CN113199125B - 一种用于铝钢异种金属焊接的电阻点焊电极 - Google Patents
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Abstract
一种用于铝钢异种金属焊接的电阻点焊电极，其特征在于与钢接触的第一电极具有环形凹槽，所述的环形凹槽将第一电极焊接面分为内焊接面和外焊接面，所述的内焊接面高度大于外焊接面；与铝相接触的第二电极中心设有凹弧面，在所述的凹弧面外围至少设有一个凸起圆环结构。焊接时第一电极的内焊接面使钢产生大变形而凸起嵌入到铝工件内形成凹凸界面结构；所述的外焊接面与钢接触后使部分电流集中到外焊接面而扩大焊点面积。所述的第二电极凹弧面外围的凸起圆环结构将焊接电流向外围吸引而使电阻热在铝工件中分布更加均匀，避免铝熔核过度生长到铝工件表面上。采用本发明电极焊接铝钢异种金属能有效地提升电阻点焊接头强度和铝电极的使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于材料焊接技术领域，具体涉及一种用于铝钢异种金属焊接的电阻点焊电极。
背景技术
汽车车身减重能有效提升燃油效率和较少有害气体排放，由于铝合金材料具有质量轻，比强度高和耐腐蚀等优点，目前在汽车工业中逐渐加入更多的铝合金进行车身制造，从而较少钢材料的使用实现车身减重的目标。因此铝钢混合车身是当前及未来的发展的潮流。在铝钢混合车身制造中铝合金和钢异种金属之间的连接是不可避免的。目前铝钢异种金属连接主要是靠机械连接实现的，包括自冲铆接和流钻螺钉等。但是机械连接有其局限性，一方面机械连接的铆钉等增加了构件的重量，不同规格的铆钉需要不同的铆模和设备，也增加了设备投入成本；另一方面铆接也有其局限性，比如钉子容易墩粗或不能有效展开形成牢靠的机械连接。
电阻点焊由于其焊接效率和自动化程度高、质量可靠且成本低，是汽车材料连接的主要方法之一，通常一辆汽车上会有3000-5000个电阻点焊焊点。因此，如果能采用电阻点焊技术实现铝钢异种金属焊接，这将具有重大的经济效益。然而采用传统的电阻点焊工艺进行铝钢异种金属连接时面临巨大的挑战，例如形成气孔、飞溅以及焊缝中及易形成脆性金属间化合物，这极大地减低了焊缝强度。电阻点焊焊接铝钢异种金属时，由于两种金属差异巨大的熔点，焊接时通常是铝工件局部熔化形成液态铝润湿铺展到尚处在固体的钢工件表面，通常焊接接头的连接界面比较平直，同时界面中存在厚度不均匀的脆性Fe-Al系金属间化合物层，在焊点受载时，裂纹容易沿着平整的界面上的化合物快速扩展而失效，导致接头连接性能极差。
发明内容
本发明技术解决问题：为了克服现有铝钢异种金属焊接工艺的不足，提供了一种用于铝钢异种金属焊接的电阻点焊电极，通过独特的焊接面结构改变焊接电流分布和焊点结构及熔核形状，从而达到提升接头的力学性能。
为实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：
一种用于铝钢异种金属焊接的电阻点焊电极，其特点在于：
提供相互堆叠贴合的至少两层工件，所述的相互堆叠工件包括钢工件和铝工件，其中钢工件为第一侧工件，铝工件作为第二侧工件，所述的第一侧工件和第二侧工件相互紧贴合。
将第一电极与相互堆叠工件的第一侧工件相接触，所述的第一电极焊接面特征在于设置有环形凹槽，所述的环形凹槽将第一电极焊接面分为内焊接面和外焊接面，所述的内焊接面高度大于外焊接面，所述的环形凹槽底部低于外焊接面。所述的第一电极内焊接面与外焊接面高度差为0.05～1.2mm，所述的环形凹槽与外焊接面的高度差为0.1～1.5mm。
将第二电极与相互堆叠工件的第二侧工件相接触，所述的第二电极焊接面中心为凹弧面，沿所述的凹弧面的外围设有至少一个凸起圆环。所述的第二电极焊的凸起圆环结构直径大于所述的第一电极内焊接面，凸起圆环结构的高度为0.1～0.8mm；所述的凹弧面的最大深度为0.05～1.0mm，所述的凹弧面不大于所述的凸起圆环结构。
焊接前，第一电极与相互堆叠的工件中的第一侧工件表面紧靠，由于第一电极内焊接面高于外焊接面，此时第一电极仅有所述内焊接面工件表面；所述的第二电极外围的凸起圆环结构首先接触到第二侧工件表面。而且，第一电极与第二电极面面对准，将相互堆叠的工件夹紧。
电极就位后对电极施加焊接电流，焊接电流在第一电极与第二电极之间流动，第一电极内焊接面首先接触到第一侧工件表面，承受所有的电极力和高度集中焊接电流，电阻热将钢工件焊点加热软化，第一电极的焊接面挤压到第一侧工件表面之中迫使第一侧工件变形，这种变形一直传递到第一侧工件与第二侧工件界面，进而第一侧工件凸起部分嵌入到第二侧工件之中形成凹凸界面。所述的第一电极内焊接面挤压第一侧工件表面后，内焊接面外围的工件表面同时产生向第一电极侧变形隆起到所述的电极环形凹槽中。在第一电极内焊接面挤压第一侧工件变形到一定阶段后，所述的第一电极的外焊接面与第一侧工件表面接触，集中于内焊接面的部分电流分散到外焊接面上，扩大焊点面积实现熔核尺寸的增大。
第二电极中心的凹弧面结构推迟了第二电极中心区域与工件接触，第二电极焊外围的凸起圆环结构优先于工件接触，实现吸引电流向第二电极外围分布的效果，在第一侧工件变形和第二侧工件受热膨胀后，迫使第二电极的凹弧面与第二侧工件表面相互接触，扩大的第二电极与工件的接触面积，使得焊接电流密度在第二侧件上更分散，降低在第二侧工件上焊点中心的电流密度，使得界面形成更加均匀的金属间化合物层，同时，避免焊点中心而产生过度电阻热而熔透第二侧工件以及产生飞溅，进而减缓第二侧电极磨损的进程。
停止通电后，熔化的铝熔池凝固与之相贴合的钢工件表面相结合形成焊点，该焊点界面为凹凸嵌合的结合界面，且第二侧工件熔核包覆着第一侧工件形成的凸起结构。
本发明的有益效果为：
(1)第一电极的内焊接面对第一侧工件产生大的变形，在第一侧工件与第二次工件之间形成凹凸嵌合的结合界面，且凸起的钢界面结构相对于传统的平整的焊缝界面来说增大的界面的接触面积；此外，钢界面向铝液态熔核膨胀凸起挤压熔核，更有利于熔核中气体排出，降低熔核气孔的形成，使得焊点界面结合更牢固；
(2)第一电极的第二焊接面将电流向外围分散，避免电流密度过度集中在焊点中心。第二电极分散了在第二侧工件中的电流密度分布，避免了电流密度过度集中在焊点中心而产生过度的电阻热，避免熔池过度生长到第二电极焊接面而加速电极的磨损，提升焊点表面质量和电极的使用寿命，此外更均匀的电阻热也使得铝钢界面之间形成的金属间化合物厚度更加均匀。
(3)铝钢异种金属接头界面之间形成了凹凸嵌合界面，此外获得更大的熔核尺寸和更加均匀的金属间化合物，提升了铝钢异种金属接头的拉伸剪切载荷和十字拉伸载荷。
附图说明
图1为本发明实施例中一种用于铝钢异种金属焊接的电阻点焊电极的焊接示意图。
图2为本发明实施例中一种用于铝钢异种金属焊接的电阻点焊电极的第一电极截面示意图。
图3为本发明实施例中一种用于铝钢异种金属焊接的电阻点焊电极的第一电极示意图。
图4为本发明实施例中一种用于铝钢异种金属焊接的电阻点焊电极的第二电极截面示意图。
图5为本发明实施例中一种用于铝钢异种金属焊接的电阻点焊电极的第二电极示意图。
图6为本发明实施例中一种用于铝钢异种金属焊接的电阻点焊电极的焊接前期电流分布示意图。
图7为本发明实施例中一种用于铝钢异种金属焊接的电阻点焊电极的焊接后期电流分布示意图。
图8为本发明实施例中采用本发明电极焊接铝钢异种金属工件接头金相截面图。
图9为本发明实施例中采用本发明电极焊接铝钢异种金属工件接头的界面微观结构图。
图10为实施例中采用传统的球面电极和采用本发明电极焊接铝钢异种金属工件中，连续焊点微观结构和铝工件焊点表面形貌对比图。
图11为本发明实施例中一种用于铝钢异种金属焊接的电阻点焊电极的焊接接头拉伸剪切载荷-位移曲线；
图12为本发明实施例中一种用于铝钢异种金属焊接的电阻点焊电极的焊接接头十字拉伸载荷-位移曲线。
图13为本发明实施例中和对比例中的焊接接头的拉伸剪切和十字拉伸测试后钢工件侧断口宏观形貌图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优势变得更好地被理解，以下结合附图，对本发明进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用来解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种用于铝钢异种金属焊接的电阻点焊电极的焊接示意图。钢工件作为第一侧工件20堆叠在铝合金工件作为第二侧工件30之上，第一电极10与第一侧工件20接触；第二电极40与第二侧工件30接触，并且所述的第一电极10与第二电极30相互轴向对齐。焊接电流通过第一电极10和第二电极40之间的堆叠工件之后，在第一侧工件之内形成独立的钢熔核23和在第二侧工件30内形成铝熔核31，且铝熔核31与第一侧工件20相接触实现冶金连接。
如图2和图3所示，所述的第一电极10的特征在于设置有环形凹槽12，所述的环形凹槽12将第一电极10焊接面分为内焊接面13和外焊接面11，所述的内焊接面13高度大于外焊接面11，其高度差为0.05～1.2mm，所述的环形凹槽12底部低于外焊接面，其高度差为0.1～1.5mm。
如图4和图5所示所述第二电极40其特征在于电极中心设有凹弧面41，在所述的凹弧面外围设有至少一个凸起圆环结构42；所述的凸起圆环结构42直径大于所述的第一电极10的内焊接面13，凸起圆环结构42的高度为0.1～0.8mm；所述的凹弧面41的最大深度为0.05～1.0mm，所述的凹弧面41直径不大于所述的凸起圆环42。
焊接初始阶段，第一电极10仅有内焊接面13与第一侧工件20表面接触；同时，第二电极外围的凸起圆环42首先接触到第二侧工件30表面，形成凸起圆环42的压痕32，此时焊接电流在第一侧电极10的内焊接面13集中，流经第一侧工件20和第二侧工件30后，电流集中于第二电极40的凸起圆环42及附近的焊接面上，如图6所示的电流密度线50分布的；
第一侧工件20在电阻热作用下软化，被第一侧电极10的内焊接面13挤压变形，在第一侧工件20表面形成较深的电极压痕22，随着电极压痕22加深，导致第一侧工件20形成凸起结构24深深嵌入第二侧工件30中。所述的内焊接面13挤压第一侧工件10表面后，内焊接面13外围的工件表面同时产生向第一电极10侧变形隆起结构21填充到第一电极10的环形凹槽12中，如图1所示。
在通电的后期阶段，所述的第一电极10的外焊接面11与第一侧工件20表面接触，集中于内焊接面11的电流分散到外焊接面20上，扩大焊点受热面积，实现铝熔核31尺寸的增大。在第一侧工件20变形和第二侧工件30受热膨胀后，迫使第二电极40的凹弧面41与第二侧工件30表面相互接触，扩大的第二电极40与第二侧工件30的接触面积，使得焊接电流在第二侧工件30上更分散如图7所示电流密度线50的分布。这使得焊点界面的金属间化合物层厚度更加均匀如图9所示，同时，避免铝熔核31的熔透到第二电极40与第二侧工件30接触面之间，从而提升第二侧工件30的焊点表面质量和第二电极40的使用寿命如图10所示。
停止通电后，熔化的铝熔池凝固与之相贴合的钢工件20表面相结合形成铝熔核31，该焊点界面为凹凸嵌合的结合界面，且第二侧工件30的铝熔核31包覆着第一侧工件20形成的凸起结构24。
实施例
选用厚度为1.2mm的Q&P1180淬火配分钢作为第一侧工件20，所述的Q&P1180淬火配分钢为裸钢；选用厚度为1.6mm的6N16铝合金作为第二侧工件30。焊接前对第二侧工件表面30采用酒精清洗。具体焊接工艺如下：
采用本发明电极焊接第一侧工件20和第二侧工件30如图1所示；如图2和图3中，第一电极10具体尺寸特征为：内焊接面13为球面且直径为5mm，所述的球面半径为35mm，球面最高点与外焊接面11的高度差为5.5mm；所述的外焊接面11为平面，其宽度为1.5mm；所述外焊接面11最大直径为11mm；环形凹槽12与外焊接面高度差为0.3mm。
如图4和图5，实施例中第二电极40具体尺寸特征为：凹弧面41深度为0.25mm，凹弧面宽度为0.65mm；凸起圆环42直径和高度分别为8.2mm和0.2mm。
在第一电极10和第二电极40之间接通直流电，具体焊接参数为：焊接压力大小为5600N，焊接时间为180ms，焊接电流为18kA，采用3个脉冲电流，脉冲电流之间间隔20ms，焊后维持300ms。获得接头微观结构如图8所示。
分别采用本发明电极与传统的球面电极焊接3个拉伸剪切试样和3个十字拉伸试样进行力学性能测试；所述的球面电极的球面半径为100mm，所述球面电极焊接面直径为11mm；所述的拉伸试样规格为127×38.1mm，搭接量为38.1mm；所述的十字拉伸试样规格为150×50mm，所述的球面电极在较优的焊接参数下进行焊接，其焊接参数为：焊接压力大小为5600N，焊接时间为100ms，焊接电流为17kA，采用5个脉冲电流，脉冲电流之间间隔20ms，焊后维持300ms。拉伸剪切试样和十字拉伸试样在万能拉力测试机上进行，拉伸速度为1mm/min，拉伸实验后获得拉伸剪切载荷和十字拉伸载荷-位移曲线分别如图11和图12所示；传统的球面电极和本发明电极力学性能统计如下表1所示，采用本发明电极焊接铝钢异种金属获得的接头拉伸剪切性能和十字拉伸性能比采用传统球面电极具有显著的提升。此外，从力-位移曲线来看，本发明接头位移远大于对比例中接头的位移。
表1：实施例中本发明的电极与传统球面电极在较优参数下测量的焊缝力学性能
| 项目 | 平均拉伸剪切载荷(N) | 平均十字拉伸载荷(N) |
| 采用球面电极 | 3652.9 | 378.5 |
| 采用本发明电极 | 5165.3 | 1313.1 |
如图13所示，由接头断口来看，传统球面电极的接头断口都为界面断裂，断口比较平直光滑，这是由于断口发生在Fe-Al系脆性金属间化合物层的结果，且断口中存在较多气孔；本发明的拉伸剪切断口虽然为界面断裂，但是断口表面存在大量的铝合金粘附层，表明大部分断裂区域发生在铝工件内部；而本发明接头的十字拉伸断口为局部纽扣断裂，这表明铝钢界面连接强度得到了提升。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明方法的前提下，可以进行若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种用于铝钢异种金属焊接的电阻点焊电极，其特征在于：
提供相互堆叠贴合的至少两层工件，所述的相互堆叠工件包括钢工件和铝工件，其中钢工件为第一侧工件，铝工件作为紧贴合钢工件的第二侧工件；
第一电极与相互堆叠工件的第一侧工件相接触，所述的第一电极焊接面设置有环形凹槽，所述的环形凹槽将第一电极焊接面分为内焊接面和外焊接面，所述的内焊接面高度大于外焊接面，所述的环形凹槽底部低于外焊接面；
第二电极与相互堆叠工件的第二侧工件相接触，且第二电极焊接面与第一电极的焊接面相互对准，所述的第二电极焊接面中心为凹弧面，沿所述的凹弧面的外围设有至少一个凸起圆环；
所述的第一电极内焊接面与外焊接面高度差为0.05~1.2 mm，所述的环形凹槽与外焊接面的高度差为0.1~1.5 mm；
所述的第二电极焊的凸起圆环的直径大于所述的第一电极内焊接面，凸起圆环的高度为0.1~0.8 mm；所述的凹弧面的最大深度为0.05~1.0 mm，所述的凹弧面直径不大于所述的凸起圆环的直径。
2.根据权利要求1所述的用于铝钢异种金属焊接的电阻点焊电极，其特征在于：焊接时使电流在第一电极和第二电极以及工件之间流动；第一电极的内焊接面高于外焊接面，使得内焊接面首先接触第一侧工件表面，从而承受高度集中的电极力和焊接电流；所述的内焊接面结合电阻热作用下挤压第一侧工件表面而变形，在第一侧工件和第二侧工件界面之间形成嵌入到第二侧工件之中的凸起结构，进而获得凹凸结合界面；
在第一电极内焊接面挤压第一侧工件变形到一定阶段后，第一电极外焊接面与第一侧工件表面相接触后扩大的第一电极与工件的接触面积，使得部分电流分散到所述的外焊接面上，扩大焊点面积；
第二电极设置的凸起圆环能吸引电流向第二电极外围分布，在第一侧工件变形和第二侧工件受热膨胀后，使得第二电极的凹弧面接触到第二侧工件而扩大第二电极与第二侧工件的接触面积，使得焊接电流密度在第二侧工件的焊点上分散开，避免焊点中心的电阻热过度集中，使界面形成更均匀的金属间化合物层，同时也避免焊点中心而产生过度电阻热而熔透第二侧工件。
3.根据权利要求1或2所述的用于铝钢异种金属焊接的电阻点焊电极，其特征在于所述的第一电极内焊接面挤压第一侧工件变形后，内焊接面外围的工件表面向第一电极侧隆起到所述的电极环形凹槽中。
4.根据权利要求1或2所述的用于铝钢异种金属焊接的电阻点焊电极，其特征在于，所述的钢工件厚度为0.2~3.0mm，铝工件厚度为0.2~3.0 mm。
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