CN107199391A - 一种用于铝-钢异种板材焊接的电阻点焊装置及焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于铝‑钢异种板材焊接的电阻点焊装置及焊接方法，主要解决现有铝‑钢异种板材电阻点焊存在的铝板翘曲变形、焊接质量差、生产效率低和操作不安全的技术问题。本发明电阻点焊装置，包括中心铜电极、绝缘环、钢套、下部铜电极和绝缘销，钢套与中心铜电极同轴，钢套的内壁和中心铜电极之间设有与绝缘环厚度相匹配的间隙，中心铜电极外侧镶套绝缘环，钢套、绝缘环和中心铜电极通过绝缘销固定连接成整体构成复合电极，下部铜电极和中心铜电极同轴，复合电极和下部铜电极周边外置有冷却喷嘴。本发明装置制作成本低，焊接效率高，焊接质量高，满足了铝板和钢板焊接需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种焊接装置，特别涉及一种用于铝-钢异种板材焊接的电阻点焊装置及焊接方法，用于解决铝-钢异种板材电阻点焊焊接存在焊接质量差、生产效率低和操作不安全等问题，特别有效解决焊接接头翘曲变形问题。
背景技术
为了降低能源消耗、减少汽车尾气排放，汽车轻量化是未来必然的发展趋势。铝-钢混合材料车身是目前车身轻量化的主要发展方向之一。点焊是目前车身制造最重要的连接方法。然而，铝-钢异种板材点焊面临很多挑战，存在焊接界面脆性金属间化合物、铝板翘曲变形大等问题。铝板的翘曲变形是由于点焊加热时，焊接区局部温度快速上升，铝板发生软化，电极头压入铝板引起较大的塑性变形而导致。焊接变形的控制途径有焊前刚性固定法、焊后热处理和随焊激冷等方法。
刚性固定法是采用强制手段，例如压铁法，来控制焊接变形；车身结构复杂，曲面结构众多难以实现焊点周围的刚性固定。
中国专利申请CN 104148863A，公开了一种防焊接变形夹具,包括支撑平台和安装在支撑平台上且与支撑平台组成移动副的定位平台，定位平台包括快速夹钳；焊后热处理可以消除残余应力，防止薄板的回弹，但车身整体结构庞大，难以进行焊后热处理，同时车身制造要求很高的生产节拍，焊后热处理会严重降低生产效率。
中国专利申请CN 103205557A，公开了一种不锈钢工件焊后热处理工艺,其按以下步骤进行的：装炉→加热→保温→冷却→卸装→热处理记录→检验，随焊激冷法通过调整焊接温度场，控制焊缝和近缝区塑性应变的发展，进而达到控制焊接变形的目的。但随焊激冷法需要使用大量冷却介质，例如水等，这些冷却介质在焊接现场可能会引发生产事故，因此不适合在车身生产线使用。
中国专利申请号CN201210422537.8，公开了一种铁素体不锈钢的随焊激冷焊接方法,该方法通过在焊接过程中使用液氮进行随焊激冷，并用氩气进行保护。
现有焊接装置难以解决铝-钢异种板材电阻点焊焊接存在焊接质量差、生产效率低和操作不安全等问题，因此很有必要开发针对铝钢点焊时铝板翘曲变形的焊接变形控制方法或电阻点焊装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于铝-钢异种板材焊接的电阻点焊装置及焊接方法，主要解决现有铝-钢异种板材电阻点焊存在的铝板翘曲变形、焊接质量差、生产效率低和操作不安全的技术问题。
本发明的技术方案是：一种用于铝-钢异种板材焊接的电阻点焊装置，包括中心铜电极、绝缘环、钢套、下部铜电极和绝缘销，其特征是：钢套与中心铜电极同轴，钢套的内壁和中心铜电极之间设有与绝缘环厚度相匹配的间隙，中心铜电极外侧镶套绝缘环，钢套和绝缘环上设有相匹配的定位通孔，中心铜电极上设有和钢套、绝缘环上定位通孔相匹配的定位盲孔，钢套、绝缘环和中心铜电极通过绝缘销固定连接成整体构成复合电极，绝缘销依次穿过钢套、绝缘环上的定位通孔固定在中心铜电极上的盲孔内，下部铜电极和中心铜电极同轴，复合电极和下部铜电极周边外置有冷却喷嘴。
电阻点焊装置的中心铜电极与电阻点焊机的上底座固定连接，电阻点焊装置的下部铜电极与电阻点焊机的下底座固定连接。
焊接作业时，低温液态CO2或N2通过冷却喷嘴喷出，给复合电极、下部铜电极、焊件的焊接热影响区快速冷却，为进一步抑制铝板的翘曲变形，优选控制复合电极和下部铜电极温度≤100℃。
进一步，电阻点焊装置的钢套底部用高温硬钎料钎焊3-6只硬质耐磨钢球，硬质耐磨钢球组成的底部平面高于中心铜电极的下表面0.1～0.5mm；电阻点焊的过程中，固定在钢套上的硬质耐磨钢球以中心铜电极的轴线为轴旋转，钢球挤压焊点周围的铝板的热影响区，从而抑制铝板的翘曲变形；硬质耐磨钢球组成的底部平面高于中心铜电极的下表面0.1～0.5mm能够减少复合电极旋转阻力，同时控制铝板翘曲变形量≤0.5mm。
中心铜电极、下部铜电极的作用是传导焊接电流，中心铜电极和下部铜电极均采用耐高温、耐磨弥散强化铜合金制作，优选采用耐高温、耐磨弥散Zr/Al2O3强化铜合金制作，中心铜电极、下部铜电极与焊件接触的端部均为圆锥台端面或者均为球面。
绝缘环的作用是避免焊接电流传导至耐磨钢球，绝缘环壁厚为0.5～1mm，用聚四氟乙烯或其他绝缘材料制作，绝缘材料在250℃下能正常工作。
绝缘销的作用是把绝缘环和钢套固定在中心铜电极上并保持绝缘，绝缘销的直径为3～6mm，用聚四氟乙烯或其他绝缘材料整体制作，也可以用钢芯外包裹厚度1～1.5mm聚四氟乙烯绝缘层，绝缘材料在250℃下能正常工作。
利用上述电阻点焊装置对铝-钢异种材料进行焊接的方法，包括以下步骤：
1)将待焊钢板水平固定在电阻点焊机的焊接工作台上，将待焊铝板平置在待焊钢板的上表面并固定，使待焊铝板和待焊钢板充分接触；
2)操控复合电极从电阻点焊机的初始工位转动向下移动直至与待焊铝板上表面接触；同时，操控下部铜电极从电阻点焊机的初始工位向上移动直至与待焊钢板下表面接触；当待焊钢板下表面与下部铜电极接触后，操控复合电极转动向下移动向待焊铝板施加压力至设定压力值；
3)当复合电极与待焊铝板间压力达设定压力值时，操控复合电极保持对待焊铝板施加的压力为设定压力值并保持复合电极转动，操控冷却喷嘴喷射液态CO2或N2至复合电极、下部铜电极和焊件的焊接热影响区；
4)接通焊接电流按设定时间对待焊铝板和对待焊钢板进行焊接，焊接过程中操控复合电极保持对待焊铝板施加的压力为设定压力值并保持复合电极转动；
5)断开焊接电流，操控复合电极在焊接区域保持对铝板施加的压力为设定压力值并保持复合电极转动0.1-1秒后卸压；
6)操控复合电极和下部铜电极复位至电阻点焊机的初始工位，关闭冷却喷嘴，完成一个焊接工序。
本发明所述铝板为含有微合金的铝合金板。
本发明相比现有技术具有如下积极效果：1、本方法简单易行，电极不需要内置水冷介质，避免漏水风险，同时简化了复合电极的旋转结构。2、本方法不需要进行焊后热处理，生产效率高；3、旋转碾压的耐磨钢球可以伴随焊接过程实时抑制铝合金板发生翘曲变形；喷射液态CO2或N2可以进一步抑制焊接热影响区变形；耐磨钢球的旋转碾压可以在焊点周围形成残余压应力区进而提高焊点的疲劳寿命。
附图说明
图1是本发明电阻点焊装置焊接工矿的示意图。
图2是本发明电阻点焊装置的复合电极结构的局部轴向剖面示意图。
图3是本发明电阻点焊装置的复合电极结构的仰视图。
图中标记说明：1-中心铜电极，2-绝缘环，3-钢套，4-硬质耐磨钢球，5-下部铜电极，6-绝缘销，7-待焊铝板，8-待焊钢板，9-冷却喷嘴。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
参照附图1、2、3，一种用于铝-钢异种板材焊接的电阻点焊装置，包括中心铜电极1、绝缘环2、钢套3、下部铜电极5和绝缘销6，其特征是：钢套3与中心铜电极1同轴，钢套3的内壁和中心铜电极1之间设有与绝缘环2厚度相匹配的间隙，中心铜电极1外侧镶套绝缘环2，钢套3和绝缘环2上设有相匹配的定位通孔，中心铜电极1上设有和钢套3、绝缘环2上定位通孔相匹配的定位盲孔，钢套3、绝缘环2和中心铜电极1通过绝缘销6固定连接成整体构成复合电极，绝缘销6依次穿过钢套3、绝缘环2上的定位通孔固定在中心铜电极1上的盲孔内，下部铜电极5和中心铜电极1同轴，复合电极和下部铜电极5周边外置有冷却喷嘴9。
电阻点焊装置的中心铜电极1与电阻点焊机的上底座固定连接，电阻点焊装置的下部铜电极5与电阻点焊机的下底座固定连接。
焊接作业时，低温液态N2通过冷却喷嘴9喷出，给复合电极、下部铜电极5、焊件的焊接热影响区快速冷却，控制复合电极和下部铜电极5温度≤100℃。
中心铜电极1、下部铜电极5均采用耐高温、耐磨弥散Zr/Al2O3(锆/三氧化二铝)强化铜合金制作，中心铜电极1和下部铜电极5与焊件接触的端部均为圆锥台端面。
钢套3底部用高温硬钎料钎焊6只硬质耐磨钢球4，硬质耐磨钢球4组成的底部平面高于中心铜电极的下表面0.1-0.5mm；
绝缘环2的壁厚为0.5-1mm，用聚四氟乙烯制作。
绝缘销6的直径为3-6mm，用聚四氟乙烯整体制作。
实施例1，参照附图1、2、3，待焊铝板7、待焊钢板8的板厚均为1mm；电阻点焊装置的中心铜电极1直径为16mm，绝缘环2壁厚为0.5mm，钢套3的壁厚为6mm，硬质耐磨钢球4的球径为5mm，下部铜电极5的直径为16mm,硬质耐磨钢球4组成的底部平面高于中心铜电极的下表面0.3mm。
利用上述电阻点焊装置对铝-钢异种材料进行焊接的方法，包括以下步骤：
1)将待焊钢板8水平固定在电阻点焊机的焊接工作台上，将待焊铝板7平置在待焊钢板8的上表面并固定，使待焊铝板7和待焊钢板8充分接触；
2)操控复合电极从电阻点焊机的初始工位以180rpm的转速转动向下移动直至与待焊铝板7上表面接触，复合电极向下运动的速度为10mm/s；同时，操控下部铜电极5从电阻点焊机的初始工位向上移动直至与待焊钢板8下表面接触；当待焊钢板8下表面与下部铜电极5接触后，操控复合电极以180rpm的转速转动向下移动向待焊铝板7施加压力至2KN；
3)当复合电极与待焊铝板7间压力达2KN时，操控复合电极保持对待焊铝板7施加的压力为2KN并保持复合电极以180rpm的转速转动，操控冷却喷嘴喷射液态N2至复合电极、下部铜电极5和焊件的焊接热影响区；
4)用5KA焊接电流对待焊铝板7和对待焊钢板8进行焊接0.3s，焊接过程中操控复合电极保持对待焊铝板7施加的压力为2KN并保持复合电极以180rpm转速转动；
5)断开焊接电流，操控复合电极在焊接区域保持对铝板施加的压力为2KN并保持复合电极以180rpm的转速转动0.3s后卸压；
6)操控复合电极和下部铜电极5复位至电阻点焊机的初始工位，关闭冷却喷嘴9，完成一个焊接工序。
实施例2，参照附图1、2、3，待焊铝板7、待焊钢板8的板厚均为1.5mm；电阻点焊装置的中心铜电极1直径为16mm绝缘环2壁厚为0.8mm，钢套3的壁厚为8mm，硬质耐磨钢球4的球径为6mm，下部铜电极5的直径为16mm,硬质耐磨钢球4组成的底部平面高于中心铜电极的下表面0.5mm。
利用上述电阻点焊装置对铝-钢异种材料进行焊接的方法，包括以下步骤：
1)将待焊钢板8水平固定在电阻点焊机的焊接工作台上，将待焊铝板7平置在待焊钢板8的上表面并固定，使待焊铝板7和待焊钢板8充分接触；
2)操控复合电极从电阻点焊机的初始工位以240rpm的转速转动向下移动直至与待焊铝板7上表面接触，复合电极向下运动的速度为10mm/s；同时，操控下部铜电极5从电阻点焊机的初始工位向上移动直至与待焊钢板8下表面接触；当待焊钢板8下表面与下部铜电极5接触后，操控复合电极以240rpm的转速转动向下移动向待焊铝板7施加压力至2.5KN；
3)当复合电极与待焊铝板7间压力达2.5KN时，操控复合电极保持对待焊铝板7施加的压力为2.5KN并保持复合电极以240rpm的转速转动，操控冷却喷嘴喷射液态N2至复合电极、下部铜电极5和焊件的焊接热影响区；
4)用7.5KA焊接电流对待焊铝板7和对待焊钢板8进行焊接0.5s，焊接过程中操控复合电极保持对待焊铝板7施加的压力为2.5KN并保持复合电极以240rpm转速转动；
5)断开焊接电流，操控复合电极在焊接区域保持对铝板施加的压力为2.5KN并保持复合电极以240rpm的转速转动0.8s后卸压；
6)操控复合电极和下部铜电极5复位至电阻点焊机的初始工位，关闭冷却喷嘴9，完成一个焊接工序。
实施例3，参照附图1、2、3，待焊铝板7、待焊钢板8的板厚均为2mm；电阻点焊装置的中心铜电极1直径为16mm绝缘环2壁厚为1mm，钢套3的壁厚为10mm，硬质耐磨钢球4的球径为8mm，下部铜电极5的直径为16mm,硬质耐磨钢球4组成的底部平面高于中心铜电极的下表面0.5mm。
利用上述电阻点焊装置对铝-钢异种材料进行焊接的方法，包括以下步骤：
1)将待焊钢板8水平固定在电阻点焊机的焊接工作台上，将待焊铝板7平置在待焊钢板8的上表面并固定，使待焊铝板7和待焊钢板8充分接触；
2)操控复合电极从电阻点焊机的初始工位以300rpm的转速转动向下移动直至与待焊铝板7上表面接触，复合电极向下运动的速度为10mm/s；同时，操控下部铜电极5从电阻点焊机的初始工位向上移动直至与待焊钢板8下表面接触；当待焊钢板8下表面与下部铜电极5接触后，操控复合电极以300rpm的转速转动向下移动向待焊铝板7施加压力至3.5KN；
3)当复合电极与待焊铝板7间压力达3.5KN时，操控复合电极保持对待焊铝板7施加的压力为3.5KN并保持复合电极以300rpm的转速转动，操控冷却喷嘴喷射液态N2至复合电极、下部铜电极5和焊件的焊接热影响区；
4)用9.5KA焊接电流对待焊铝板7和对待焊钢板8进行焊接0.5s，焊接过程中操控复合电极保持对待焊铝板7施加的压力为3.5KN并保持复合电极以300rpm转速转动；
5)断开焊接电流，操控复合电极在焊接区域保持对铝板施加的压力为3.5KN并保持复合电极以300rpm的转速转动1s后卸压；
6)操控复合电极和下部铜电极5复位至电阻点焊机的初始工位，关闭冷却喷嘴9，完成一个焊接工序。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
Claims (4)
1.一种用于铝-钢异种板材焊接的电阻点焊装置，包括中心铜电极、绝缘环、钢套、下部铜电极和绝缘销，其特征是：钢套与中心铜电极同轴，钢套的内壁和中心铜电极之间设有与绝缘环厚度相匹配的间隙，中心铜电极外侧镶套绝缘环，钢套和绝缘环上设有相匹配的定位通孔，中心铜电极上设有和钢套、绝缘环上定位通孔相匹配的定位盲孔，钢套、绝缘环和中心铜电极通过绝缘销固定连接成整体构成复合电极，绝缘销依次穿过钢套、绝缘环上的定位通孔固定在中心铜电极上的盲孔内，下部铜电极和中心铜电极同轴，复合电极和下部铜电极周边外置有冷却喷嘴，钢套底部用高温硬钎料钎焊3-6只硬质耐磨钢球，硬质耐磨钢球组成的底部平面高于中心铜电极的下表面0.1～0.5mm。
2.如权利要求1所述的一种用于铝-钢异种板材焊接的电阻点焊装置，其特征是，所述中心铜电极、下部铜电极与焊件接触的端部均为圆锥台端面或者均为球面，中心铜电极和下部铜电极均采用耐高温、耐磨弥散Zr/Al2O3强化铜合金制作。
3.一种对铝-钢异种材料进行焊接的方法，采用权利要求1所述的电阻点焊装置进行焊接，其特征是，所述的方法包括以下步骤：
1)将待焊钢板水平固定在电阻点焊机的焊接工作台上，将待焊铝板平置在待焊钢板的上表面并固定，使待焊铝板和待焊钢板充分接触；
2)操控复合电极从电阻点焊机的初始工位转动向下移动直至与待焊铝板上表面接触；同时，操控下部铜电极从电阻点焊机的初始工位向上移动直至与待焊钢板下表面接触；当待焊钢板下表面与下部铜电极接触后，操控复合电极转动向下移动向待焊铝板施加压力至设定压力值；
3)当复合电极与待焊铝板间压力达设定压力值时，操控复合电极保持对待焊铝板施加的压力为设定压力值并保持复合电极转动，操控冷却喷嘴喷射液态CO2或N2至复合电极、下部铜电极和焊件的焊接热影响区；
4)接通焊接电流按设定时间对待焊铝板和对待焊钢板进行焊接，焊接过程中操控复合电极保持对待焊铝板施加的压力为设定压力值并保持复合电极转动；
5)断开焊接电流，操控复合电极在焊接区域保持对铝板施加的压力为设定压力值并保持复合电极转动0.1-1秒后卸压；
6)操控复合电极和下部铜电极复位至电阻点焊机的初始工位，关闭冷却喷嘴，完成一个焊接工序。
4.如权利要求3所述的一种对铝-钢异种材料进行焊接的方法，其特征是，焊接过程中，控制复合电极的温度≤100℃，控制下部铜电极的温度≤100℃。
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