的变化，曲线2表示了工频焊接电流。焊接开始时，电极接触并压紧待焊接区域，如图 2所示，电极压力逐渐增大到5kN，并保持5kN的电极压力。当电极达到5kN时，开始通过电极对待焊机区域施加工频焊接电流，如图2中曲线2所示，其中工频焊接电流的峰值为7kA，5频率为50Hz。工频焊接电流的持续时间如图2中曲线3所示，为8周波，在工频电流开始施加8周波以后停止施加工频焊接电流，在工频焊接电流施加过程中电极压力一直保持在 5kN。在停止施加工频焊接电流以后，如图2中曲线4所示，保持无电流10周波时间，这段时间中电极压力保持5kN。在保持10周波无电流状态以后，施加电容储能放电脉冲，如图2 中曲线5所示，该电脉冲的峰值电流40kA，放电时间lOOus。电容储能放电脉冲释放5周波以后，电极压力降为OkN，一次焊接结束。在其他实施例中，电容储能放电脉冲放电时间可以为从几十微秒到几百微秒，只要其远小于工频焊接电流一个周波的时间，并且，电容储能放电脉冲电流峰值为从一万安培到十万安培，远大于工频焊接电流峰值电流，即可实现本发明的目的。以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
权利要求
1.一种电容储能放电脉冲退火点焊工艺，使用复合脉冲点焊系统，所述复合脉冲点焊系统包括同步及控制芯片、工频脉冲产生装置和电容储能放电脉冲产生装置，其中同步及控制芯片通过控制信号输出线与工频脉冲产生装置、电容储能放电脉冲产生装置相连，通过传感器测量焊接电路中的电流；工频电脉冲产生装置、电容储能放电脉冲产生装置的两个输出端并行联接，共同连接与电极两端，工频脉冲产生装置、电容储能放电脉冲产生装置的控制信号来自同步及控制芯片；所述同步及控制芯片可以根据参数的设置，实现焊接电流波形的控制，其中焊接电流波形的控制包括工频脉冲的频率和峰值、电容储能放电脉冲以及工频脉冲、电容放电脉冲的放电开始时间的控制；所述电容储能放电脉冲退火点焊工艺包括 首先对所述复合脉冲点焊系统进行如下方式的设置1)在控制总线上设置系统开关时间；2)设置工频脉冲的波形及周波数，电容储能放电脉冲的波形；3)设置工频脉冲放电装置、电容储能放电脉冲产生装置开启时间的间隔； 然后所述复合脉冲点焊系统通过如下步骤进行工作步骤一，控制总线上发出焊接开始的信号给同步控制芯片，使一次焊接过程开始； 步骤二，电极逐渐压紧待焊接区域，并使电极压力升至设定值并保持一定时间； 步骤三，同步控制芯片先触发工频脉冲产生装置的开关，工频脉冲产生装置按照之前的波形及周波数设定开始工作，在保持电极压力的情况下施加工频电流脉冲，利用电流通过待焊接区域产生的焦耳热进行焊接；步骤四，同步芯片按照事先设定的时间间隔，在工频脉冲产生装置开启一定时间后开启电容储能放电脉冲产生装置，电容储能放电脉冲产生装置则按事先设定的参数放出高峰值、短放电时间的脉冲电流，对焊接区域进行退火处理；步骤五，在经过一段时间间隔以后减小电极压力，直至电极离开焊接区域，一次焊接结束ο
2.如权利要求1所述的电容储能放电脉冲退火点焊工艺，其特征在于，步骤四中，电容储能放电脉冲波形位于工频脉冲结束10周波以后，此时焊区熔核已经凝固并降至室温。
3.如权利要求2所述的电容储能放电脉冲退火点焊工艺，其特征在于，所述工频脉冲的频率为50Hz。
4.如权利要求3所述的电容储能放电脉冲退火点焊工艺，其特征在于，所述的电容储能放电脉冲放电时间的范围为从几十微秒到几百微秒，远小于工频焊接电流一个周波的时间；电容储能放电脉冲电流峰值的范围为从一万安培到十万安培，远大于工频焊接电流峰值电流。
全文摘要
本发明公开了一种将传统电阻点焊的工频点焊电流与电容储能放电脉冲复合在一起的电阻点焊工艺。其中高电流峰值，短放电时间的储能放电脉冲释放在工频焊接电流结束以后，这时的焊接区域已经完全凝固并降至室温。这种复合脉冲点焊工艺通过复合脉冲点焊系统来实现，其中复合脉冲点焊系统由工频脉冲部分，电容储能放电部分和同步系统共同构成。本发明中的电容储能放电脉冲退火点焊工艺及系统能显著细化低碳钢晶粒，甚至产生纳米相，弱化各向异性，从而提高低碳钢电阻点焊机械性能。
文档编号B23K11/26GK102500902SQ20111036395
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月16日 优先权日2011年11月16日
发明者吕智, 李奥, 沈耀, 金学军, 马佳伟 申请人:上海交通大学