[发明专利]一种用于薄板金属材料的超声辅助电阻点焊装置及方法

说明书

本发明公开了一种用于薄板金属材料的超声辅助电阻点焊装置及方法，属于焊接制造技术领域。该装置包括电阻点焊电极和位于电阻点焊电极一侧的超声工具头；超声工具头的轴线与所述点焊电极的轴线之间的距离为2‑15cm；点焊方法包括：1)施加电极压力夹紧被焊工件，通过加压装置将超声工具头与被焊工件紧密贴合，开启超声发生器；2)开启电阻点焊电源输出电流，形成点焊熔核；3)停止输出电流，被焊工件在电极压力和超声振动共同作用下冷却结晶；4)停止输出电流50‑200ms后，关闭超声发生器。本发明不改变原有电阻点焊设备，将超声直接施加到被焊工件上，焊后熔核组织细化、孔隙性缺陷少，实现了铝合金等轻量化金属材料的高质量点焊连接。

技术领域

本发明涉及焊接制造技术领域，具体涉及一种用于薄板金属材料的超声辅助电阻点焊装置及方法。

背景技术

薄板金属材料的电阻点焊技术因具有高效率、低成本、高自动化程度等优点，已成为航空航天、汽车制造、轨道交通等领域应用最广泛的焊接方法之一。然而，对于铝合金、镁合金和钛合金等轻量化金属材料，焊点的质量是限制其大规模应用的瓶颈之一。轻量化金属材料含合金元素较多，表面易于氧化，在电阻点焊过程中，熔核区金属快速熔化和凝固，导致熔核中形成较大的凝固收缩应力并且成分来不及均匀化，容易出现缩孔、疏松和裂纹等孔隙性缺陷。

超声波作用于金属熔体会产生一系列的物理效应，主要有声空化和声流效应。声空化效应在熔体中产生局部高温高压以及冲击波和声射流；声流效应促进金属熔体的流动。这些物理效应共同作用，影响熔体的流动和凝固行为，使熔核组织细化并减少孔隙性缺陷。目前已有将超声引入电阻点焊的报道：申请号为201510096036.9的中国专利，同轴式超声辅助电阻点焊装置及方法，采用与电阻点焊电极同轴的环形超声工具头实现超声-电阻点焊复合，对原有的电阻点焊设备改动较大，增加了装置的复杂程度，且超声振动只能垂直或平行于待焊工件施加。申请号为201510357883.6的中国专利，一种超声波-电阻复合焊接方法，通过在点焊电极上直接施加超声振动达到超声波-电阻焊的复合，这种设计不足之处在于，点焊时的电极压力严重阻碍电极的超声振动，而且电极高速振动可能加剧电极磨损。

综上所述，已有的超声辅助电阻点焊方法，存在装置复杂和超声振动利用率低的问题，因此，需要发明一种装置简单、易于实施并有效利用超声振动的超声辅助电阻点焊装置及方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于薄板金属材料的超声辅助电阻点焊装置及方法，在不改动原有电阻点焊设备的前提下，通过超声工具头直接将超声振动施加在点焊熔核周围母材上，利用超声的声空化和声流效应细化熔核组织、减少孔隙性缺陷，从而达到改善点焊质量，提高接头力学性能的目的。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种用于薄板金属材料的超声辅助电阻点焊装置，该装置包括电阻点焊电极和位于电阻点焊电极一侧的超声工具头；所述电阻点焊电极包括上电极和下电极，上电极和下电极均为圆柱状结构，上电极和下电极分别相对设置于待焊工件的上方和下方；所述超声工具头设于待焊工件下方，其为圆柱状结构；所述超声工具头的轴线与所述下电极的轴线之间的距离为2-15cm。

所述电阻点焊电极设有加压装置Ⅰ，加压装置Ⅰ能够对上电极和下电极同时施加所需压力，并将压力传输至待焊位置。

所述上电极和下电极均与电阻点焊电源相连接；点焊时，待焊薄板材料相搭接，加压装置Ⅰ通过上电极和下电极分别向薄板材料的搭接处施压，且电阻点焊电源输出电流，使薄板材料在搭接处焊合。

所述超声工具头通过换能器与超声发生器连接；所述超声工具头设有加压装置Ⅱ。

所述待焊工件的上方对应于超声工具头的位置设有限位装置，所述限位装置的下表面为平面，点焊时限位装置的下表面与待焊工件的上表面紧密贴合。