CN107900503A - 一种基于辅助试样的异种材料连接装置 - Google Patents

一种基于辅助试样的异种材料连接装置 Download PDF

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Abstract

一种基于辅助试样的异种材料连接装置，属于异种材料连接技术领域。包括上电极、下电极、电源、导电体及辅助试样等；上、下电极通过导电体与电源相连，辅助试样在上层试样与上电极之间；辅助试样熔点T7高于上层试样熔点T5，即T7>T5；电阻点焊满足F67>F56；电极打开状态放入下和上层试样，在上层试样上、上电极下方放辅助试样，移动上、下电极并施加压力N，电源通过导电体在上、下电极间输入辅助电流I0使上层试样发生软化或者熔化，之后电源通过导电体在上、下电极间输入焊接电流I形成焊核，完成焊接过程。优点在于，操作简单、成本低廉；解决了异种材料连接强度差的问题。

Description

一种基于辅助试样的异种材料连接装置
技术领域
本发明属于异种材料连接技术领域，特别涉及一种基于辅助试样的异种材料连接装置。尤其涉及一种基于辅助试样的钢和铝合金的连接装置，适用于连接传统焊接装置不易直接焊接的异种金属。
背景技术
电阻点焊是一种重要的材料连接方法，在汽车等行业被广泛应用。其焊接过程是在压力作用下实现，焊接时必须依靠外力使得被焊工件紧密接触，焊接电流通过工件释放电阻热实现焊接。
传统电阻点焊通常采用将上层试样和下层试样置于电阻点焊设备的上电极和下电极之间，其中上电极与下电极分别通过导电体与电源相连。通过在上电极和下电极之间施加压力，将上层试样和下层试样夹紧，再通过电源输出电流，电流经过上电极、上层试样、下层试样、下电极。根据焦耳定律，在上层试样和下层试样之间产生热量，最终形成焊核，使得上层试样和下层试样之间形成冶金结合，达到连接的目的。
上述方法被广泛应用于同种材料，尤其是钢铁材料的连接中。近年来，随着轻量化材料的应用，异种材料的连接需求日益增加，传统的电阻点焊方法不能适应异种材料连接的需求。主要原因是：不同材料之间物理和化学特性差异很大，并且在不同材料之间易发生化学反应生成脆性相，造成连接强度不足。比如，在钢和铝的电阻点焊中，就遇到了很大问题，主要表现在：钢与铝合金之间的固溶度较低、物理性能差异较大。钢的熔点比铝合金的熔点高，在焊接过程中，当铝合金完全熔化为液态时，钢仍处于固态。铝合金和钢在点焊时会在连接界面处生成脆硬的金属间化合物，直接影响接头的使用性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于辅助试样的异种材料连接装置，解决了传统装置在物理及化学性能差异大的材料间焊接强度低，难以实现有效连接的问题。
一种基于辅助试样的异种材料连接装置，包括上电极1、下电极2、电源3、导电体4、上层试样5、下层试样6和辅助试样7。上电极1和下电极2通过导电体4与电源3相连接，下层试样6位于下电极2与上电极1之间，上层试样5位于下层试样6与上电极1之间，辅助试样7位于上层试样5与上电极1之间，最终在辅助试样7与下层试样6之间形成焊核。
上电极1和下电极2形状为锥形或球形，有压边功能或独立压边圈；
上层试样5、下层试样6和辅助试样7均为导电材料；
辅助试样7为圆形片状材料，由板料直接加工获得；
辅助试样7的熔点T7高于上层试样5的熔点T5，即T7>T5；下层试样6的熔点T6高于上层试样5的熔点T5，即T6>T5。
辅助试样7与下层试样6进行电阻点焊，获得的焊点强度为F67，上层试样5与下层试样6进行电阻点焊，获得的焊点接头强度为F56，满足F67>F56；即辅助试样7与下层试样6的电阻点焊性能优于上层试样5与下层试样6间的电阻点焊性能。
一种基于辅助试样的异种材料连接装置的使用方法，具体步骤如下：
1、上电极1、下电极2处于打开状态，在下电极2与上电极1之间依次放入下层试样6和上层试样5。
2、在上层试样5之上、上电极1下方放置辅助试样7。
3、移动上电极1或下电极2中的一个或者全部，使上电极1与辅助试样7相接触、下电极2与下层试样6相接触，在上电极1与下电极2之间施加压力N。
4、由电源3通过导电体4在上电极1和下电极2之间输入辅助电流I0，辅助电流维持时间T0，在电流作用下上层试样5发生软化或者熔化，在压力N作用下辅助试样7与下层试样6相接触。
5、由电源3通过导电体4在上电极1和下电极2之间输入焊接电流I，焊接电流维持时间T，在电流作用下辅助试样7与下层试样6进行焊接，形成焊核8。
6、停止输出电流，维持上电极1与下电极2之间的压力。
7、上电极1和下电极2抬起，回到步骤1中位置，完成一次焊接过程。
上电极1、下电极2的形式为锥形电极、球头电极、具有压边功能的电极或具有独立压边圈的电极。具有压边功能和独立压边圈的电极优点是，防止辅助试样7在焊接较厚材料的过程中发生变形上翘。
本发明的优点在于：有效实现异种材料的电阻点焊连接，解决了不同材料之间物理和化学特性差异大，易发生化学反应生成脆性相，造成连接强度不足的问题；辅助试样获取便利，装置操作简单、成本低廉。
附图说明
图1为本装置的连接示意图。其中，上电极1、下电极2、电源3、导电体4、上层试样5、下层试样6、辅助试样7、焊核8。
图2为本装置的具体实施例获得的钢和铝合金连接接头的剪切力位移曲线示意图。
图3为本装置的锥形电极形式示意图，其中，上电极1。
图4为本装置的球头电极形式示意图，其中，上电极1。
图5为本装置的具有压边功能的电极形式示意图，其中，上电极1。
图6为本装置的具有独立压边圈的电极形式的截面示意图，其中，上电极1、上电极压边圈9。
具体实施方式
实施例1
本发明实施例所述的一种基于辅助试样的异种材料连接装置及其使用方法如图1所示。
一种基于辅助试样的异种材料连接装置，包括上电极1、下电极2、电源3、导电体4、上层试样5、下层试样6和辅助试样7。上电极1和下电极2通过导电体4与电源3相连接，下层试样6位于下电极2与上电极1之间，上层试样5位于下层试样6与上电极1之间，辅助试样7位于上层试样5与上电极1之间，最终在辅助试样7与下层试样6之间形成焊核8。
辅助试样7为直径16mm、厚度1mm的圆片，由与下层试样6相同的板材落料直接获得。
上层试样5、下层试样6和辅助试样7均为导电材料。上层试样5为厚度1mm的5系铝合金材料；下层试样6为厚度为1mm的400Mpa低合金高强钢材料，下层试样6表面镀锌；上电极1、下电极2均为铬锆铜材料，电极直径5.5mm。
5系铝合金材料的上层试样5、低合金高强钢材料的下层试样6和低合金高强钢材料的辅助试样7均为导电材料。
本实施例中，5系铝合金材料的上层试样5的熔点T5，为638℃,；低合金高强钢材料的辅助试样7的熔点T7和下层试样6的熔点T6，为1510℃,均高于上层试样5的熔点T5。
5系铝合金材料的上层试样5与低合金高强钢材料的下层试样6之间，因金属间化合物的存在，通过焊接方式无法形成牢固的焊接接头。
低合金高强钢材料的辅助试样7的熔点T7高于5系铝合金材料的上层试样5的熔点T5，即T7>T5。
低合金高强钢材料的下层试样6的熔点T6高于5系铝合金材料的上层试样5的熔点T5，即T6>T5。
低合金高强钢材料的辅助试样7与低合金高强钢材料的下层试样6的电阻点焊性能优于5系铝合金材料的上层试样5与低合金高强钢材料的下层试样6间的电阻点焊性能。即低合金高强钢材料的辅助试样7与低合金高强钢材料的下层试样6进行电阻点焊，获得的焊点强度为F67，5系铝合金材料的上层试样5与低合金高强钢材料的下层试样6进行电阻点焊，获得的焊点接头强度为F56，满足F67>F56。
本实施例所述装置的使用方法，具体步骤及参数如下：
1、上电极1、下电极2处于打开状态，在下电极2与上电极1之间依次放入低合金高强钢材料的下层试样6和5系铝合金材料的上层试样5。
2、为连接低合金高强钢材料的下层试样6和5系铝合金材料的上层试样5，在5系铝合金材料的上层试样5之上、上电极1下方放置低合金高强钢材料的辅助试样7。
3、移动上电极1或下电极2中的一个或者全部，使上电极1与低合金高强钢材料的辅助试样7相接触、下电极2与低合金高强钢材料的下层试样6相接触，在上电极1与下电极2之间施加压力N。
4、由电源3通过导电体4在上电极1和下电极2之间输入辅助电流I0，辅助电流维持时间T0，在电流作用下，5系铝合金材料的上层试样5发生软化或者熔化，在压力N作用下，低合金高强钢材料的辅助试样7与低合金高强钢材料的下层试样6相接触。
5、由电源3通过导电体4在上电极1和下电极2之间输入焊接电流I，焊接电流维持时间T，在电流作用下，低合金高强钢材料的辅助试样7与低合金高强钢材料的下层试样6进行焊接，形成焊核8。
6、停止输出电流，维持上电极1与下电极2之间的压力。
7、上电极1和下电极2抬起，回到步骤1中的位置，完成一次焊接过程。
本实施例中，仅用I0、I表征辅助电流和焊接电流，但并不限制I0、I为恒定值。即辅助电流I0、焊接电流I的形式包括但不限于下述类型：直流电流、交流电流、脉冲电流、逐渐增加的电流、逐渐减小的电流、不同波形的电流等。
本实施例中，仅用N表征连接过程中的压力，在连接的不同阶段N值可以是变化的。
本实施例中，工艺参数的选择与上层试样5、下层试样6以及辅助试样7的材料与厚度紧密相关。对于本实施例所述材料和规格的工艺参数，如下表所示：
本实施例获得的5系铝合金材料的上层试样5与低合金高强钢材料的下层试样6之间的连接接头的剪切力超过4kN，如图2所示。
本实施例中，电极的形式可以是锥形电极，如图3所示；可以是球头电极，如图4所示；可以是如图5所示具有压边功能的电极；可以是如图6所示的具有独立压边圈的电极。如图5和6所示装置的优点是，防止辅助试样7在焊接较厚材料的过程中发生变形上翘。其中，图3-图6仅示例了上电极1的形式，下电极2与上电极形式相同。

Claims (7)

1.一种基于辅助试样的异种材料连接装置，其特征在于，包括上电极(1)、下电极(2)、电源(3)、导电体(4)、上层试样(5)、下层试样(6)和辅助试样(7)；上电极(1)和下电极(2)通过导电体(4)与电源(3)相连接，下层试样(6)位于下电极(2)与上电极(1)之间，上层试样(5)位于下层试样(6)与上电极(1)之间，辅助试样(7)位于上层试样(5)与上电极(1)之间，最终在辅助试样(7)与下层试样(6)之间形成焊核(8)。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的上电极(1)和下电极(2)形状为锥形或球形，有压边功能或独立压边圈。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的上层试样(5)、下层试样(6)和辅助试样(7)均为导电材料。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的辅助试样(7)为圆形片状材料，由板料直接加工获得。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的辅助试样(7)的熔点T7高于上层试样(5)的熔点T5，即T7>T5；下层试样6的熔点T6高于上层试样(5)的熔点T5，即T6>T5。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的辅助试样(7)与下层试样(6)进行电阻点焊，获得的焊点强度为F67，上层试样(5)与下层试样(6)进行电阻点焊，获得的焊点接头强度为F56，满足F67>F56。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置操作步骤如下：
1)上电极(1)、下电极(2)处于打开状态，在下电极(2)与上电极(1)之间依次放入下层试样(6)和上层试样(5)；
2)在上层试样(5)之上、上电极(1)下方放置辅助试样(7)；
3)移动上电极(1)或下电极(2)中的一个或者全部，使上电极(1)与辅助试样(7)相接触、下电极(2)与下层试样(6)相接触，在上电极(1)与下电极(2)之间施加压力N；
4)由电源(3)通过导电体(4)在上电极(1)和下电极(2)之间输入辅助电流I0，辅助电流维持时间为T0，在电流作用下上层试样(5)发生软化或者熔化，在压力N作用下辅助试样(7)与下层试样(6)相接触；
5)由电源(3)通过导电体(4)在上电极(1)和下电极(2)之间输入焊接电流I，焊接电流维持时间为T，在电流作用下辅助试样(7)与下层试样(6)进行焊接，形成焊核(8)；
6)停止输出电流，维持上电极(1)与下电极(2)之间的压力；
7)上电极(1)和下电极(2)抬起，回到步骤1)中位置，完成一次焊接过程。
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