CN112676688A

CN112676688A - 一种异质金属电阻点焊方法

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Publication number: CN112676688A
Application number: CN202110273861.7A
Authority: CN
Inventors: 史丽婷; 孟宪明; 方锐; 黄亚烽; 吴昊; 张赛; 李洪亮; 高继东; 李金柱; 任鹏飞; 田杰斌
Original assignee: China Automotive Technology and Research Center Co Ltd; CATARC Tianjin Automotive Engineering Research Institute Co Ltd
Current assignee: China Automotive Technology and Research Center Co Ltd; CATARC Tianjin Automotive Engineering Research Institute Co Ltd
Priority date: 2021-03-15
Filing date: 2021-03-15
Publication date: 2021-04-20
Anticipated expiration: 2041-03-15
Also published as: CN112676688B

Abstract

本发明创造提供了一种异质金属电阻点焊方法，包括采用阶梯式双脉冲电流控制方式控制焊接电流，阶梯式双脉冲电流包括预热阶段电流I₁、第一阶段焊接电流I₂、断电冷却、第二阶段焊接电流I₃、回火电流I₄；回火电流I₄=3 kA～7 kA，保持时间为20ms～300ms。本发明创造所述的异质金属电阻点焊方法通过采用阶梯式双脉冲电流控制方式控制焊接电流，增加回火电流，减少了焊接过程铝合金的喷溅，保证形成大的熔核直径的前提下减少内部缺陷的形成。

Description

一种异质金属电阻点焊方法

技术领域

本发明创造属于异质材料电阻点焊两层或多层金属工件的工艺领域，尤其是涉及一种异质金属电阻点焊方法。

背景技术

随着人们节能环保意识的增强，我国政府已制定多项法规政策旨在限制汽车的燃油消耗量和CO₂排放量。实现汽车轻量化是实现节能减排的重要方法之一，其中多种材料混合使用成为汽车轻量化的有效解决方案，以铝合金和钢材的混合使用为典型代表。

铝合金的引入为铝合金和钢板异质材料的连接带来了挑战，对于目前应用较广的铆接技术，其连接强度和疲劳性能好，但是也具有以下劣势，如设备昂贵，增加铆钉重量，不利于后期结构装配，焊后若出现质量问题除了分析工艺参数还需分析第三方提供的铆钉质量。而电阻点焊技术以其低成本、高效率、高鲁棒性等优势已成为传统钢制车身中主要的连接方法。因此，如果能利用已有电阻点焊设备条件用于铝合金和钢板或其他异质材料焊接，则可以节省大量投资及人力成本，简化工艺流程，更好地保证焊接质量。

由于铝合金自身物理性能以及和钢的性能差异，导致焊接过程极易产生铝合金飞溅、熔核内缺陷、熔核尺寸不足或焊穿等缺陷。除了考虑由于铝合金自身的物理性能引起的以上不足外，还需考虑铝合金与钢材在界面处不可避免地反应生成的金属间化合物的影响，过厚的脆性金属间化合物是降低钢铝电阻点焊接头力学性能的主要因素。电阻点焊过程中铝合金和钢板界面处的电阻热会加速金属间化合物的生长，此外，电阻点焊过程中铝合金板表面一层致密氧化膜会增加铝合金板和钢板界面处的电阻热，从而加速金属间化合物的生长。又由于铝合金表面的氧化膜凹凸不平，导致电阻点焊电极帽与铝合金工件接触时部分悬空，使得电阻热分布不均匀，从而形成分布不均匀的金属间化合物反应层，同时大大降低电极使用寿命。

发明内容

有鉴于此，为解决上述问题，实现电阻点焊技术对异质材料的工件的高效、高强度焊接，本发明创造提出了一种异质金属电阻点焊方法，可减少焊接过程铝合金喷溅，保证形成大的熔核直径前提下减少内部缺陷的形成，同时提供一种双螺旋凸起电极帽，通过所述的双螺旋凸起电极帽的使用，可得到具有分布更薄、更均匀的金属间化合物，使得钢铝异质材料电阻点焊接头具有更高拉伸强度。

为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：

一种异质金属电阻点焊方法，包括采用阶梯式双脉冲电流控制方式控制焊接电流，所述阶梯式双脉冲电流包括预热阶段电流I₁、第一阶段焊接电流I₂、断电冷却、第二阶段焊接电流I₃、回火电流I₄；所述回火电流I₄=3 kA～7 kA，保持时间为20ms～300ms。

进一步的，所述预热阶段电流I₁=3 kA～7 kA，保持时间为50ms～100ms；所述第一阶段焊接电流I₂=10 kA～20 kA，保持时间为100ms～500ms；所述断电冷却保持时间为50ms～300ms；所述第二阶段焊接电流I₃=10 kA～20 kA，保持时间为100ms～500ms。

即在阶梯式双脉冲电流中，先将电流快速升至预热阶段电流，预热阶段电流选择时间短，低电流，不使铝合金发生熔化；随后快速升至第一阶段焊接电流，第一阶段焊接电流高于预热阶段电流，可实现铝合金的熔化；随后进入断电冷却阶段，待铝合金将要凝固还未完全凝固时，进入第二阶段焊接电流进行焊接，最后在无需断电的情况下进入回火电流阶段，与第二阶段焊接电流形成阶梯式，最终完成焊接。

进一步的，还包括采用双螺旋凸起电极帽进行电阻点焊；所述双螺旋凸起电极帽包括呈圆柱状的电极帽本体，所述电极帽本体的底部设有用于与点焊电极连接的圆槽，所述电极帽本体的上端面设有双螺旋凸起。

进一步的，所述电极帽本体的上端面为向上凸起的圆弧端面；所述电极帽本体的上端面与所述电极帽本体的侧壁的连接过渡区域呈圆锥台形或圆球形。

进一步的，所述双螺旋凸起的凸起端面为圆弧形，相邻凸起之间的凹槽处可以为平面形或向下凹陷的圆弧形。

进一步的，包括呈圆柱状的电极帽本体，所述电极帽本体的底部设有用于与点焊电极连接的圆槽，所述电极帽本体的上端面设有双螺旋凸起。

一种用于异质金属电阻点焊的双螺旋凸起电极帽，包括呈圆柱状的电极帽本体，所述电极帽本体的底部设有用于与点焊电极连接的圆槽，所述电极帽本体的上端面设有双螺旋凸起。

进一步的，所述电极帽本体的圆弧端面的曲率半径R为25mm～75mm；所述极帽本体的上端面的直径D为8mm～15mm。

进一步的，所述双螺旋凸起的高度H为50mm～500mm；相邻凸起中心距离W为0.8mm～3mm；所述双螺旋凸起中的每个螺旋圈数为1.5～3.5个。

相对于现有技术，本发明创造所述的异质金属电阻点焊方法具有以下优势：

（1）本发明所述的异质金属电阻点焊方法通过采用阶梯式双脉冲电流控制方式控制焊接电流，增加回火电流，减少了焊接过程铝合金的喷溅，保证形成大的熔核直径的前提下减少内部缺陷的形成；

（2）本发明所述的异质金属电阻点焊方法在采用阶梯式双脉冲电流的同时配合使用双螺旋凸起电极帽可得到具有分布更薄、更均匀的金属间化合物，可同时满足避免铝合金的焊接喷溅，得到的熔核直径更大，缺陷更少且集中在熔核中间，金属间化合物分布薄且均匀的要求，使得钢铝异质材料电阻点焊接头具有更高拉伸强度；

（3）本发明所述的双螺旋凸起电极帽在焊接过程中配合阶梯式双脉冲电流形式，可使双螺旋凸起电极帽在压力和电阻热共同作用下有效击碎铝合金表面氧化膜，从而保证电极帽端面与铝合金板直接接触，可将两工件界面处金属间化合物击碎，以减小不均匀电阻热的产生。双螺旋的对称结构保证了加载时受力均匀，热量分布密度分布均匀，可减少电极端面局部磨损情况。

附图说明

构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。在附图中：

图1为本发明所述的阶梯式双脉冲电流形式示意图；

图2为本发明所述的双螺旋凸起电极帽的结构示意图；

图3为本发明所述的双螺旋凸起电极帽的内部结构示意图

图4为本发明所述的双螺旋凸起电极帽的上端面的结构示意图；

图5为本发明所述的双螺旋凸起的凸起端面以及相邻凸起之间的凹槽处的结构示意图；

图6为本发明所述的双螺旋凸起的凸起端面以及相邻凸起之间的凹槽处的另一结构示意图；

图7为本发明所述的拉伸断裂载荷随着回火段时间长短的变化曲线示意图；

图8为采用实施例4所述工艺得到的钢铝电阻点焊接头断面图；

图9为采用对比例3所述工艺得到的钢铝电阻点焊接头断面图；

图10为不同焊接方法焊后熔核内部缺陷对比图；

图11为采用双螺旋凸起电极帽和阶梯式双脉冲电流得到的点焊接头内金属间化合物厚度分布示意图。

附图标记说明：

1-电极帽本体；2-圆槽；3-双螺旋凸起；4-连接过渡区域。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明创造的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明创造。

一种异质金属电阻点焊方法，包括采用阶梯式双脉冲电流控制方式控制焊接电流，如图1所示，阶梯式双脉冲电流包括预热阶段电流I₁、第一阶段焊接电流I₂、断电冷却、第二阶段焊接电流I₃、回火电流I₄；

预热阶段电流I₁=3 kA～7 kA，保持时间为50ms～100ms；第一阶段焊接电流I₂=10kA～20 kA，保持时间为100ms～500ms；断电冷却保持时间为50ms～300ms；第二阶段焊接电流I₃=10 kA～20 kA，保持时间为100ms～500ms；回火电流I₄=3 kA～7 kA，保持时间为20ms～300ms；

同时采用双螺旋凸起电极帽进行电阻点焊，如图2到6所示，双螺旋凸起电极帽包括呈圆柱状的电极帽本体1；电极帽本体1的底部设有用于与点焊电极连接的圆槽2；电极帽本体1的上端面为向上凸起的圆弧端面，圆弧端面的曲率半径为25mm～75mm，电极帽本体1的上端面的直径为8mm～15mm；电极帽本体1的上端面设有双螺旋凸起3，双螺旋凸起3的凸起端面为圆弧形，相邻凸起之间的凹槽处可以为平面形（图5）或向下凹陷的圆弧形（图6），双螺旋凸起3的高度为50mm～500mm；相邻凸起中心距离为0.8mm～3mm，双螺旋凸起3中的每个螺旋圈数为1.5～3.5个；电极帽本体1的上端面与电极帽本体1的侧壁的连接过渡区域4呈圆锥台形或圆球形。

采用本发明所述的异质金属电阻点焊方法对异质材料工件进行电阻点焊时，无需对工件进行表面焊前处理，只需将阶梯式双脉冲电流和双螺旋凸起电极帽配合使用。焊接工件可包含金属板、铸件和可电阻点焊的其他铝合金件、钢材或镁合金工件。采用伺服控制式或气动控制点焊机精确控制焊接时作用于工件上的压力，在点焊机的正极和负极上均安装上双螺旋凸起电极帽，焊接前对固定好的工件进行预压，待工件两侧电极帽和工件均稳定接触后通电流，焊接过程保持压力不变。

对比例及实施例：

1）焊接工件选取2.0 mm 6N16-T4铝合金和1.5 mm HX220LA热镀锌低合金高强钢，分别采用普通焊接电流形式和阶梯式双脉冲电流形式，其焊接参数，如焊接压力、预压时间、焊接电流、焊接时间等见表1。

2）电极帽形式分别采用了多环圆顶电极和双螺旋凸起电极帽，电极柱体直径19mm，电极端面直径12 mm，端面曲率半径50 mm，双螺旋凸起电极帽中每个螺旋圈数为2。

3）将2）中的电极形式和1）中的焊接参数进行不同组合焊接得到以下七种焊接接头。对每种类型焊接件进行拉伸试验，至少重复三次得到拉伸断裂载荷（见图7）以及平均拉伸强度（见表1），记录拉伸断裂后断裂面形貌（见图8和图9）。同时对每种类型焊接件进行金相观测和测量，得到熔核直径大小（见图10）和金属间化合物厚度分布（见图11）。

表1焊接工艺参数及拉伸剪切试验件拉伸断裂载荷

将电极形式采用双螺旋凸起电极帽的对比例2、对比例3、实施例2、实施例3、实施例4中的回火时间作为横坐标，拉伸断裂载荷为纵坐标，得到图7，由图7可知当回火段时间为40ms时，焊接接头的拉伸强度最高，当回火段时间增加到240 ms，拉伸强度降低但仍高于没有回火段时的拉伸强度，继续增加回火段电流时间至400 ms时，拉伸强度降低，低于没有回火段时对应的拉伸强度，因此回火电流时间并不是越长越有利，而是应控制在一定范围。而对比例2采用的是双螺旋电极帽与普通焊接电流得到的焊接拉伸强度，其远低于双螺旋电极帽与阶梯式双脉冲电流形式组合得到的焊件的拉伸强度。

图8为采用实施例4所述工艺得到的钢铝电阻点焊接头断面图，由图中可知采用双螺旋电极帽和阶梯式双脉冲焊接电流得到的断面平整，无铝合金喷溅。图9为采用对比例3所述工艺得到的钢铝电阻点焊接头断面图，对比例3与实施例4所述工艺相比，其保持了各项焊接参数相同，只是取消了回火段电流，由图9可知钢板一侧粘附了大量铝合金的喷溅液体，增加焊接困难。

图10为不同焊接方法焊后熔核内部缺陷对比，箭头所示为焊接缺陷，其中，图10（a）为采用传统焊接方式（对比例1）得到的钢铝点焊接头，可看出焊接得到铝合金熔核中聚集较多气孔；图10（b）为采用传统多环电极帽配合阶梯式双脉冲焊接电流方式（实施例1）得到的钢铝点焊接头，相较于图10（a），图10（b）中不存在图10（a）中分散分布的微小气孔，但仍存在部分气孔分散在铝合金和钢板界面处；图10（c）为双螺旋凸起电极帽和阶梯式双脉冲电流形式配合焊接得到的钢铝点焊接头，可看出其熔核形貌更加均匀，熔核直径达到9mm，且极少量气孔集中在熔核中间，无分散气孔。需要注意的是，焊接钢铝异质材料时，由于工件表面氧化膜，镀锌层以及污渍等的存在，气孔无法避免，但研究已证明若把气孔聚集在熔核中间，远离缺口根部区域，则极少量的气孔对点焊接头的力学性能无影响。

图11为采用双螺旋凸起电极帽和阶梯式双脉冲电流得到的点焊接头内金属间化合物厚度分布示意图，由图10可知，得到的点焊接头内金属间化合物反应层分布均匀，且中心厚度和边缘厚度均小于3.5 µm，起到了很好的连接效果。

以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims

1.一种异质金属电阻点焊方法，其特征在于：包括采用阶梯式双脉冲电流控制方式控制焊接电流，所述阶梯式双脉冲电流包括预热阶段电流I₁、第一阶段焊接电流I₂、断电冷却、第二阶段焊接电流I₃、回火电流I₄；所述回火电流I₄=3 kA～7 kA，保持时间为20ms～300ms。

2.根据权利要求1所述的异质金属电阻点焊方法，其特征在于：所述预热阶段电流I₁=3kA～7 kA，保持时间为50ms～100ms；所述第一阶段焊接电流I₂=10 kA～20 kA，保持时间为100ms～500ms；所述断电冷却保持时间为50ms～300ms；所述第二阶段焊接电流I₃=10 kA～20 kA，保持时间为100ms～500ms。

3.根据权利要求1或2所述的异质金属电阻点焊方法，其特征在于：还包括采用双螺旋凸起电极帽进行电阻点焊；所述双螺旋凸起电极帽包括呈圆柱状的电极帽本体，所述电极帽本体的底部设有用于与点焊电极连接的圆槽，所述电极帽本体的上端面设有双螺旋凸起。

4.根据权利要求3所述的异质金属电阻点焊方法，其特征在于：所述电极帽本体的上端面为向上凸起的圆弧端面；所述电极帽本体的上端面与所述电极帽本体的侧壁的连接过渡区域呈圆锥台形或圆球形。

5.根据权利要求4所述的异质金属电阻点焊方法，其特征在于：所述双螺旋凸起的凸起端面为圆弧形，相邻凸起之间的凹槽处为平面形或向下凹陷的圆弧形。

6.一种用于异质金属电阻点焊的双螺旋凸起电极帽，其特征在于：包括呈圆柱状的电极帽本体，所述电极帽本体的底部设有用于与点焊电极连接的圆槽，所述电极帽本体的上端面设有双螺旋凸起。

7.根据权利要求6所述的双螺旋凸起电极帽，其特征在于：所述电极帽本体的上端面为向上凸起的圆弧端面；所述电极帽本体的上端面与所述电极帽本体的侧壁的连接过渡区域呈圆锥台形或圆球形。

8.根据权利要求6所述的双螺旋凸起电极帽，其特征在于：所述双螺旋凸起的凸起端面为圆弧形，相邻凸起之间的凹槽处为平面形或向下凹陷的圆弧形。

9.根据权利要求7所述的双螺旋凸起电极帽，其特征在于：所述电极帽本体的圆弧端面的曲率半径R为25mm～75mm；所述极帽本体的上端面的直径D为8mm～15mm。

10.根据权利要求7所述的双螺旋凸起电极帽，其特征在于：所述双螺旋凸起的高度H为50mm～500mm；相邻凸起中心距离W为0.8mm～3mm；所述双螺旋凸起中的每个螺旋圈数为1.5～3.5个。