專利名稱：電容儲(chǔ)能放電脈沖退火點(diǎn)焊工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種焊接技術(shù)領(lǐng)域的焊接工藝，具體涉及的是一種電容儲(chǔ)能放電脈沖退火點(diǎn)焊工藝。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的電阻點(diǎn)焊工藝因其冶金過(guò)程簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化，在工業(yè)生產(chǎn)， 尤其在汽車(chē)制造領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是，隨著對(duì)焊接工藝和焊接質(zhì)量要求的不斷提高，如何通過(guò)設(shè)計(jì)電阻點(diǎn)焊電流工藝參數(shù)，來(lái)改善焊區(qū)組織，從而提升焊接性能，成為電阻點(diǎn)焊技術(shù)研究的重要任務(wù)。
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 (鎂/鋁異種材料電阻點(diǎn)焊在熱輸入、焊塊形狀以及機(jī)械和破壞特性方面焊接電流的效果)”，Materials and Design 32 (2011) 2476-M84 (《材料和設(shè)計(jì)》2011 年第 32 卷 2476-2484 頁(yè))，以及 P. Marash 等在“Microstructure and failure behavior of dissimilar resistance spot welds between low carbon galvanized and austenitic stainless steels (低碳鍍鋅鋼與奧氏體不銹鋼間異種材料電阻點(diǎn)焊的微結(jié)構(gòu)和失效行為)”，Materials Science and Engineering A 480(2008) 175-180(《材料科學(xué)和工程;^〉2008年A480卷175-180頁(yè))中，通過(guò)破壞性試驗(yàn)，得到改變電流參數(shù)情況下，焊接區(qū)域幾何尺寸，化學(xué)成分等宏觀因素與強(qiáng)度硬度等機(jī)械性能的關(guān)系。他們還進(jìn)行失效機(jī)制分析和組織結(jié)構(gòu)表征，表明裂紋，熔合區(qū)等缺陷及缺陷密集區(qū)域?qū)附訖C(jī)械性能起到很大負(fù)面作用。
趙熹華等在“點(diǎn)焊熔核‘柱狀+等軸’組織形成機(jī)理分析”，《金屬科學(xué)與工藝》1989 年12月，第八卷，第3、4期中，分析了焊接過(guò)程中，尤其是熔核凝固過(guò)程中的組織形貌變化， 從結(jié)晶機(jī)制角度討論了焊后組織中粗大柱狀晶，枝晶與等軸細(xì)晶的形成過(guò)程。其中，粗大等軸晶體間由于冷卻速度過(guò)快導(dǎo)致的縮松缺陷嚴(yán)重影響點(diǎn)焊的強(qiáng)度和韌性。
為了獲得更好的焊接質(zhì)量，許多學(xué)者對(duì)點(diǎn)焊電脈沖的工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。中國(guó)實(shí)用新型872U994. 2號(hào)記載了一種“點(diǎn)焊機(jī)二次脈沖控制系統(tǒng)”，通過(guò)逐點(diǎn)焊接與逐點(diǎn)回火的配合，改善焊點(diǎn)區(qū)域的組織，降低由于快速冷卻而造成的脆性，加之易于系統(tǒng)化，效率高，相比于不回火或整體回火有很大的優(yōu)勢(shì)。徐國(guó)成等在“彈簧鋼電阻點(diǎn)焊接頭隨機(jī)回火熱處理過(guò)程”，《焊接學(xué)報(bào)》2010年2月第31卷第2期中，進(jìn)一步研究了彈簧鋼單脈沖回火處理與多脈沖回火處理的回火溫度和點(diǎn)焊溫度場(chǎng)分布，得到了多脈沖回火處理能獲得更好點(diǎn)焊質(zhì)量的結(jié)論。張正林在吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文“超高強(qiáng)度鋼的中頻點(diǎn)焊性能研究”中，對(duì)超高強(qiáng)度鋼的中頻點(diǎn)焊工藝做了較為系統(tǒng)的研究。
Yizhou Zhou 等在"Formation of a nanostructure in a low-carbon steel under high current density electropulsing(在高電流密度電脈沖下低碳鋼中納米結(jié)構(gòu)的形成)”，RAPID COMMUNICATIONS 2002 (快速通訊2002年號(hào))中，利用高分辨電鏡對(duì)經(jīng)過(guò)高電流密度電脈沖處理過(guò)的低碳鋼的微觀組織進(jìn)行表征。發(fā)現(xiàn)本來(lái)晶粒粗大的低碳鋼中產(chǎn)生了納米化的奧氏體相，并推測(cè)在高電流密度電脈沖作用下，低碳鋼發(fā)生固態(tài)相變的熱力學(xué)能障將發(fā)生變化。盡管許多學(xué)者對(duì)傳統(tǒng)電阻點(diǎn)焊的電流波形進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，但是電阻點(diǎn)焊連接的強(qiáng)度和焊區(qū)質(zhì)量在很多實(shí)際應(yīng)用中仍然不能滿足需要。而通電后低碳鋼中納米相的產(chǎn)生僅限于嚴(yán)格實(shí)驗(yàn)室條件下，其儲(chǔ)能放電電流波形與工業(yè)中廣泛使用的工頻焊接電流波形也相去甚遠(yuǎn)。因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員致力于開(kāi)發(fā)一種低碳鋼電容儲(chǔ)能放電脈沖退火點(diǎn)焊藝， 通過(guò)細(xì)化晶粒，弱化各向異性，來(lái)提高低碳鋼點(diǎn)焊的綜合機(jī)械性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)原有點(diǎn)焊工藝的不足，提供了一種電容儲(chǔ)能脈沖退火點(diǎn)焊工藝，該工藝在傳統(tǒng)的工頻點(diǎn)焊焊接電流基礎(chǔ)上引入高峰值，短放電時(shí)間的電容儲(chǔ)能放電脈沖。本發(fā)明公開(kāi)的電容儲(chǔ)能放電脈沖退火點(diǎn)焊工藝通過(guò)如下的復(fù)合脈沖點(diǎn)焊系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)包括同步及控制芯片、工頻脈沖產(chǎn)生裝置和電容儲(chǔ)能放電脈沖產(chǎn)生裝置，其中同步及控制芯片通過(guò)控制信號(hào)輸出線與工頻脈沖產(chǎn)生裝置、電容儲(chǔ)能放電脈沖產(chǎn)生裝置相連，通過(guò)傳感器測(cè)量焊接電路中的電流。工頻電脈沖產(chǎn)生裝置、電容儲(chǔ)能放電脈沖產(chǎn)生裝置的兩個(gè)輸出端并行聯(lián)接，共同連接與電極兩端，工頻脈沖產(chǎn)生裝置、電容儲(chǔ)能放電脈沖產(chǎn)生裝置的控制信號(hào)來(lái)自同步及控制芯片。所述的同步及控制芯片可以根據(jù)參數(shù)的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)焊接電流波形的控制，其中焊接電流波形的控制包括工頻脈沖的頻率和峰值、電容儲(chǔ)能放電脈沖以及工頻脈沖、電容放電脈沖的放電開(kāi)始時(shí)間幾方面的控制。所述的復(fù)合脈沖點(diǎn)焊系統(tǒng)先進(jìn)行如下方式設(shè)置1在控制總線上設(shè)置系統(tǒng)開(kāi)關(guān)時(shí)間。2設(shè)置工頻脈沖的波形及周波數(shù)，電容儲(chǔ)能放電脈沖的波形。3設(shè)置工頻脈沖放電裝置、電容儲(chǔ)能放電脈沖產(chǎn)生裝置開(kāi)啟時(shí)間的間隔。所述的復(fù)合脈沖點(diǎn)焊系統(tǒng)通過(guò)如下方式進(jìn)行工作1控制總線上發(fā)出焊接開(kāi)始的信號(hào)給同步控制芯片，開(kāi)始一次焊接過(guò)程。2同步控制芯片先觸發(fā)工頻脈沖產(chǎn)生裝置的開(kāi)關(guān)，工頻脈沖產(chǎn)生裝置按照之前的波形及周波數(shù)設(shè)定開(kāi)始工作。3同步芯片按照事先設(shè)定的時(shí)間間隔，在工頻脈沖產(chǎn)生裝置開(kāi)啟一定時(shí)間后開(kāi)啟電容儲(chǔ)能放電脈沖產(chǎn)生裝置，電容儲(chǔ)能放電脈沖產(chǎn)生裝置則按事先設(shè)定的參數(shù)放出高峰值、短放電時(shí)間的脈沖電流。本發(fā)明所述的點(diǎn)焊工藝具體實(shí)施步驟如下，首先電極逐漸壓緊待焊接區(qū)域，并使電極壓力升至設(shè)定值并保持一定時(shí)間，之后在保持電極壓力的情況下施加工頻電流脈沖， 利用電流通過(guò)待焊接區(qū)域產(chǎn)生的焦耳熱進(jìn)行焊接，然后仍然在維持電極壓力情況下停止工頻焊接電流使熔核凝固冷卻，再經(jīng)過(guò)一定時(shí)間間隔施加高峰值，短持續(xù)時(shí)間的儲(chǔ)能放電脈沖對(duì)焊接區(qū)域進(jìn)行退火處理，最后在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間間隔以后減小電極壓力，直至電極離開(kāi)焊接區(qū)域，一次焊接結(jié)束。本發(fā)明在原有的工頻點(diǎn)焊的基礎(chǔ)上加入了電容儲(chǔ)能放電脈沖，施加于焊接電流結(jié)束后，此時(shí)焊接熔核完全凝固并降至室溫，從而實(shí)現(xiàn)細(xì)化晶粒，弱化各向異性，最終提高低碳鋼點(diǎn)焊的綜合機(jī)械性能。
所述的電容儲(chǔ)能脈沖退火點(diǎn)焊工藝通過(guò)以下機(jī)理來(lái)實(shí)現(xiàn)組織細(xì)化和機(jī)械性能的改進(jìn)首先，由于電容儲(chǔ)能放電脈沖有很大的電流峰值密度和電流增長(zhǎng)速率，所以已經(jīng)凝固并恢復(fù)到室溫的焊區(qū)迅速被加熱至固態(tài)相變溫度以上。因此焊核區(qū)域獲得極大的升溫速率和過(guò)熱度，從而使鐵素體至奧氏體相變的臨界形核半徑很小。另外從系統(tǒng)自由能變化的角度，在電脈沖致升溫的體系中，由鐵素體變?yōu)閵W氏體的固態(tài)相變熱力學(xué)能障降低，這也促使焊核被加熱過(guò)程中，大量奧氏體晶核的形成。高密度的奧氏體形核核心在長(zhǎng)大過(guò)程中很快便受到其他奧氏體晶粒的抑制，而且這種抑制來(lái)自空間中的各個(gè)方向，使奧氏體晶粒在尺寸很小的時(shí)候就無(wú)法在繼續(xù)生長(zhǎng)，形成了高度細(xì)化且等軸的奧氏體組織。
同樣地，電容儲(chǔ)能放電時(shí)間很快結(jié)束，加之鋼材和金屬電極的導(dǎo)熱性良好，剛形成細(xì)密奧氏體組織的焊核又獲得很大的溫度降低速率和相變過(guò)冷度，使奧氏體相變?yōu)殍F素體相的臨界形核半徑也很小。加之鐵素體形核區(qū)域主要在奧氏體晶界處，而且由于奧氏體晶粒細(xì)小，晶界所占的體積分?jǐn)?shù)很大，所以易于鐵素體形核的區(qū)域比例很大。這兩個(gè)因素共同導(dǎo)致固態(tài)相變后的鐵素體晶粒更為細(xì)化，甚至產(chǎn)生納米晶。根據(jù)霍爾佩奇關(guān)系，晶粒細(xì)化將提高材料的強(qiáng)度，所以電容儲(chǔ)能脈沖退火點(diǎn)焊工藝的細(xì)化晶粒的效果將顯著提高電焊區(qū)域的強(qiáng)度性能。
以下將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進(jìn)一步說(shuō)明，以充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。


圖1是本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施例的焊機(jī)系統(tǒng)框圖2是圖1所示實(shí)施例的焊機(jī)工藝圖。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，復(fù)合脈沖點(diǎn)焊系統(tǒng)的一個(gè)較佳實(shí)施例包括同步及控制芯片10、工頻脈沖產(chǎn)生裝置20，電容儲(chǔ)能放電脈沖產(chǎn)生裝置30和控制總線40，其中同步及控制芯片10 通過(guò)控制信號(hào)輸出線與工頻脈沖產(chǎn)生裝置20、電容儲(chǔ)能放電脈沖產(chǎn)生裝置30相連，通過(guò)傳感器測(cè)量焊接電路中的電流。工頻電脈沖產(chǎn)生裝置20、電容儲(chǔ)能放電脈沖產(chǎn)生裝置30的兩個(gè)輸出端并行聯(lián)接，共同連接于電極兩端25、26，工頻脈沖產(chǎn)生裝置20、電容儲(chǔ)能放電脈沖產(chǎn)生裝置30的控制信號(hào)來(lái)自同步及控制芯片10。本實(shí)施例中，焊接材料50為厚度為0. 8mm 的兩塊含碳量為0. 07%的低碳鋼板。
同步及控制芯片10可以根據(jù)參數(shù)的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)焊接電流波形的控制，其中焊接電流波形的控制包括工頻脈沖的頻率和峰值、電容儲(chǔ)能放電脈沖以及工頻脈沖、電容放電脈沖的放電開(kāi)始時(shí)間幾方面的控制。
圖2所示為電容儲(chǔ)能放電脈沖退火點(diǎn)焊工藝的電流時(shí)序，圖中，曲線1表示了電極壓力的變化，曲線2表示了工頻焊接電流。焊接開(kāi)始時(shí)，電極接觸并壓緊待焊接區(qū)域，如圖 2所示，電極壓力逐漸增大到5kN，并保持5kN的電極壓力。當(dāng)電極達(dá)到5kN時(shí)，開(kāi)始通過(guò)電極對(duì)待焊機(jī)區(qū)域施加工頻焊接電流，如圖2中曲線2所示，其中工頻焊接電流的峰值為7kA，5頻率為50Hz。工頻焊接電流的持續(xù)時(shí)間如圖2中曲線3所示，為8周波，在工頻電流開(kāi)始施加8周波以后停止施加工頻焊接電流，在工頻焊接電流施加過(guò)程中電極壓力一直保持在 5kN。在停止施加工頻焊接電流以后，如圖2中曲線4所示，保持無(wú)電流10周波時(shí)間，這段時(shí)間中電極壓力保持5kN。在保持10周波無(wú)電流狀態(tài)以后，施加電容儲(chǔ)能放電脈沖，如圖2 中曲線5所示，該電脈沖的峰值電流40kA，放電時(shí)間lOOus。電容儲(chǔ)能放電脈沖釋放5周波以后，電極壓力降為OkN，一次焊接結(jié)束。在其他實(shí)施例中，電容儲(chǔ)能放電脈沖放電時(shí)間可以為從幾十微秒到幾百微秒，只要其遠(yuǎn)小于工頻焊接電流一個(gè)周波的時(shí)間，并且，電容儲(chǔ)能放電脈沖電流峰值為從一萬(wàn)安培到十萬(wàn)安培，遠(yuǎn)大于工頻焊接電流峰值電流，即可實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的。以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的較佳具體實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)無(wú)需創(chuàng)造性勞動(dòng)就可以根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術(shù)領(lǐng)域中技術(shù)人員依本發(fā)明的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過(guò)邏輯分析、推理或者有限的實(shí)驗(yàn)可以得到的技術(shù)方案，皆應(yīng)在由權(quán)利要求書(shū)所確定的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種電容儲(chǔ)能放電脈沖退火點(diǎn)焊工藝，使用復(fù)合脈沖點(diǎn)焊系統(tǒng)，所述復(fù)合脈沖點(diǎn)焊系統(tǒng)包括同步及控制芯片、工頻脈沖產(chǎn)生裝置和電容儲(chǔ)能放電脈沖產(chǎn)生裝置，其中同步及控制芯片通過(guò)控制信號(hào)輸出線與工頻脈沖產(chǎn)生裝置、電容儲(chǔ)能放電脈沖產(chǎn)生裝置相連，通過(guò)傳感器測(cè)量焊接電路中的電流；工頻電脈沖產(chǎn)生裝置、電容儲(chǔ)能放電脈沖產(chǎn)生裝置的兩個(gè)輸出端并行聯(lián)接，共同連接與電極兩端，工頻脈沖產(chǎn)生裝置、電容儲(chǔ)能放電脈沖產(chǎn)生裝置的控制信號(hào)來(lái)自同步及控制芯片；所述同步及控制芯片可以根據(jù)參數(shù)的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)焊接電流波形的控制，其中焊接電流波形的控制包括工頻脈沖的頻率和峰值、電容儲(chǔ)能放電脈沖以及工頻脈沖、電容放電脈沖的放電開(kāi)始時(shí)間的控制；所述電容儲(chǔ)能放電脈沖退火點(diǎn)焊工藝包括 首先對(duì)所述復(fù)合脈沖點(diǎn)焊系統(tǒng)進(jìn)行如下方式的設(shè)置1)在控制總線上設(shè)置系統(tǒng)開(kāi)關(guān)時(shí)間；2)設(shè)置工頻脈沖的波形及周波數(shù)，電容儲(chǔ)能放電脈沖的波形；3)設(shè)置工頻脈沖放電裝置、電容儲(chǔ)能放電脈沖產(chǎn)生裝置開(kāi)啟時(shí)間的間隔； 然后所述復(fù)合脈沖點(diǎn)焊系統(tǒng)通過(guò)如下步驟進(jìn)行工作步驟一，控制總線上發(fā)出焊接開(kāi)始的信號(hào)給同步控制芯片，使一次焊接過(guò)程開(kāi)始； 步驟二，電極逐漸壓緊待焊接區(qū)域，并使電極壓力升至設(shè)定值并保持一定時(shí)間； 步驟三，同步控制芯片先觸發(fā)工頻脈沖產(chǎn)生裝置的開(kāi)關(guān)，工頻脈沖產(chǎn)生裝置按照之前的波形及周波數(shù)設(shè)定開(kāi)始工作，在保持電極壓力的情況下施加工頻電流脈沖，利用電流通過(guò)待焊接區(qū)域產(chǎn)生的焦耳熱進(jìn)行焊接；步驟四，同步芯片按照事先設(shè)定的時(shí)間間隔，在工頻脈沖產(chǎn)生裝置開(kāi)啟一定時(shí)間后開(kāi)啟電容儲(chǔ)能放電脈沖產(chǎn)生裝置，電容儲(chǔ)能放電脈沖產(chǎn)生裝置則按事先設(shè)定的參數(shù)放出高峰值、短放電時(shí)間的脈沖電流，對(duì)焊接區(qū)域進(jìn)行退火處理；步驟五，在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間間隔以后減小電極壓力，直至電極離開(kāi)焊接區(qū)域，一次焊接結(jié)束ο
2.如權(quán)利要求1所述的電容儲(chǔ)能放電脈沖退火點(diǎn)焊工藝，其特征在于，步驟四中，電容儲(chǔ)能放電脈沖波形位于工頻脈沖結(jié)束10周波以后，此時(shí)焊區(qū)熔核已經(jīng)凝固并降至室溫。
3.如權(quán)利要求2所述的電容儲(chǔ)能放電脈沖退火點(diǎn)焊工藝，其特征在于，所述工頻脈沖的頻率為50Hz。
4.如權(quán)利要求3所述的電容儲(chǔ)能放電脈沖退火點(diǎn)焊工藝，其特征在于，所述的電容儲(chǔ)能放電脈沖放電時(shí)間的范圍為從幾十微秒到幾百微秒，遠(yuǎn)小于工頻焊接電流一個(gè)周波的時(shí)間；電容儲(chǔ)能放電脈沖電流峰值的范圍為從一萬(wàn)安培到十萬(wàn)安培，遠(yuǎn)大于工頻焊接電流峰值電流。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種將傳統(tǒng)電阻點(diǎn)焊的工頻點(diǎn)焊電流與電容儲(chǔ)能放電脈沖復(fù)合在一起的電阻點(diǎn)焊工藝。其中高電流峰值，短放電時(shí)間的儲(chǔ)能放電脈沖釋放在工頻焊接電流結(jié)束以后，這時(shí)的焊接區(qū)域已經(jīng)完全凝固并降至室溫。這種復(fù)合脈沖點(diǎn)焊工藝通過(guò)復(fù)合脈沖點(diǎn)焊系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中復(fù)合脈沖點(diǎn)焊系統(tǒng)由工頻脈沖部分，電容儲(chǔ)能放電部分和同步系統(tǒng)共同構(gòu)成。本發(fā)明中的電容儲(chǔ)能放電脈沖退火點(diǎn)焊工藝及系統(tǒng)能顯著細(xì)化低碳鋼晶粒，甚至產(chǎn)生納米相，弱化各向異性，從而提高低碳鋼電阻點(diǎn)焊機(jī)械性能。
文檔編號(hào)B23K11/26GK102500902SQ20111036395
公開(kāi)日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月16日
發(fā)明者呂智, 李?yuàn)W, 沈耀, 金學(xué)軍, 馬佳偉 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)