一种焊接机构的制作方法

本发明涉及高端加工装备领域，更具体地讲，涉及一种焊接机构及其焊接工艺。

背景技术：

超声波金属焊接作为一种特种连接技术，由于其节能、环保、操作便捷等突出优点，已在工业领域得到了广泛的应用，特别是在电子元件、机加工制造、新材料的制备、车身的择接、食品包装、航空航天业、零部件的封装技术方面都有很广泛的应用。

超声波焊接属于一种压力焊，在焊接过程中，超声换能器将高频电信号转化为超声机械振动，通过变幅杆传递到焊接压头，在施加压力的情况下带动工件表面快速摩擦，产生摩擦功和形变能，使两种材料表面逐渐贴合，形成可靠的连接接头。由于超声波焊接过程中的高速振动，被焊金属表面通过摩擦、升温及变形，使氧化膜或其他表面附着物破坏，使露出的纯净界面之间金属原子无限靠近，产生结合和扩散。超声波金属挥接原理是既不向工件传输电流，也不向工件施以火焰或电弧等高温热源，而是利用超声高频振动和静压力的综合作用，对工件所焊接区域的表面进行氧化膜清理，同时将超声高频振动能量转化为工件界面间的摩擦功、形变能及有限的温升，最终实现同种金属或异种金属连接的一种特殊方法。

目前，诸如铝、铜、钛、镁等金属及其合金应用广泛，这些金属具有良好的导电性、导热性、耐腐蚀性和较高的比强度，在航空、航天、汽车、机械制造等领域中都具有较好应用，随之带来的就是异种金属间的连接问题，尤其是接头强度和异质材料的连接是主要瓶颈，因此开发能够提高这些异质金属焊接结构件强度的设备和工艺就尤为重要。

技术实现要素：

因此，针对现有技术上存在的不足，提供本发明的示例以基本上解决由于相关领域的限制和缺点而导致的一个或更多个问题，安全性和可靠性大幅度提高，有效的起到保护设备的作用。

按照本发明提供的技术方案，本发明公开的焊接机构包括驱动装置、温度装置、冲程模具装置、气体装置、超声波焊接装置，其特征在于，冲程模具装置位于驱动装置的上面，冲程模具装置包括上模座和下模座，下模座上设有底板，底板上设有下载体，下载体包括载盘和压盘，载盘上设有容置孔，压盘将称重传感器固定在容置孔中，压盘内设有冷却管路，压盘上设有下模平板，下模平板上设有下模具，被焊接工件放置在下模具上，驱动装置包括驱动螺杆，驱动螺杆穿过下模座与底板相连，温度装置包括下接板和上接板，上接板和下接板之间装配有罩壳，罩壳内形成真空腔室，其中下接板与载盘可相对滑动的装配，并使得压盘、下模平板、下模具始终位于真空腔室内，罩壳的周向上还设有加热装置，加热装置包括加热体，加热体内设有至少一组加热灯管，上模座上设有装配体，上接板上设有冷却设备，超声波焊接装置包括换能器，换能器通过装配体与振幅放大器连接，振幅放大器穿过冷却设备而部分的进入真空腔室，振幅放大器的底部设有焊接部件。

进一步的，下模具和下模平板之间还设有下模稳固组件，下模稳固组件包括上平板和下平板，其中，下平板上设有十字沟槽，十字沟槽用于提供气体进入真空腔室的通道，上平板位于下平板的上面，上平板的中心设有圆形沟槽，圆形沟槽用于固定下模具，上平板的周向上还至少设有一个孔洞，孔洞内设有热电偶。

进一步的，气体装置包括真空泵和氮气发生装置，其中，载盘、下模平板、压盘上均具有贯穿成一体的气体通道，气体通道内具有导管，导管与真空泵和氮气发生装置相连，导管上还设有切换开关和真空表。

进一步的，温度装置还包括温度控制装置，温度控制装置能够对加热灯管进行控制，温度装置还具有冷水箱，冷水箱通过管道与冷却设备、压盘内的管路相连并向其提供冷却水。

进一步的，热电偶暴露于腔体中的部分使用绝热陶瓷包覆。

进一步的，换能器为压电式换能器，压电式换能器包括压电陶瓷片、金属电极片、前后盖板，压电陶瓷片、金属电极片、前后盖板通过预应力螺栓连接，预应力螺栓上设有预应力螺栓绝缘套。

进一步的，上模座和下模座之间通过四支立柱连接，上模座和上接板之间通过若干个柱体连接。

进一步的，下模具上设有工件槽，被焊接工件放置在工件槽内。

进一步的，振幅放大器的下部外表面设有测温元件。

本发明提供了一种焊接机构及其焊接工艺，本发明的焊接机构包括驱动装置、温度装置、冲程模具装置、气体装置、超声波焊接装置，能够给焊接环境提供真空，在焊接前和焊接过程中还能够进行加热，提供额外的热输入，改变被焊材料的硬度、塑性等物理性能，提高超声波焊接性能，能够提高异质金属焊接结构件强度，还能够在焊接前和焊接中对压力进行实时的测量，保证了整个焊接的精度要求，整个焊接机构结构精密，能够大幅度的提高焊接效率和焊接要求。

附图说明

图1为本发明的焊接机构的部分装置示意图。

图2为本发明的下载体示意图。

图3为本发明的气体通道示意图。

图4为本发明的冷却设备示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

本发明的焊接机构包括驱动装置、温度装置、冲程模具装置、气体装置、超声波焊接装置，驱动装置控制作为冲程模具装置的动力源，而驱动装置的传动机构以减速比为1:100的无间隙减速机与驱动螺杆联合工作使得下载体向上运动。

冲程模具装置位于驱动装置的上面，冲程模具装置包括上模座和下模座，上模座和下模座之间通过四支立柱连接，下模座上设有底板，底板上设有下载体，下载体包括载盘和压盘，载盘上设有容置孔，压盘将称重传感器固定在容置孔中，称重传感器可连接计算机显示所承受的载荷，本发明的称重传感器的最大载荷为10kn，最重要的是容置孔的大小，因为称重传感器受到应力时，整体结构将随之变形，其内的应变计根据变形量而传送信号。若容置孔和称重传感器为紧配合，则结构的变形会受到限制，进而获得错误的数据，所以容置孔的尺寸需较称重传感器的最大变形量还要大。除此之外，容置孔的深度也较称重传感器来得浅，让称重传感器的上平面高于载盘，保持称重传感器上的压盘和载盘不接触，以避免载荷被载盘所分散。除此之外，由于下载体内的称重传感器元会同其上方的压盘一起进入加热区，所以压盘内含有冷却管路，管路内具有冷却水路，可以对称重传感器进行持续冷却，避免称重传感器因高温而损坏。

对于本发明的焊接机构而言，主要的工作区域为加热系统，而所需的环境温度为200℃以上的高温，因此加热需要功率大且效率高的装置。除此之外，本发明又需使用到超声波焊接设备以及称重传感器，两者皆不能承受和真空腔室内一样的高温，因此腔室的周围均需以冷却水持续降温，以避免超声波焊接设备和称重传感器的损坏，因而上接板上还设有冷却水罩之类的冷却设备。

众所周知的，焊前预热是防止冷裂纹、热裂纹和热影响区出现淬硬组织的有效措施。当焊接含碳量高的工件时，由于焊缝冷却速度快，容易在焊缝及热影响区产生淬硬组织，从而导致裂纹的产生，所以对焊件需要进行预热，预热能达到减慢冷却速度的目的，可以防止焊缝产生裂纹。对于本发明的焊接机构而言，每一种不同的焊接工件皆有其对应最适当的预热温度，因此温度的控制这项参数的调整相当地重要，甚至能决定焊接的质量的好坏，不但如此，在焊接过程中也可以提供合适的温度，合适的加热温度可以提高被焊工件的塑性和界面原子的扩散速率，能够适当软化被焊金属，可以扩大超声波金属焊接的材料范围，在超声波焊接过程中提供额外热输入，有利于在超声功率受限的情况下提高设备的焊接能力，同时为超声波焊接过程提供额外的热输入，促进焊接界面的结合。

温度装置方面，本发明的温度装置包括加热体，加热体内具有高功率的加热灯管（诸如红外线灯管），每支的功率为1000瓦，外型为ω形，整个加热体为两个半圆的灯罩围出的一个圆形，内部一共堆栈成三层加热，加热灯管就分别容置于这三层中。此外，加热体内附有一中空圆柱形的罩壳，由上接板和下接板夹住固定，罩壳除了可以隔开灯管电极与提高内部腔室安全外，也可以增加罩壳内主要冲焊接区抽真空及输入氮气的效率。

温度装置还包括温度控制装置，温度控制装置能够对加热灯管进行控制，其温控方法为在温度控制器上输入需要得到的温度，再使用热电偶接触需要测量区域，热电偶会产生信号回传给温度控制器做识别，再经由整流器对加热源输入功率的调整，到达并维持在设定温度。

另外，温度装置还具有冷水箱，冷水箱通过管道与冷却设备、压盘内的管路相连并向其提供冷却水，这样能够起到有效降温的作用。

采用真空焊技术可以连接那些用常规方法无法连接的材料，实现异种金属的有效连接。这种方法避免了以往熔化焊产生的接头部位金属性能的变化，同时由于真空的采用也阻止了外界环境对焊接表面的不良影响，从而提高了接头焊接质量。因此，本发明的焊接机构进行焊接时，内部需保持真空的气体环境，若里头含有大量的气体，不但会造成工件乃至模具的氧化，还会降低加热的速度或造成气体一并被热压入工件内。

另外，对于本发明而言，降温的过程不能直接开腔冷却，因为工件会因为温度急速的下降，而瞬间脆裂，但是在封闭的环境下冷却又需要较长时间，所以在降温时通入氮气流通，帮助腔室内的冷却，并保护工件和模具不被氧化；因此，本发明设置了气体装置。

对于本发明的焊接机构而言，将抽真空与氮气的通道合并，并埋于下载体内，具体的，载盘、下模平板、压盘上均具有贯穿成一体的气体通道，气体通道内具有导管，导管与真空泵和氮气发生装置相连，导管上还设有切换开关和真空表，由切换开关的控制切换抽真空和通氮气，真空表测量腔室内的气压。

因为下模平板的气体通道需要和腔室内做连通，而下模平板又需锁附下模具，所以在它们之间增加了下模稳固组件。下模稳固组件包括上平板和下平板，其中，下平板上设有十字沟槽，十字沟槽用于提供气体进入真空腔室的通道，上平板位于下平板的上面，上平板的中心设有圆形沟槽，圆形沟槽用于固定下模具，下平板的十字沟槽为气体流道，抽取真空时，腔室内的气体不会被下模具挡住，以及冷却通入氮气时，流道可导引气体直接冷却下模具，并由十字沟槽的底处垂直往上喷至腔室，这样避免较冷的氮气直接喷至罩壳导致龟裂，上平板的周向上还至少设有一个孔洞，孔洞内设有热电偶，这样能够为了更好的对温度进行适应性调节，热电偶暴露在腔体中的部分使用绝热陶瓷包覆，避免加热灯管的直接照射，能够得到更准确的量测温度。

本发明的换能器为压电式换能器，压电式换能器包括压电陶瓷片、金属电极片、前后盖板，压电陶瓷片、金属电极片、前后盖板通过预应力螺栓连接，预应力螺栓上设有预应力螺栓绝缘套。本发明的冷却设备直接装配在上接板上，这样可以减少冷却设备对于振幅放大器的影响，能够正常地起振，冷却设备不仅具有让冷却水保护换能器的功能，冷却设备上还设有热电偶和排气孔的通道，备提供温度装置和气体装置使用。

另外，本发明的振幅放大器的下部外表面设有测温元件，通过对温度的感测能够得知振幅放大器的温度，防止温度过高会对振幅放大器造成损坏。

本发明的下模具上设有工件槽，被焊接工件放置在工件槽内，工件槽能够起到稳定被焊接工件的作用；或者下模具上设有夹持工装，被焊接工件通过夹持工装夹持固定。

具体的，运用本发明所涉及的焊接机构所进行了焊接工艺包括如下步骤：

a).安装下模具，并将被焊接工件固定在下模具指定的位置；

b).启动驱动装置，驱动装置的驱动螺杆向上驱动，在驱动螺杆的带动下，被焊接工件向上到达指定的位置；

c).启动气体装置的真空泵，对罩壳内的腔室进行抽真空作业，然后启动气体装置的氮气发生装置，向腔室内充入氮气，使得腔室内的气压恢复常压，然后再次启动真空泵，对腔室进行抽真空作业，使得腔室内处于真空状态（5×10^-3pa以内）；通过通入氮气并且重复抽真空的方式，能够有效的保证腔室内的真空洁净程度；

d).启动加热体内的加热灯管，使得腔室内的温度逐渐升高，在启动加热体的同时，启动冷水箱，冷却水进入冷却设备和压盘内，对冷却设备和压盘内进行冷却；

e).操作温度控制装置对加热灯管进行控制，使得腔室内达到指定温度，并保持该指定温度20min；

f).启动超声波焊接装置，对被焊接工件进行焊接作用，在焊接时观测称重传感器反馈的数值，并根据反馈数值调整超声波焊接装置；

g).焊接完成后，关闭加热灯管，然后启动氮气发生装置，向腔室内充入氮气，使得腔室内逐渐降温至指定的温度；

h).取出被焊接工件，完成本次焊接工艺。

本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。