CN105081545A - 电阻点焊焊核偏移控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种电阻点焊焊核偏移控制装置及方法，该装置包括：分别设置于两块待焊板材外侧的电极杆对，其中：任一一侧的电极杆外部设有环形永磁体，该环形永磁体与所述电极杆之间绝缘；环形永磁体设置于两块待焊板材中电阻率较大的一侧或者板材厚度大的一侧。本发明装拆方便，无须对生产线进行大规模地改造；外置的环形永磁体可重复使用，应用成本低且可以应用于狭小空间的焊接；焊接过程中磁场搅拌在改善焊核偏移的同时，可以通过搅拌作用细化晶粒、改善晶粒方向性，消除成分偏析，进一步提高点焊接头力学性能。

Description

电阻点焊焊核偏移控制装置及方法

技术领域

本发明涉及的是一种金属焊接领域的技术，具体是一种电阻点焊焊核偏移控制装置及方法。

背景技术

节能减排是当今世界发展的主题，汽车轻量化可以有效提高能源利用率和降低尾气排放，而差厚差强板件匹配的应用是汽车轻量化的重要方式。据统计，汽车白车身焊点中差厚差强板连接所占比例已达到60％以上，因此保证差厚差强板电阻点焊接头的力学性能具有重要意义。然而，利用电阻点焊连接差厚板时，薄板侧散热强度大，热量主要集中于厚板侧，进而导致焊核向厚板侧偏移。同时，对差强板进行电阻点焊时，由于两种材料间热物理属性的差异(主要是电阻率)，会导致两板内的产热不平衡，因而也会导致熔核向电阻率高的那一侧偏移。点焊中的这种焊核偏移会显著减小结合面的焊核直径以及薄板侧的焊透率，从而直接导致接头的连接强度以及疲劳性能降低，给汽车整车带来了安全隐患。因此改善点焊过程中的焊核偏移问题具有重要意义。

针对在点焊中存在的熔核偏移问题，现有的解决方法主要有DeltaSpot、涂胶、不对称电极等方法。DeltaSpot是Fronius公司在2007提出的全新焊接方法，这种方法采用在电极帽与工件之间增加工艺带的方法避免电极帽的磨损以及增加接触面积。通过在薄板侧(电阻率较小侧)应用热阻较大的工艺带减小薄板侧(电阻率较小侧)的散热损失来改善差厚板(差强板)点焊中存在的熔核偏移现象，进而提高差厚板(差强板)的点焊接头性能，但是这种方法只能用在Fronius公司的集成焊枪上。采用在结合面涂胶(WeldingJournal，vol.91，Feb，2012)的方法可以增加结合面的接触电阻提高界面处生热，从而提高结合面的熔核直径达到改善接头性能的效果，但是这种方法需要在点焊前涂胶，提高了生产成本。在薄板侧(电阻率较小侧)使用较小端面直径的电极帽(焊接学报，vol.33，No.1，Jan，2011)可以增加薄板侧(电阻率较小侧)的电流密度，促进热量在薄板侧(电阻率较小侧)集中，增大结合面的焊核直径从而提高接头强度，但是采用这种方法存在通用性差、工艺复杂、修磨困难等问题。总的来说，以上几种解决方法虽然能在一定程度上解决差厚板点焊中的焊核偏移问题，但是使用起来成本高、通用性差、工艺复杂，难以大规模地用于生产制造，目前亟需一种简单可行的方法对这个问题进行解决。

电磁搅拌控制技术(简称磁控技术)通过外加磁场的非接触作用使高温金属磁流体发生有规律的高速流动，影响熔化金属的一次结晶过程，从而达到细化晶粒，提高其综合机械性能的目的。由于附加装置简单、效益高、能耗低，经过多年的研究发展，磁控技术目前己成功应用于铸造和弧焊领域。中国专利文献号CN101628358，公开了一种电磁焊接技术领域的磁控电阻点焊系统，包括：同步系统、电力变换装置、下激磁线圈、上激磁线圈、点焊焊枪和电流传感器。2013年，李永兵(WeldingJournal，vol.92,124‐132,Apr,2013)研究了外部磁场对等厚双相钢电阻点焊接头质量的改善作用，发现熔融金属在外部磁场力作用下高速冲刷熔核壁，最终形成“中间薄、两边宽”的花生壳状熔核，增大了熔核直径，提高了接头力学性能。然而，采用上述对称布置的永磁体会显著减小焊核熔深，从而导致在焊接差强差厚板材时，接合面的有效熔核直径大大减小，因此需要有针对性地采用新的永磁体布置方法，促进熔核内部的非对称搅拌，使熔融金属更多地向较弱侧板材流动。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种电阻点焊焊核偏移控制装置及方法，该方法通过在板材单侧布置永磁体，使得差强差厚板材点焊焊核中形成非对称流动，具体是使熔核内部厚板侧的液态金属向薄板侧流动，进而推动熔核向薄板侧生长，达到改善焊核偏移、增大焊核结合面面积、提高焊点力学性能的效果。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种电阻点焊焊核偏移控制装置，包括：分别设置于两块待焊板材外侧的电极杆对，其中：任一一侧的电极杆外部设有环形永磁体，该环形永磁体与所述电极杆之间绝缘。

为了使得发生焊核偏移，所述的环形永磁体优选设置于两块待焊板材中电阻率较大的一侧或者板材厚度大的一侧。

所述的环形永磁体，其充磁方向垂直于上、下层板材；该环形永磁体为空心圆柱体，内径大于电极杆的外径。

所述的绝缘，通过设置于电极杆和环形永磁体之间的绝缘套实现，该绝缘套与电极杆固定连接。

所述的绝缘套为外径呈阶梯状，内径相同的空心圆柱体，同时其内径大于电极杆外径。

所述的绝缘套，其外径较小一端的外壁与环形永磁体内壁形成过盈配合，高度与环形永磁体相同。

所述的绝缘套，其外径较大一端的外壁上中心对称地开有2～4个螺纹孔。

所述的绝缘套采用低导热率的绝缘材料制成。

所述的固定连接采用但不限于定位螺钉实现。

所述的定位螺钉为沉头螺钉，其外螺纹与绝缘套外径较大一侧的螺纹孔匹配。

本发明涉及上述装置的电阻点焊方法，包括以下步骤：

步骤一、所述装置工作前，将环形永磁体套入绝缘套外径较小一侧，然后将绝缘套套接入电极杆上，调节好位置后，旋入定位螺钉使绝缘套与电极杆相对固定；将被焊的上层板材和下层板材叠加放置于上下电极帽之间；

步骤二、设定永磁体与被焊板材之间的距离为2～10mm；

步骤三、上、下电极帽在对应电极杆的带动下相向运动，直到夹紧被焊的上、下层板材，加压使压力达到预设值；

步骤四、对电极杆施加电流，使得上、下板材接合面附近的金属被电阻热熔化。同时，熔融金属在外部磁场力的作用下在熔核内部形成非对称流动，推动熔核向薄板或低电阻率板一侧流动，最终形成点焊接头；完成焊接后停止施加电流；

步骤五、对焊接位置进行保压后打开上、下电极，上、下层板材被熔化再凝固的焊接接头固定连接，焊接过程完成。

技术效果

与现有技术相比，本发明的技术效果包括：

1)装拆方便，无须对生产线进行大规模地改造；

2)外置的永磁体可重复使用，应用成本低；

3)永磁体体积小，可以应用于狭小空间的焊接；

4)焊接过程中磁场搅拌在改善焊核偏移的同时，可以通过搅拌作用细化晶粒、改善晶粒方向性，消除成分偏析，进一步提高点焊接头力学性能。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图中：1为上电极杆，2为绝缘套，3为环形永磁体，4为较薄(电阻率较小)板材，5为较厚(电阻率较大)板材，6为定位螺钉，7为电极帽，8为下电极杆。

图2为无外部磁场下差厚板点焊示意图；

图3为施加外部磁场下差厚板点焊示意图；

图4为点焊熔核评价标准示意图；

图中：d为接合面熔核尺寸，h为薄板侧或低电阻率侧熔深，α为薄板侧或低电阻率侧熔核夹角；

图5为差厚板点焊施加单侧外部磁场的对比效果示意图；

图6为差厚板点焊施加单侧磁场的金相对比图；

图中：a为无磁场作用，b为单侧磁场作用；

图7为差强板点焊施加单侧外部磁场的对比效果示意图；

图8为差强板点焊施加单侧磁场的金相对比图；

图中：a为无磁场作用，b为单侧磁场作用。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例包括：位于较厚板材5上由外而内依次设置的环形永磁体3、绝缘套2、带有电极帽7的上电极杆1以及位于较薄板材4下的带有电极帽7的下电极杆8，其中：环形永磁体3与绝缘套2同轴套接，绝缘套2与上电极杆1通过定位螺钉6固定连接。

所述的上电极杆1和下电机杆8的外径均为16mm。

所述的电极帽7为球面平头电极帽，其外径为16mm，端面直径为5mm。

所述的环形永磁体3，其充磁方向垂直于上、下层板材；该环形永磁体3为空心圆柱体，内径比上电极杆1的外径大2mm，壁厚为5mm，高度为10mm。

所述的绝缘套2为外径呈阶梯状，内径相同的空心圆柱体，其内径比上电极杆1外径大0.2mm。

所述的绝缘套2，其外径较大一端壁厚为5mm，高度为10mm。

所述的绝缘套2，其外径较小一端外壁与环形永磁体3内壁形成过盈配合，高度与环形永磁体3相同。

所述的绝缘套2，其外径较大一端的外壁上中心对称地开有3个M5的螺纹孔。

所述的绝缘套2采用尼龙制成。

所述的定位螺钉6为M5的沉头螺钉，长度为5mm，其外螺纹与绝缘套2外径较大一侧的M5螺纹孔匹配。

本实施例中的上层板材5为1.4mm厚的高强度双相钢DP590，所述的下层板材4为0.8mm厚的高强度双相钢DP590；电极压力为2.6kN；预压时间为200ms，焊接时间为230ms，保压时间为100ms；焊接电流为8.5kA。

所述装置工作前，将环形永磁体3套入绝缘套2外径较小一侧，然后将绝缘套2套接入上电极杆1上，调节好位置后，旋入定位螺钉6使绝缘套2与上电极杆1相对固定。

本实施例具体通过以下步骤实现电阻点焊：

步骤一、将被焊的较厚板材5和较薄板材4叠加放置于上下电极帽之间；步骤二、设定环形永磁体3与较厚板材5之间的距离为3mm；

步骤三、上、下电极帽7在对应上、下电极杆1、8的带动下相向运动，直到夹紧被焊的上、下层板材4、5，加压使压力达到预设值；

步骤四、通过对上电极杆1施加电流，使得上、下板材4、5接合面附近的金属被电阻热熔化，同时，熔融金属在外部磁场力的作用下在熔核内部形成非对称流动，推动熔核向薄板或低电阻率板一侧流动，最终形成点焊接头；完成焊接后停止施加电流；

步骤五、对焊接位置进行保压后打开上、下电极杆1、8，上、下层板材4、5被熔化再凝固的焊接接头固定连接，焊接过程完成。

如图6所示，对焊后金相的熔核评价标准进行检测，检测结果列于下表1。结果显示，该单边磁控电阻点焊薄板侧熔深为0.39mm，其接合面熔核直径为5.44mm，其薄板侧熔核夹角为53.4°；而相同焊接参数下，无外加磁场的传统电阻点焊薄板侧熔深为0.275mm，其结合面熔核直径为5.21mm，其薄板侧熔核夹角为40.4°。通过力学性能检测手段可知，该磁控电阻点焊接头的拉剪力为11.6kN；相同焊接参数下，无外加磁场的传统电阻点焊接头的拉剪力为9.75kN。由此可见，在该焊核偏移控制装置的搅拌作用下，电阻点焊薄板侧熔深增加了约21％，其接合面熔核直径增加了约4.4％，其薄板侧熔核夹角增加了约31％，其接头拉剪力提高了约20％。

表1

实施例2

本实施例的熔核偏移装置与实施例1相同。

本实施例中的上层板材5为1.5mm奥氏体不锈钢301L，被焊的下层板材4为1.2mm双相钢DP590；电极压力为3.5kN；预压时间为200ms，焊接时间为200ms，保压时间为100ms；焊接电流为5.5kA。

本实施例的其他步骤与实施例1相同。

如图8所示，对焊后金相的熔核评价标准进行检测，检测结果列于下表2。结果显示，该单边磁控电阻点焊低电阻率侧熔深为0.375mm，其接合面熔核直径为4.46mm，其弱侧熔低电阻率侧熔核夹角为32.3°；而相同焊接参数下，无外加磁场的传统电阻点焊低电阻率侧熔深为0.21mm，其结合面熔核直径为4.00mm，其低电阻率侧熔核夹角为25.3°。通过力学性能检测手段可知，该磁控电阻点焊接头的拉剪力为9.4kN；相同焊接参数下，无外加磁场的传统电阻点焊接头的拉剪力为7.7kN。由此可见，在该焊核偏移控制装置的搅拌作用下，电阻点焊低电阻率侧熔深增加了约44％，其接合面熔核直径增加了约11.5％，其低电阻率侧熔核夹角增加了约27.7％，其接头拉剪力提高了约18.2％。

表2

Claims (8)

1.一种电阻点焊焊核偏移控制装置，包括：分别设置于两块待焊板材外侧的电极杆对，其中：任一一侧的电极杆外部设有环形永磁体，该环形永磁体与所述电极杆之间绝缘；

所述的环形永磁体设置于两块待焊板材中电阻率较大的一侧或者板材厚度大的一侧。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述的环形永磁体，其充磁方向垂直于上、下层板材；该环形永磁体为空心圆柱体，内径大于电极杆的外径。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征是，所述的绝缘，通过设置于电极杆和环形永磁体之间的绝缘套实现，该绝缘套与电极杆固定连接。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征是，所述的绝缘套为外径呈阶梯状，内径相同的空心圆柱体，同时其内径大于电极杆外径，其外径较小一端的外壁与环形永磁体内壁形成过盈配合，高度与环形永磁体相同。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征是，所述的绝缘套，其外径较大一端的外壁上中心对称地开有2～4个用于固定连接的螺纹孔。

6.根据权利要求3或5所述的装置，其特征是，所述的固定连接采用定位螺钉实现。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征是，所述的定位螺钉为沉头螺钉，其外螺纹与绝缘套外径较大一侧的螺纹孔匹配。

8.一种基于上述任一权利要求所述装置的电阻点焊方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、所述装置工作前，将环形永磁体套入绝缘套外径较小一侧，然后将绝缘套套接入电极杆上，调节好位置后，旋入定位螺钉使绝缘套与电极杆相对固定；将被焊的上层板材和下层板材叠加放置于上下电极帽之间；

步骤二、设定永磁体与被焊板材之间的距离为2～10mm；

步骤三、上、下电极帽在对应电极杆的带动下相向运动，直到夹紧被焊的上、下层板材，加压使压力达到预设值；

步骤四、对电极杆施加电流，使得上、下板材接合面附近的金属被电阻热熔化。同时，熔融金属在外部磁场力的作用下在熔核内部形成非对称流动，推动熔核向薄板或低电阻率板一侧流动，最终形成点焊接头；完成焊接后停止施加电流；

步骤五、对焊接位置进行保压后打开上、下电极，上、下层板材被熔化再凝固的焊接接头固定连接，焊接过程完成。