CN107999947B - 一种钢-铝异种材料工艺带辅助电阻点焊方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钢‑铝异种材料工艺带辅助电阻点焊技术，属于材料焊(连)接技术领域。本发明根据工艺带材料的物理性能特点，将不锈钢工艺带放在铜电极与铝合金工件之间，防止铜/铝界面冶金反应；将低碳钢工艺带放在铜电极与钢工件之间，减小钢工件表面压痕深度，避免工艺带与钢工件粘连，提高点焊头质量。通过优化电阻点焊工艺参数，控制界面金属间化合物层厚度≤5μm，提高点焊接头的力学性能。本发明的钢‑铝异种材料工艺带辅助电阻点焊技术的工艺步骤为：焊前清除工件表面杂质→将不锈钢工艺带放在铜电极与铝合金工件之间；低碳钢工艺带放在铜电极与钢工件之间→采用优化的点焊工艺参数→进行钢‑铝异种材料工艺带辅助电阻点焊。

Description

一种钢-铝异种材料工艺带辅助电阻点焊方法

技术领域

本发明涉及冶金、材料、机械、汽车、轨道客车及军工等技术领域的钢-铝异种材料工艺带辅助电阻点焊技术，属于材料焊(连)接技术领域。

背景技术

随着能源危机和环境污染问题的不断加剧，作为制造业支柱产业的汽车、轨道客车等工业正面临着越来越严峻的挑战。车辆轻量化、节能、环保和安全已成为发展的必然趋势。研究结果证明，汽车质量每减轻10％，油耗下降6～8％，排放量下降4％；同时汽车轻量化还可提高汽车的比功率、减小整车的惯性，使汽车的动力、制动性能得到提高。因此，汽车轻量化是降低油耗、减少排放及提升安全性的重要技术措施之一。

目前，国内外汽车轻量化的实现途径和关键技术主要包括三个方面：一是结构轻量化设计与优化；二是轻量化材料的应用；三是新型制造工艺技术的使用。高强钢(超高强钢)是主要的汽车轻量化材料，其次是铝合金、镁合金、复合材料及高分子材料等。在汽车设计和制造中采用结构轻量化设计和增加高强钢(超高强钢)、铝合金等轻质材料的使用量是实现汽车轻量化最直接有效的方法。因此，钢-铝混合车身成为汽车工业领域实现轻量化的主要设计思路和技术途径。随之而来的钢-铝异种材料的焊(连)接成为亟待解决的问题。由于钢和铝的物理、化学及冶金性能存在显著的差异，且焊接区极易形成脆性的金属间化合物，导致钢-铝异质材料的焊(连)接性极差，严重恶化接头的使用性能和焊(连)接质量。这已成为制约汽车、轨道客车轻量化技术发展的关键技术问题之一。迄今为止，在汽车乃至整个制造业中钢-铝异种材料的连接主要采用铆接、螺栓、轧制、粘接等机械连接技术，不仅工艺复杂、生产效率低、外观质量差，而且钢与铝未实现牢固的冶金结合。焊接是实现异种材料冶金结合的连接技术，被广泛应用于各工业领域。面对能源危机和环境污染问题的严峻挑战及轻量化技术的迫切需求，钢-铝异质材料的连接已成为该领域研究的热点和前沿课题。电阻点焊是汽车、轨道客车制造中广泛使用的焊接技术之一。目前，采用传统的电阻点焊方法焊接钢-铝异质材料存在的主要问题是：(1)由于电阻点焊过程中铜电极与铝工件之间发生铜/铝界面冶金反应，导致电极烧损严重，其使用寿命明显降低，低碳钢、高强钢点焊的电极寿命可以达几千个焊点，而铝合金点焊的电极寿命仅为几十个焊点；(2)由于铜电极与铝工件之间发生冶金反应，导致点焊过程中飞溅增多，焊点表面质量降低，接头力学性能及焊接质量不稳定；(3)点焊热输入低时，形成小的熔核和不连续的钢/铝界面层，降低接头的力学性能；过大的点焊热输入在钢/铝界面形成过量的金属间化合物(金属间化合物层厚度＞5μm)，明显恶化接头的力学性能；(4)与低碳钢、高强钢相比，铝合金有相对小的电阻率和相对大的导热系数，因此，需要相对更大的热输入(或更大容量的点焊机)。研究结果证明，通过加入工艺带和优化电阻点工艺参数(热输入)形成钢-铝异种材料工艺带辅助电阻点焊技术，有利于解决钢-铝异质材料电阻点焊存在的上述主要问题。该技术在冶金、材料、机械、汽车、轨道客车及军工等领域具有重要的实用价值和广阔的应用前景。

技术内容

本发明的目的是提供一中钢-铝异种材料工艺带辅助电阻点焊技术，该技术针对采用传统的电阻点焊方法焊接钢-铝异种材料存在的主要问题，在铜电极与工件之间加入不锈钢、低碳钢工艺带，防止铜/铝界面冶金反应，提高电极使用寿命，减少焊接飞溅，改善焊点表面质量，提高接头性能及焊接质量的稳定性。同时，工艺带的体电阻及其与工件之间的接触电阻也有利于增加点焊的热输入、熔核直径及接头力学性能。通过优化电阻点焊工艺参数(预热参数和焊接参数)优化焊接热输入，增加熔核直径，促进形成连续的钢/铝界面层，并控制界面金属间化合物层厚度＜5μm，提高接头力学性能，此外，优化焊接热输入也有利于减少焊接飞溅，改善点焊接头质量。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种钢-铝异种材料工艺带辅助电阻点焊技术，按以下工艺步骤进行：

(1)焊前准备：钢-铝异种材料工艺带辅助电阻点焊为搭接接头，焊前清除钢、铝工件表面的锈斑、氧化膜、污物等杂质，改善钢和铝的结合性能。

(2)点焊工艺带：钢-铝电阻点焊采用奥氏体不锈钢和低碳钢两种材料的工艺带。将不锈钢工艺带放在铜电极与铝合金工件之间，防止铜/铝界面冶金反应，提高电极使用寿命，减少焊接飞溅，改善焊点表面质量，提高接头性能及焊接质量的稳定性，同时，利用奥氏体不锈钢电阻率较大的特点，可增加电阻点焊的热输入、熔核直径及接头力学性能；将低碳钢工艺带放在铜电极与钢工件之间，减小钢工件表面压痕深度，避免工艺带与钢工件粘连(低碳钢的电阻率小于不锈钢的电阻率)，改善焊点表面质量，同时，低碳钢工艺带的体电阻及其与钢工件的接触电阻也有利于增加点焊的热输入、熔核直径及接头力学性能。

(3)点焊工艺参数：钢-铝异种材料工艺带辅助电阻点焊采用预热焊接工艺。通过优化预热参数提高塑性变形能力，改善电极与工件及钢/铝界面接触条件，减少飞溅提高焊接质量；通过优化焊接参数优化热输入，增加熔核直径，促进形成连续的钢/铝界面层，并控制界面金属间化合物层厚度＜5μm，提高接头的力学性能，此外，优化焊接热输入也有利于减少焊接飞溅，改善点焊接头质量，不同的钢和铝合金工件的板厚组合采用不同的预热参数和焊接参数：

a)钢和铝合金工件的板厚组合为0.6-0.8mm+0.8-1.0mm时，电阻点焊的预热参数为：预热电流5-6kA、预热时间50ms、电极压力2.5-3.5kN；焊接参数为：焊接电流11-12kA、焊接时间200-230ms、电极压力2.5-3.5kN；

b)钢和铝合金工件的板厚组合为1.0-1.2mm+1.2-1.5mm时，预热参数为：预热电流6.5-7.5kA、预热时间50ms、电极压力3.5-4.5kN；焊接参数为：焊接电流13-15kA，焊接时间250-270ms，电极压力3.5-4.5kN；

c)钢和铝合金工件的板厚组合为1.2-1.5mm+1.6-1.8mm时，预热参数为：预热电流8-9kA、预热时间50ms、电极压力4.5-5.5kN；焊接参数为：焊接电流16-18kA，焊接时间280-300ms，电极压力4.5-5.5kN。

采用本发明的方法进行钢-铝异种材料工艺带辅助电阻点焊，达到的性能指标如下：

(1)电阻点过程稳定，焊接飞溅减少，点焊接头成形良好，无气孔、裂纹、未连接等缺陷，钢/铝界面层连续且界面层厚度＜5μm。

(2)钢和铝合金工件的板厚组合为0.6-0.8mm+0.8-1.0mm时，工艺带辅助电阻点焊接头的拉剪载荷为3.0-3.5kN,压痕率8.5-11.3％，连续焊200个焊点电极无明显烧损。与传统的电阻点焊相比(接头拉剪载荷2.1-2.4kN，压痕率22.1-25.6％，连续焊50个焊点电极烧损严重)，接头拉剪载荷提高45％以上，压痕率降低55％以上，电极使用寿命明显提高。

(3)钢和铝合金工件的板厚组合为1.0-1.2mm+1.2-1.5mm时，工艺带辅助电阻点焊接头的拉剪载荷为4.2-4.8kN，压痕率4.4-6.0％，连续焊200个焊点电极无明显烧损。与传统的电阻点焊相比(接头拉剪载荷3.2-4.0kN，接头压痕率6.1-8.9％，连续焊50个焊点电极烧损严重)，接头拉剪载荷提高20％以上，接头压痕率降低25％以上，电极使用寿命明显提高。

(4)钢和铝合金工件的板厚组合为1.2-1.5mm+1.6-1.8mm时，工艺带辅助电阻点焊接头的拉剪载荷为4.6-5.3kN,压痕率3.8-5.9％，连续焊200个焊点电极无明显烧损。与传统的电阻对焊相比(接头拉剪载荷3.5-4.1kN，接头压痕率5.8-8.5％，连续焊50个焊点电极烧损严重)，接头拉剪载荷提高25％以上，压痕率降低30％以上，电极使用寿命明显提高。

研究结果表明，与传统的电阻点焊相比，钢-铝异种材料工艺带辅助电阻点焊技术的突出优点是，有利于解决传统电阻点焊存在的主要问题：(1)将不锈钢工艺带放在铜电极与铝合金工件之间，可防止铜/铝界面冶金反应，提高电极使用寿命，减少焊接飞溅，改善焊点表面质量，提高接头性能及焊接质量不稳定性，同时，利用奥氏体不锈钢电阻率较大的特点，可增加电阻点焊的热输入、熔核直径及接头力学性能；将低碳钢工艺带放在铜电极与钢工件之间，可减小钢工件表面压痕深度，避免工艺带与钢工件粘连，改善焊点表面质量，同时，低碳钢工艺带的体电阻及其与钢工件的接触电阻也有利于增加点焊的热输入、熔核直径及接头力学性能。(2)通过优化电阻点焊工艺参数优化焊接热输入，有利于增加熔核直径，促进形成连续的钢/铝界面层，并控制界面金属间化合物层厚度＜5μm，提高点焊接头的力学性能，此外，优化焊接热输入也有利于减少焊接飞溅，改善点焊接头质量。以板厚组合0.6-0.8mm+0.8-1.0mm的钢-铝电阻点焊为例：与传统的电阻点焊相比，钢-铝工艺带辅助电阻点焊接头的拉剪载荷提高45％以上，压痕率降低55％以上，电极使用寿命明显提高。

附图说明

图1是钢-铝异种材料工艺带辅助电阻点焊示意图。

图2是钢-铝异种材料工艺带辅助电阻点焊接头。

图3是钢-铝异种材料工艺带辅助电阻点焊接头钢/铝界面金属间化合物层。

图4是钢-铝异种材料工艺带辅助电阻点焊接头铝合金表面焊点形貌。

图5是钢-铝异种材料工艺带辅助电阻点焊接头钢表面焊点形貌。

图6是钢-铝异种材料工艺带辅助电阻点焊接头拉剪断口形貌(钮扣断裂模式)。

图中：E-铜电极，PT1-奥氏体不锈钢工艺带，PT2-低碳钢工艺带，B1-铝合金母材，B2-钢母材，N-铝合金熔核，F-钢/铝界面，IMC-钢/铝界面金属间化合物层。

具体实施方式

下面举例说明本发明的具体实施方式。

实施例1.采用本发明的方法进行16Mn钢和6063铝合金异种材料工艺带辅助电阻点焊，板厚组合为0.6mm+1.0mm。焊前清除钢板和铝板表面的锈斑、氧化膜、污物等杂质；预热电流5.5kA、预热时间50ms、电极压力3kN；焊接参数为：焊接电流11.5kA、焊接时间220ms、电极压力3kN。电阻点焊接头的拉剪载荷为3.4kN(钮扣断裂模式),压痕率9.6％，连续焊200个焊点电极无明显烧损。与传统的电阻点焊相比，接头拉剪载荷提高47.1％，压痕率降低55.9％，电极使用寿命明显提高。

实施例2.采用本发明的方法进行DP980钢-5083铝合金异种材料工艺带辅助电阻点焊，板厚组合为1.0mm+1.5mm。焊前清除钢板和铝板表面的锈斑、氧化膜、污物等杂质；预热参数为：预热电流7kA、预热时间50ms、电极压力4.0kN；焊接参数为：焊接电流14kA、焊接时间260ms、电极压力4.0kN。电阻点焊接头的拉剪载荷为4.5kN(钮扣断裂模式),压痕率5.8％，连续焊200个焊点电极无明显烧损。与传统的电阻点焊相比，接头拉剪载荷提高22.2％，接头压痕率降低26.1％，电极使用寿命明显提高。

实施例3.采用本发明的方法进行DP1180钢-6082铝合金异种材料工艺带辅助电阻点焊，板厚组合为1.5mm+1.6mm。焊前清除钢板和铝板表面的锈斑、氧化膜、污物等杂质；预热参数为：预热电流8.5kA、预热时间50ms、电极压力5.0kN；焊接参数为：焊接电流17kA、焊接时间300ms、电极压力5.0kN。电阻点焊接头的拉剪载荷为5.1kN(钮扣断裂模式),压痕率4.9％，连续焊200个焊点电极无明显烧损。与传统的电阻点焊相比，接头拉剪载荷提高28.3％，接头压痕率降低26.7％，电极使用寿命明显提高。

Claims (1)

1.一种钢-铝异种材料工艺带辅助电阻点焊方法，其特征在于，按以下工艺步骤进行：

(1)焊前准备：钢-铝异种材料工艺带辅助电阻点焊为搭接接头，焊前清除钢、铝工件表面的锈斑、氧化膜、污物杂质，改善钢和铝的结合性能；

(2)点焊工艺带：钢-铝电阻点焊采用奥氏体不锈钢和低碳钢两种材料的工艺带，将不锈钢工艺带放在铜电极与铝合金工件之间，防止铜/铝界面冶金反应；将低碳钢工艺带放在铜电极与钢工件之间，减小钢工件表面压痕深度，避免工艺带与钢工件粘连；

(3)点焊工艺参数：钢-铝异种材料工艺带辅助电阻点焊采用预热焊接工艺，控制界面金属间化合物层厚度≤5μm，不同的钢和铝合金工件的板厚组合采用不同的预热参数和焊接参数：

所述钢和铝合金工件的板厚组合为0.6-0.8mm+0.8-1.0mm时，预热参数为：预热电流5-6kA、预热时间50ms、电极压力2.5-3.5kN；焊接参数为：焊接电流11-12kA、焊接时间200-230ms、电极压力2.5-3.5kN；

所述钢和铝合金工件的板厚组合为1.0-1.2mm+1.2-1.5mm时，预热参数为：预热电流6.5-7.5kA、预热时间50ms、电极压力3.5-4.5kN；焊接参数为：焊接电流13-15kA，焊接时间250-270ms，电极压力3.5-4.5kN；

所述钢和铝合金工件的板厚组合为1.2-1.5mm+1.6-1.8mm时，预热参数为：预热电流8-9kA、预热时间50ms、电极压力4.5-5.5kN；焊接参数为：焊接电流16-18kA，焊接时间280-300ms，电极压力4.5-5.5kN。

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