專利名稱：一種超聲能-電阻熱精密復(fù)合的焊接方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及有色金屬微型零件焊接技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種超聲能-電阻熱精密復(fù) 合的焊接方法及裝置。
背景技術(shù)：
隨著電子信息、新能源、汽車、航空航天等行業(yè)的飛速發(fā)展，有色金屬得到了廣泛 應(yīng)用，其中對(duì)有色金屬的焊接需求也越來(lái)越多，但由于有色金屬的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和熱膨脹 系數(shù)較高，如果采用目前通用的焊接方法會(huì)造成有色金屬的焊接，特別是有色金屬微型零 件的直接焊接達(dá)不到預(yù)期的要求，焊接性較差。目前有色金屬之間的直接焊接主要有三種， 分別是摩擦焊、電阻焊和超聲波焊接。摩擦焊是利用焊件斷面發(fā)生相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)相互摩擦產(chǎn)生的熱使端部達(dá)到熱塑 性狀態(tài)，然后進(jìn)行頂鍛，完成焊接的方法。目前常用的焊接方法有旋轉(zhuǎn)摩擦焊、線性摩擦焊、 攪拌摩擦焊等。旋轉(zhuǎn)摩擦焊主要是針對(duì)軸類零件，線性摩擦焊主要是針對(duì)非軸對(duì)稱零件，攪 拌摩擦焊主要是針對(duì)板類零件，摩擦焊通常適用于較大尺寸的零件，但對(duì)于小尺寸有色金 屬零件的焊接仍然存在困難。電阻焊是利用電流流過(guò)工件和接觸面時(shí)所產(chǎn)生的電阻熱加熱金屬，然后在壓力作 用下完成焊接。根據(jù)接頭形式不同分為電阻點(diǎn)焊、電阻縫焊和電阻對(duì)焊等。電阻點(diǎn)焊和電 阻縫焊是使接頭內(nèi)局部熔化，界面完全消失。電阻對(duì)焊在較高溫度下形成塑性連接，雜質(zhì)被 排除，其接頭性能與界面塑性變形、高溫?cái)U(kuò)散及雜質(zhì)排除等因素有關(guān)，比超聲波焊接界面融 合好，比有熔化的接頭性能稍差。由于電阻焊對(duì)電阻具有高度敏感性，而有色金屬的電阻率 低、熱導(dǎo)率高，所以電阻焊對(duì)黑色金屬材料比較有效，對(duì)有色金屬應(yīng)用不太理想。此外，由于 應(yīng)用該焊接方法時(shí)會(huì)有較大的熱輸入和易于變形，所以對(duì)小尺寸有色金屬零件進(jìn)行電阻焊 時(shí)，接頭變形比較嚴(yán)重。超聲波焊是利用超聲頻率的機(jī)械振動(dòng)能量，使待焊金屬件進(jìn)行連接的一種特殊方 法。超聲波焊接方法其中也利用了摩擦原理，只是這種摩擦是超聲振動(dòng)在接觸界面上產(chǎn)生 的微摩擦，產(chǎn)生的能量有限。超聲波在有色金屬焊接方面用得比較多的是集成電路引線的 超聲鍵合(Ultrasonic Bonding)或熱超聲鍵合(Thermosonic Bonding)。其中預(yù)熱會(huì)使熱 超聲鍵合接頭性能更好，所以熱超聲鍵合是超聲波鍵合的主流。另外，超聲波焊還用于電池 鎳片、銅、鋁材料焊接等場(chǎng)合。對(duì)于有色金屬，由于超聲波焊接能量不足、有色金屬導(dǎo)熱快， 所以接頭表面平均溫升有限，接觸面間形成局部區(qū)域固相連接，接頭強(qiáng)度不高。目前已有研 究是通過(guò)采用復(fù)合超聲振動(dòng)和從工藝上改善接頭等措施來(lái)提高超聲波焊接接頭的性能，但 這些方式仍然僅靠超聲摩擦產(chǎn)生固相連接，只是增大了有效固相接合面積，界面平均溫升 仍然有限，連接機(jī)理沒(méi)有發(fā)生實(shí)質(zhì)性改變。所以應(yīng)用發(fā)展緩慢。因此，需要提供一種可對(duì)有色金屬微型零件直接焊接的方法及裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種可對(duì)有色金屬微型 零件直接焊接的超聲能_電阻熱精密復(fù)合的焊接方法及裝置。本發(fā)明提供了一種超聲能-電阻熱精密復(fù)合的焊接方法，首先，工具頭以預(yù)定壓 力壓緊待焊工件，然后將超聲脈沖與電阻焊電流按照預(yù)設(shè)波形精密導(dǎo)入待焊部位進(jìn)行復(fù)合 作用，焊接完畢后，升起工具頭，停止超聲電源和電阻焊電源，使焊頭進(jìn)行自然冷卻，最后超 聲電源再次發(fā)出一超聲脈沖，使工件順利的從工具頭上脫落。具體包括以下步驟(1)預(yù)壓階段將待焊工件置于超聲能_電阻熱復(fù)合能量導(dǎo)入系統(tǒng)的工具頭和工 作臺(tái)之間，工具頭按照預(yù)先設(shè)定的壓力壓緊工件；(2)焊接階段根據(jù)焊件不同，預(yù)設(shè)焊接參數(shù)，根據(jù)預(yù)設(shè)的超聲脈沖與電流匹配相 位分別啟動(dòng)數(shù)字超聲系統(tǒng)中的數(shù)字功率超聲電源和精密逆變電阻焊電源系統(tǒng)中的精密逆 變電阻焊電源；所述數(shù)字功率超聲電源根據(jù)預(yù)設(shè)的超聲脈沖波形輸出電脈沖驅(qū)動(dòng)數(shù)字超聲 系統(tǒng)中的換能器產(chǎn)生超聲波，超聲能-電阻熱復(fù)合能量導(dǎo)入系統(tǒng)中的變幅桿將該超聲波的 振幅調(diào)整成焊接所需振幅后傳遞給所述工具頭，工具頭將超聲振動(dòng)作用于工件上；所述精 密逆變電阻焊電源根據(jù)預(yù)設(shè)的電阻焊電流波形提供焊接電流，通過(guò)所述工具頭、工作臺(tái)與 電源形成回路，所產(chǎn)生的電阻熱作用于工件上，超聲振動(dòng)和電阻熱對(duì)工件進(jìn)行焊接；在焊接 過(guò)程中，通過(guò)所述數(shù)字超聲系統(tǒng)中的以DSP為核心的數(shù)字控制電路及所述精密逆變電阻焊 電源系統(tǒng)中的以MCU為核心的控制電路協(xié)同進(jìn)行精密控制；(3)冷卻階段焊接完畢后，將工具頭升起，停止數(shù)字功率超聲電源和精密逆變電 阻焊電源，焊頭進(jìn)行自然冷卻；(4)后處理階段再次啟動(dòng)數(shù)字功率超聲電源，發(fā)出一時(shí)間為0. 01-0. 2s、振幅為 10-20 μ m的超聲脈沖，使工件順利的從工具頭上脫落，焊接過(guò)程結(jié)束。所述步驟(1)中，加壓方式為氣動(dòng)加壓、彈簧加壓、液壓加壓或者伺服加壓。所述步驟(2)中，預(yù)設(shè)的超聲能與電阻熱匹配相位有同步、交叉模式；所述預(yù)設(shè)的 超聲脈沖與電阻焊電流匹配相位為交叉模式時(shí)，由電阻焊電流產(chǎn)生的電阻熱預(yù)熱工件或由 超聲脈沖產(chǎn)生的超聲能預(yù)熱工件；所述預(yù)設(shè)的超聲脈沖與電阻焊電流相位為同步模式時(shí)， 焊接過(guò)程中至少有一個(gè)超聲脈沖與電阻焊電流同步。所述步驟(2)中，預(yù)設(shè)的超聲脈沖或電流為不連續(xù)模式。所述步驟(2)中，所述預(yù)設(shè)焊接參數(shù)包括預(yù)壓時(shí)間、超聲焊接時(shí)間、超聲振幅/ A(超聲電源功率)、電阻焊電流/I及時(shí)間、壓力大小、超聲能與電阻熱匹配相位及電阻焊電 流波形和超聲脈沖波形。步驟(2)中，所述在焊接過(guò)程中，通過(guò)所述數(shù)字超聲系統(tǒng)中的以DSP為核心的數(shù)字 控制電路及所述精密逆變電阻焊電源系統(tǒng)中的以MCU為核心的控制電路進(jìn)行精密的協(xié)同 控制，具體是指所述以DSP為核心的數(shù)字控制電路通過(guò)采集所述換能器兩端的電流電壓相位檢 測(cè)信號(hào)、電流和電壓信息，調(diào)整輸出PWM的頻率以及脈寬至所述數(shù)字超聲系統(tǒng)中的功率逆 變電路，實(shí)現(xiàn)頻率自動(dòng)跟蹤；采集所述工作臺(tái)處的電極壓力并輸出顯示；通過(guò)通信形式把 預(yù)設(shè)焊接參數(shù)傳遞給所述以MCU為核心的控制電路；并且在進(jìn)行上述操作時(shí)，與外界保持故障信息的傳遞；所述以MCU為核心的控制電路根據(jù)預(yù)設(shè)焊接參數(shù)及從所述精密逆變電阻焊電源 系統(tǒng)中的次級(jí)整流電路采集的焊接電流和電極電壓反饋信號(hào)，調(diào)整輸出PWM信號(hào)的脈寬， 實(shí)現(xiàn)每個(gè)階段電流的穩(wěn)定，進(jìn)而保證電阻熱的精密可控，然后將經(jīng)過(guò)處理得到的驅(qū)動(dòng)控制 信號(hào)傳送至精密逆變電阻焊電源系統(tǒng)中的功率逆變電路，從而實(shí)現(xiàn)電阻熱的精密輸出以及 與以DSP為核心的數(shù)字控制電路之間精密的協(xié)同控制。本發(fā)明還提供一種實(shí)施上述方法的超聲能-電阻熱精密復(fù)合的焊接裝置，包括數(shù) 字超聲系統(tǒng)、精密逆變電阻焊電源系統(tǒng)和超聲能-電阻熱復(fù)合能量導(dǎo)入系統(tǒng)；所述數(shù)字超 聲系統(tǒng)和精密逆變電阻焊電源系統(tǒng)信號(hào)連接，數(shù)字超聲系統(tǒng)、精密逆變電阻焊電源系統(tǒng)分 別與所述超聲能_電阻熱復(fù)合能量導(dǎo)入系統(tǒng)連接。其中，所述超聲能-電阻熱復(fù)合能量導(dǎo)入系統(tǒng)包括變幅桿、工具頭、工作臺(tái)；變幅 桿、工具頭連為一體；待焊工件置于工作臺(tái)上，工具頭置于待焊工件上；所述工具頭的振動(dòng) 形式為一維線性振動(dòng)或縱扭復(fù)合振動(dòng)；變幅桿為兩級(jí)變幅桿；所述數(shù)字超聲系統(tǒng)包括數(shù)字功率超聲電源和換能器，所述數(shù)字功率超聲電源包括 整流濾波電路、功率逆變電路、高頻變壓器、匹配網(wǎng)絡(luò)、驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路以及以DSP為核心的 數(shù)字控制電路，所述數(shù)字功率超聲電源的整流濾波電路、功率逆變電路、高頻變壓器、匹配 網(wǎng)絡(luò)、換能器依次連接，所述換能器與所述變幅桿通過(guò)超聲波驅(qū)動(dòng)連接，以DSP為核心的數(shù) 字控制電路與所述數(shù)字超聲系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路、功率逆變電路依次連接；所述精密逆變電阻焊電源系統(tǒng)包括整流濾波電路、功率逆變電路、高頻變壓器、次 級(jí)整流電路、驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路以及以MCU為核心的控制電路，所述精密逆變電阻焊電源系統(tǒng) 的整流濾波電路、功率逆變電路、高頻變壓器、次級(jí)整流電路依次連接，所述次級(jí)整流電路 輸出端與所述工具頭、工作臺(tái)分別電路連接，以MCU為核心的控制電路與所述精密逆變電 阻焊電源系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路、功率逆變電路依次連接；所述以DSP為核心的數(shù)字控制電路與所述以MCU為核心的控制電路通信連接。更具體地，所述以DSP為核心的數(shù)字控制電路，包括DSP控制器、開關(guān)、IXD面板， 所述DSP控制器通過(guò)其I/O端口分別與開關(guān)、IXD面板信號(hào)連接，通過(guò)其INT端口與外界信 號(hào)連接，通過(guò)其AD采樣模塊與所述換能器兩端信號(hào)連接，通過(guò)其PWM驅(qū)動(dòng)模塊與所述數(shù)字 超聲系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路信號(hào)連接；所述以MCU為核心的控制電路，包括MCU控制器，所述MCU控制器通過(guò)其AD采樣 模塊與所述精密逆變電阻焊電源系統(tǒng)的次級(jí)整流電路輸出端信號(hào)連接，通過(guò)其PWM驅(qū)動(dòng)模 塊與所述精密逆變電阻焊電源系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路信號(hào)連接。所述以DSP為核心的數(shù)字控制電路與所述以MCU為核心的控制電路通信連接的方 式為CAN總線、USB、RS232或RS485通信方式。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果1、本發(fā)明是將超聲能和電阻熱這兩種物理性質(zhì)、能量傳輸機(jī)制截然不同的熱源復(fù) 合在一起，作用于同一加工位置，既充分發(fā)揮了兩種熱源的各自的優(yōu)勢(shì)，又相互彌補(bǔ)了各自 的不足，從而形成一種全新高效的熱源。2、本發(fā)明中超聲能和電阻熱并不是簡(jiǎn)單的疊加，而是存在復(fù)雜的物理作用，電阻 熱效應(yīng)集中于界面，避免母材產(chǎn)生較大的變形；界面接觸點(diǎn)的快速溫升減小界面變形抗力，促進(jìn)超聲振動(dòng)過(guò)程界面膜破碎和雜質(zhì)排除；超聲振動(dòng)改變接觸形態(tài)，接觸點(diǎn)滑移增強(qiáng)電流 界面產(chǎn)熱；接觸動(dòng)態(tài)變化促進(jìn)電流、塑性變形均態(tài)化分布等，因而有利于促進(jìn)焊件界面產(chǎn)熱 和各種效應(yīng)，使焊件接頭性能得到顯著提升，焊接效率得到較大提高。3、本發(fā)明尤其適用于對(duì)同種或異種有色金屬微型零件的直接焊接。


圖1是本發(fā)明方法的流程示意圖；圖2是本發(fā)明方法在實(shí)施例1中預(yù)設(shè)的超聲脈沖和電阻焊電流波形圖；圖3是圖1所示方法的裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是圖3中精密復(fù)合焊接部分結(jié)構(gòu)示意圖；圖5至圖9為本發(fā)明方法在實(shí)施例2至6中預(yù)設(shè)的超聲脈沖和電阻焊電流波形圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限 于此。實(shí)施例1如圖1所示，本發(fā)明一種超聲能-電阻熱精密復(fù)合的焊接方法，首先，工具頭以預(yù) 定壓力壓緊待焊工件，然后將超聲脈沖與電阻焊電流按照預(yù)設(shè)波形精密導(dǎo)入待焊部位進(jìn)行 復(fù)合作用，焊接完畢后，升起工具頭，停止超聲電源和電阻焊電源，使焊頭進(jìn)行自然冷卻，最 后超聲電源再次發(fā)出一超聲脈沖，使工件順利的從工具頭上脫落。具體包括以下步驟(1)預(yù)壓階段將待焊工件置于超聲能_電阻熱復(fù)合能量導(dǎo)入系統(tǒng)的工具頭和工 作臺(tái)之間，工具頭按照預(yù)先設(shè)定的壓力壓緊工件；(2)焊接階段根據(jù)焊件不同，預(yù)設(shè)焊接參數(shù)，根據(jù)預(yù)設(shè)的超聲脈沖與電流匹配相 位分別啟動(dòng)數(shù)字超聲系統(tǒng)中的數(shù)字功率超聲電源和精密逆變電阻焊電源系統(tǒng)中的精密逆 變電阻焊電源；所述數(shù)字功率超聲電源根據(jù)預(yù)設(shè)的超聲脈沖波形輸出電脈沖驅(qū)動(dòng)數(shù)字超聲 系統(tǒng)中的換能器產(chǎn)生超聲波，超聲能-電阻熱復(fù)合能量導(dǎo)入系統(tǒng)中的變幅桿將該超聲波的 振幅調(diào)整成焊接所需振幅后傳遞給所述工具頭，工具頭將超聲振動(dòng)作用于工件上；所述精 密逆變電阻焊電源根據(jù)預(yù)設(shè)的電阻焊電流波形提供焊接電流，通過(guò)所述工具頭、工作臺(tái)與 電源形成回路，所產(chǎn)生的電阻熱作用于工件上，超聲振動(dòng)和電阻熱對(duì)工件進(jìn)行焊接；在焊接 過(guò)程中，通過(guò)所述數(shù)字超聲系統(tǒng)中的以DSP為核心的數(shù)字控制電路及所述精密逆變電阻焊 電源系統(tǒng)中的以MCU為核心的控制電路協(xié)同進(jìn)行精密控制；(3)冷卻階段焊接完畢后，將工具頭升起，停止數(shù)字功率超聲電源和精密逆變電 阻焊電源，焊頭進(jìn)行自然冷卻；(4)后處理階段再次啟動(dòng)數(shù)字功率超聲電源，發(fā)出一時(shí)間為0.01s、振幅為10 μ m 的超聲脈沖，使工件順利的從工具頭上脫落，焊接過(guò)程結(jié)束。所述步驟(1)中，加壓方式為氣動(dòng)加壓。所述步驟(2)中，如圖2所示，所述預(yù)設(shè)的超聲能與電阻熱匹配相位為交叉模式， 由電阻焊電流產(chǎn)生的電阻熱預(yù)熱工件，超聲脈沖和電阻焊電流為連續(xù)模式。
所述步驟(2)中，所述預(yù)設(shè)焊接參數(shù)包括預(yù)壓時(shí)間、超聲焊接時(shí)間、超聲振幅/ A(超聲電源功率)、電阻焊電流/I及時(shí)間、壓力大小、超聲能與電阻熱匹配相位及電阻焊電 流波形和超聲脈沖波形。步驟(2)中，所述在焊接過(guò)程中，通過(guò)所述數(shù)字超聲系統(tǒng)中的以DSP為核心的數(shù)字 控制電路及所述精密逆變電阻焊電源系統(tǒng)中的以MCU為核心的控制電路進(jìn)行精密的協(xié)同 控制，具體是指所述以DSP為核心的數(shù)字控制電路通過(guò)采集所述換能器兩端的電流電壓相位檢 測(cè)信號(hào)、電流和電壓信息，調(diào)整輸出PWM的頻率以及脈寬至所述數(shù)字超聲系統(tǒng)中的功率逆 變電路，實(shí)現(xiàn)頻率自動(dòng)跟蹤；采集所述工作臺(tái)處的電極壓力并輸出顯示；通過(guò)通信形式把 預(yù)設(shè)焊接參數(shù)傳遞給所述以MCU為核心的控制電路；并且在進(jìn)行上述操作時(shí)，與外界保持 故障信息的傳遞；所述以MCU為核心的控制電路根據(jù)預(yù)設(shè)焊接參數(shù)及從所述精密逆變電阻焊電源 系統(tǒng)中的次級(jí)整流電路采集的焊接電流和電極電壓反饋信號(hào)，調(diào)整輸出PWM信號(hào)的脈寬， 實(shí)現(xiàn)每個(gè)階段電流的穩(wěn)定，進(jìn)而保證電阻熱的精密可控，然后將經(jīng)過(guò)處理得到的驅(qū)動(dòng)控制 信號(hào)傳送至精密逆變電阻焊電源系統(tǒng)中的功率逆變電路，從而實(shí)現(xiàn)電阻熱的精密輸出以及 與以DSP為核心的數(shù)字控制電路之間精密的協(xié)同控制。如圖3所示，為實(shí)現(xiàn)上述超聲能-電阻熱精密復(fù)合的焊接方法的裝置結(jié)構(gòu)原理圖， 該裝置包括數(shù)字超聲系統(tǒng)、精密逆變電阻焊電源系統(tǒng)和超聲能_電阻熱復(fù)合能量導(dǎo)入系 統(tǒng)；所述數(shù)字超聲系統(tǒng)和精密逆變電阻焊電源系統(tǒng)信號(hào)連接，數(shù)字超聲系統(tǒng)、精密逆變電阻 焊電源系統(tǒng)分別與所述超聲能_電阻熱復(fù)合能量導(dǎo)入系統(tǒng)連接。其中，所述超聲能-電阻熱復(fù)合能量導(dǎo)入系統(tǒng)包括變幅桿、工具頭、工作臺(tái)；變幅 桿、工具頭連為一體；待焊工件置于工作臺(tái)上，工具頭置于待焊工件上；所述工具頭的振動(dòng) 形式為一維線性振動(dòng)或縱扭復(fù)合振動(dòng)；變幅桿為兩級(jí)變幅桿；所述數(shù)字超聲系統(tǒng)包括數(shù)字功率超聲電源和換能器，所述數(shù)字功率超聲電源包括 整流濾波電路、功率逆變電路、高頻變壓器、匹配網(wǎng)絡(luò)、驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路以及以DSP為核心的 數(shù)字控制電路，所述數(shù)字功率超聲電源的整流濾波電路、功率逆變電路、高頻變壓器、匹配 網(wǎng)絡(luò)、換能器依次連接，所述換能器與所述變幅桿通過(guò)超聲波驅(qū)動(dòng)連接，以DSP為核心的數(shù) 字控制電路與所述數(shù)字超聲系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路、功率逆變電路依次連接；所述精密逆變電阻焊電源系統(tǒng)包括整流濾波電路、功率逆變電路、高頻變壓器、次 級(jí)整流電路、驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路以及以MCU為核心的控制電路，所述精密逆變電阻焊電源系統(tǒng) 的整流濾波電路、功率逆變電路、高頻變壓器、次級(jí)整流電路依次連接，所述次級(jí)整流電路 輸出端與所述工具頭、工作臺(tái)分別電路連接，以MCU為核心的控制電路與所述精密逆變電 阻焊電源系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路、功率逆變電路依次連接；所述以DSP為核心的數(shù)字控制電路與所述以MCU為核心的控制電路通信連接。更具體地，所述以DSP為核心的數(shù)字控制電路，包括DSP控制器、開關(guān)、IXD面板， 所述DSP控制器通過(guò)其I/O端口分別與開關(guān)、IXD面板信號(hào)連接，通過(guò)其INT端口與外界信 號(hào)連接，通過(guò)其AD采樣模塊與所述換能器兩端信號(hào)連接，通過(guò)其PWM驅(qū)動(dòng)模塊與所述數(shù)字 超聲系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路信號(hào)連接；所述以MCU為核心的控制電路，包括MCU控制器，所述MCU控制器通過(guò)其AD采樣
8模塊與所述精密逆變電阻焊電源系統(tǒng)的次級(jí)整流電路輸出端信號(hào)連接，通過(guò)其PWM驅(qū)動(dòng)模 塊與所述精密逆變電阻焊電源系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路信號(hào)連接。所述以DSP為核心的數(shù)字控制電路與所述以MCU為核心的控制電路通信連接的方 式為CAN總線通信方式。在本發(fā)明方法中，預(yù)設(shè)的超聲脈沖和電阻焊電流波形圖如圖2所示，焊接循環(huán)過(guò) 程具體如下(1)預(yù)壓階段(Ο-tl)將待焊工件置于超聲能_電阻熱復(fù)合能量導(dǎo)入系統(tǒng)的工具 頭和工作臺(tái)之間，工具頭按照預(yù)先設(shè)定的壓力壓緊工件；(2)焊接階段(tl-t6)在此階段中，超聲能和電阻熱通過(guò)如圖2所示的預(yù)設(shè)的超 聲脈沖和電阻焊電流波形圖對(duì)工件進(jìn)行復(fù)合作用，其中tl-t2階段為電阻焊電流預(yù)熱工件階段，電阻焊電流從0逐漸增大到Il并維持穩(wěn) 定，此階段的預(yù)熱可以減小工件塑性變形抗力，促進(jìn)工件表面氧化膜等雜物的破碎，為超聲 能更有效的作用于焊接界面做準(zhǔn)備。t2-t3階段為超聲能和電阻熱進(jìn)行第一次復(fù)合作用，其中超聲振幅從0逐漸增大 到Al并維持穩(wěn)定，電阻焊電流維持為II，一方面電阻熱繼續(xù)加熱工件加速焊接界面塑性變 形能力，促進(jìn)超聲焊接；另一方面通過(guò)超聲作用，可改變焊件接觸形態(tài)，擴(kuò)大焊件之間的界 面接觸面積，接觸點(diǎn)滑移增強(qiáng)電流界面產(chǎn)熱，接觸面動(dòng)態(tài)變化促進(jìn)電流、塑性變形均態(tài)化分 布等，從而有利于促進(jìn)界面產(chǎn)熱和其它各種效應(yīng)。t3_t4階段超聲能先以振幅Al作用于工件上，然后逐漸增大至A2，而電阻焊電流 從Il增大為12后維持穩(wěn)定，在此階段中一方面超聲能和電阻熱的相互作用繼續(xù)加強(qiáng)，另一 方面電阻焊電流增大使得焊接界面兩側(cè)原子振動(dòng)更加激烈，有助于促進(jìn)焊件原子之間的擴(kuò) 散或合金化的傾向，為形成優(yōu)異的焊接接頭奠定基礎(chǔ)。t4-t5階段，超聲振幅維持在A2不變，精密逆變電阻焊電源減小輸出功率，電阻焊 電流減小為13。通過(guò)前面幾個(gè)階段超聲能和電阻熱復(fù)合作用，焊件界面的熱量、變形以及原 子擴(kuò)散/合金化等已經(jīng)達(dá)到形成新的界面的能力，加大超聲能和減小電流目的是保持新界 面形成過(guò)程中能量穩(wěn)定，防止過(guò)熱形成脆性化合物或界面溫度降低不利于界面成型等。t5-t6階段，超聲能仍以振幅A2作用于焊件，電阻焊電源停止工作，在前面復(fù)合能 量作用形成界面基礎(chǔ)上，超聲能進(jìn)一步促進(jìn)新形成的界面均勻化，使界面充分融合，最終在 超聲能作用下形成優(yōu)良的焊點(diǎn)。(3)冷卻階段(t6_t7)工具頭升起，超聲電源和電阻焊電源均停止工作，焊頭進(jìn) 行自然冷卻。(4)后處理階段(t7_t8)此階段的目的主要是防止硬度較低焊件黏著在工具頭 上，時(shí)長(zhǎng)為0.01s，在此階段超聲電源發(fā)出一超聲脈沖A3，大小為10 μ m，使工件順利的從工 具頭上脫落。焊接過(guò)程完成，等待下一次焊接過(guò)程。實(shí)施例2本實(shí)施例除下述特征外其他結(jié)構(gòu)和過(guò)程同實(shí)施例1 本發(fā)明方法所述步驟(1)中， 加壓方式為彈簧加壓。所述步驟(2)中，所述預(yù)設(shè)的超聲脈沖和電阻焊電流波形圖如圖5所示，由超聲能 預(yù)熱工件。
所述步驟(4)中，再次啟動(dòng)數(shù)字功率超聲電源，發(fā)出一時(shí)間為0. 2s、振幅為20 μ m 的超聲脈沖，使工件順利的從工具頭上脫落，焊接過(guò)程結(jié)束。本發(fā)明裝置超聲能_電阻熱復(fù)合能量導(dǎo)入系統(tǒng)中工具頭的振動(dòng)形式為縱扭復(fù)合 振動(dòng)。本發(fā)明裝置超聲_電阻焊協(xié)同控制系統(tǒng)是將數(shù)字功率超聲電源和精密逆變電阻 焊電源通過(guò)USB進(jìn)行通信。在本實(shí)施例中，預(yù)設(shè)的超聲脈沖和電阻焊電流波形圖如圖5所示，焊接循環(huán)過(guò)程 中焊接階段具體說(shuō)明如下tl-t2階段為超聲能預(yù)處理工件階段，超聲波以較大振幅Al作用于焊件，此階段 的較大的超聲能通過(guò)超音頻微摩擦作用于焊接界面，使焊件接觸微凸點(diǎn)出氧化膜等雜物迅 速破除，并使微凸點(diǎn)接觸面積有所增大，可以有效改善焊接電流流通路徑，為促進(jìn)電流在界 面產(chǎn)熱做準(zhǔn)備。t2-t3階段為超聲能和電阻熱進(jìn)行第一次復(fù)合作用，其中超聲振幅為A2，電阻焊 電流為II。在此階段中電流值Il較大，目的是促進(jìn)界面溫升，進(jìn)而增強(qiáng)界面兩側(cè)原子激活 能，有助于促進(jìn)焊件原子之間的擴(kuò)散或合金化的傾向，為形成優(yōu)異的焊接接頭奠定基礎(chǔ)。在t3_t4階段，數(shù)字超聲電源提高輸出功率，即超聲振幅變大為A3，精密逆變電阻 焊電源減小電流輸出，將電流減少為12，目的是保證焊接新界面形成過(guò)程中能量的穩(wěn)定，防 止界面溫度過(guò)高形成脆性物質(zhì)或溫度過(guò)低不利于界面成型，從而形成均勻一致的焊接接頭。t4-t5階段超聲能仍以振幅A3作用于焊件，電阻焊電源停止工作，在前面復(fù)合能 量作用形成界面基礎(chǔ)上，超聲能進(jìn)一步促進(jìn)新形成的界面均勻化，使界面充分融合，最終在 超聲能作用下形成優(yōu)良的焊點(diǎn)。實(shí)施例3本實(shí)施例除下述特征外其他結(jié)構(gòu)和過(guò)程同實(shí)施例1 本發(fā)明方法所述步驟(1)中， 加壓方式為液壓加壓。所述步驟(2)中，所述預(yù)設(shè)的超聲脈沖和電阻焊電流波形圖如圖6所示，所述預(yù)設(shè) 的超聲能與電阻熱匹配相位為同步模式，由電流產(chǎn)生的電阻熱和超聲能同時(shí)預(yù)熱工件。本發(fā)明裝置超聲_電阻焊協(xié)同控制系統(tǒng)是將數(shù)字功率超聲電源和精密逆變電阻 焊電源通過(guò)RS232形式進(jìn)行通信。在本實(shí)施例中，預(yù)設(shè)的超聲脈沖和電阻焊電流波形圖如圖6所示，焊接循環(huán)過(guò)程 中焊接階段具體說(shuō)明如下tl_t2階段超聲能和電阻熱同時(shí)作用于焊件，其中超聲振幅為Al，超聲焊電流為 II，這一階段的目的是通過(guò)復(fù)合能量的充分作用于焊件接觸面，使界面接觸形態(tài)向有利于 超聲、電流作用方向變化，促進(jìn)界面接觸區(qū)域的塑性變形。t2-t3階段超聲波振幅和電阻焊電流同時(shí)增大，超聲振幅由Al增大為A2，超聲焊 電流由Il增大為12，目的是在復(fù)合能量共同處理焊件接觸面的基礎(chǔ)上，迅速提高界面兩側(cè) 原子的激活能，使界面兩側(cè)的原子通過(guò)擴(kuò)散或合金化形成新的焊接界面。實(shí)施例4本實(shí)施例除下述特征外其他結(jié)構(gòu)和過(guò)程同實(shí)施例3 本發(fā)明方法所述步驟(1)中， 加壓方式為伺服加壓。
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所述步驟(2)中，所述預(yù)設(shè)的超聲脈沖和電阻焊電流波形圖如圖7所示，預(yù)設(shè)的超 聲能脈沖與電流同步的僅為一個(gè)。本發(fā)明裝置超聲_電阻焊協(xié)同控制系統(tǒng)是將數(shù)字功率超聲電源和精密逆變電阻 焊電源通過(guò)RS485形式進(jìn)行通信。在本實(shí)施例中，預(yù)設(shè)的超聲脈沖和電阻焊電流波形圖如圖7所示，焊接循環(huán)過(guò)程 中焊接階段具體說(shuō)明如下在tl_t2階段中，超聲能和電阻熱復(fù)合作用于界面與新的界面成型同時(shí)完成。根 據(jù)實(shí)際焊件的極地電阻率和極大導(dǎo)熱率，設(shè)定超聲振幅Al與電流Il以較大的值進(jìn)行焊接， 一方面大的超聲振幅可以極快處理界面接觸形態(tài)，與此同時(shí)電流路徑的改善可以促進(jìn)電阻 熱的提高，進(jìn)而促進(jìn)超聲作用，在此基礎(chǔ)上隨著界面兩側(cè)原子能量的迅速提高，原子之間的 擴(kuò)散或合金化可以較快的完成，從而形成優(yōu)良的焊接界面。實(shí)施例5本實(shí)施例除下述特征外其他結(jié)構(gòu)和過(guò)程同實(shí)施例1 本發(fā)明方法所述步驟(2)中， 預(yù)設(shè)的超聲脈沖和電阻焊電流波形圖如圖8所示，超聲能和電阻熱同時(shí)預(yù)熱工件，超聲脈 沖連續(xù)，電流不連續(xù)。在本實(shí)施例中，預(yù)設(shè)的超聲脈沖和電阻焊電流波形圖如圖8所示，焊接循環(huán)過(guò)程 中焊接階段具體說(shuō)明如下tl-t7階段超聲能以超聲振幅Al持續(xù)作用于焊件，超聲焊電流為不連續(xù)模式，大 小為II，這種模式主要針對(duì)對(duì)熱量變化比較敏感的特殊焊件，采用電流間隔施加目的為在 保證復(fù)合能量充分作用同時(shí)保證焊接界面熱量的平穩(wěn)。t7-tll階段超聲波振幅和電阻焊電流同時(shí)增大，超聲振幅由Al增大至A2，電阻焊 電流仍為間隔模式，由Il增大至12，目的是在復(fù)合能量共同處理焊件接觸面的基礎(chǔ)上，迅 速提高界面兩側(cè)原子的激活能，使界面兩側(cè)的原子通過(guò)擴(kuò)散或合金化形成新的焊接界面。實(shí)施例6本實(shí)施例除下述特征外其他結(jié)構(gòu)和過(guò)程同實(shí)施例5 本發(fā)明方法所述步驟(2)中， 預(yù)設(shè)的超聲脈沖和電阻焊電流波形圖如圖9所示，超聲能預(yù)熱工件，超聲脈沖不連續(xù)，電流 連續(xù)。在本實(shí)施例中，預(yù)設(shè)的超聲脈沖和電阻焊電流波形圖如圖9所示，焊接循環(huán)過(guò)程 中焊接階段具體說(shuō)明如下tl-t2為超聲能預(yù)處理工件階段，超聲波以較大振幅Al作用于焊件，此階段的較 大的超聲能通過(guò)超音頻微摩擦作用于焊接界面，使焊件接觸微凸點(diǎn)出氧化膜等雜物迅速破 除，并使微凸點(diǎn)接觸面積有所增大，可以有效改善焊接電流流通路徑，為促進(jìn)電流在界面產(chǎn) 熱做準(zhǔn)備。t2_t7階段電阻熱連續(xù)作用于焊件，超聲能間隔作用于焊件，其中超聲波振幅為 A2，電阻焊電流為II，這一階段的目的是通過(guò)復(fù)合能量的充分作用于焊件接觸面，使界面接 觸形態(tài)向有利于超聲、電流作用方向變化，促進(jìn)界面接觸區(qū)域的塑性變形。t7_tll階段超聲波振幅和電阻焊電流同時(shí)增大，超聲振幅由A2增大至A3，仍為間 隔模式，電阻焊電流由Il增大至12，目的是在復(fù)合能量共同處理焊件接觸面的基礎(chǔ)上，迅 速提高界面兩側(cè)原子的激活能，使界面兩側(cè)的原子通過(guò)擴(kuò)散或合金化形成新的焊接界面。
上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的 限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化， 均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種超聲能 電阻熱精密復(fù)合的焊接方法，其特征在于首先，工具頭以預(yù)定壓力壓緊待焊工件，然后將超聲脈沖與電阻焊電流按照預(yù)設(shè)波形精密導(dǎo)入待焊部位進(jìn)行復(fù)合作用，焊接完畢后，升起工具頭，停止超聲電源和電阻焊電源，使焊頭進(jìn)行自然冷卻，最后超聲電源再次發(fā)出一超聲脈沖，使工件順利的從工具頭上脫落。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種超聲能-電阻熱精密復(fù)合的焊接方法，其特征在于具體包 括以下步驟(1)預(yù)壓階段將待焊工件置于超聲能-電阻熱復(fù)合能量導(dǎo)入系統(tǒng)的工具頭和工作臺(tái) 之間，工具頭按照預(yù)先設(shè)定的壓力壓緊工件；(2)焊接階段根據(jù)焊件不同，預(yù)設(shè)焊接參數(shù)，根據(jù)預(yù)設(shè)的超聲脈沖與電流匹配相位分 別啟動(dòng)數(shù)字超聲系統(tǒng)中的數(shù)字功率超聲電源和精密逆變電阻焊電源系統(tǒng)中的精密逆變電 阻焊電源；所述數(shù)字功率超聲電源根據(jù)預(yù)設(shè)的超聲脈沖波形輸出電脈沖驅(qū)動(dòng)數(shù)字超聲系統(tǒng) 中的換能器產(chǎn)生超聲波，超聲能_電阻熱復(fù)合能量導(dǎo)入系統(tǒng)中的變幅桿將該超聲波的振幅 調(diào)整成焊接所需振幅后傳遞給所述工具頭，工具頭將超聲振動(dòng)作用于工件上；所述精密逆 變電阻焊電源根據(jù)預(yù)設(shè)的電阻焊電流波形提供焊接電流，通過(guò)所述工具頭、工作臺(tái)與電源 形成回路，所產(chǎn)生的電阻熱作用于工件上，超聲振動(dòng)和電阻熱對(duì)工件進(jìn)行焊接；在焊接過(guò)程 中，通過(guò)所述數(shù)字超聲系統(tǒng)中的以DSP為核心的數(shù)字控制電路及所述精密逆變電阻焊電源 系統(tǒng)中的以MCU為核心的控制電路協(xié)同進(jìn)行精密控制；(3)冷卻階段焊接完畢后，將工具頭升起，停止數(shù)字功率超聲電源和精密逆變電阻焊 電源，焊頭進(jìn)行自然冷卻；(4)后處理階段再次啟動(dòng)數(shù)字功率超聲電源，發(fā)出一時(shí)間為0.01-0.2s、振幅為 10-20 μ m的超聲脈沖，使工件順利的從工具頭上脫落，焊接過(guò)程結(jié)束。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種超聲能_電阻熱精密復(fù)合的焊接方法，其特征在于所述 步驟(1)中，加壓方式為氣動(dòng)加壓、彈簧加壓、液壓加壓或者伺服加壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種超聲能_電阻熱精密復(fù)合的焊接方法，其特征在于所述 步驟(2)中，預(yù)設(shè)的超聲能與電阻熱匹配相位有同步、交叉模式；所述預(yù)設(shè)的超聲脈沖與電 阻焊電流匹配相位為交叉模式時(shí)，由電阻焊電流產(chǎn)生的電阻熱預(yù)熱工件或由超聲脈沖產(chǎn)生 的超聲能預(yù)熱工件；所述預(yù)設(shè)的超聲脈沖與電阻焊電流相位為同步模式時(shí)，焊接過(guò)程中至 少有一個(gè)超聲脈沖與電阻焊電流同步；所述步驟(2)中，預(yù)設(shè)的超聲脈沖或電阻焊電流為不連續(xù)模式；所述步驟(2)中，所述預(yù)設(shè)焊接參數(shù)包括預(yù)壓時(shí)間、超聲焊接時(shí)間、超聲振幅/A(超聲 電源功率)、電阻焊電流/I及時(shí)間、壓力大小、超聲能與電阻熱匹配相位及電阻焊電流波形 和超聲脈沖波形。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種超聲能-電阻熱精密復(fù)合的焊接方法，其特征在于步驟 (2)中所述在焊接過(guò)程中，通過(guò)所述數(shù)字超聲系統(tǒng)中的以DSP為核心的數(shù)字控制電路及所 述精密逆變電阻焊電源系統(tǒng)中的以MCU為核心的控制電路進(jìn)行精密的協(xié)同控制，具體是 指所述以DSP為核心的數(shù)字控制電路通過(guò)采集所述換能器兩端的電流電壓相位檢測(cè)信 號(hào)、電流和電壓信息，調(diào)整輸出PWM的頻率以及脈寬至所述數(shù)字超聲系統(tǒng)中的功率逆變電 路，實(shí)現(xiàn)頻率自動(dòng)跟蹤；采集所述工作臺(tái)處的電極壓力并輸出顯示；通過(guò)通信形式把預(yù)設(shè)焊接參數(shù)傳遞給所述以MCU為核心的控制電路；并且在進(jìn)行上述操作時(shí)，與外界保持故障 信息的傳遞；所述以MCU為核心的控制電路根據(jù)預(yù)設(shè)焊接參數(shù)及從所述精密逆變電阻焊電源系統(tǒng) 中的次級(jí)整流電路采集的焊接電流和電極電壓反饋信號(hào)，調(diào)整輸出PWM信號(hào)的脈寬，實(shí)現(xiàn) 每個(gè)階段電流的穩(wěn)定，進(jìn)而保證電阻熱的精密可控，然后將經(jīng)過(guò)處理得到的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào) 傳送至精密逆變電阻焊電源系統(tǒng)中的功率逆變電路，從而實(shí)現(xiàn)電阻熱的精密輸出以及與以 DSP為核心的數(shù)字控制電路之間精密的協(xié)同控制。
6.一種超聲能-電阻熱精密復(fù)合的焊接裝置，其特征在于所述超聲能-電阻熱精密 復(fù)合的焊接裝置包括數(shù)字超聲系統(tǒng)、精密逆變電阻焊電源系統(tǒng)和超聲能_電阻熱復(fù)合能量 導(dǎo)入系統(tǒng)；所述數(shù)字超聲系統(tǒng)和精密逆變電阻焊電源系統(tǒng)信號(hào)連接，數(shù)字超聲系統(tǒng)、精密逆 變電阻焊電源系統(tǒng)分別與所述超聲能_電阻熱復(fù)合能量導(dǎo)入系統(tǒng)連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述一種超聲能_電阻熱精密復(fù)合的焊接裝置，其特征在于所述 超聲能-電阻熱復(fù)合能量導(dǎo)入系統(tǒng)包括變幅桿、工具頭、工作臺(tái)；變幅桿、工具頭連為一體； 待焊工件置于工作臺(tái)上，工具頭置于待焊工件上；所述工具頭的振動(dòng)形式為一維線性振動(dòng) 或縱扭復(fù)合振動(dòng)；變幅桿為兩級(jí)變幅桿；所述數(shù)字超聲系統(tǒng)包括數(shù)字功率超聲電源和換能器，所述數(shù)字功率超聲電源包括整流 濾波電路、功率逆變電路、高頻變壓器、匹配網(wǎng)絡(luò)、驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路以及以DSP為核心的數(shù)字 控制電路，所述數(shù)字功率超聲電源的整流濾波電路、功率逆變電路、高頻變壓器、匹配網(wǎng)絡(luò)、 換能器依次連接，所述換能器與所述變幅桿通過(guò)超聲波驅(qū)動(dòng)連接，以DSP為核心的數(shù)字控 制電路與所述數(shù)字超聲系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路、功率逆變電路依次連接；所述精密逆變電阻焊電源系統(tǒng)包括整流濾波電路、功率逆變電路、高頻變壓器、次級(jí)整 流電路、驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路以及以MCU為核心的控制電路，所述精密逆變電阻焊電源系統(tǒng)的整 流濾波電路、功率逆變電路、高頻變壓器、次級(jí)整流電路依次連接，所述次級(jí)整流電路輸出 端與所述工具頭、工作臺(tái)分別電路連接，以MCU為核心的控制電路與所述精密逆變電阻焊 電源系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路、功率逆變電路依次連接；所述以DSP為核心的數(shù)字控制電路與所述以MCU為核心的控制電路通信連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述一種超聲能-電阻熱精密復(fù)合的焊接裝置，其特征在于所述 以DSP為核心的數(shù)字控制電路，包括DSP控制器、開關(guān)、IXD面板，所述DSP控制器通過(guò)其I/ 0端口分別與開關(guān)、IXD面板信號(hào)連接，通過(guò)其INT端口與外界信號(hào)連接，通過(guò)其AD采樣模 塊與所述換能器兩端信號(hào)連接，通過(guò)其PWM驅(qū)動(dòng)模塊與所述數(shù)字超聲系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路 信號(hào)連接；所述以MCU為核心的控制電路，包括MCU控制器，所述MCU控制器通過(guò)其AD采樣模塊 與所述精密逆變電阻焊電源系統(tǒng)的次級(jí)整流電路輸出端信號(hào)連接，通過(guò)其PWM驅(qū)動(dòng)模塊與 所述精密逆變電阻焊電源系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路信號(hào)連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述一種超聲能_電阻熱精密復(fù)合的焊接裝置，其特征在于所述 以DSP為核心的數(shù)字控制電路與所述以MCU為核心的控制電路通信連接的方式為CAN總 線、USB、RS232或RS485通信方式。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種超聲能-電阻熱精密復(fù)合的焊接方法，工具頭以預(yù)定壓力壓緊待焊工件，然后將超聲脈沖與電阻焊電流按照預(yù)設(shè)波形精密導(dǎo)入待焊部位進(jìn)行復(fù)合作用，焊接完畢后，升起工具頭，停止超聲電源和電阻焊電源，使焊頭進(jìn)行自然冷卻，最后超聲電源再次發(fā)出一超聲脈沖，使工件順利的從工具頭上脫落。本發(fā)明還公開了實(shí)現(xiàn)上述方法的裝置，包括數(shù)字超聲系統(tǒng)、精密逆變電阻焊電源系統(tǒng)和超聲能-電阻熱復(fù)合能量導(dǎo)入系統(tǒng)。本發(fā)明將超聲能和電阻熱這兩種熱源復(fù)合在一起，形成了一種全新高效的熱源，經(jīng)過(guò)復(fù)雜的物理作用，使焊件接頭性能得到顯著提升，焊接效率得到較大提高，尤其適用于對(duì)同種或異種有色金屬微型零件的直接焊接。
文檔編號(hào)B23K28/02GK101966624SQ20101028007
公開日2011年2月9日 申請(qǐng)日期2010年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月10日
發(fā)明者曹彪, 楊景衛(wèi) 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)