CN112548295B

CN112548295B - 汽车铝合金电阻点焊方法

Info

Publication number: CN112548295B
Application number: CN202011408206.XA
Authority: CN
Inventors: 钟丽慧; 韩立军
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-12-05
Filing date: 2020-12-05
Publication date: 2022-11-29
Anticipated expiration: 2040-12-05
Also published as: CN112548295A

Abstract

本发明提供一种汽车铝合金电阻点焊方法，其包括如下步骤：S1、采用铝合金材料的板材，对选取的铝合金材料板材进行表面处理，在处理之后的铝合金材料板材上形成钝化膜并烘干；S2、对铜电极的焊接端面的形状进行设计，使得焊接端面边缘的圆弧半径为50‑100mm；S3、对铜电极中Cr、Zr元素的含量进行控制；S4、借助铜电极，经过预处理焊接、主焊接、电流递减回火实现对铝合金材料的板材的焊接。本发明通过对待焊接的板材以及相应的电极进行优化，同时通过采用匹配的工艺来提升焊接稳定性和焊接能力，控制焊接缺陷和焊接热量，减少电极侵蚀。还根据板材材料及表面状态、厚度等，采用匹配的电极接法，对铝合金熔核倾向进行控制。

Description

汽车铝合金电阻点焊方法

技术领域

本发明涉及铝合金点焊领域，尤其涉及一种汽车铝合金电阻点焊方法。

背景技术

随着汽车轻量化技术的发展，铝合金轻质材料越来越广泛的应用于汽车制造领域。铝合金表面容易形成氧化层，在焊接过程中，铜电极与工件发生合金化反应会引起烧损，造成电极帽表面局部侵蚀，阻碍电流形成回路。

随着焊接点数的增加，电极帽侵蚀严重，电极帽与工件间的电阻越来越大，焊接热量也会分散到电极帽与工件间，焊接质量也越来越差。为保证焊接质量，需要不断对电极帽进行修磨，制约了汽车生产线的生产效率提升，增加了电极消耗成本。因此，针对如何提升铝点焊单次修磨内可焊接点数的问题，有必要提出进一步地解决方案。

发明内容

本发明旨在提供一种汽车铝合金电阻点焊方法，以克服现有技术中存在的不足。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：

一种汽车铝合金电阻点焊方法，其包括如下步骤：

S1、采用铝合金材料的板材，对选取的铝合金材料板材进行表面处理，在处理之后的铝合金材料板材上形成钝化膜并烘干；

S2、对铜电极的焊接端面的形状进行设计，使得所述焊接端面边缘的圆弧半径为50-100mm；

S3、对所述铜电极中Cr、Zr元素的含量进行控制；

S4、借助所述铜电极，经过预处理焊接、主焊接、电流递减回火实现对铝合金材料的板材的焊接。

作为本发明的汽车铝合金电阻点焊方法的改进，所述采用型号为TL091-X-T4或TL094-X-T4铝合金材料。

作为本发明的汽车铝合金电阻点焊方法的改进，对选取的铝合金材料板材进行表面处理包括：采用去盐的去离子水，去除铝合金材料电极表面不规则的氧化膜。

作为本发明的汽车铝合金电阻点焊方法的改进，在处理之后的铝合金材料板材上形成钝化膜并烘干包括：通过钛氟化物与铝合金材料板材表面进行反应，形成均匀致密的钝化膜，在110℃烘干20min。

作为本发明的汽车铝合金电阻点焊方法的改进，所述步骤S2还包括：在电极端面的圆弧面上还形成有一圈凹槽。

作为本发明的汽车铝合金电阻点焊方法的改进，所述凹槽的宽度为0.5-1mm，深度为0.5mm。

作为本发明的汽车铝合金电阻点焊方法的改进，所述铜电极中Cr、Zr的质量分数为：0.05％<Zr<0.15％，0％<Cr<0.5％。

作为本发明的汽车铝合金电阻点焊方法的改进，所述预处理焊接过程中，在1-20KA的预热电流下，设置20-100ms的预热时间，实现对铝合金材料的板材的表面预处理。

作为本发明的汽车铝合金电阻点焊方法的改进，所述主焊接过程中，根据实际不同板材组合厚度采取不同的焊接工艺。

作为本发明的汽车铝合金电阻点焊方法的改进，所述电流递减回火过程中，设置200-400ms的电流递减时间。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过对待焊接的板材以及相应的电极进行优化，同时通过采用匹配的工艺来提升焊接稳定性和焊接能力，控制焊接缺陷和焊接热量，减少电极侵蚀。此外，本发明还根据板材材料及表面状态、厚度等，采用合适匹配的电极接法，可以对铝合金熔核倾向进行控制，使得正负电极两侧板材区域电阻热均匀，减少电极侵蚀现象，提高焊接能力和电极寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明汽车铝合金电阻点焊方法中电极结构图；

图2为发明汽车铝合金电阻点焊方法中铝点焊的焊接曲线；

图3为两层板焊接时的原理图；

图4、5为电流、压力对熔核尺寸的影响趋势图；

图6为电流递减时间对熔核尺寸的影响的形貌图；

图7为电极与板材组合对熔核成型的影响的形貌图；

图8、9为焊接后焊点的金相图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明一实施例提供一种汽车铝合金电阻点焊方法，其包括如下步骤：

S1、采用铝合金材料的板材，对选取的铝合金材料板材进行表面处理，在处理之后的铝合金材料板材上形成钝化膜并烘干。

步骤S1通过采用TL091-X-T4及TL094-X-T4铝合金材料的板材，并对板材通过钛氟化物进行特殊工艺处理，同时进行烘干，来清除表面杂质，并获得稳定的表面电阻，提高点焊焊接能力。

具体地，步骤S1包括：

首先，采用去盐的去离子水，去除铝表面不规则的养化膜，涉及的反应式为：Al+3H+＝AL₃++3H。

其次，在铝合金材料的板材的表面通过钛氟化物，使其反应，表面附上均匀致密的钝化膜。涉及的反应式为：H₂TiF₆+AL₃++H₂O＝TiOF₂+ALF₃+AL(OH)₃。

最后，在110度烘干20分钟，然后在进行焊接。

上述材料的选择及表面处理方式，提升了表面电阻的稳定性，保证了电阻点焊过程的更好的焊接能力。

步骤S2对电极形状进行改进，减少焊接过程干扰因素的影响，增加了焊接的规范范围，减少了铝合金点焊焊接时表面溢出物与电极的粘连倾向，从而降低了电极侵蚀现象，提升焊接能力。

具体地，普通电极圆弧过小时，电极与工件接触面积小，焊接热量集中，焊接时产生的氧化物很容易粘附在电极上。因此，采用改进后电极端面圆弧半径为50-100mm的电极结构。如图1所示，为电极端面圆弧半径为100mm弧度的电极结构图，该结构的电极，不仅提升了铝合金焊接规范区间，更有利于表面氧化物从两侧排挤出，还减少了氧化物与电极的粘连，提高了铝合金的表面质量状态，获得了更好的熔核形貌。

所述步骤S2还包括：在电极端面的圆弧面上还形成有一圈凹槽。优选地，所述凹槽的宽度为0.5-1mm，深度为0.5mm。如此，将更加有利于减轻焊接氧化物对电极的粘连影响。因此，电极中心在压力的作用下，焊接过程中，会从中心向四周逐步挤压出氧化物，并被挤压到凹槽中，减少了铜电极表面氧化物与板材的粘连倾向，从而更好的保证了焊接质量。

此外，对于表面不平，有一定弧度的板材，可根据板材弧度的大小，选用能够与板材弧度匹配的电极端面半径或弧度。板材弧度越大，对应的电极的R圆弧尺寸就要越小，如此才能保证对设备和零件更好的焊接兼容性，尤其是设备垂直度有一些偏差时。

S3、对所述铜电极中Cr、Zr元素的含量进行控制。

步骤S3通过对电极材料成分的合理配备及优化处理，通过对高电阻率元素含量的控制及电极导电率的控制，从而减少焊接过程中电极与工件间的热量聚集，减轻了电极与工件表面的电阻热的产生，降低了电极侵蚀现象。

具体地，通过在纯铜电极上对铬、锆等微量元素的控制来提高电极的导电率和综合性能，减少电极自身热量的产生，减少Cr元素对铝合金焊接过程中的粘连催化作用。

这是因为Cr元素电阻高，焊接过程中在几万安培的电流下，过多的Cr元素使得电极与工件间有较大的电阻热，在Cr元素的催化下使得表面氧化物与电极发生侵蚀反应。通过对电极中锆和微量元素的控制，提升电极导电率≥90％IACS。

一个实施方式中，所述铜电极中Cr、Zr的质量分数为：Zr＝0.08％，Cr＝0.01％，从而减少电极与工件间的热量聚积，降低铝合金表面氧化物与电极的粘连，减轻铝点焊电极的侵蚀现象。

步骤S4通过采用匹配的工艺来提升焊接稳定性和焊接能力，控制焊接缺陷和焊接热量，减少电极侵蚀。

具体地，预处理焊接阶段对应图2所示的a阶段，即氧化膜破裂焊接阶段，在1-20KA的预热电流下，根据不同板材设置20-100ms的预热时间，实现对铝合金的表面预处理。优选地，对于TL091或TL094，在20-40ms以15KA的预热电流，可以大大降低氧化膜对电极粘连的影响。

主焊接阶段对应图2所示的b阶段，根据实际不同板材组合厚度设置不同的采取不同的焊接工艺。焊接工艺的选取包括根据不同板材组合厚度，采取相应的焊接电流、电压以及时间等，以获取最优的焊接效果。

以TL091及TL094铝合金为例，如表1、2所示：

表1 TL091铝合金材料成分

表2 TL094铝合金材料成分

通过试验分析及模拟验证确定2层板，如图3所示，在总板厚2-5mm时，在如下表3工艺规范区间内可以获得较好的熔核质量。

表3 2-5mm双层板焊接工艺

如图4所示，在焊接电流一定的情况下，随着焊接压力的增加，由于工件间接触电阻减少，焊核热输入量减少，熔核直径和熔深将逐渐变小；如图5所示，在一定焊接压力下，随着焊接电流或者焊接时间的增加，焊核直径和焊核熔深会随着焊接热量的增加而增大；热输入量过大时，熔核会形成裂纹，并随着焊接时间的增加，由中心裂纹逐渐扩展到熔核边缘裂纹。因此，焊接压力的合理设置也直接影响了焊接裂纹和气孔的产生，对质量控制和焊接能力影响十分重要，需要与电流进行匹配设置。

电流递减回阶段对应图2所示的c阶段，即当焊核膨胀形成焊核后，进入电流递减回火阶段。此时，为了保证铝合金在冷却过程中的熔核质量，试验分析，设置200-400ms的电流递减时间，可以减轻焊接熔核裂纹和缺陷的产生。

关于设置200-400ms的电流递减时间的原因分析为：

由表示形貌照片的图6可知，图中6a、6b、6c对应的电流递减时间分别为100ms,300ms,500ms,可以看出，当电流递减时间过短时，焊缝冷却时间过短，板材周边已经冷却，焊缝中心形成纵向裂纹。随着电流递减时间增加，冷却时间与熔合冷却达到平衡，焊缝裂纹消除；但是过长的电流递减时间，又使得焊缝周边出现横向裂纹。

因此，根据不同板材需求的热输入量，适当增加电流递减时间有利于减少熔核中心裂纹和气孔的形成，提高接头的整体性能。但过长的递减时间，将导致熔核四周出现横向裂纹，所以电流递减时间对于铝点焊的质量控制也十分重要，根据经验数据，通常设置在200到400ms间。

此外，本实施例的汽车铝合金电阻点焊方法还包括：

根据板材材料及表面状态、厚度等，采用合适匹配的电极接法，可以对铝合金熔核倾向进行控制，使得正负电极两侧板材区域电阻热均匀，减少电极侵蚀现象，提高焊接能力和电极寿命。

具体地，由于铝合金点焊熔核偏移方向不仅仅与电极方向有关，还有板材电阻及厚度有关，根据决定因子影响大小，熔核就会向决定因子的方向做相应的偏移。从而，本实施例根据这些因素确定最大影响因子，采取匹配互补的电极接法，更有力于铝合金电阻点焊电极寿命和焊接能力的提升。

本实例中，对于相同材料和厚度的板材，熔核会向正极偏移；对于相同材料，不同板厚时，厚度差异大时，熔核会向厚板处偏移；对于相同厚度，不同性能的材料进行分析研究，熔核会向电阻高的板材偏移。

下面对熔核的偏移进行验证。通过设置相同焊接规范下，观察板材的熔核倾向。由图7可知：从上述不同板材组合和电极方向可以看出，通常情况下，相同材料和板厚时，熔核向正极和厚板方向偏移(如图7b、c所示)。但熔核倾向也会受到材料状态和厚度的影响，如图7a所示，由于正极端接1.1mm薄板，整个熔核基本对中，即电极接法和板材厚度正好抵消，导致熔核偏移倾向几乎没有。如此，通过采取匹配互补的电极接法，更有力于铝合金电阻点焊电极寿命和焊接能力的提升。

下面，以两层板材组合：1.15mm+1.7mm为示例，在预热电流15KA；预热时间30ms；焊接电流40KA；焊接时间100ms；焊接压力6KN；电流递减时间300ms的工艺参数下，按照本发明的汽车铝合金电阻点焊方法进行点焊。对连续焊接后的样品中的102个焊点随机抽样16点，分别进行金相检验，焊点全部合格，测试熔核尺寸如表4所示，部分金相图片如图8、9所示。

表4金相抽检各点熔核尺寸

焊点号No.	2	13	16	27	30	41	44	55	58	69	72	83	86	97	100	101
																	熔核直径mm	5.7	7.3	6.4	6.2	6.3	6.4	6.9	6.1	6.6	6.9	6.9	6.9	7.4	7.1	6.6	7.2

由表4可知，通过本发明的汽车铝合金电阻点焊方法，使得熔核尺寸>5.6mm，满足标准要求。

综上所述，本发明通过对待焊接的板材以及相应的电极进行优化，同时通过采用匹配的工艺来提升焊接稳定性和焊接能力，控制焊接缺陷和焊接热量，减少电极侵蚀。此外，本发明还根据板材材料及表面状态、厚度等，采用合适匹配的电极接法，可以对铝合金熔核倾向进行控制，使得正负电极两侧板材区域电阻热均匀，减少电极侵蚀现象，提高焊接能力和电极寿命。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims

1.一种汽车铝合金电阻点焊方法，其特征在于，所述汽车铝合金电阻点焊方法包括如下步骤：S1、采用铝合金材料的板材，对选取的铝合金材料板材进行表面处理，在处理之后的铝合金材料板材上形成钝化膜并烘干；其中，铝合金材料型号为TL091-X-T4或TL094-X-T4；在处理之后的铝合金材料板材上形成钝化膜并烘干包括：通过钛氟化物与铝合金材料板材表面进行反应，形成均匀致密的钝化膜；S2、对铜电极的焊接端面的形状进行设计，使得所述焊接端面边缘的圆弧半径为50-100mm；所述步骤S2还包括：在电极端面的圆弧面上还形成有一圈凹槽；S3、对所述铜电极中Cr、Zr元素的含量进行控制；所述铜电极中Cr、Zr的质量分数为：Zr＝0.08％，Cr＝0.01％；S4、借助所述铜电极，经过预处理焊接、主焊接、电流递减回火实现对铝合金材料的板材的焊接；所述汽车铝合金电阻点焊方法还包括：根据电极方向、板材材料及表面状态、厚度对铝合金点焊熔核偏移方向的影响大小，确定最大影响因子，采取匹配互补的电极接法。

2.根据权利要求1所述的汽车铝合金电阻点焊方法，其特征在于，对选取的铝合金材料板材进行表面处理包括：采用去盐的去离子水，去除铝合金材料电极表面不规则的氧化膜。

3.根据权利要求1或2所述的汽车铝合金电阻点焊方法，其特征在于，在处理之后的铝合金材料板材上形成钝化膜并烘干包括：在110℃烘干20min。

4.根据权利要求1所述的汽车铝合金电阻点焊方法，其特征在于，所述凹槽的宽度为0.5-1mm，深度为0.5mm。

5.根据权利要求1所述的汽车铝合金电阻点焊方法，其特征在于，所述预处理焊接过程中，在1KA-20KA的预热电流下，设置20-100ms的预热时间，实现对铝合金材料的板材的表面预处理。

6.根据权利要求1所述的汽车铝合金电阻点焊方法，其特征在于，所述主焊接过程中，根据实际不同板材组合厚度采取不同的焊接工艺。

7.根据权利要求1所述的汽车铝合金电阻点焊方法，其特征在于，所述电流递减回火过程中，设置200-400ms的电流递减时间。