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基于超 声波驻场防止熔池下榻的发卡式接头焊缝控形系统

阅读：386发布：2020-05-15

专利汇可以提供基于超声波驻场防止熔池下榻的发卡式接头焊缝控形系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种基于超声波驻场防止熔池下榻的发卡式接头焊缝控形系统，包括基座、超声电源、换能器、变幅杆、发卡式接头、反射板及激光器，其中，超声电源与换能器相连接，变幅杆固定于换能器上，变幅杆的轴线垂直于反射板，发卡式接头固定于基座上，激光器正对所述发卡式接头，发卡式接头的轴线与变幅杆轴线的延长线相交且相垂直；换能器发出的超声波经变幅杆变幅后在变幅杆与反射板之间形成超声驻波场，激光器发出的激光在发卡式接头的顶部形成焊接熔池，发卡式接头在超声驻波场的波节位置处实现焊接熔池的双向压缩，以避免发卡式接头存在熔池下榻的问题，该系统能够有效的解决发卡式接头焊接过程中存在的熔池下榻问题。，下面是基于超声波驻场防止熔池下榻的发卡式接头焊缝控形系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于超声波驻场防止熔池下榻的发卡式接头焊缝控形系统，其特征在于，包括基座(6)、超声电源(7)、换能器(2)、变幅杆(3)、发卡式接头(1)、反射板(4)及激光器(5)，其中，超声电源(7)与换能器(2)相连接，变幅杆(3)固定于换能器(2)上，变幅杆(3)的轴线垂直于反射板(4)，发卡式接头(1)固定于基座(6)上，激光器(5)正对所述发卡式接头(1)，发卡式接头(1)的轴线与变幅杆(3)轴线的延长线相交且相垂直；
换能器(2)发出的超声波经变幅杆(3)变幅后在变幅杆(3)与反射板(4)之间形成超声驻波场，激光器(5)发出的激光在发卡式接头(1)的顶部形成焊接熔池，发卡式接头(1)在超声驻波场的波节位置处实现焊接熔池的双向压缩，以避免发卡式接头(1)存在熔池下榻的问题。
2.根据权利要求1所述的基于超声波驻场防止熔池下榻的发卡式接头焊缝控形系统，其特征在于，设v为声信号在空气中的传播速度340m/s，f为换能器(2)的工作频率，λ为变幅杆(3)发出的声波波长，则有λ＝v/f。
3.根据权利要求1所述的基于超声波驻场防止熔池下榻的发卡式接头焊缝控形系统，其特征在于，调节变幅杆(3)与反射板(4)之间的距离，使变幅杆(3)与反射板(4)之间的距离为变幅杆(3)所发出声波的半波长的整数倍，从而在变幅杆(3)与反射板(4)之间形成超声驻波场。
4.根据权利要求1所述的基于超声波驻场防止熔池下榻的发卡式接头焊缝控形系统，其特征在于，发卡式接头(1)为厚度为1mm-11mm的板材。
5.根据权利要求4所述的基于超声波驻场防止熔池下榻的发卡式接头焊缝控形系统，其特征在于，当发卡式接头(1)为厚度为1-5mm的板材时，换能器(2)发出的超声波的频率为
15kHz、20kHz或30kHz，换能器(2)的功率为500-1000W。
6.根据权利要求4所述的基于超声波驻场防止熔池下榻的发卡式接头焊缝控形系统，其特征在于，当发卡式接头(1)为厚度为1-8mm的板材时，换能器(2)发出的超声波的频率为
15kHz或20kHz，换能器(2)的功率为600-1200W。
7.根据权利要求4所述的基于超声波驻场防止熔池下榻的发卡式接头焊缝控形系统，其特征在于，当发卡式接头(1)为厚度为1-11mm的板材时，换能器(2)发出的超声波的频率为15kHz；换能器(2)的功率为1200-2500W。
8.根据权利要求1所述的基于超声波驻场防止熔池下榻的发卡式接头焊缝控形系统，其特征在于，发卡式接头(1)的上端面高于变幅杆(3)的轴线2～3mm。
9.根据权利要求1所述的基于超声波驻场防止熔池下榻的发卡式接头焊缝控形系统，其特征在于，当发卡式接头(1)的水平截面为矩形时，所述超声驻波场为一维单轴式结构；
当发卡式接头(1)的水平截面为正方形时，所述超声驻波场为二维双轴式结构，且两个轴的轴线相垂直。

说明书全文

基于超 声波驻场防止熔池下榻的发卡式接头焊缝控形系统

技术领域

[0001] 本发明属于焊接技术领域，涉及一种基于超声波驻场防止熔池下榻的发卡式接头焊缝控形系统。

背景技术

[0002] 近年来，能源交通绿色革命与新能源汽车成为我国汽车行业的前沿领域和发展方向。计划新能源汽车驱动电机的峰值功率密度要达到4kW/kg，国内目前产品级在3.2-3.3kW/kg。要实现功率密度的提升，必须采用“扁线电机”技术实现更高的功率密度，即产业界已经就“扁线电机”趋势形成共识，根本原因在于扁线技术满足了新能源汽车对电机高功率密度、高转矩密度的追求，温度性能更好，电磁噪音更低，端部短，节省铜材，提升效率，符合行业发展的趋势，有极大的发展空间。

[0003] 为了得到高功率密度的电机，通常绕组头都设计的很小，导致焊接空间小，因此，超声波焊接等需要借助工具的焊接方式不适用于发卡接头焊接；电阻焊损耗严重，加工时间长，工艺稳定性低，且铜导热系数大，不易产生电阻热；钎焊自动化程度及工艺稳定性低；压焊灵活性及可接近性均较差。激光焊是一种非接触式焊接，热输入小，精度高，生产效率高的优点对于发卡接头的焊接具有很大的优势。但是铜对常用红外激光的吸收率很低，焊缝熔化区小，比重大，而且发卡接头端部很小，加上铜的流动性好，在焊接过程中熔池的承载面小，稳定性差，熔池受重力作用易向两侧崩塌，焊缝成型差，难以形成大的有效连接区域，增大了接触电阻，导致电机使用过程中易产生大电流损坏导线部件，因此，亟需可靠的发卡接头激光焊接技术。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于超声波驻场防止熔池下榻的发卡式接头焊缝控形系统，该系统能够有效的解决发卡式接头焊接过程中存在的熔池下榻问题。

[0005] 为达到上述目的，本发明所述的基于超声波驻场防止熔池下榻的发卡式接头焊缝控形系统包括基座、超声电源、换能器、变幅杆、发卡式接头、反射板及激光器，其中，超声电源与换能器相连接，变幅杆固定于换能器上，变幅杆的轴线垂直于反射板，发卡式接头固定于基座上，激光器正对所述发卡式接头，发卡式接头的轴线与变幅杆轴线的延长线相交且相垂直；

[0006] 换能器发出的超声波经变幅杆变幅后在变幅杆与反射板之间形成超声驻波场，激光器发出的激光在发卡式接头的顶部形成焊接熔池，发卡式接头在超声驻波场的波节位置处实现焊接熔池的双向压缩，以避免发卡式接头存在熔池下榻的问题。

[0007] 设v为声信号在空气中的传播速度340m/s，f为换能器的工作频率，λ为变幅杆发出的声波波长，则有λ＝v/f。

[0008] 调节变幅杆与反射板之间的距离，使变幅杆与反射板之间的距离为变幅杆所发出声波的半波长的整数倍，从而在变幅杆与反射板之间形成超声驻波场。

[0009] 发卡式接头为厚度为1mm-11mm的板材。

[0010] 当发卡式接头为厚度为1-5mm的板材时，换能器发出的超声波的频率为15kHz、20kHz或30kHz，换能器的功率为500-1000W。

[0011] 当发卡式接头为厚度为1-8mm的板材时，换能器发出的超声波的频率为15kHz或20kHz，换能器的功率为600-1200W。

[0012] 当发卡式接头为厚度为1-11mm的板材时，换能器发出的超声波的频率为15kHz；换能器的功率为1200-2500W。

[0013] 发卡式接头的上端面高于变幅杆的轴线2～3mm。

[0014] 当发卡式接头的水平截面为矩形时，所述超声驻波场为一维单轴式结构；当发卡式接头的水平截面为正方形时，所述超声驻波场为二维双轴式结构，且两个轴的轴线相垂直。

[0015] 本发明具有以下有益效果：

[0016] 本发明所述的基于超声波驻场防止熔池下榻的发卡式接头焊缝控形系统在具体操作时，利用驻波波节处的声压力实现超声对焊接熔池的双向压缩，抑制液态金属下榻，在弱拘束条件下控制熔池形貌，形成大的有效连接区域，提高接头成形质量，以减少发卡接头存在的熔池下榻问题，使焊接接头处的成型变好，焊接接头成型美观，结合强度高，并且焊接热输入小，精度高，生产效率高，易实现自动化。附图说明

[0017] 图1为本发明的结构示意图；

[0018] 图2为本发明中超声驻波场的示意图；

[0019] 图3a为无超声作用时发卡端焊接头熔池受力分析图；

[0020] 图3b为有超声作用时发卡端焊接头熔池受力分析图；

[0021] 图4a为无超声驻波场作用时焊接接头的主视图；

[0022] 图4b为无超声驻波场作用时焊接接头的侧视图；

[0023] 图5a为无超声驻波场作用下t0时刻接头焊接的高速摄影结果图；

[0024] 图5b为无超声驻波场作用下t0+100ms时刻接头焊接的高速摄影结果图；

[0025] 图5c为无超声驻波场作用下t0+200ms时刻接头焊接的高速摄影结果图；

[0026] 图5d为无超声驻波场作用下t0+300ms时刻接头焊接的高速摄影结果图；

[0027] 图6a为当超声频率为20kHz，超声功率为600W，超声驻波场作用下焊接接头的主视图；

[0028] 图6b为当超声频率为20kHz，超声功率为600W，超声驻波场作用下焊接接头的侧视图；

[0029] 图7a无超声驻波场作用下t0时刻接头焊接的高速摄影结果图；

[0030] 图7b为当超声频率为20kHz，超声功率为600W时，超声驻波场作用下t0+100ms时刻接头焊接的高速摄影结果图；

[0031] 图7c为当超声频率为20kHz，超声功率为600W时，超声驻波场作用下t0+200ms时刻接头焊接的高速摄影结果图；

[0032] 图7d为当超声频率为20kHz，超声功率为600W时，超声驻波场作用下t0+300ms时刻接头焊接的高速摄影结果图。

[0033] 其中，1为发卡式接头、2为换能器、3为变幅杆、4为反射板、5为激光器、6为基座、7为超声电源。

具体实施方式

[0034] 下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

[0035] 参考图1，本发明所述的基于超声波驻场防止熔池下榻的发卡式接头焊缝控形系统包括基座6、超声电源7、换能器2、变幅杆3、发卡式接头1、反射板4及激光器5，其中，超声电源7与换能器2相连接，变幅杆3固定于换能器2上，变幅杆3的轴线垂直于反射板4，发卡式接头1固定于基座6上，激光器5正对所述发卡式接头1，发卡式接头1的轴线与变幅杆3轴线的延长线相交且相垂直；换能器2发出的超声波经变幅杆3变幅后在变幅杆3与反射板4之间形成超声驻波场，激光器5发出的激光在发卡式接头1的顶部形成焊接熔池，发卡式接头1在超声驻波场的波节位置处实现焊接熔池的双向压缩，以避免发卡式接头1存在熔池下榻的问题。其中，调节变幅杆3与反射板4之间的距离，使变幅杆3与反射板4之间的距离为变幅杆3所发出声波的半波长的整数倍，从而在变幅杆3与反射板4之间形成超声驻波场。

[0036] 设v为声信号在空气中的传播速度340m/s，f为换能器2的工作频率，λ为变幅杆3发出的声波波长，则有λ＝v/f。

[0037] 发卡式接头1为厚度为1mm-11mm的板材，具体的，当发卡式接头1为厚度为1-5mm的板材时，换能器2发出的超声波的频率为15kHz、20kHz或30kHz，换能器2的功率为500-1000W；当发卡式接头1为厚度为1-8mm的板材时，换能器2发出的超声波的频率为15kHz或
20kHz，换能器2的功率为600-1200W；当发卡式接头1为厚度为1-11mm的板材时，换能器2发出的超声波的频率为15kHz；换能器2的功率为1200-2500W。

[0038] 发卡式接头1的上端面高于变幅杆3的轴线2～3mm；当发卡式接头1的水平截面为矩形时，所述超声驻波场为一维单轴式结构；当发卡式接头1的水平截面为正方形时，所述超声驻波场为二维双轴式结构，且两个轴的轴线相垂直。

[0039] 实施例一

[0040] 本实施例在无超声驻波场下焊接发卡式接头1，单片试样长宽高分别为1mm、5mm及50mm，具体的，先将紫铜试样用砂纸打磨干净，除去紫铜试样表面的氧化物及杂质，露出金属光泽，再使用丙酮擦洗试样，然后使试样的上端面高于基座6表面2mm；然后打开激光器5，其中，激光功率2500W，焊接时间0.6s，离焦量12mm，需要激光光束的轴线与竖直方向的夹角为15°角；焊接过程结束，切断激光输出，关闭激光器5，获得激光点焊的发卡式接头1，其中，焊缝表面形貌和高速摄影过程如图4a至图5d所示。

[0041] 实施例二

[0042] 本实施例在超声驻波场下焊接发卡式接头1，单片试样的长宽高分别为1mm、5mm及50mm，具体的，先将紫铜试样用砂纸打磨干净，除去紫铜试样表面的氧化物及杂质，露出金属光泽，再使用丙酮擦洗试样。然后使变幅杆3的端面与反射板4之间的距离为85mm，使变幅杆3端面距离试样中心34mm；将变幅杆3、反射板4及试样固定，变幅杆3的轴线距离基座6表面25mm，同时试样上端面高于变幅杆3轴线所在的水平面2mm；换能器2和超声电源7的频率为20kHz，超声电源7的功率为600W；然后打开超声电源7以获得稳定的超声驻波场，打开激光器5，其中，激光功率2500W，焊接时间0.6s，离焦量12mm，需要激光光束的轴线与竖直方向的夹角为15°，将驻波场中的待焊试样进行激光点焊；焊接过程结束，切断激光输出，关闭超声电源7，获得基于超声驻波场下激光点焊的发卡式接头1，其中，焊缝表面形貌和高速摄影过程如图6a至图7d所示。

[0043] 本发明基于超声悬浮来改善发卡式接头1稳定性差及熔池下榻的问题，超声悬浮基本原理是利用超声振动系统和反射板4，通过入射波和反射波在一定空间内形成超声驻波场，在两者电压(或电流)相加的点出现波腹，在两者电压(或电流)相减的点形成波节。波节处物体同时受入射波和反射波的作用，产生两个大小相等方向相反的定位力将物体固定于波节处，超声辐射力可以实现无容器处理领域的金属样品定位悬浮。本发明利用驻波波节处的声压力实现超声对焊接熔池的双向压缩，抑制液态金属下榻，在弱拘束条件下控制熔池形貌，形成大的有效连接区域，提高接头成形质量，参考图2、图3a及图3b。

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