CN113001001A - 用于电阻点焊的组合堆垛装置 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种用于电阻点焊的具有穿孔夹层的组合堆垛装置。该装置包括由第一材料制成的第一金属板和由第二材料制成的第二金属板。该装置还包括设置在第一金属层和第二金属层之间的穿孔夹层。穿孔夹层由第一和第二材料中的一种制成。穿孔夹层具有穿过其形成的多个穿孔。每个穿孔的穿孔尺寸在约0.1mm到约3mm之间。

Description

用于电阻点焊的组合堆垛装置
技术领域
本公开涉及焊接用装置。更具体地，本公开涉及用于电阻点焊的组合堆垛装置和基于电阻点焊的焊接堆垛装置。
背景技术
在包括汽车工业在内的几个行业中，焊接工艺用于将各种结构连接在一起。在焊接过程中，可能会出现一些不期望的现象，包括结构的喷溅，这可能会在接合界面形成尖锐的晶须，在焊接熔核周围形成尖锐的缺口根部，在焊缝周围的结构中出现裂纹，以及形成不期望的热影响区(HAZ)。可能会导致与焊接结构的连接强度和制造相关的复杂情况。
发明内容
因此，尽管当前的装置和方法实现了其预期目的，但是仍需要一种新的和改进的组合堆垛装置以及制造组合堆垛装置的方法。
根据本公开的一个方面，提供了一种用于车辆电阻点焊的组合堆垛装置。该装置包括由第一材料制成的第一金属板或工件和由第二材料制成的第二金属板或工件。该装置还包括设置在第一金属工件和第二金属工件之间的穿孔夹层。穿孔夹层由第一材料和第二材料中的一种制成。穿孔夹层板具有穿过其形成的多个穿孔。每个穿孔的穿孔尺寸在约0.1mm到约3mm之间。每个穿孔的面积在0.007mm2到7mm2之间。
在一个实施例中，穿孔夹层具有总面积和开口面积。开口面积介于穿孔夹层总面积的约20％至约80％之间。可选地，穿孔尺寸在约0.25mm到1.5mm之间。每个穿孔的面积优选在0.05mm2到1.8mm2之间。
例如，第一金属工件由钢和铝中的一种构成，第二金属工件由钢和铝中的一种构成。在另一个示例中，第一金属工件和第二金属工件由钢构成，穿孔层由钢构成。在又一示例中，第一金属工件和第二金属工件由铝构成，穿孔层由铝和钢中的一种构成。在又一示例中，第一金属工件由铝构成，第二金属工件由钢构成，穿孔夹层由钢构成。
在另一个实施例中，穿孔夹层包含高达约5％的Si、Cr、Mg、Ti、Zn或其混合物。
在本公开的另一方面，提供了一种基于电阻点焊的焊接堆垛装置。该装置包括由第一材料制成的第一金属板和由第二材料制成的第二金属板。该装置还包括设置在第一金属层和第二金属层之间的穿孔夹层。穿孔夹层由第一材料和第二材料中的一种制成。穿孔夹层板具有穿过其形成的多个穿孔。该装置还包括在第一金属板和第二金属板之间的穿孔夹层的多个穿孔中的至少一个穿孔内形成的焊接熔核。
在一个实施例中，穿孔夹层具有总面积和开口面积。开口面积介于穿孔夹层总面积的约20％至约80％之间。
在另一个实施例中，每个穿孔的穿孔尺寸在约0.1mm到约3mm之间。
在一个示例中，第一金属工件由钢和铝中的一种构成，第二金属工件由钢和铝中的一种构成。在另一个示例中，第一金属工件和第二金属工件由钢构成，穿孔层由钢构成。在又一个示例中，第一金属工件和第二金属工件由铝构成，穿孔夹层由铝和钢中的一种构成。在又一个示例中，第一金属工件由铝构成，第二金属工件由钢构成，穿孔夹层由钢构成。
在另一个实施例中，穿孔夹层包含高达约5％的Si、Cr、Mg、Ti、Zn或其混合物。
在本公开的另一方面，提供了一种焊接组合堆垛装置的方法。该方法包括提供由第一材料制成的第一金属工件和由第二材料制成的第二金属工件。该方法还包括提供设置在第一金属层和第二金属层之间的穿孔夹层。穿孔夹层由第一材料和第二材料中的一种制成。穿孔夹层板具有穿过其形成的多个穿孔。每个穿孔的穿孔尺寸在约0.1mm到约3mm之间。穿孔夹层限定了焊接区域。该方法还包括点焊焊接区域以控制喷溅，该焊接区域限定了穿孔夹层内的接合界面和接合界面内形成的点焊熔核。
在一个实施例中，点焊步骤包括在接合界面内控制热量以控制点焊熔核的喷溅。
在另一个实施例中，点焊步骤包括在穿孔夹层的一个穿孔内形成点焊熔核。
在又一个实施例中，每个穿孔的穿孔尺寸在约0.1mm到约3mm之间。在本实施例中，穿孔夹层包括总面积，点焊熔核包括熔核面积。总面积比熔核面积大至少约25％。
根据本文提供的描述，其他的适用范围将变得显而易见。应当理解的是，该描述和具体示例仅用于说明的目的，并不旨在限制本公开的范围。
附图说明
本文描述的附图仅用于说明目的，并不旨在以任何方式限制本公开的范围。
图1是根据本公开的一个实施例的用于电阻点焊的组合堆垛装置的侧视截面示意图；
图2a-2d是图1中组合堆垛装置的穿孔夹层的平面图；
图3是根据示例性实施例的在图2a-2d中的穿孔夹层之一上形成的焊接熔核的俯视图；
图4a和4b是根据图1的实施例的采用不同的金属点焊的焊接堆垛装置的横截面侧视图；
图5a和5b是根据本公开的另一实施例的采用类似的金属点焊的焊接堆垛装置的示意性横截面侧视图；
图6a和6b是根据又一实施例的采用类似的金属点焊的焊接堆垛装置的示意性横截面侧视图；以及
图7是根据本公开的一个示例的焊接组合堆垛装置的方法。
具体实施方式
以下描述本质上仅仅是示例性的，并不旨在限制本公开、应用或用途。
根据本公开的一个实施例，图1示出了一种优选用于电阻点焊(Resistance SpotWelding，RSW)的组合堆垛装置10。组合堆垛装置10允许减少喷溅(飞边)，改善焊接接头的延展性和强度，并改善RSW过程中的热影响区形成。如图所示，组合堆垛装置10包括第一金属板或工件12和邻近第一金属工件12设置的第二金属板或工件14。如图所示，第一金属工件12和第二金属工件14与优选用于电阻点焊的焊接系统(未示出)的一对电极15接触或侧接。优选地，第一金属工件12和第二金属工件14中的每一个都是通过电阻点焊连接在一起的固体金属工件。然而，应当理解，在不脱离本公开的精神或范围的情况下，其他类型的焊接也可适用。
第一金属工件12包括第一材料16，第二金属工件14包括第二材料18。第一材料16可以是铝合金和钢中的一种，第二材料18可以是铝合金和钢中的一种。因此，第一金属层16和第二金属层18可以是铝-铝组合(即，第一金属工件16和第二金属工件18都由铝合金制成)、钢-钢组合(即，第一金属工件16和第二金属工件18都由钢制成)或铝-钢组合(即，第一金属工件由铝制成，第二工件由钢制成)。应当理解，在不脱离本公开的范围或精神的情况下，第一金属工件16和第二金属工件18中的每一个可以包括铝及其合金、镁及其合金、钢、不锈钢、铜、钛或任何其他合适的材料。此外，这种合金可以是但不一定限于1000系列、2000系列、3000系列、5000系列、6000系列和7000系列的铝合金。此外，若工件为钢，即含碳的铁合金，在不脱离本公开的范围或精神的情况下，此类钢可以包括钢材料，例如低碳钢、高强度低合金(HSLA)钢、双相钢(例如，DP600或DP780)、TRIP钢、Gen 3钢和PHS钢。
如图所示，该装置还包括设置在第一金属工件12和第二金属工件14之间的穿孔夹层20。穿孔夹层20优选导电或为金属。在本实施例中，穿孔夹层20可以由第一材料16和第二材料18中的一种制成。此外，在不脱离本公开的范围或精神的情况下，穿孔夹层20可以涂覆有或由铝及其合金、镁及其合金、钢、不锈钢、铜、钛或任何其他合适的材料组成。为了提高接头强度，在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可在穿孔夹层20中浸渍涂层或颗粒，例如但不限于高达约5重量％的硅、铬、镁、钛、锌或任何其他合适的涂层或颗粒。
在本实施例中，穿孔夹层20的厚度小于第一金属板12和第二金属板14的厚度。参照图1-2a，穿孔夹层20具有穿过其形成的多个穿孔22。穿孔夹层20可以是机织金属丝网或穿孔金属板，以形成多个穿孔22。每个穿孔22的穿孔尺寸可在约0.1mm到约3mm之间，优选在约0.25mm到约1.5mm之间。每个穿孔的面积在0.007mm2到7mm2之间，优选在0.05mm2到1.8mm2之间。
在一个实施例中，穿孔夹层20具有总面积和开口面积。总面积可限定为穿孔夹层所覆盖的面积。开口面积可限定为穿孔夹层20的多个穿孔22的组合面积。在本实施例中，开口面积介于穿孔夹层20总面积的约20％至约80％之间，更优选为介于穿孔夹层20总面积的约35％至约65％之间。
应当理解，在不脱离本公开的范围或精神的情况下，穿孔夹层20可以包括铝及其合金、镁及其合金、钢、不锈钢、铜、钛或任何其他合适的材料。此外，此类合金可以是但不一定限于1000系列、2000系列、3000系列、5000系列、6000系列和7000系列的铝合金。此外，若穿孔夹层是钢，即含碳的铁合金，在不脱离本公开的范围或精神的情况下，此类钢可以包括钢材料，例如低碳钢、高强度低合金(HSLA)钢、双相钢(例如，DP600或DP780)、TRIP钢、Gen 3钢和PHS钢。
在本实施例中，当第一金属工件12和第二金属工件14是铝-铝组合，即第一工件12和第二工件14都是铝工件时，穿孔夹层20可以由铝或钢制成。当第一金属工件12和第二金属工件14是钢-钢组合时，穿孔夹层20优选由钢制成。当第一金属工件12和第二金属工件14是铝-钢组合时，穿孔夹层20优选由钢制成。应当理解，在不脱离本公开的精神或范围的情况下，穿孔夹层20可以被涂覆或包含高达约5％的Si、Cr、Mg、Ti、Zn或其混合物。
应当理解，穿孔夹层可以是机织金属丝网(图2a)或如图2b-2d所示的穿孔金属板。例如，图2b示出了具有多个穿孔222的穿孔夹层220，图2c示出了具有多个穿孔322的穿孔夹层320，图2d示出了具有多个穿孔422的穿孔夹层420。在不脱离本公开的精神或范围的情况下，每个穿孔夹层220、320、420可用于本文所述的任何装置和方法实例中。此外，应当理解，在不脱离本公开的精神或范围的情况下，多个穿孔可以采取任何合适的形状。还应当理解，在不脱离本公开的精神或范围的情况下，穿孔的分布可能不像图2所示的那样对称。
如图3所示，在接合界面24处焊接组合堆垛装置10(其方法如下所述)时，在第一金属工件12和第二金属工件14之间的多个穿孔22中的至少一个穿孔内的接合界面24处形成焊接接头26。
如图4a-4b所示，这种焊接限定了一种焊接堆垛装置30。在本实施例中，第一金属工件12包括第一材料，例如铝或铝合金，第二金属工件14包括第二材料，例如钢或钢合金。因此，在本实施例中，第一材料不同于第二材料。在本示例中，在焊接过程中，穿孔夹层20结合在焊接熔核27内。在本实施例中，通过使用夹层获得了若干益处。
首先，当焊接接头26承受载荷时，结合在焊接熔核27内的残余穿孔夹层20可以充当裂纹偏转器，从而增强装置30的坚固性。第二，穿孔夹层20有助于控制喷溅(飞边)，从而最小化尖锐的形成(尖锐晶须)。第三，使用穿孔夹层20进行焊接时，在焊接熔核27周围形成钝的缺口根部32，从而提供更强、更坚固的焊接接头26。也就是说，焊接熔核27的缺口根部角32将变钝，从而使接合界面24处的应力最小化，并提高焊接接头强度。焊接熔核27的这种钝性形成是由接合界面处的穿孔夹层20提供的间隙产生的，在焊接过程中，该间隙防止了正在生长的焊接熔核27外部的层与层之间的紧密接触，从而使缺口根部32变钝。第四，穿孔夹层20位于金属层12、14之间的接合界面处，将热量集中在该位置，因此，允许使用更冷的焊接计划，该计划有助于减轻焊接裂纹并且改善HAZ的形成，从而加强接头。
参考图4b，在焊接堆垛装置30上进行本领域已知的机械测试。在机械测试之后，通常将焊接按钮29被保留附接在焊接堆垛装置30上。如图所示，由于机械测试的结果，第一金属工件12的一部分从装置30上被撕裂。此外，焊接熔核27和焊接按钮29保留在其上。
应当理解，本公开适用于通过焊接连接的两个或更多个金属板。举例来说，本文讨论了第一金属板和第二金属板，虽然在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可以连接两个以上的金属板。
如图5a-5b所示，这种焊接限定了一种焊接堆垛装置530。在本实施例中，第一金属工件512包括第一材料，第二金属工件514包括第二材料，其中第一材料和第二材料相似。例如，在不脱离本公开的范围或精神的情况下，第一材料和第二材料可以是铝、铝合金、钢、钢合金或任何其他合适的材料。在本示例中，残余的穿孔夹层520在焊接期间被结合在焊接熔核527内。在本实施例中，还通过使用本实施例中的多孔夹层520来获得上述益处。
参考图5b，在焊接堆垛装置530上进行本领域已知的机械测试。在机械测试之后，焊接按钮529保持附接在焊接堆垛装置530上。如图所示，由于机械测试的结果，第一金属工件512的一部分从装置530上被撕裂。此外，焊接熔核527和焊接按钮529保留在其上。
如图6a-6b所示，这种焊接限定了一种焊接堆垛装置630。在本实施例中，第一金属工件612包括第一材料，第二金属工件614包括第二材料，其中第一材料和第二材料相似。例如，在不脱离本公开的范围或精神的情况下，第一材料和第二材料可以是铝、铝合金、钢、钢合金或任何其他合适的材料。在本示例中，穿孔夹层620在焊接期间在焊接熔核627内被消耗。在本实施例中，还通过使用本实施例中的多孔夹层620来获得上述益处。
参考图6b，在焊接堆垛装置630上进行本领域已知的机械测试。在机械测试之后，焊接按钮629保持附接在焊接堆垛装置630上。如图所示，由于机械测试的结果，第一金属工件612的一部分从装置630上被撕裂。因此，焊接熔核627和焊接按钮629保留在其上。
图7描绘了优选由电阻点焊(RSW)制造焊接堆垛装置的方法的流程图110。如图所示，该方法包括在框112中提供由第一材料制成的第一金属工件和由第二材料制成的第二金属工件(如上所述)。该方法还包括在框114中提供设置在第一金属层和第二金属层之间的穿孔夹层(如上所述)。
如上所述，穿孔夹层20由第一材料和第二材料中的一种制成。穿孔夹层20具有穿过其形成的多个穿孔。每个穿孔的穿孔尺寸在约0.1mm到约3mm之间。每个穿孔的面积在0.007mm2到7mm2之间。穿孔夹层限定了焊接区域。
该方法还包括在框120中点焊焊接区域，该焊接区域限定了穿孔夹层内的接合界面和接合界面内形成的焊接熔核。如上所述，使用穿孔夹层的益处包括裂纹偏转、喷溅控制、形成钝缺口根部、减少裂纹和改善HAZ。点焊或电阻点焊(RSW)是一种利用电阻对电流产生的热量将接触金属表面点连接起来的工艺。在RSW，诸如上述第一和第二金属板的工件在电极施加的压力下被固定在一起。通常，工件的厚度范围可以为0.5mm至5.0mm，优选0.8mm至3mm。RSW工艺使用两个成形的金属合金电极，将焊接电流集中在一个小“点”上，同时将板夹紧在一起。在一个实施例中，电极优选但不是必须由铜含量大于约98％的铜合金或铜含量大于约25％的铜钨粉金属材料制成。施加大电流通过该点将熔化接合界面处的金属，该金属在凝固后形成上述焊接熔核。点焊的一个特点是能量可以在相对较短的时间内传递到焊点。该工艺允许在不过度加热剩余金属板的情况下进行焊接。
在本公开的这个示例中，点焊的步骤120包括在框122中将热量集中在接合界面内，以形成焊接熔核。在上述实施例和本示例中，第一和第二金属板中的至少一个在焊接期间在接合界面处熔化。进而形成焊接熔核。因此，焊接熔核可由第一材料和第二材料中的一种或两者组成。
热量通过穿孔夹层的多个穿孔中的至少一个来集中。在本示例中，点焊步骤包括在框124中在穿孔夹层的一个穿孔内形成焊接熔核。一旦焊接接头形成并固化，穿孔夹层可在负载下充当裂纹偏转器，从而增强焊接堆垛装置的坚固性。在本示例中，穿孔夹层还便于控制喷溅(飞边)，从而最小化从接合界面延伸的尖锐晶须，提供具有最少到没有尖锐晶须的钝缺口根部32。这种钝缺口根部32通过降低应力集中来提高接头的机械强度。最后，在焊接过程中，使用穿孔夹层形成焊接熔核，将热量集中在第一和第二金属板之间的接合界面处，从而允许使用更冷的焊接计划，该计划有助于防止由于过热而导致的焊接裂纹和不期望的HAZ形成。
应当理解，在不脱离本公开的精神或范围的情况下，穿孔夹层20可能被焊接过程消耗，也可能不会被消耗。例如，在铝-铝组合或铝-钢组合中，穿孔夹层20(优选由钢制成)可能不会被熔化或消耗。另一方面，在钢-钢组合中，穿孔夹层20(优选由钢制成)可部分或完全熔化，具体取决于焊接温度。
通常，如果穿孔夹层的熔化温度低于或类似于金属工件的熔化温度，穿孔夹层20可能被被焊接的金属板消耗(熔化)。在这种情况下，穿孔夹层20可能仅在焊缝边缘可见。此外，如果穿孔夹层20的熔化温度高于金属板的熔化温度，尽管被熔融金属包围，穿孔夹层20可能不会被消耗并且保持完整。在这种情况下，穿孔夹层20可以在整个焊接装置中，即在接合界面和焊缝边缘处，完全或部分可见。
本公开的描述本质上仅仅是示例性的，并且不脱离本公开主旨的变型旨在落入本公开的范围内。这种变化不应被视为脱离本公开的精神和范围。

Claims (10)

1.一种用于车辆电阻点焊的组合堆垛装置，包括:
由第一材料制成的第一金属工件；
由第二材料制成的第二金属工件；以及
设置在第一金属层和第二金属层之间的穿孔金属夹层，所述穿孔夹层由所述第一材料和所述第二材料中的一种制成，所述穿孔夹层板具有穿过其形成的多个穿孔，每个穿孔的穿孔尺寸在约0.1mm到约3mm之间。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述穿孔夹层具有总面积和开口面积，所述开口面积介于所述穿孔夹层总面积的约20％至约80％之间。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述穿孔尺寸在约0.25mm到1.5mm之间。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一金属工件由钢和铝中的一种构成，所述第二金属工件由钢和铝中的一种构成。
5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述第一金属工件和所述第二金属工件由钢构成，所述穿孔夹层由钢构成。
6.根据权利要求4所述的装置，其中，所述第一金属工件和所述第二金属层由铝构成，所述穿孔夹层由铝和钢中的一种构成。
7.根据权利要求4所述的装置，其中，所述第一金属工件由铝构成，所述第二金属工件由钢构成，所述穿孔夹层由钢构成。
8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述穿孔夹层包含高达约5％的Si、Cr、Mg、Ti、Zn或其混合物。
9.一种基于电阻点焊的焊接堆垛装置，包括:
由第一材料制成的第一金属工件；
由第二材料制成的第二金属工件；
设置在第一金属层和第二金属层之间的穿孔金属夹层，所述穿孔夹层由所述第一材料和所述第二材料中的一种制成，所述穿孔夹层板具有穿过其形成的多个穿孔；以及
设置在所述第一金属工件和所述第二金属工件之间的所述穿孔夹层的所述多个穿孔中的至少一个穿孔内的焊接熔核。
10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述穿孔夹层具有总面积和开口面积，所述开口面积介于所述穿孔夹层总面积的约20％至约80％之间。
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