一种可控旋转磁场作用下的电阻点焊方法与流程

本发明涉及一种电阻点焊的方法，具体涉及一种可控旋转磁场作用下的电阻点焊方法，属于焊接技术领域。

背景技术：

电阻点焊是一种大量用于车辆结构焊接的传统焊接方法，但实际电阻焊焊接过程中，存在以下的问题：

1)焊接区域小，焊核区域冷却速度快，晶粒粗大，

2)存在较大的内应力，导致接头力学性能相对较差。

为解决以上的问题，受电磁冶金学的启发，将冶金工业中的电磁搅拌原理拓展到电阻点焊的过程中就有可能对电阻点焊接头的熔核区域进行搅拌。同时，受电动机定子线圈上显极式或庶极式绕组可以产生旋转磁场的原理的启发，将电动机定子线圈绕组产生的旋转磁场应用于电阻点焊过程中，利用焊点凝固过程中的不均匀性与不同时性，先凝固的枝晶或形核与旋转磁场产生相对运动，进而于焊点内部产生感应电流，感应电流又受旋转磁场作用，根据左手定则产生与磁场旋转方向同向的电磁力。先凝固枝晶在此电磁力的作用下与焊点内部金属液产生相对运动从而被搅拌，一定程度上破碎枝晶，使凝固组织均匀，从而形成性能较为良好的电阻点焊接头，进而使得接头抗拉强度得到提高，微观组织得到改善。同时，显极式或庶极式绕组产生的旋转磁场的旋转方向，旋转频率以及磁场强度分别由通入绕组的三相交流电的相位，频率和大小决定，故磁场的运动形式可人为进行调控。

沈琦，张忠典等人对高强钢磁控电阻点焊机理进行了研究，探讨了外部磁场的最优施加方向与分布模式，并搭建了磁控电阻点焊原型实验平台；探究发现外加磁场平行于被焊工件的平面时将对熔核区域磁流体产生洛伦兹力，进而产生电磁搅拌作用。但是，论文中选用产生磁场的装置具有一定的局限性：

1)选用磁场装置为永磁体，磁场强度和方向没有变化；

2)洛伦兹力的产生依赖于传导电流，在通电过程结束之后的凝固过程中，磁场对熔核液态金属的作用甚微。

中国发明专利“一种磁控电阻点焊方法及装置”，zl2011102095407，提出了一种外部磁场与焊接电流可协控、有效提高电阻点焊接头综合机械性能，且适用范围广的磁控电阻点焊方法及装置。通过位于电极头上下的激磁线圈产生交变磁场，激磁线圈为带有铁心的螺线管线圈。所布置的激磁线圈极性相反，磁场方向平行于工件方向，通过上下线圈产生的交变磁场对焊点熔化金属进行搅拌作用，其导致熔核搅拌的原理与永磁体相同，改进使磁场强度可调节，同时减少了工装夹具的干涉，但依旧具有以下局限性：

1)磁场作用下产生的洛伦兹力的搅拌作用依赖于传导电流，通电焊接过程结束后的熔核凝固阶段磁场作用下的搅拌作用很小；

2)磁场的运动模式单一，呈放射状平铺与工件表面，磁场不可旋转、旋转的大小、方向、频率不可调控。

因此，如何产生磁场方向平行于工件表面的磁场，同时不依赖于电阻点焊过程中的传导电流，同时磁场强度、方向，大小均可人为进行调节，已然成为焊接领域亟待突破的技术瓶颈。

技术实现要素：

在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

鉴于此，本发明为了解决电阻点焊焊点强度低，组织粗大的缺陷，以及磁控电阻点焊磁场方向不平行于工件，磁场作用下产生的洛伦兹力的搅拌作用依赖于传导电流的问题，进而设计了一种可控旋转磁场作用下的电阻点焊方法，其由三相交变电流产生速度、强度、方向均可控的旋转磁场进而作用于电阻点焊过程的接头。

本发明所采取的方案为：一种可控旋转磁场作用下的电阻点焊方法，具体步骤为：

步骤一：使用焊接工装夹具对待焊接工件进行装夹固定，实现对焊点位置进行定位，焊接过程中焊接电流自电极端面由纵向流经焊接工件；

步骤二：调整电阻焊机焊接参数，预设焊接电流，焊接时间，启动冷却水循环；

步骤三：当焊接系统开启时，打开磁场发生装置，设定励磁三相交流电的频率、强度、相位，通过对绕有三相绕组的定子线圈通入三相交变电流，进而在焊点周围产生旋转磁场，在模拟模式下查看磁场的分布状态及运动情况；

步骤四：检查气压系统，预设焊接气压压力，试压消除误差，确定焊接位置；

步骤五：启动磁场发生装置，磁场检测系统监测电极头区域是否有磁场产生，若为是，则发送数字信号01至焊接系统，若为否，则发送信号10至焊接系统；

步骤六：焊接系统监测磁场监测系统的信号，若为01，则允许电极头通电，若为10，返回至步骤三磁场发生装置调整参数；

步骤七：启动焊接系统，进行焊接，工件焊点处受压，传导电流在焊点处产生电阻热使焊点处金属熔化，此时作用于焊点处的旋转磁场与金属液产生相对运动，液态金属粒子作为连续的导电体，然后，旋转磁场的磁通切割金属液，从而在金属液中产生感应电动势，在电动势的作用下，金属液中产生电流，该电流与旋转磁场相互作用，从而产生电磁力，带动焊点处熔化的金属做周向的旋转运动，产生电磁搅拌的作用，同时旋转磁场与传导电流相互作用在金属液中产生洛伦兹力，焊接过程中熔核区域的金属液在洛伦兹力作用下被搅拌；

步骤八：电极头抬起，撤去传导电流，通电焊接完成后，旋转磁场持续作用于金属液凝固过程的整个阶段，先凝固的枝晶受到旋转磁场的作用，在电磁力的作用下依旧发生相对运动，熔核区域的金属液凝固过程在磁场力作用下进行最终的搅拌，焊接结束后，关闭磁场发生装置。

其中，旋转磁场的施加，既可以在电阻点焊机通电焊接过程中施加，又可以在焊接结束后对工件进行保压时作用于焊点区域，既可以调节磁场强度，又可以调整旋转磁场的旋转频率、方向，有较大的自由性。

进一步地：步骤四中试压2～3次消除误差。确保焊接位置的准确性。

进一步地：焊接工件的厚度应介于0.5～8.0mm之间。焊接材料可适用于工业领域金属板材的焊接，可适用于汽车高强钢点焊，同种金属的焊接以及异种金属的焊接。

进一步地：焊接电流0.4ka～2.5ka，电极压力0.1mpa—0.6mpa，焊接时间5cyc～30cyc。

进一步地：旋转磁场的旋转速度、强度和方向通过控制三相交流电的频率、强度和相位进行控制。

本发明所达到的效果为：

本发明针对传统电阻点焊过程焊点质量不理想，已有的磁控电阻点焊方法存在的缺陷，设计了一种三项交变电流驱动下的旋转磁场作用于电阻点焊过程的电阻点焊方法，通过旋转磁场对焊核区域熔化金属的搅拌作用改善接头组织形貌和力学性能。

首先，本发明将电动机上的定子线圈与电阻点焊机相结合，通过对绕有三相绕组的定子线圈通入三相交变电流，进而在焊点周围产生旋转磁场，旋转磁场的旋转速度、强度、旋转方向可以通过变化三相交流电的频率、强度、相位进行改变。

其次，当焊接过程开始时，工件焊点处受压，通过的传导电流在焊点处产生电阻热使焊点处金属熔化，此时作用于焊点处的旋转磁场与金属液产生相对运动，液态金属粒子可以看作是连续的导电体。

接下来，旋转磁场的磁通切割金属液(导电体)，从而在金属液中产生感应电动势。电动势的方向由右手定则确定。

再次，在电动势的作用下，金属液中产生电流。该电流与旋转磁场相互作用，从而产生电磁力，带动焊点处熔化的金属做周向的旋转运动，产生电磁搅拌的作用。同时旋转磁场与传导电流相互作用在金属液中产生洛伦兹力，与电磁力叠加之后，搅拌效果更显著。

最后，焊接结束之后，撤去传导电流，旋转磁场持续作用于金属液凝固过程的整个阶段，先凝固的枝晶受到旋转磁场的作用，在电磁力的作用下依旧发生相对运动。因此，旋转磁场在凝固过程中可以有效地破碎枝晶，使得晶粒细化，热传导均匀，焊点的塑性，韧性和强度都有所增加。

具体地，本发明具有如下优势：

1.磁场的方向平行于待焊工件，磁场作用效果显著；

2.磁场方向不断旋转变化，磁场对金属液的搅拌作用效果为磁场力和洛伦兹力的叠加，作用效果更显著；

3.磁场方向不断旋转变化，自发的与焊核区域熔化金属产生相对运动，作用方式不依赖于焊接过程中的传导电流，焊接过程中和焊接结束之后都可以对焊点产生影响；

4.磁场的旋转频率和磁场强度可以通过调整三相电流的频率、强度和相位进行调整，可适应于多种情况下的焊接过程。

5.本发明尤其适用于工业领域用金属板材电阻点焊，焊后接头熔核区晶粒细化作用明显，抗拉强度得到提升，焊接质量提高。

附图说明

图1为旋转磁场电阻点焊示意图；

图2为旋转磁场产生原理图。

图中：1-点焊电极；2-励磁线圈；3-金属板材；4-磁感线方向。

具体实施方式

为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本发明公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。

在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在申请文件中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

实施例：结合图1和图2，对本实施例的一种可控旋转磁场作用下的电阻点焊方法，进一步进行阐述：

首先：对于不同的焊接情况，使用不同的焊接工装夹具对待焊接工件进行装夹固定，夹具应保证能够对焊点位置进行定位，保证焊接过程中焊接电流可以自电极端面由纵向流经焊接工件；

其次：调整电阻焊机焊接参数，预设焊接电流，焊接时间，启动冷却水循环；

再次：当焊接系统开启时，打开磁场发生装置，设定励磁三相交流电的频率，强度，相位，在模拟模式下查看磁场的分布状态，运动情况；

再次：检查气压系统，预设焊接气压压力，试压2～3次消除误差，确定焊接位置；

再次：启动磁场发生装置，磁场检测系统监测电极头区域是否有磁场产生，若为是，则发送数字信号01至焊接系统，若为否，则发送信号10至焊接系统；

再次：焊接系统监测磁场监测系统的信号，若为01，则允许电极头通电，若为10，返回至磁场发生装置调整参数；

再次：启动焊接系统，进行焊接过程，焊接过程中熔核区域的金属液在洛伦兹力作用下被搅拌；通电焊接完成后，熔核区域的金属液凝固过程在磁场力作用下进行最终的搅拌；

再次：焊接过程结束，电极头抬起，关闭旋转磁场发生器。

其中，旋转磁场的施加时间作用于整个焊接过程和焊点金属凝固过程。

其中，旋转磁场的磁场强度和旋转频率均可以根据实际需要进行调节。

其中，焊接工件的厚度应介于0.5～8.0mm之间。

其中，焊接材料上，可适用于汽车高强钢点焊，同种金属的焊接以及异种金属的焊接过程。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。