CN114378418B - 一种铝合金电阻点焊设备和点焊方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种铝合金电阻点焊设备，所述铝合金电阻点焊设备包括：焊钳组，用于与焊接机器人或其他连接机构连接；电极组，与所述焊钳组连接；电极帽组，与所述电极组可转动连接，用于与待焊工件接触；驱动组，与所述电极帽组连接，用于驱动所述电极帽转动。在一种可选的实施例中，所述驱动组包括动力源，与所述动力源连接的转动轴；所述转动轴与所述电极帽组可转动连接。本申请可以在对待焊工件加热后通过驱动机构带动电极帽组转动，借助电极帽端头特殊的螺旋结构，破坏位于待焊工件上的保护层，并使其弥散至熔融的焊接区，在焊接区形成大量和金区，从而得到接合紧密的焊接接头。

Description

一种铝合金电阻点焊设备和点焊方法

技术领域

本发明属于电阻点焊技术领域，特别涉及一种铝合金电阻点焊设备和点焊方法。

背景技术

铝作为地球含量最高的金属元素，因其制备技术突飞猛进，且其新型合金系图谱日渐扩大，并以优异的机械和电气性能渗透至国民经济的各个角落。特别是汽车领域，全球日益严苛的能源危机和环保法规等，要求汽车在不断提高性能的同时，显著降低排放，铝/铝合金日益增强的机械性能伴随着不断降低的成本，在车身轻量化上的应用呈***式增长。但是，铝因其活泼的化学特性，其单质和合金在空气中极易产生一层致密且熔点极高的氧化层，为铝和铝合金的应用制造了天然的屏障。因此，需要提供一种能适用于铝和铝合金焊接的设备。

相关技术提供的铝合金电阻点焊设备包括上下相对设置的上电极帽与下电极帽；分别与上电极帽和下电极帽连接的上电极焊枪臂与下电极焊枪臂，作业时，将待焊件放置于上电极帽与下电极帽之间，通过对上电极帽与下电极帽通电，使待焊件之间形成高温，进而对其进行施压，使待焊件焊接起来。

但是由于铝/铝合金在空气中极易产生一层致密且熔点极高的氧化层Al₂O₃，为铝和铝合金的应用制造了天然的屏障，Al₂O₃阻碍金属间的融合和合金化，极难形成紧密连接。

发明内容

为了解决上述由于铝/铝合金在空气中极易产生一层致密且熔点极高的氧化层Al₂O₃，为铝和铝合金的应用制造了天然的屏障，Al₂O₃阻碍金属间的融合和合金化，极难形成紧密连接的技术问题，本发明提供了一种铝合金电阻点焊设备和点焊方法。

本发明具体技术方案如下：

一种铝合金电阻点焊设备，所述铝合金电阻点焊设备包括：

焊钳组，用于与焊接机器人或其他连接机构连接；

电极组，与所述焊钳组连接；

电极帽组，与所述电极组可转动连接，用于与待焊工件接触；

驱动组，与所述电极帽组连接，用于驱动电极帽转动。

在一种可选的实施例中，所述驱动组包括动力源，与所述动力源连接的转动轴；

所述转动轴与所述电极帽组可转动连接。

在一种可选的实施例中，所述电极组与所述电极帽组中心位置具有空腔，所述转动轴位于所述空腔内，所述转动轴与所述动力源的动力轴连接。

在一种可选的实施例中，所述电极帽组包括相对设置的两个电极帽，两个所述电极帽上均具有连续设置的第一区域与第二区域，所述第二区域具有层叠设置的螺旋结构，所述螺旋结构用于破坏所述待焊工件上的保护层。

在一种可选的实施例中，所述螺旋结构包括方向相同的第一螺旋结构与第二螺旋结构，所述第一螺旋结构与所述第二螺旋结构在所述电极帽上间隔设置。

在一种可选的实施例中，所述螺旋结构包括凸出所述电极帽表面的螺旋结构和/或凹进所述电极帽表面的螺旋结构。

在一种可选的实施例中，所述第一区域的面积小于所述第二区域的面积。

在一种可选的实施例中，所述层叠设置的螺旋结构的间距小于所述第一区域的直径，所述螺旋结构的间距不小于所述待焊工件上保护层的厚度。

在一种可选的实施例中，所述动力源为伺服电机。

在一种可选的实施例中，所述铝合金电阻点焊设备还包括超声波耦合器组，所述超声波耦合器组与所述电极组连接。

另一方面，本申请实施例还提供了一种铝合金电阻点焊方法，所述铝合金电阻点焊方法包括：

通过焊钳组对位于电极帽组之间的待焊工件施加预设压力，达到所述预设压力后，所述待焊工件与电极帽组接触面形成凹陷区；

电极帽组通电，在电极帽组与待焊工件处形成高温熔融区；

通过驱动组驱动所述电极帽转动以破碎待焊工件表面的保护层，并使其弥散至所述高温熔融区；

所述焊钳组仍保持压合状态对所述待焊工件进行锻压，完成电阻点焊。

在一种可选的实施例中，所述通过驱动组驱动所述电极帽转动以破碎待焊工件表面的保护层，并使其弥散至所述高温熔融区，包括：通过所述驱动组中的电极帽上的螺旋结构破坏所述待焊工件上的保护层，并使其弥散至所述高温熔融区。

在一种可选的实施例中，通过所述电极帽第一区域上对凹陷区进行旋压，即可对焊接区施加摩擦热，还可加强定位焊接位置，以便促进第二区域上的螺旋结构对所述凹陷区外的区域的保护层进行破碎和搅拌。

本申请实施例提供的电阻点焊设备至少具有以下有益效果：

本申请实施例提供的电阻点焊设备，通过焊钳组与焊接机器人或其他连接机构连接，电阻点焊设备既可进行整体移动作业，也可保持固定位置作业；电阻点焊设备工作时，先对待焊工件进行施压，通过给电极组通电，对与电极帽接触的待焊工件进行加热，使待焊工件之间形成高温，通过驱动机构带动电极帽组转动，借助电极帽组端头的螺旋结构，破坏位于待焊工件上的保护层，并使其弥散至熔融的焊接区，在焊接区形成大量合金区，从而得到接合紧密的焊接接头。

附图说明

图1为本申请实施例提供的铝合金电阻点焊设备结构示意图；

图2为本申请一实施例提供的铝合金电阻点焊设备结构示意图；

图3为本申请一实施例提供的待焊工件被焊接时的结构示意图；

图4为本申请一实施例提供的电极帽上第一区域与第二区域结构示意图；

图5为图4中第一区域与第二区域结构放大示意图。

其中：1、待焊工件；100、焊钳组；200、电极组；300、电极帽组；301、电极帽；3011、第一区域；3012、第二区域；302、螺旋结构；400、驱动组；401、动力源；402、转动轴；500、超声波耦合器组。

具体实施方式

下面结合附图和以下实施例对本发明作进一步详细说明。

相关技术提供的铝合金电阻点焊设备可以制备合格的铝/铝合金电阻焊接头，但事实是上因铝/铝合金极好的导热性，使得焊接工艺参数相较于传统钢材的焊接参数显著提高；电阻点焊设备需要设置二次电流、甚至三次电流或脉冲电流等；这也意味着设备、工艺须重新开发，成本急剧增加；更为致命的是，铝/铝合金表面/界面致密难熔的Al₂O₃，使得Al₂O₃阻碍金属间的融合和合金化，极难形成紧密连接，致使其机械性能与同等条件下的钢的电阻点焊接头差1-3个数量级，无法在实际应用中推广。鉴于此，本申请实施例提供了一种铝合金电阻点焊设备，旨在解决上述技术问题。

请一并参见图1和图2，图1和图2为本申请实施例提供的铝合金电阻点焊设备结构示意图，该铝合金电阻点焊设备包括：焊钳组100，电极组200，电极帽组300与驱动组400，其中，焊钳组100用于与焊接机器人或其他连接机构连接；电极组200与焊钳组100连接；电极帽组300与电极组200可转动连接，用于与待焊工件1接触；驱动组400与电极帽组300连接，用于驱动电极帽转动。

本申请实施例提供的电阻点焊设备至少具有以下有益效果：

本申请实施例提供的电阻点焊设备，通过焊钳组100与焊接机器人或其他连接机构连接，电阻点焊设备既可进行整体移动工作，也可保持固定位置工作；电阻点焊设备工作时，先通过焊钳组100对待焊工件1施加压力，给电极组200通电，对与电极帽组300接触的待焊工件1进行加热，使待焊工件1之间形成高温；驱动组400通过传动带动电极帽组300转动，借助电极帽组端头的螺旋结构302和第二区域3012，破坏位于待焊工件上的保护层，并使其弥散至熔融的焊接区，在焊接区形成大量合金区，从而得到接合紧密的焊接接头。

以下将通过可选地实施例进一步解释和描述本申请实施例提供的电阻点焊设备。

在一种可选地实施例中，本申请实施例提供的焊钳组100包括第一焊钳臂与第二焊钳臂，电极组200包括与第一焊钳臂连接的第一电极，与第二焊钳臂连接的第二电极，电极帽组300包括与第一电极连接的第一电极帽，与第二电极连接的第二电极帽。其中第一电极帽与第二电极帽相对设置，在第一电极帽与第二电极帽中具有用于待焊工件1放置的空隙。驱动组400包括与第一电极帽连接的第一驱动，与第二电极帽连接的第二驱动。作业时，通过不同的驱动使第一电极帽与第二电极帽转动，进而对位于待焊工件1上的保护层进行破碎。

在一种可选地实施例中，驱动组400包括动力源401，与动力源401连接的转动轴402；

转动轴402与电极帽组300可转动连接。

本申请实施例提供的动力源401可以为伺服电机，驱动组400包括第一动力源401和第二动力源401，第一动力源401通过第一转动轴402与第一电极帽连接，第二动力源401通过第二转动轴402与第二电极帽连接。

需要说明的是，相关技术提供的电阻点焊设备在点焊过程中的“旋压”动作通过焊接机器人实现，意味着焊接全过程，电阻点焊设备和焊接机器人在焊接面须有1-1.5米的活动区间，这在生产实践中是是不切实际的，几乎没有工况能满足如此大的活动区间。另外，相关技术通过超声波装置等进行破膜，但是在焊接过程中，焊钳臂通过电极帽对待焊工件进行夹持，并施加数千牛压力。超声波装置要带动电极帽高速“撞击”，需要极大功率。同时，“撞击”过程实际是一个电极帽与待焊工件之间“开”与“和”的过程，而“开”的动作，与焊接时对待焊工件施加压力这一必不可少动作是矛盾的。而且，铝活泼的化学特性，只要暴露在空气中，即在界面形成氧化膜。因此，“撞击”时的“开”本质上会导致氧化膜的生成，这与破膜的初衷也是矛盾的。

本申请实施例通过在现有常规电阻点焊焊钳小臂上集成驱动组400，在电阻点焊过程中、特别是点焊保持压紧阶段，通过驱动组400驱动电极带动电极帽进行连续或间断的旋转，电极帽接触区的螺旋结构302，对焊接区施加剪切力，使得致密难熔的Al₂O₃在高温接头处破碎；同时，由于螺旋结构302的存在，对焊核区施加横向摩擦搅拌作用破坏界面保护层，和纵向摩擦搅拌作用使破碎的Al₂O₃薄膜碎片弥散至熔融区，从而大幅度增加接头处有效的合金区，进而大幅度提高焊接件的机械性能。同时，整个焊接过程中，电阻点焊设备及其他设备（如焊接机器人）和部件均可静止不动，仅电极帽及其附着的小部件沿焊接区中心作轴向旋转。因此，只要焊钳能够进出的地方，就可以应用，与现有电阻点焊应用条件完全一致。

在一种可选地实施例中，电极组200与电极帽组300中心位置具有空腔，转动轴402位于空腔内，转动轴402与动力源401的动力轴连接。

动力源401可以设置在电极组200的内部，也可以设置在电极组200的外部。

在一种可选地实施例中，动力源401为伺服电机。

作业时，第一焊钳臂与第二焊钳臂通过第一电极帽与第二电极帽夹紧待焊工件1，并施加一定压力，达到预紧压力后，在待焊工件1与电极帽接触面形成两个小的凹陷区，如图3b所示。给第一电极帽和第二电极帽通电，在第一电极帽与第二电极帽之间的待焊工件1因电阻热形成高温熔融区，因受热膨胀和焊接时界面的Al₂O₃薄膜（图3a中Ox）存在 “脆弱区”，使得熔融金属冲破Al₂O₃薄膜层“脆弱区”，形成有效接合区（图3b中b）；但因Al₂O₃薄膜致密且熔点极高，有效接合区在焊接区占比很小，接头机械性能极差；电极帽通电结束后，伺服电机启动并驱动转动轴402带动电极帽以设定速度连续或间断旋转一定角度θ（θ可为任意大小），并在电极帽端头螺旋结构的剪切和搅拌作用下（图3c），使焊核界面的Al₂O₃薄膜破碎，并使其弥散至熔融区（图3d），显著大面积形成有效接合区，从而极大提高点焊接头的机械性能。伺服电机停止运转后，焊钳臂仍保持压合状态对接头区域进行锻压。锻压完成后，焊钳臂张开，电阻点焊焊点完成。

请一并参见图4和图5，在一种可选地实施例中，电极帽组300包括相对设置的两个电极帽，两个电极帽上均具有连续设置的第一区域3011与第二区域3012，第二区域3012具有层叠设置的螺旋结构302，螺旋结构302用于破坏待焊工件1上的保护层。

通过在电极帽上设置连续的第一区域3011与第二区域3012，第二区域3012上具有层叠设置的螺旋结构302，通过螺旋结构302可以对待焊工件1上的保护层，即Al₂O₃薄膜进行破碎，并使其弥散至熔融区，显著大面积形成有效接合区，从而极大提高点焊接头的机械性能。请参见图3和图4，可以看出与第一区域3011接触的待焊工件1中间形成一个焊接区s，其表面光滑。而在s边缘某处为起点，在焊接区表面，形成一条连续或间断的螺纹痕迹（图3e中h）。其螺纹痕迹的形态，取决于电阻焊是电极帽的旋转速度、角度和电极间压力等因素。

在一种可选的实施例中，螺旋结构302包括方向相同的第一螺旋结构与第二螺旋结构，第一螺旋结构与第二螺旋结构在电极帽上间隔设置。

在一种可选的实施例中，螺旋结构302包括凸出电极帽表面的螺旋结构和/或凹进电极帽表面的螺旋结构。

螺旋结构302可以为全部为在电极帽表面凸出的螺旋结构，也可以全部为在电极帽表面凹进的螺旋结构，也可以为凸出的和凹进的螺旋结构的组合。

在一种可选地实施例中，第一区域3011的面积小于第二区域3012的面积。

可以理解的是，电极帽的顶部3011区域占焊接面面积很小，因此第一区域3011没有螺旋结构对相应焊接区域的摩擦搅拌作用较弱对整体点焊接头的影响较小，以保证点焊接头的机械强度。

在一种可选的实施例中，层叠设置的螺旋结构的痕间距小于第一区域3011的直径，螺旋结构的厚度不小于待焊工件1上保护层的厚度。

可以理解的是，第一区域3011在电极帽上所占面积很小，而要想达到对Al₂O₃薄膜的破坏，螺旋结构之间的间距不能太大，太大会无法对一些区域的Al₂O₃薄膜进行破坏粉碎。螺旋结构的厚度也不能太小，太小会导致无法对Al₂O₃薄膜进行破坏粉碎，因此，可以通过经验设置螺旋结构的厚度不小于待焊工件1上Al₂O₃薄膜的厚度即可。

在一种可选的实施例中，铝合金电阻点焊设备还包括超声波耦合器组500，超声波耦合器组500与电极组200连接。

超声波耦合器组500包括第一超声波耦合器和第二超声波耦合器，第一超声波耦合器与第一电极连接，第二超声波耦合器与第二电极连接。

通过设置超声波耦合器在电机帽通电前接通，并持续到电极帽旋压结束。通过超声波耦合器对Al₂O₃薄膜“锻打”，加强Al₂O₃薄膜破碎和细化焊核区微观结构，从而提高接头机械性能。

另一方面，本申请实施例还提供了一种铝合金电阻点焊方法，该铝合金电阻点焊方法包括：

通过焊钳组100对位于电极帽组300之间的待焊工件1施加预设压力，达到预设压力后，待焊工件1与电极帽组300接触面形成凹陷区；

电极帽组300通电，在电极帽组300与待焊工件1处形成高温熔融区；

通过驱动组400驱动电极帽301转动以破碎待焊工件1表面的保护层，并使其弥散至高温熔融区；

焊钳组100仍保持压合状态对待焊工件1进行锻压，完成电阻点焊。

在一种可选的实施例中，通过驱动组400驱动电极帽301转动以破碎待焊工件1表面的保护层，并使其弥散至高温熔融区，包括：通过驱动组400中的电极帽301上的螺旋结构302破坏待焊工件1上的保护层，并使其弥散至高温熔融区。

在一种可选的实施例中，通过电极帽301第一区域3011上的无螺旋结构区，对后续的旋转破膜弥散过程定位；通过第二区域3012上的螺旋结构对除去凹陷区的区域进行界面保护层破碎和搅拌弥散。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种铝合金电阻点焊设备，其特征在于，所述铝合金电阻点焊设备包括：

焊钳组（100），用于与焊接机器人连接；

电极组（200），与所述焊钳组（100）连接；

电极帽组（300），与所述电极组（200）可旋转连接，用于与待焊工件（1）接触，以形成高温熔融区；

所述电极帽组（300）包括相对设置的两个电极帽（301），两个所述电极帽（301）上均具有连续设置的第一区域（3011）与第二区域（3012），所述第二区域（3012）具有层叠设置的螺旋结构（302）；

所述层叠设置的螺旋结构（302）的结构间距小于所述第一区域（3011）的直径，所述螺旋结构（302）的厚度不小于所述待焊工件（1）上保护层的厚度；

驱动组（400），与电极帽组（300）连接，用于驱动所述电极帽（301）旋转，通过所述螺旋结构（302）破坏所述待焊工件（1）上的保护层，并使其弥散至所述高温熔融区。

2.如权利要求1所述的铝合金电阻点焊设备，其特征在于，所述驱动组（400）包括动力源（401），与所述动力源（401）连接的转动轴（402）；

所述转动轴（402）与所述电极帽组（300）可转动连接。

3.如权利要求1所述的铝合金电阻点焊设备，其特征在于，所述螺旋结构（302）包括方向相同的第一螺旋结构与第二螺旋结构，所述第一螺旋结构与所述第二螺旋结构在所述电极帽（301）上间隔设置。

4.如权利要求1或3所述的铝合金电阻点焊设备，其特征在于，所述螺旋结构（302）包括凸出所述电极帽（301）表面的螺旋结构（302）和/或凹进所述电极帽（301）表面的螺旋结构（302）。

5.如权利要求1所述的铝合金电阻点焊设备，其特征在于，所述铝合金电阻点焊设备还包括超声波耦合器组（500），所述超声波耦合器组（500）与所述电极组（200）连接。

6.一种应用权利要求1-5任一项所述的铝合金电阻点焊设备的铝合金电阻点焊方法，其特征在于，所述铝合金电阻点焊方法包括：

通过焊钳组（100）对位于电极帽组（300）之间的待焊工件（1）施加预设压力，达到所述预设压力后，所述待焊工件（1）与电极帽组（300）接触面形成凹陷区；

电极帽组（300）通电，在待焊工件（1）处形成高温熔融区；

通过驱动组（400），驱动所述电极帽（301）旋转；通过所述螺旋结构（302）破坏所述待焊工件（1）上的保护层，并使其弥散至所述高温熔融区；

所述焊钳组（100）仍保持压合状态对所述待焊工件（1）进行锻压，完成电阻点焊。