涡流电磁搅拌辅助电阻点焊电极装置及焊接方法

1.本发明涉及焊接过程控制领域，特别涉及一种电阻点焊过程中熔核形态调节与控制技术，尤指一种涡流电磁搅拌辅助电阻点焊电极装置及焊接方法。

背景技术：

2.在汽车、轨道客车等装备制造领域，电阻点焊作为一种焊接效率高、成本低、焊接质量稳定的焊接工艺，广泛应用于薄板的搭接拼焊结构。点焊过程中，焊件装配成搭接结构并置于上下电极之间；上下电极对工件施加一定的压紧力，并通过短时间的大电流。工件压紧区域在电阻热的作用下，内部形成一定的熔化金属，冷却后构成连接板层的孤立圆点形焊缝（熔核）。
3.点焊熔核的几何尺寸决定了焊接接头的力学性能。而点焊熔核的几何尺寸（直径、厚度等）不仅取决于焊接过程中工件内部的产热，同时还受热量传递及其平衡状态的影响。在常规电阻点焊工艺过程中，受制于材料的产热及散热平衡，熔核厚度、直径存在较强的正向依存关系。在固定焊接条件下，增大熔核直径必定导致其厚度增加，二者很难单独调节。因此，当点焊熔核直径较大时，由于厚度方向上的金属熔化量大，部件的焊后变形大，且表面质量差。而如何在保证足够的熔核直径情况下尽量降低熔核厚度，则成为电阻点焊熔核调控领域内的关键问题。

技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种涡流电磁搅拌辅助电阻点焊电极装置及焊接方法，解决了现有技术存在的上述问题。本发明通过外加磁场、涡流激励的手段，使得电阻点焊熔核在生长过程中，其内部的液态金属受到强烈的、可控的电磁搅拌作用，从而致使熔核中心的高温金属向边缘流动，通过对流的方式使得熔核中心的热量强制向板材横向扩散，在增大熔核直径的同时降低熔核厚度，达到在不改变基本焊接参数的条件下控制熔核几何形态的目的。
5.本发明的上述目的通过以下技术方案实现：涡流电磁搅拌辅助电阻点焊电极装置，包括上电极1、下电极2和控制器3，上、下电极的线圈、磁力计均通过线缆与控制器3相连；所述上电极1由电极本体一11、线圈保持套一12、涡流激励线圈13和三轴磁力计一14构成；下电极2由电极本体二21、线圈保持套二22、励磁线圈23和三轴磁力计二24构成；焊接过程中，下电极2的励磁线圈23在工件内部感应出恒定磁场，上电极1的涡流激励线圈13在工件内部感应出梯度分布的涡流场；电阻点焊熔核在生长过程中，内部流经涡流的液态金属受到强烈的、可控的洛伦兹力电磁搅拌作用，从而致使熔核中心的高温金属向边缘流动，通过对流的方式使得熔核中心的热量强制向板材横向扩散，在增大熔核直径的同时降低熔核厚度，达到在不改变基本焊接参数的条件下控制熔核几何形态的目的。
6.所述的上电极1通过电极本体一11后端的锥台安装在点焊设备的上电极握杆内，
电极本体一11前端设有电极帽，内部为中空结构，外圆柱面上设有螺纹，在焊接过程中负责传递电流、压力以及冷却水；线圈保持套一12通过螺纹安装在电极本体一11外侧，其内部镶嵌有涡流激励线圈13，端部设置有三轴磁力计一14；所述的下电极2通过电极本体二21后端的锥台安装在点焊设备的下电极握杆内；电极本体二21前端设有电极帽，内部为中空结构，外圆柱面上设有螺纹，在焊接过程中负责传递电流、压力以及冷却水；线圈保持套二22通过螺纹安装在电极本体二21外侧，其内部镶嵌有涡流激励线圈23，端部设置有三轴磁力计二24。
7.所述的上电极1、下电极2的线圈保持套一12、线圈保持套二22均可通过螺纹调节其与电极本体一11、电极本体二21的相对位置，从而调整线圈与工件表面的距离，满足感应磁场、涡流场的调节需要。
8.本发明的另一目的在于提供一种涡流电磁搅拌辅助电阻点焊焊接方法，在进行电阻点焊时，上、下电极1、2分别安装在点焊设备的电极握杆内，由电极本体一、二承担常规电极的功能，负责向工件提供焊接电流及压力；下电极2的励磁线圈23在控制器3输出的恒定电压作用下，感应出空间磁场，该空间磁场部分磁力线垂直于工件表面，穿透工件并指向上电极1；上电极1的涡流激励线圈13在控制器3输出的高频交变电压作用下，在工件内部感应出涡流场，涡流以电极轴线为圆心，呈环形分布，电流方向与工件内部的磁力线垂直；电阻点焊接头熔核内部的液态金属，在洛伦兹力的合力作用下，形成一种翻转流动，在熔核靠近上电极一侧由熔核中心流向边缘，在熔核靠近下电极一侧由边缘流向熔核中心，在宏观上表现为电磁搅拌作用；这种由涡流电磁搅拌所引起的液态金属流动导致熔核中心的高温金属向边缘扩散，强制将热量向熔核周边传导，导致在基本焊接参数不变的情况下焊接区的温度分布发生改变，其结果是熔核的厚度降低，直径增大，从而实现了熔核几何形态调控的目的。
9.感应磁场、涡流场的持续时间由控制器3设置，控制器3内设置有恒压输出电路、高频电压输出电路、同步控制及接口电路，可控制磁场、涡流场与焊接电流通断过程同步，或者与焊接压力加载过程同步，设置灵活，以满足不同点焊质量调控的需求；当感应磁场、涡流场与焊接电流通断过程同步持续时，仅在熔核的生成及长大过程进行涡流电磁搅拌，主要影响熔核几何形态；当感应磁场、涡流场与焊接压力加载过程同步持续时，在熔核的生成、长大及冷却结晶过程进行涡流电磁搅拌，在熔核尺寸调控的基础上，还可以影响液态金属的结晶过程，细化晶粒，减少焊接缺陷。
10.本发明的有益效果在于：本发明的涡流电磁搅拌辅助电阻点焊方法，可以实现在热输入条件不变的情况下，有效增加熔核直径并降低熔核厚度，在提高电阻点焊接头承载能力的同时，又可以降低焊后变形，显著提高焊接质量。或者，在保证同等熔核直径的前提下，显著降低热输入，节能减排优势明显。
附图说明
11.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
12.图1为本发明的涡流电磁搅拌辅助电阻点焊电极装置组成示意图；图2为本发明的上电极装置结构示意图；
图3为发明的下电极装置结构示意图；图4为本发明的涡流电磁搅拌辅助电阻点焊电极装置工作示意图；图5为本发明的点焊接头内部感应磁场、涡流场、洛伦兹力分布示意图；图6为本发明的点焊熔核内液态金属的流动性；图7为常规电阻点焊与本发明涡流搅拌辅助点焊熔核几何形态、表面压痕的对比示意图。
13.图中：1、上电极；2、下电极；3、控制器；11、电极本体一；12、线圈保持套一；13、涡流激励线圈；14、三轴磁力计一；21、电极本体二；22、线圈保持套二；23、励磁线圈；24、三轴磁力计二。
具体实施方式
14.下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
15.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
16.参见图1至图7所示，本发明的涡流电磁搅拌辅助电阻点焊电极装置及焊接方法，通过外加磁场、涡流激励的手段，使得电阻点焊熔核在生长过程中，其内部的液态金属受到强烈的、可控的电磁搅拌作用，从而致使熔核中心的高温金属向边缘流动，通过对流的方式使得熔核中心的热量强制向板材横向扩散，在增大熔核直径的同时降低熔核厚度，达到在不改变基本焊接参数的条件下控制熔核几何形态的目的。
17.参见图1至图3所示，本发明的涡流电磁搅拌辅助电阻点焊电极装置，由上电极1、下电极2和控制器3组成，上、下电极1、2的线圈、磁力计均通过线缆与控制器3的相应接口相连。所述上电极1由电极本体一11、线圈保持套一12、涡流激励线圈13和三轴磁力计一14构成；下电极2由电极本体二21、线圈保持套二22、励磁线圈23和三轴磁力计二24构成。
18.所述的上电极1通过电极本体一11后端的锥台安装在点焊设备的上电极握杆内。电极本体一11前端设有电极帽，内部为中空结构，外圆柱面上设有螺纹，在焊接过程中负责传递电流、压力以及冷却水。线圈保持套一12通过螺纹安装在电极本体一11外侧，其内部镶嵌有涡流激励线圈13，端部设置有三轴磁力计一14。
19.所述的下电极2通过电极本体二21后端的锥台安装在点焊设备的下电极握杆内。电极本体二21前端设有电极帽，内部为中空结构，外圆柱面上设有螺纹，在焊接过程中负责传递电流、压力以及冷却水。线圈保持套二22通过螺纹安装在电极本体二21外侧，其内部镶嵌有涡流激励线圈23，端部设置有三轴磁力计二24。
20.所述的上电极1、下电极2的线圈保持一、二套均可通过螺纹调节其与电极本体一、二的相对位置，从而调整线圈与工件表面的距离，满足感应磁场、涡流场的调节需要。
21.参见图4及图5所示，本发明的涡流电磁搅拌辅助电阻点焊焊接方法，在进行电阻点焊时，上、下电极分别安装在点焊设备的电极握杆内，由电极本体一、二承担常规电极的功能，负责向工件提供焊接电流及压力。下电极2的励磁线圈23在控制器3输出的恒定电压
作用下，感应出空间磁场，该磁场部分磁力线垂直于工件表面，穿透工件并指向上电极1，如图5所示。上电极1的涡流激励线圈13在控制器3输出的高频交变电压作用下，在工件内部感应出涡流场。该涡流以电极轴线为圆心，呈环形分布，电流方向与工件内部的磁力线垂直，如图5所示。
22.参见图6所示，在上、下电极进行通电焊接后，工件内部在热量的积累下形成熔核。随着通电的持续，熔核不断长大。在此过程中，熔核内部的熔化金属始终处于上、下电极所激励出的磁场及涡流中。涡流的电流方向与磁场方向垂直，流经涡流的金属材料受到洛伦兹力的作用，受力方向由熔核中心指向其边缘。由于涡流在工件厚度方向上的分布是不均匀的，靠近上电极的工件表面涡流最大，随着向工件内部深入，涡流逐渐降低，因此熔核液态金属受到的洛伦兹力也是不均匀的。靠近上电极的液态金属受力最大，随着与上电极距离的增加，受力逐渐降低。在这种不均匀作用力的合力下，熔核液态金属产生一种翻转流动，在熔核靠近上电极一侧由熔核中心流向边缘，在熔核靠近下电极一侧由边缘流向熔核中心，在宏观上表现为电磁搅拌作用。
23.这种由涡流电磁搅拌所引起的液态金属流动导致熔核中心的高温金属向边缘扩散，强制将热量向熔核周边传导，导致在基本焊接参数不变的情况下焊接区的温度分布发生改变，其结果是熔核的厚度降低，直径增大，从而实现了熔核几何形态调控的目的。
24.感应磁场、涡流场的持续时间由控制器3设置，可与焊接电流通断过程同步，也可与焊接压力加载过程同步，设置灵活，以满足不同点焊质量调控的需求。当感应磁场、涡流场与焊接电流通断过程同步持续时，仅在熔核的生成及长大过程进行涡流电磁搅拌，主要影响熔核几何形态；当感应磁场、涡流场与焊接压力加载过程同步持续时，在熔核的生成、长大及冷却结晶过程进行涡流电磁搅拌，在熔核尺寸调控的基础上，还可以影响液态金属的结晶过程，细化晶粒，减少焊接缺陷。
25.根据不同焊接接头的质量控制要求，本发明的涡流电磁搅拌辅助电阻点焊电极装置可通过线圈保持套调节涡流激励线圈13、励磁线圈23与被焊工件表面的距离，控制工件内部感应磁场、涡流场的分布与大小，从而实现不同熔核几何形态的调控。线圈高度调节时，线圈保持套一、二上安装的三轴磁力计一、二可对空间磁场进行快速测量，其值通过线缆输送至控制器3并显示，方便操作者进行直观观察及记录。
26.实施例1：下面以轨道客车车体部件用电阻点焊工艺为例进行说明：（1）、焊接材料为sus301l不锈钢，板厚组合1mm+1mm。电极帽直径φ14mm，焊接电流12ka，焊接时间400ms。励磁电流：直流5a；涡流激励信号源：方波交流，峰值电压120v，频率1khz。
27.（2）、焊接前，首先将本发明的涡流电磁搅拌辅助电阻点焊电极装置安装于点焊设备的电极导杆端部，涡流激励线圈13、励磁线圈23、磁力计分别通过线缆与控制器相连。
28.（3）、通电焊接前，控制器3分别按要求输出励磁电流及涡流激励电压，在焊接工件内产生相应的感应磁场、涡流场。
29.（4）、开始通电焊接后，点焊接头内部在热量累积的作用下形成熔核。熔核内部的液态金属在涡流电磁搅拌的作用下进行流动传热，改变了热量的分布，形成与常规点焊工艺相比具有更大直径、更小厚度的熔核，从而达到熔核几何形态调控的目的，且接头表面的
电极压痕较之常规点焊工艺更小，接头表面质量得到改善，如图7所示。
30.以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种涡流电磁搅拌辅助电阻点焊电极装置，其特征在于：包括上电极（1）、下电极（2）和控制器（3），上、下电极的线圈、磁力计均通过线缆与控制器（3）相连；所述上电极（1）由电极本体一（11）、线圈保持套一（12）、涡流激励线圈（13）和三轴磁力计一（14）构成；下电极（2）由电极本体二（21）、线圈保持套二（22）、励磁线圈（23）和三轴磁力计二（24）构成；下电极（2）的励磁线圈（23）在工件内部感应出恒定磁场，上电极（1）的涡流激励线圈（13）在工件内部感应出梯度分布的涡流场；电阻点焊熔核在生长过程中，内部流经涡流的液态金属受到强烈的、可控的洛伦兹力电磁搅拌作用，从而致使熔核中心的高温金属向边缘流动，通过对流的方式使得熔核中心的热量强制向板材横向扩散，在增大熔核直径的同时降低熔核厚度，达到在不改变基本焊接参数的条件下控制熔核几何形态的目的。2.根据权利要求1所述的涡流电磁搅拌辅助电阻点焊电极装置，其特征在于：所述的上电极（1）通过电极本体一（11）后端的锥台安装在点焊设备的上电极握杆内，电极本体一（11）前端设有电极帽，内部为中空结构，外圆柱面上设有螺纹，在焊接过程中传递电流、压力以及冷却水；线圈保持套一（12）通过螺纹安装在电极本体一（11）外侧，其内部镶嵌有涡流激励线圈（13），端部设置有三轴磁力计一（14）；所述的下电极（2）通过电极本体二（21）后端的锥台安装在点焊设备的下电极握杆内；电极本体二（21）前端设有电极帽，内部为中空结构，外圆柱面上设有螺纹，在焊接过程中传递电流、压力以及冷却水；线圈保持套二（22）通过螺纹安装在电极本体二（21）外侧，其内部镶嵌有涡流激励线圈（23），端部设置有三轴磁力计二（24）。3.根据权利要求1所述的涡流电磁搅拌辅助电阻点焊电极装置，其特征在于：所述的上电极（1）、下电极（2）的线圈保持套一（12）、线圈保持套二（22）均可通过螺纹调节其与电极本体一（11）、电极本体二（21）的相对位置，从而调整线圈与工件表面的距离，满足感应磁场、涡流场的调节需要。4.一种根据根据权利要求1至3任一项所述的涡流电磁搅拌辅助电阻点焊电极装置实现的焊接方法，其特征在于：在进行电阻点焊时，上、下电极（1、2）分别安装在点焊设备的电极握杆内，由电极本体一、二承担常规电极的功能，负责向工件提供焊接电流及压力；下电极（2）的励磁线圈（23）在控制器（3）输出的恒定电压作用下，感应出空间磁场，该空间磁场部分磁力线垂直于工件表面，穿透工件并指向上电极（1）；上电极（1）的涡流激励线圈（13）在控制器（3）输出的高频交变电压作用下，在工件内部感应出涡流场，涡流以电极轴线为圆心，呈环形分布，电流方向与工件内部的磁力线垂直；电阻点焊接头熔核内部的液态金属，在洛伦兹力的合力作用下，形成一种翻转流动，在熔核靠近上电极一侧由熔核中心流向边缘，在熔核靠近下电极一侧由边缘流向熔核中心，在宏观上表现为电磁搅拌作用；这种由涡流电磁搅拌所引起的液态金属流动导致熔核中心的高温金属向边缘扩散，强制将热量向熔核周边传导，导致在基本焊接参数不变的情况下焊接区的温度分布发生改变，其结果是熔核的厚度降低，直径增大，从而实现了熔核几何形态调控的目的。5.根据权利要求4所述的涡流电磁搅拌辅助电阻点焊焊接方法，其特征在于：感应磁场、涡流场的持续时间由控制器（3）设置，控制器（3）内设置有恒压输出电路、高频电压输出电路、同步控制及接口电路，控制磁场、涡流场与焊接电流通断过程同步，或者与焊接压力加载过程同步，以满足不同点焊质量调控的需求；当感应磁场、涡流场与焊接电流通断过程
同步持续时，仅在熔核的生成及长大过程进行涡流电磁搅拌，影响熔核几何形态；当感应磁场、涡流场与焊接压力加载过程同步持续时，在熔核的生成、长大及冷却结晶过程进行涡流电磁搅拌，在熔核尺寸调控的基础上，还可以影响液态金属的结晶过程，细化晶粒，减少焊接缺陷。

技术总结

本发明涉及一种涡流电磁搅拌辅助电阻点焊电极装置及焊接方法，属于焊接过程控制领域。上、下电极的线圈、磁力计均通过线缆与控制器相连；下电极的励磁线圈在工件内部感应出恒定磁场，上电极的涡流激励线圈在工件内部感应出梯度分布的涡流场；电阻点焊熔核在生长过程中，内部流经涡流的液态金属受到强烈的、可控的洛伦兹力电磁搅拌作用，从而致使熔核中心的高温金属向边缘流动，通过对流的方式使得熔核中心的热量强制向板材横向扩散，在增大熔核直径的同时降低熔核厚度，达到在不改变基本焊接参数的条件下控制熔核几何形态的目的。在提高电阻点焊接头承载能力的同时，又可以降低焊后变形，显著提高焊接质量。显著降低热输入，节能减排优势明显。减排优势明显。减排优势明显。