CN110877147B - 一种钢和铝的非对称电阻点焊方法 - Google Patents

一种钢和铝的非对称电阻点焊方法 Download PDF

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Abstract

一种钢和铝的非对称电阻点焊方法，它属于焊接技术领域，具体涉及一种铝和钢的电阻点焊方法。本发明的目的是要解决现有钢和铝的焊接件结合强度不高的问题。点焊方法：一、板材前处理，并以搭接形式装配；二、电极头选取；三、预处理；四、点焊；五、顶锻，即完成钢和铝的非对称电阻点焊。优点：一、焊接过程不产生粘结现象，表面质量良好。二、接头性能良好。三、工艺简单、生产效率高、成本低且点焊接头质量良好，易于生产应用。四、点焊接头拉剪力达到4kN以上。本发明主要用于钢和铝的焊接。

Description

一种钢和铝的非对称电阻点焊方法
技术领域
本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种铝和钢的电阻点焊方法。
背景技术
铝及铝合金由于其具有优良的特性，如抗腐蚀性能强、密度低、延展性好易加工、价格经济实惠等，因此被广泛应用在各个行业中。钢在当今的生产制造业中，是应用范围最广的金属材料，其依然位于主导地位。为了能更好地利用两种材料的特性，既保证强度达到安全可靠使用性，又减轻重量降低成本，将铝和钢异种金属连接起来使用不失为一种好方法。如在汽车制造中，用铝及铝合金工件取代钢材工件后，汽车的整体重量会有明显下降，而当汽车整体重量下降10％时，燃油的效率会对应提升6～8％。目前，部分汽车结构件制造已用铝代替了钢，铝/钢焊接复合结构在汽车制造中得到较为普遍的应用。
这样也就不可避免的存在铝及铝合金工件和钢材工件进行焊接的问题，而铝和钢的热物理性能和化学性能相差较大，钢的熔点为1538℃，铝的熔点为660℃，两者之间熔点差异较大，使得焊接时低熔点铝发生熔化，而高熔点钢几乎不熔化，仍处于固态；铝的线膨胀系数约为钢的1.97倍，热导率约为钢的3.35倍，使得钢和铝在焊接过程中极易产生很大的焊接应力，使得焊接接头和母材发生极大的变形。当焊接应力十分大时，还会在焊缝中形成大量的裂纹，使得焊接接头的力学性能变差；铝铁化学相容性较差，在600℃下铝铁原子反应极易生成大量铝铁金属间化合物，增大接头脆性；此外，两者的导热性能、腐蚀性能也存在明显差异。导致钢/铝之间的有效焊接是个很大的难题，焊接件结合强度不高(点焊接头拉剪力一般低于3kN)，导致使用性能差。
发明内容
本发明的目的是要解决现有钢和铝的焊接件结合强度不高的问题，而提供一种钢和铝的非对称电阻点焊方法。
一种钢和铝的非对称电阻点焊方法，具体是按以下步骤完成的：
一、板材前处理：①、对含铝板材进行机械打磨去除含铝板材进表面的氧化铝薄膜，得到前处理后含铝板材；②、采用丙酮对钢板表面进行清洗，得到前处理后钢板，然后将前处理后含铝板材和前处理后钢板以搭接形式装配；
二、电极头选取：电极头的材质为Al2O3Cu合金，钢板侧选用平面电极头，含铝板材侧选用球面电极头或环形复合电极头；
三、预处理：在点焊焊接前先进行预处理，先施加预压力，当预压力稳定时，施加脉冲电流，预压力为Fp，预压时间为tFp，脉冲电流为Ip，脉冲电流持续时间为tIp，tIp＜tFp；
四、点焊：先施加电极压力，当电极压力稳定时，施加焊接电流，电极压力为Fw，Fw＜Fp，焊接电流为Iw，Ip＜Iw，焊接电流持续时间为tIw；
五、顶锻：施加顶锻压力，顶锻压力为Fu，Fp＜Fu，顶锻时间为tFu，即完成钢和铝的非对称电阻点焊。
本发明原理及优点：
一、氧化铝铜也叫弥散强化铜，该铜合金材料是用12nm～25nm的Al2O3微粒强化铜的基体，细小坚硬的Al2O3粒子均匀弥散分布在铜基体上，阻碍了位错的运动，大大提高了基体的强度；且弥散相的加入量只占基体极小的体积分数，几乎不影响基体金属固有的物理化学性能，导电导热性与纯铜接近，并且有良好的抗高温软化、抗电弧侵蚀和抗磨损能力；因此本发明电极头的材质为Al2O3Cu合金，焊接过程不产生粘结现象，表面质量良好。
二、本发明采用非对称焊接方法，可改善焊接过程中电流密度分布状况，使热量得到平衡，接头性能良好。
三、本发明的焊接过程中既不需要加入工艺垫板以防止电极与工件的粘连，也不需填加中间层以抑制铝钢界面金属间化合物层的生成，工艺简单、生产效率高、成本低且点焊接头质量良好，易于生产应用。
四、本发明焊接前预压增大导电面积，增加物理接触点，脉冲电流使连接处形成初始塑性环，焊后施加顶锻，防止缩孔裂纹等缺陷产生，获得性能良好的接头。
五、本发明钢和铝的非对称电阻点焊的点焊接头拉剪力达到4kN以上。
附图说明
图1是本发明钢和铝的非对称电阻点焊示意图，图中1表示球面电极头或环形复合电极头，2表示平面电极头，3表示含铝板材，4表示钢板；
图2是本发明预处理、点焊和顶锻过程中压力和电流随时间变化曲线图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式是一种钢和铝的非对称电阻点焊方法，具体是按以下步骤完成的：
一、板材前处理：①、对含铝板材进行机械打磨去除含铝板材进表面的氧化铝薄膜，得到前处理后含铝板材；②、采用丙酮对钢板表面进行清洗，得到前处理后钢板，然后将前处理后含铝板材和前处理后钢板以搭接形式装配；
二、电极头选取：电极头的材质为Al2O3Cu合金，钢板侧选用平面电极头，含铝板材侧选用球面电极头或环形复合电极头；
三、预处理：在点焊焊接前先进行预处理，先施加预压力，当预压力稳定时，施加脉冲电流，预压力为Fp，预压时间为tFp，脉冲电流为Ip，脉冲电流持续时间为tIp，tIp＜tFp；
四、点焊：先施加电极压力，当电极压力稳定时，施加焊接电流，电极压力为Fw，Fw＜Fp，焊接电流为Iw，Ip＜Iw，焊接电流持续时间为tIw；
五、顶锻：施加顶锻压力，顶锻压力为Fu，Fp＜Fu，顶锻时间为tFu，即完成钢和铝的非对称电阻点焊。
本实施方式步骤一中得到的前处理后铝合金A6061板要在72h内使用，若操作72h，需要重新机械打磨。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤一①中所述含铝板材为铝合金A6061板或纯铝板，厚度不大于2mm。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同点是：步骤一②中所述钢板为Q235钢板，厚度不大于2mm。其他与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同点是：步骤二中所述平面电极头的端面直径为10mm～12mm，所述球面电极头或环形复合电极头的端面直径为6mm～8mm。其他与具体实施方式一至三相同。
当平面电极头的端面直径为10mm～12mm，球面电极头或环形复合电极头的端面直径为6mm～8mm时，一个焊点的有效作用区域为30mm×30mm，即当搭接区域为30mm×30mm时，只需要一个焊点即可，当搭接区域＞30mm×30mm时，则重复步骤三至五操作，按焊点的有效作用区域均布设置焊点进行焊接。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同点是：步骤三中预压力为Fp，Fp＝3.5kN～4kN，预压时间为tFp，tFp＝60ms～80ms，脉冲电流为Ip，Ip＝6kA～10kA，脉冲电流持续时间为tIp，tIp＝50ms～70ms，且tIp＜tFp。其他与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同点是：步骤四中电极压力为Fw，Fw＝1.7kN～3kN，焊接电流为Iw，Iw＝14kA～24kA，焊接电流持续时间为tIw，tIw＝200ms～280ms。其他与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同点是：步骤五中顶锻压力为Fu，Fu＝3.5kN～5kN，且Fp＜Fu，顶锻时间为tFu，tFu＝15ms～40ms。其他与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同点是：步骤二中所述的Al2O3Cu合金中Al2O3的质量分数为0.6％，硬度HRB为75，导电率85％IACS。其他与具体实施方式一至七相同。
本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。
采用下述试验验证本发明效果
实施例1：一种钢和铝的非对称电阻点焊方法，具体是按以下步骤完成的：
一、板材前处理：①、对铝合金A6061板进行机械打磨去除含铝板材进表面的氧化铝薄膜，得到前处理后铝合金A6061板；所述铝合金A6061板的厚度为2mm，长度为100mm，宽度为30mm；②、采用丙酮对Q235钢板表面进行清洗，得到前处理后Q235钢板，然后将前处理后含铝板材和前处理后钢板以搭接形式装配，搭接长度为30mm；所述Q235钢板的厚度为2mm，长度为100mm，宽度为30mm；
二、电极头选取：电极头的材质为Al2O3Cu合金，钢板侧选用平面电极头，端面直径为10mm；含铝板材侧选用球面电极头，端面直径为6mm；
三、预处理：在点焊焊接前先进行预处理，先施加预压力，当预压力稳定时，施加脉冲电流，预压力为Fp，Fp＝3.5kN，预压时间为tFp，tFp＝80ms，脉冲电流为Ip，Ip＝6kA，脉冲电流持续时间为tIp，tIp＝50ms；
四、点焊：先施加电极压力，当电极压力稳定时，施加焊接电流，电极压力为Fw，Fw＝2kN，焊接电流为Iw，Iw＝22kA，焊接电流持续时间为tIw，tIw＝280ms；
五、顶锻：施加顶锻压力，顶锻压力为Fu，Fu＝4kN，顶锻时间为tFu，tFu＝15ms，即完成钢和铝的非对称电阻点焊。
实施例1步骤二中所述的Al2O3Cu合金中Al2O3的质量分数为0.6％，硬度HRB为75，导电率85％IACS。
通过检测可知实施例1中钢和铝的非对称电阻点焊的点焊接头剪切力约5kN。
实施例2：一种钢和铝的非对称电阻点焊方法，具体是按以下步骤完成的：
一、板材前处理：①、对铝合金A6061板进行机械打磨去除含铝板材进表面的氧化铝薄膜，得到前处理后铝合金A6061板；所述铝合金A6061板的厚度为2mm，长度为100mm，宽度为30mm；②、采用丙酮对Q235钢板表面进行清洗，得到前处理后Q235钢板，然后将前处理后含铝板材和前处理后钢板以搭接形式装配，搭接长度为30mm；所述Q235钢板的厚度为2mm，长度为100mm，宽度为30mm；
二、电极头选取：电极头的材质为Al2O3Cu合金，钢板侧选用平面电极头，端面直径为10mm；含铝板材侧选用球面电极头，端面直径为6mm；
三、预处理：在点焊焊接前先进行预处理，先施加预压力，当预压力稳定时，施加脉冲电流，预压力为Fp，Fp＝3.5kN，预压时间为tFp，tFp＝60ms，脉冲电流为Ip，Ip＝7kA，脉冲电流持续时间为tIp，tIp＝50ms；
四、点焊：先施加电极压力，当电极压力稳定时，施加焊接电流，电极压力为Fw，Fw＝2.1kN，焊接电流为Iw，Iw＝20kA，焊接电流持续时间为tIw，tIw＝200ms；
五、顶锻：施加顶锻压力，顶锻压力为Fu，Fu＝4.5kN，顶锻时间为tFu，tFu＝15ms，即完成钢和铝的非对称电阻点焊。
实施例1步骤二中所述的Al2O3Cu合金中Al2O3的质量分数为0.6％，硬度HRB为75，导电率85％IACS。
通过检测可知实施例1中钢和铝的非对称电阻点焊的点焊接头剪切力约4.3kN。

Claims (4)

1.一种钢和铝的非对称电阻点焊方法，其特征在于它是按以下步骤完成的：
一、板材前处理：①、对含铝板材进行机械打磨去除含铝板材表面的氧化铝薄膜，得到前处理后含铝板材；②、采用丙酮对钢板表面进行清洗，得到前处理后钢板，然后将前处理后含铝板材和前处理后钢板以搭接形式装配；
二、电极头选取：电极头的材质为Al2O3Cu合金，钢板侧选用平面电极头，含铝板材侧选用球面电极头或环形复合电极头；
步骤二中所述的Al2O3Cu合金中Al2O3的质量分数为0.6％，硬度HRB为75，导电率85％IACS；
三、预处理：在点焊焊接前先进行预处理，先施加预压力，当预压力稳定时，施加脉冲电流，预压力为Fp，预压时间为tFp，脉冲电流为Ip，脉冲电流持续时间为tIp，tIp＜tFp；
步骤三中Fp＝3.5kN～4kN，tFp＝60ms～80ms，Ip＝6kA～10kA，tIp＝50ms～70ms，且tIp＜tFp；
四、点焊：先施加电极压力，当电极压力稳定时，施加焊接电流，电极压力为Fw，Fw＜Fp，焊接电流为Iw，Ip＜Iw，焊接电流持续时间为tIw；
步骤四中Fw＝1.7kN～3kN，Iw＝14kA～24kA，tIw＝200ms～280ms；
五、顶锻：施加顶锻压力，顶锻压力为Fu，Fp＜Fu，顶锻时间为tFu，即完成钢和铝的非对称电阻点焊；
步骤五中Fu＝3.5kN～5kN，且Fp＜Fu，tFu＝15ms～40ms。
2.根据权利要求1所述的一种钢和铝的非对称电阻点焊方法，其特征在于步骤一①中所述含铝板材为铝合金A6061板或纯铝板，厚度不大于2mm。
3.根据权利要求1或2所述的一种钢和铝的非对称电阻点焊方法，其特征在于步骤一②中所述钢板为Q235钢板，厚度不大于2mm。
4.根据权利要求1所述的一种钢和铝的非对称电阻点焊方法，其特征在于步骤二中所述平面电极头的端面直径为10mm～12mm，所述球面电极头或环形复合电极头的端面直径为6mm～8mm。
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