同轴式超声电阻耦合焊接装置与焊接方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种压力焊接技术领域，具体的说，是涉及电阻点焊与超声波点焊交叉的焊接技术。
【背景技术】
[0002]电阻点焊是一种广泛应用于薄板结构连接的焊接工艺方法，常在汽车工业、航空航天以及电子器件等领域中应用。由于其工艺特点，电阻点焊适合连接电阻值较大的碳钢、不锈钢等黑色金属材料。但是采用电阻点焊连接铝合金、镁合金等有色轻金属时，由于工件存在氧化膜以及电阻率小等特性，焊接时功耗大、易产生缺陷，难以保证连接质量。
[0003]超声波点焊是一种利用工件做超声频率的相对振动，从而达到连接的焊接工艺；其工艺特点适合连接铝合金镁合金等有色轻金属。然而，由于其实现连接需要靠工件界面处发生剧烈的塑性变形，超声波点焊在连接碳钢、不锈钢以及高强钢等硬度较高的材料时存在较大困难。同时，由于超声换能器能量阈值的限制，被连接的工件厚度也有较大限制。此外，采用超声波焊接工艺连接金属材料的时候，需要一工件相对另一工件做相对运动，因此对被连接工件的大小也有较大限制。一般超声波点焊应用于电子器件中的箔材连接，不能应用于一定尺寸以上的结构材料连接。
[0004]有关研宄表明，当对正在发生塑性变形的金属材料施加一定临界值以上的直流或脉冲电流时，会出现材料的变形抗力突然降低的现象，称为金属的电致塑性效应。由于电阻点焊时工件局部会通过高密度的电流，因此满足金属出现电致塑性效应需要的条件。
[0005]此外对凝固中的金属施加超声波振动，由于金属枝晶被破碎，因此会使凝固后的微观组织晶粒细化，称为超声细晶作用。
[0006]将超声波点焊与电阻点焊方式相结合，可以起到相互补充、相互促进的效果。现有将超声波与电阻点焊复合的工艺是将超声振动直接加载在电阻点焊的电极上，其应用领域和焊接效果极为有限。这是因为在超声波焊接工艺中，要求声极的声阻较小使超声振动的能量能有效的传递至工件处，而现有超声电阻复合焊接工艺使超声振动的能量将消耗在声阻较大的电极上，不能有效的将超声振动能量传递至焊点处，因此对被焊工件的材质与厚度有较大的限制，同时焊接质量的提升效果有限。
[0007]综上所述，有必要开发一种能够高效率的将超声振动与电阻生热耦合在一起，并同时使超声振动能量与电阻产热同时作用于焊点处的焊接技术。
【发明内容】
[0008]本发明要解决的技术问题在于如何使超声振动能量与电阻产热有效的耦合作用于焊点处，从而实现对有色金属以及高强钢等典型难焊金属材料的高效焊接，提供一种同轴式超声电阻耦合焊接装置与焊接方法，可以保证超声振动与电阻生热同时作用于焊点处，将超声波焊接与电阻点焊工艺有效耦合在一起，引入超声空化的清理效应，并使金属在焊接过程中产生电致塑性效应和高频超声细晶作用，扩展了焊接对象，减小了焊点缺陷，提高了接头质量，节省了能量消耗，从而可以高效率、高质量、低能耗的焊接有色金属以及高强钢等典型难焊金属材料。
[0009]为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现:
[0010]一种同轴式超声电阻耦合焊接装置，包括位于被焊工件上方的上超声声极、同轴套设在所述上超声声极外部的上环形电极、位于被焊工件下方的下超声声极、同轴套设在所述下超声声极外部的下环形电极，所述上超声声极和所述下超声声极同轴设置；所述上超声声极和所述上环形电极间隙配合并以润滑脂填充其间隙，所述下超声声极和所述下环形电极间隙配合并以润滑脂填充其间隙；
[0011]所述上超声声极和/或所述下超声声极连接有第一伺服加压装置，所述上环形电极和/或所述下环形电极连接有第二伺服加压装置；
[0012]所述上超声声极和/或所述下超声声极连接于超声发生器及换能器；
[0013]所述上环形电极和所述下环形电极连接于电源。
[0014]其中，所述上超声声极、所述下超声声极的端面设置有微齿或花纹。
[0015]其中，所述上环形电极、所述下环形电极为平面电极或弧面电极。
[0016]其中，所述电源包括直流电源和脉冲电源。
[0017]一种利用同轴式超声电阻耦合焊接装置的焊接方法，包括如下步骤:
[0018](I)预压阶段:
[0019]所述上超声声极和/或所述下超声声极在所述第一伺服加压装置的控制下对被焊工件施加第一压力，使被焊工件的被连接区域紧密贴合；
[0020]开启所述超声发生器及换能器，使所述上超声声极和/或所述下超声声极做超声振动；
[0021](2)电致塑性诱导固相连接阶段:
[0022]所述上环形电极和/或所述下环形电极在所述第二伺服加压装置的控制下对被焊工件施加第二压力，使其与被焊工件紧密贴合；
[0023]所述第一压力大于所述第二压力，使被焊工件产生在所述上超声声极和所述下超声声极投影下的界面紧密贴合、而在所述上环形电极和所述下环形电极投影下的环状区域分离的微翘曲；
[0024]所述电源输出脉冲电流50ms?200ms，使被焊工件产生固相连接；
[0025](3)熔核形成阶段:
[0026]将所述电源输出的脉冲电流改为直流电流，通电时间10ms?600ms，被焊工件的被连接区域形成熔核；
[0027](4)超声振动冷却结晶阶段:
[0028]所述电源停止输出直流电流，继续保持所述第一压力和所述第二压力并保持所述上超声声极和/或所述下超声声极的超声振动50ms?200ms，被焊工件形成冶金连接。
[0029]一种利用同轴式超声电阻耦合焊接装置的焊接方法，包括如下步骤:
[0030](I)预压阶段:
[0031]所述上超声声极和/或所述下超声声极在所述第一伺服加压装置的控制下对被焊工件施加第一压力，使被焊工件的被连接区域紧密贴合；
[0032]开启所述超声发生器及换能器，使所述上超声声极和/或所述下超声声极做超声振动；
[0033](2)电致塑性诱导固相连接阶段:
[0034]所述上环形电极和/或所述下环形电极在所述第二伺服加压装置的控制下对被焊工件施加第二压力，使其与被焊工件紧密贴合；
[0035]所述第一压力大于所述第二压力，使被焊工件产生在所述上超声声极和所述下超声声极投影下的界面紧密贴合、而在所述上环形电极和所述下环形电极投影下的环状区域分离的微翘曲；
[0036]所述电源输出脉冲电流50ms?200ms，使被焊工件产生固相连接。
[0037]本发明的有益效果是:
[0038](一 )本发明将超声波点焊的超声声极与电阻点焊的环形电极同轴设置，并且在焊接过程中对超声声极和环形电极施以不同的压力以使被焊工件产生特定的微翘曲，从而保证超声振动的能量与电阻产生的热量同时作用于焊点处，在此基础上开启超声振动、脉冲电流、直流电流，直至停止电流后继续超声振动，使被焊工件在焊接过程中产生电致塑性效应和高频超声细晶作用，不仅使高硬度金属能够以超声波焊接的方法进行固相连接，而且还保证熔核金属得到超细晶粒，点焊接头的质量得到强化，进而最终实现对有色金属以及高强钢等典型难焊材料的高效、节能以及无缺陷的焊接。
[0039]( 二)本发明将两种适应不同应用场合的焊接方法有效的耦合在一起，通过对焊接工艺参数的调节，即可以对不同材质不同厚度的工件组合焊接，因此应用领域较广，尤其适合焊接有色金属以及高强钢等典型难焊金属材料。
[0040](三)本发明的环形电极同轴套设在超声声极外部，环形电极和超声声极分别直接作用于被焊工件；一方面使超声振动能量有效传递至被焊工件处，避免消耗在声阻较大的电极上，减少超声声极的磨损，对声极起到保护作用；另一方面在焊接过程中，电流集中通过被焊工件的焊点，而环形电极与工件贴合面的电流密度较小，从而环形电极在焊接过程中的磨损也较小。
[0041](四)本发明在预压阶段引入超声清理作用，能够有效清除有色轻金属表面的氧化膜或高硬度黑色金属表面的油污和锈迹，因此可以提高焊接质量；此外与含有化学清理、机械清理的焊接工艺相比，焊接效率也更高。
【附图说明】
[0042]图1是本发明所提供的同轴式超声电阻耦合焊接装置的结构示意图；
[0043]图2是本发明所提供的同轴式超声电阻耦合焊接方法步骤示意图；
[0044]其中，(a)为焊接前的准备状态；(b)为预压阶段；(C)为电致塑性诱导固相连接阶段；(d)为熔核形成阶段；(e)为超声振动冷却结晶阶段；(f)为焊接完成后的状态。
[0045]图中:1、上环形电极；2、下环形电极；3、上超声声极；4、下超声声极；5、被焊工件。
【具体实施方式】
[0046]为能进一步了解本发明的
【发明内容】
、特点及效果，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下:
[0047]实施例1
[0048]如图1所示，本实施例公开了一种同轴式超声电阻耦合焊接装置，主要包括上环形电极1、下环形电极2、上超声声极3、下超声声极4、第一伺服加压装置、第二伺服加压装置、电源、超声发生器及换能器。
[0049]上超声声极3和下超声声极4均为圆柱体结构，直径均为6mm，高度均为20mm。上超声声极3位于被焊工件5上方，下超声声极4位于被焊工件5下方，上超声声极3和下超声声极4上下同轴设置。根据焊接材料不同，上超声声极3和下超声声极4的端面可以为平面，也可以设置有微齿或花纹，以确保有效传递超声能量。上超声声极3和下超声声极4可做垂直于被焊工件5表面的超声频率振动、沿着自身轴线的超声扭转运动或平行于工件表面的平动。
[0050]上环形电极I和下环形电极2均为圆环体结构，外径均为20mm，内径均为8mm，高度均为15mm。上环形电极I位于被焊工件5上方，并同轴地套设在上超声声极3外部；下环形电极2位于被焊工件5下方，并同轴地套设在下超声声极4外部；可见上环形电极I和下环形电极2也是上下同轴设置的。上环形电极I与上超声声极3、下环形电极2与下超声声极4同轴设置，可以有效的将超声振动的能量与电阻产生的热量同时作用于焊点处，为焊接工艺中引入电致塑性效应和高频超声细晶作用打下重要基础。
[0051]上环形电极I和下环形电极2均可选用平面电极或弧面电极，即与工件接触的形式为平面接触和弧面接触；其中平面接触的压痕较浅，弧面接触的电流密度分布更均匀，可根据具体工况要求进行选择。
[0052]上超声声极3和上环形电极I为间隙配合，并以润滑脂