旋轉體表面電火花熔敷改性工藝及裝置製造方法
2023-06-06 16:22:11
旋轉體表面電火花熔敷改性工藝及裝置製造方法
【專利摘要】一種旋轉體表面電火花熔敷改性工藝及裝置，其特徵在於：將工件放置在旋轉工作檯上，對工件做電火花表面熔敷，熔敷層在結晶過程中對工件施加超聲振動。所述的工件為點焊電極。其裝置的組合換能器與旋轉式工作檯驅動裝置連接為一體，被加工工件放置在組合換能器上。旋轉體（點焊電極）表面熔敷層在電火花和超聲波共同作用下完成，可以達到細化塗層晶粒以及防止點焊塗層電極熱影響區晶粒粗大等問題。可以改善傳統點焊電極電火花熔敷工藝所不能克服的問題，進而使塗層的晶粒細化、塗層的缺陷降低、塗層與基體的結合力提高，從而使電極表面塗層性能得以改善，最終實現點焊電極壽命的大幅提高。本發明具有操作簡單、成本低、適用性強，噪音低等優點。
【專利說明】旋轉體表面電火花熔敷改性工藝及裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種旋轉體表面電火花熔敷改性工藝及裝置，特別是點焊電極電火花表面熔敷裝置及工藝的改造技術。
【背景技術】
[0002]隨著汽車工業的飛速發展和人們都環境要求的提高，鍍層(鍍鋅、鍍鋁)鋼板和鋁板在汽車上的應用越來越多；電阻點焊是現代汽車製造工業中最重要的工藝方法，它具有生產效率高、焊接成本低。易於實現自動化而被廣泛應用於機械製造和汽車生產中。點焊電極是點焊過程中的主要消耗件，在點焊過程中電極的主要功能是傳輸電流、加壓和散熱。由於電極與工件接觸時的溫度較高，而且點焊電極自身具有一定的電阻，在點焊電流的作用下也會產生電阻熱，因此點焊電極頭部的溫升很快，達到了稍低於焊點熔核的高溫，使電極頭部在高溫和高壓的共同作用下產生失效(點焊鋁合金板時尤為突出)。為了提高點焊電極的使用壽命，國內外學者開展了大量研究工作。研究結果表明，提高電極壽命的主要途徑包括開發點焊電極材料及對現有電極頭部進行表面處理，其中對點焊電極表面處理最具潛力。由於點焊過程中電極受到力、熱及冶金作用的部位主要在電極頭部的表面，故對電極頭部表面處理是提高電極使用壽命最經濟、最有效的途徑。目前，通過點焊電極表面改性提高點焊電極壽命的研究主要包括:
1.電刷鍍Co:此工藝通過在點焊電極端面電刷鍍金屬材料Co，使用刷鍍Co後的點焊電極改善點焊鍍鋅鋼板時的焊接工藝。此工藝的實驗結果表明，在電極端面電刷鍍鈷可以改善鍍鋅鋼板的點焊工藝性能；刷鍍層厚度不同鍍鋅鋼板點焊工藝性能改善程度不同，在一定刷鍍層厚度範圍內，厚度越厚，改善程度越大；刷鍍層與電極基體間有足夠的結合強度；刷鍍層一定程度上阻止了鍍鋅鋼板點焊過程中銅鋅合金層的形成。點焊電極電刷鍍鈷後，雖然對點焊鍍鋅鋼板工藝有所改善，但是該工藝對電刷鍍液配置有嚴格的限制，並且具有一定的汙染，因此工業化應用還鮮見報導。
[0003]2.表面滲鈦:該工藝採用普通化學熱處理的方法向銅電極表面滲入鈦，實驗結果揭示，採用表面化學人處理的方法，在電極表面滲入鈦能使電極表面硬度提高，使得電極的抗變形能力增強。滲入的鈦與銅的相互作用使電極表面的耐磨性與熱穩定提高，減弱了銅與鋅之間的相互作用。避免和減少了銅鋅合金層的產生，對電極壽命有一定的延長。雖然，通過化學熱處理方法向點焊電極表面滲鈦能提高點焊電極壽命，但是滲鈦後點焊電極的壽命提聞很有限，提聞幅度大致為未處理電極壽命的I倍左右。
[0004]3.離子注入鎢:該工藝在真空條件下，將注入的原子電離成離子，由引出系統引出離子束流，使帶電離子在電場下加速，直接注入到靶室中的固體材料表面，形成一定厚度的離子注入層，進而改變表層 的結構和組分，以獲得新性能的表面表面處理工藝。經實驗室驗證，點焊電極經離子後，電極抗氧化能力顯著提高，焊接過程重點燒損與飛濺也有所減少；電極的機械性能也有所提高，表現在抗疲勞性能增強，電極直徑增減減緩，電極壽命由未交工前的600點提高到800點。雖然離子注入鎢，對點焊電極的機械性能、抗氧化性，以及壽命都有所改善，但是電極壽命的提高幅度相當有限。不僅如此，離子注鎢工藝相對複雜，且設備投入也交大。
[0005]4.電火花表面沉積。電火花沉積(Electro Spark Deposition)是一種低應力、低變形的表面強化工藝。從表面處理技術角度定義電火花，通過電火花放電，把作為電極的導電材料熔滲進金屬基體的表層，與母材形成冶金結合，使基體表面的物理化學和力學性能得到改善的一種表面處理技術。從微弧焊技術角度定義電火花，利用電容放電產生的短時大電流脈衝，形成溫度高達500(T25000k的高溫等離子弧，將電極材料熔化或氣化，並過渡到工件上的一種脈衝電弧微焊接技術。由於電火花工藝所獨具的特點，使其在材料表面改性方面得到了廣泛應用，這其中也包括點焊電極電火花表面沉積。點焊電極電火花表面沉積中較為成功的研究包括，點焊電極表面電火花原位熔敷TiC、TiB2、TiB2-TiC，並且上述成果也開始應用於汽車車身的點焊連接。雖然，點焊電極電火花表面熔敷在工藝及工業應用上取得了顯著成果，但是也存在某些不足。例如，沉積過程中局部高溫，使得被加工電極塗層以下部分區域晶粒粗大(如圖所 示)。塗層在提高電極壽命方面效果較為明顯，但是由於基本部分區域晶粒變大，使得塗層的優勢難以充分發揮，進而限制了塗層電極壽命的大幅提聞。
[0006]根據相關研究報導，超聲波在鑄造、焊接領域對鑄件以及焊接結構的性能提聞有很大的幫助。其原理是，超聲產生的空化效應和聲流效應，對鑄件、焊接熔池，以及熱影響區晶粒細化起到了很好的促進作用。中國發明專利(CN 102019531 A可攜式超聲輔助電火花沉積修復與拋光一體化裝置及工藝，專利號CN201010525967.3)提供了一種超聲輔助的技術方案，但是超聲波加載在放電電極上，超聲波只對電火花的產生和熔敷過渡有作用，對加工工件表面的熔敷層作用很小，因此專利(CN 102019531 A)對改善電火花熔覆層的作用效果不明顯。
[0007]
【發明內容】
:
本發明目的在於，本發明的目的在於提供一種旋轉體表面電火花熔敷改性工藝及裝置，使得塗層點焊電極性能得以提高，進而大幅提高其使用壽命。
[0008]本發明的技術方案:一種旋轉體表面電火花熔敷改性工藝，其特徵在於:將工件放置在旋轉工作檯上，對工件做電火花表面熔敷，熔敷層在結晶過程中對工件施加超聲振動，熔敷層的結晶是在超聲波振動下完成的。
[0009]如上所述的旋轉體表面電火花熔敷改性工藝，其特徵在於:所述的工件為點焊電極。
[0010]旋轉體表面電火花熔敷改性裝置，包括振動器、電火花電源、組合換能器及工作檯驅動裝置、超聲波發生器，超聲波發生器與組合換能器電連接，其特徵在於:組合換能器與旋轉式工作檯驅動裝置連接為一體，被加工工件放置在組合換能器上。
[0011]如上所述的旋轉體表面電火花熔敷改性裝置，其特徵在於:所述工件為點焊電極 如上所述的旋轉體表面電火花熔敷改性裝置，其特徵在於:
電火花電源A包括:電火花電源正極1、電火花電源負極2 ；
振動器B包括:振動片3、放電電極緊固螺釘4、放電電極5、偏心輪6、手柄7、絕緣電木8 ;軟軸9 ;小功率電機10 ；
組合換能器I包括:被塗覆工件；工作檯負極12、組合換能器輸入端負極13、組合換能器輸入端正極14、換能器外殼19、變幅杆20、換能器21、平帶輪22、滾珠軸承23、三爪卡盤24、鑽夾頭25 ；
工作檯驅動裝置II包括；工作檯驅動電機15 ;三角傳動帶16 ；
超聲波發生器D包括:超聲波輸出端負極17、超聲波輸出端正極18 ；
電火花電源正極I與振動片3連接，電火花電源負極2與工作檯負極12相連，放電電極5通過放電電極緊固螺釘4固定于振動片3上，手柄7通過軟軸9與小功率電機10連接，小功率電機10通過軟軸9驅動手柄7帶動偏心輪6旋轉，實現振動熔敷；超聲波輸出端負極17與組合換能器輸入端負極13相連、超聲波輸出端正極18與組合換能器輸入端正極14連接；在驅動電機15驅動下,旋轉平臺通過皮帶輪22、三角傳動帶16帶動旋轉；換能器21與組合換能器輸入端負極13、組合換能器輸入端正極14連接；變幅杆20與換能器21連接且作為旋轉工作平臺的旋轉軸；鑽夾頭25通過三爪卡盤24固定於旋轉平臺；被塗覆點焊電極11通過鑽夾頭25夾持進行超聲波輔助電火花沉積。
[0012]上述振動器作為電火花放電時的正極與電火花電源通過導線連接，放電電極通過放電電極緊固螺釘緊固于振動片，電火花電源負極與工作檯負極通過導線連接，振動熔敷在小功率電機、軟軸、手柄以及偏心輪的協同作用完成。
[0013]上述超聲波輸出端正極、超聲波輸出端負極通過導線分別與組合換能器輸入端正極、組合換能器輸入端負極連接。
[0014]上述變幅杆與換能器通過軸承進行連接，且變幅杆作為旋轉工作平臺的旋轉軸帶動三爪卡盤、鑽夾頭 進行旋轉。
[0015]上述換能器通過換能器外殼進行封裝，且外殼採用絕緣材料。
[0016]上述三爪卡盤通過螺釘規定與旋轉軸上，鑽夾頭固定於三爪卡盤之上，被塗覆點焊電極通過鑽夾頭夾持，並與鑽夾頭一起旋轉進行超聲波輔助電火花沉積加工。
[0017]本發明旋轉體表面電火花熔敷改性裝置的加工工藝，包括以下步驟。
[0018]I)根據預獲得塗層成分選擇合適的放電電極材料，並正確裝夾。
[0019]2)開啟電源，包括電火花沉積電源、超聲波電源、傳功裝置電源、振動器電源，並調節相關參數，主要包括振動器振動頻率，傳動裝置轉速，超聲波功率等。超聲波輔助電火花點焊電極表面沉積過程中，將放電電極與被沉積點焊電極略微接觸，並左右移動。點焊電極電火花表面沉積時間，根據沉積材料有所區別，原則上待塗層均勻分布於點焊電極表面，沒有基體外露為宜，且在沉積過程中應避免沉積時間過長而到導致被沉積點焊電極產生退火軟化。
[0020]3)待沉積結束後，關閉轉動加工平臺電源，取下塗層電極。根據需要，可以在取下塗層電極後，再裝夾未沉積的點焊電極進行未沉積點焊電極的表面沉積工作。
[0021]4)在點焊電極表面沉積完成以後，若無需對未沉積點焊電極進行加工，需切斷設備所有電源開關。
[0022]本發明由於採用超聲輔助電火花熔敷工藝，與傳統電火花振動熔敷工藝，及專利(CN 102019531 A)相比，具有如下特點；
I)在本發明中超聲波直接作用在被熔敷工件上，塗層在超聲波作用下結晶，而專利(CN102019531 A)超聲波作用在放電電極上，因此超聲波作用於塗層的效果會有明顯的不同。將超聲波直接作用於工件這是本發明特色與創新之處，因為只有在本發明的情況下，超聲波才能作用於熔敷層的結晶過程，從而使熔敷層的晶粒細化和提高熔敷層與基體的結合強度。
[0023]2)在本發明中超聲波直接作用在被熔敷工件上，超聲波對電火花塗層與基體之間的熱影響區也有作用，能減少電火花塗層與基體之間的熱影響區的大小，而專利(CN102019531 A)超聲波作用在放電電極上對電火花塗層與基體之間的熱影響區沒有作用。
[0024]本發明旋轉體表面電火花熔敷改性裝置綜合了電火花沉積與超聲波材料改性方面的優點，具有可實現性強、適用性高、成本低，操作簡單等方面優點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]圖1為發明裝置的原理示意圖；
圖2為旋轉工作檯結構簡圖；
圖3不同沉積工藝塗層電極金相對比圖；a.沒有超聲波輔助b.有超聲波輔助；
圖4不同沉積工藝塗層電極顯微硬度對比；
圖5採用專利(CN 102019531 A)原理所得到塗層電極金相。
[0026]A.電火花電源、B.振動器、C.組合換能器及工作檯驅動裝置、D.超聲波發生器、
1.電火花電源正極、2.電火花電源負極、3.振動片、4.放電電極緊固螺釘、5.放電電極、 6.偏心輪、7.手柄、8.絕緣電木、9.軟軸、10.小功率電機、11.被塗覆點焊電極、12.工作檯負極、13.組合換能器輸入端負極、14.組合換能器輸入端正極、15.工作檯驅動電機、16.三角傳動帶、17.超聲波發生器輸出端負極、18.超聲波發生器輸出端正極、19.換能器外殼、20.變幅杆、21.換能器、22.平帶輪、滾23.珠軸承、24.三爪卡盤、25.鑽夾頭
【具體實施方式】
[0027]實施例:
本發明實施例的結構示意圖如1、2所示，一種旋轉體表面電火花熔敷改性裝置，主要構件包括電火花電源A (包括:電火花電源正極1、電火花電源負極2 ；
振動器B (包括:振動片3、放電電極緊固螺釘4、放電電極5、偏心輪6、手柄7、絕緣電木8);軟軸9);小功率電機10 ；
組合換能器及工作檯驅動裝置C(組合換能器I包括:被塗覆點焊電極11 ;工作檯負極
12、組合換能器輸入端負極13、組合換能器輸入端正極14、換能器外殼19、變幅杆20、換能器21、平帶輪22、滾珠軸承23、三爪卡盤24、鑽夾頭25 ;工作檯驅動裝置II包括；工作檯驅動電機15 ;三角傳動帶16)；
超聲波發生器D (包括:超聲波輸出端負極17、超聲波輸出端正極18)。
[0028]電火花電源正極I與振動片3連接，電火花電源負極2與工作檯負極12相連，放電電極5通過放電電極緊固螺釘4固定于振動片3上，手柄7通過軟軸9與小功率電機10連接，小功率電機10通過軟軸9驅動手柄7帶動偏心輪6旋轉，實現振動熔敷；超聲波輸出端負極17與組合換能器輸入端負極13相連、超聲波輸出端正極18與組合換能器輸入端正極14連接；在驅動電機15驅動下,旋轉平臺通過皮帶輪22、三角傳動帶16帶動旋轉；換能器21與組合換能器輸入端負極13、組合換能器輸入端正極14連接；變幅杆20與換能器21連接且作為旋轉工作平臺的旋轉軸；鑽夾頭25通過三爪卡盤24固定於旋轉平臺；被塗覆點焊電極11通過鑽夾頭25夾持進行超聲波輔助電火花沉積。
[0029]本實例中，上述振動器B作為電火花放電時的正極與電火花電源通過導線連接(振動片3與電火花元電源正極I連接)，放電電極5通過放電電極緊固螺釘4緊固于振動片3，電火花電源負極2與工作檯負極12通過導線連接，振動熔敷在小功率電機10、軟軸9、手柄7以及偏心輪6的協同作用完成
本實例中，上述超聲波輸出端正極18、超聲波輸出端負極17通過導線分別與組合換能器輸入端正極14、組合換能器輸入端負極13連接。
[0030]本實例中，上述變幅杆20與換能器21通過軸承進行連接，且變幅杆20作為旋轉工作平臺的旋轉軸帶動三爪卡盤24、鑽夾頭25進行旋轉。
[0031]本實例中，上述換能器21通過換能器外殼10進行封裝，且外殼採用絕緣材料。
[0032]本實例中，上述三爪卡盤24通過螺釘規定與旋轉軸上，鑽夾頭25固定於三爪卡盤24之上，被塗覆點焊電極11通過鑽夾頭25夾持，並與鑽夾頭一起旋轉進行超聲波輔助電火花沉積加工。
[0033]本發明旋轉體表面電火花熔敷改性裝置的加工工藝，包括以下步驟。
[0034]I)根據預獲得塗層成分選擇合適的放電電極材料，並正確裝夾。
[0035]2)開啟電源，包括電火花沉積電源、超聲波電源、傳功裝置電源、振動器電源，並調節相關參數，主要包 括振動器振動頻率，傳動裝置轉速，超聲波功率等。超聲波輔助電火花點焊電極表面沉積過程中，將放電電極與被沉積點焊電極略微接觸，並左右移動。點焊電極電火花表面沉積時間，根據沉積材料有所區別，原則上待塗層均勻分布於點焊電極表面，沒有基體外露為宜，且在沉積過程中應避免沉積時間過長而到導致被沉積點焊電極產生退火軟化。
[0036]3)待沉積結束後，關閉轉動加工平臺電源，取下塗層電極。根據需要，可以在取下塗層電極後，再裝夾未沉積的點焊電極進行未沉積點焊電極的表面沉積工作。
[0037]4)在點焊電極表面沉積完成以後，若無需對未沉積點焊電極進行加工，需切斷所有開關。
[0038]本實施例中。超聲波功率為70W，超聲頻率為50kHz，振動器頻率1kHz，旋轉工作平臺轉速700n/min，電火花沉積材料為TiC，電火花沉積電壓為7v，沉積時間為2min。對比實驗試樣，除未使用超聲波輔助電火花熔敷沉積以外，其他電火花沉積參數完全一致。通過檢測發現，使用超聲波輔助電火花沉積得到的塗層和未使用超聲波輔助電火花沉積得到的塗層性能相比:使用超聲波輔助電火花沉積得到的塗層的硬度有較大的提高，塗層的缺陷有較大的降低、塗層與基體的結合力提高。使用超聲波輔助電火花沉積得到的TiC塗層電極壽命為800點，而未使用超聲波輔助電火花沉積得到的TiC塗層電極壽命僅為500點。兩工藝下獲得的塗層電極金相如圖3所示。從圖3b中可以發現，使用超聲波輔助電火花沉積工藝所得沉積TiC塗層塗層缺陷較少，塗層下面的熱影響區晶粒尺寸和區域都明顯較未使用超聲波輔助電火花沉積(圖3a)工藝小。圖4為不同沉積工藝塗層電極塗層下基體顯微硬度分布對比，從圖4中可以發現，使用超聲輔助工藝沉積塗層電極基體硬度(圓點線)較為均為，熱影響區的區域並不明顯，而未使用超聲輔助工藝沉積塗層電極基體硬度(方點線)有明顯的硬度下降區域(該區域就是熱影響區)。可以認為，在超聲波輔助電火花沉積作用下(將超聲波加載在工件上)，塗層電極熱影響區基體晶粒生長受到超聲波振動作用，使得具有熱影響區特徵的枝晶碎斷，進而避免了大晶粒熱影響區的出現。
[0039]圖5是採用專利(CN 102019531 A)的工藝原理(將超聲波加載在放電電極上)得到的塗層電極的金相照片，其超聲波功率為70W，超聲頻率為50kHz，將超聲加載在放電電極上，電火花放電電極材料為TiC，振動器頻率1kHz，旋轉工作平臺轉速700n/min，，電火花沉積電壓為7v，沉積時間為2min，從圖5可以發現，和沒有超聲波輔助電火花沉積工藝得到的塗層相比(圖3a)，將超聲波加載在放電電極上輔助電火花沉積得到的塗層的缺陷並沒有降低、塗層下面的熱影響區晶粒尺寸和區域都較未使用超聲波輔助電火花沉積工藝差不多。通過實驗發現將超聲波加載在放電電極上輔助電火花沉積得到的TiC塗層電極壽命為500點，而未使用超聲波輔助電火花沉積得到的TiC塗層電極壽命基本一樣。
[0040]本發明方法通過超聲波輔助電火花沉積工藝，使得傳統電火花沉積工藝下塗層電極基體晶粒更為細化，減少了因為熱影響區作用導致塗層電極機械性能降低的可能。因此，本發明能有效改善傳統點焊電極沉積所難以克服的問題。不僅如此，本發明設備陳本低，操作簡單，本發明除應用於點焊電極表面沉積以外還可以用於旋轉體表面電火花改性處理，具有廣闊的適用空間。
[0041]本發明專利的保護範圍並不限於上述實施例，凡是不背離本發明構思的改變或等同替代均包含在本發明的保護範圍 之內。
【權利要求】
1.一種旋轉體表面電火花熔敷改性工藝，其特徵在於:將工件放置在旋轉工作檯上，對工件做電火花表面熔敷，熔敷層在結晶過程中對工件施加超聲振動，熔敷層的結晶是在超聲波振動下完成的。
2.如權利要求1所述的旋轉體表面電火花熔敷改性工藝，其特徵在於:所述的工件為點焊電極。
3.旋轉體表面電火花熔敷改性裝置，包括振動器、電火花電源、組合換能器及工作檯驅動裝置、超聲波發生器，超聲波發生器與組合換能器電連接，其特徵在於:組合換能器與旋轉式工作檯驅動裝置連接為一體，被加工工件放置在組合換能器上。
4.如權利要求3所述的旋轉體表面電火花熔敷改性裝置，其特徵在於:所述工件為點焊電極。
5.如權利要求3或4所述的旋轉體表面電火花熔敷改性裝置，其特徵在於: 電火花電源(A)包括:電火花電源正極(I)、電火花電源負極(2)； 振動器(B)包括:振動片(3)、放電電極緊固螺釘(4)、放電電極(5)、偏心輪(6)、手柄(7)、絕緣電木(8);軟軸(9);小功率電機(10)； 組合換能器(I )包括:被塗覆工件；工作檯負極(12)、組合換能器輸入端負極(13)、組合換能器輸入端正極(14)、換能器外殼(19)、變幅杆(20)、換能器(21)、平帶輪(22)、滾珠軸承(23)、三爪卡盤(24)、鑽夾頭(25)； 工作檯驅動裝置(II)包括；工作檯驅動電機(15);三角傳動帶(16)； 超聲波發生器(D)包括:超聲波輸出端負極(17)、超聲波輸出端正極(18)； 電火花電源正極(I)與振動片(3)連接，電火花電源負極(2)與工作檯負極(12)相連，放電電極(5 )通過放電電極緊固螺釘(4 )固定于振動片(3 )上，手柄(7 )通過軟軸(9 )與小功率電機(10)連接，小功率電機(10)通過軟軸(9)驅動手柄(7)帶動偏心輪(6)旋轉，實現振動熔敷；超聲波輸出端負極(17)與組合換能器輸入端負極(13)相連、超聲波輸出端正極(18)與組合換能器輸入端正極(14)連接；在驅動電機(15)驅動下，旋轉平臺通過皮帶輪(22)、 三角傳動帶(16)帶動旋轉；換能器(21)與組合換能器輸入端負極(13)、組合換能器輸入端正極(14)連接；變幅杆(20)與換能器(21)連接且作為旋轉工作平臺的旋轉軸；鑽夾頭(25 )通過三爪卡盤(24)固定於旋轉平臺；被塗覆點焊電極(11)通過鑽夾頭(25 )夾持進行超聲波輔助電火花沉積。
【文檔編號】C23C26/02GK103993312SQ201310681859
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2013年12月16日 優先權日:2013年12月16日
【發明者】董仕節, 羅平, 常鷹, 王輝虎, 鄭重, 謝志雄, 楊威, 楊李安卓, 劉琪 申請人:湖北工業大學