CN113333956A - 一种铝钢异种金属电阻点焊-激光复合点焊的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铝钢异种金属电阻点焊‑激光复合点焊的方法，该方法通过复合电阻点焊技术和激光焊接技术制造铝钢异种金属高质量的点焊接头。该方法包括一下步骤：步骤1，将相互堆叠夹持着的铝钢异种金属工件置于电阻点焊的两个焊接电极之间；步骤2，启动电阻点焊系统，电阻点焊的焊接电极对铝钢工件施加压力，使所述的铝钢工件紧密贴合；随后接通焊接电流，在电阻热作用下获得铝钢相互连接的点焊缝；步骤3，结束电阻点焊过程，移开与工件相互接触的电极；步骤4，启动激光焊，由激光头发射激光束，使激光束作用在钢工件表面，通过控制激光束的移动，使得激光束在所述的点焊焊缝外围附近制备环绕点焊焊缝分布的激光焊缝。通过以上方法制备铝钢异种金属复合焊点，提高铝钢异种金属点焊缝的力学性能。

Description

一种铝钢异种金属电阻点焊-激光复合点焊的方法

技术领域

本发明属于材料焊接技术领域，具体涉及一种铝钢异种金属电阻点焊-激光复合点焊的方法。

背景技术

在汽车轻量化发展下要求车身进行减重以实现节能减排目的，而采用多材料(包括钢、铝、镁和碳纤维等)混合制造车身是实现车身轻量化发展的有效途径之一。钢材是当前和未来制造汽车的主流材料，而铝合金是应用最广泛的轻质合金，随着汽车轻量化发展，铝合金在汽车上应用越来越多，因此在车身制造中，存在大量的铝合金和钢异种金属之间的连接接头。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。但是机械连接一方面增加了构件的重量和制造制造成本，另一方面机械连接高强钢也面临巨大的挑战。

电阻点焊由于其效率高，成本低，连接可靠，是汽车工业中主流的连接技术，通常一辆汽车上存在电阻点焊制造的3000～5000个焊点。由于铝钢异种金属之间存在巨大差异的冶金相容性和物理性质，采用熔焊方法连接时容易形成脆性的Fe-Al系金属间化合物而导致接头力学性能差。在电阻点焊连接铝钢异种金属时，由于铝合金的熔点远低于钢的熔点，通常是铝/钢界面上的铝合金熔化而铺展到钢工件的表面，加上铝和铁的冶金相容性差，铁在铝中的固溶度几乎为零，因此焊缝中的铝和铁元素通过相互扩展而在铝/钢界面形成连续的脆性Fe-Al系金属间化合物层，导致接头连接强度较低。点焊焊缝在承受载荷时，应力高度集中在焊点边缘位置，导致裂纹快速在焊点外围萌生，然后沿着脆性化合物层快速扩展，这导致点焊接头力学性能非常差，这限制了电阻点焊技术在铝钢异种金属连接上的应用。

激光焊接是汽车材料连接的主要方法之一，由于其焊接效率和精度高，接头的深宽比大，变形小，因此该技术在汽车制造中应用越来越广泛。然而激光焊接技术连接铝钢异种金属连接时依旧面临巨大的挑战，激光焊接技术焊接时铝钢异种金属时，由于铝工件热膨胀系数较大，焊接时需要对工件施加较大的夹持力避免工件变形和开裂；此外在实际工况中，搭接的工件之间的间隙无法避免，较大的间隙会导致激光焊接时焊缝产生气孔、裂纹和被氧化等问题。此外，激光焊接的热输入相对比较剧烈，快速冷却的焊缝中容易形成裂纹、脆性金属间化合物、气孔等问题，这导致了铝钢激光焊缝力学性能差。

为了解决铝钢异种金属焊接所面临的挑战，针对与不同焊接方法现有的技术主要有括：通过焊接参数的工艺优化，通过调整焊接参数来精准控制焊接热输入，降低脆性化合物形成，然而单纯通过工艺优化方法目前依旧无法解决铝钢异种金属焊接的难题。焊缝界面添加中间夹层、工件表面预制涂层和采用不同元素的焊丝等工艺实现控制或抑制焊缝中的脆性化合物形成，旨在提高焊缝的力学性能，然而这些中间夹层的设计和元素配比等都是及其复杂，并且工艺的稳定性较差，这也限制了其应用。

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技术的不足，提供了一种铝钢异种金属电阻点焊-激光复合点焊的方法，进而改善点焊缝的结构，通过激光焊缝强化电阻点焊焊缝外围受载能力，从而达到提升搭接工件的点焊接头的力学性能。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

本发明的一种铝钢异种金属电阻点焊-激光复合点焊的方法，包括以下步骤实现：

步骤1，将相互堆叠夹持着的铝钢异种金属置于电阻点焊的两个焊接电极之间；

步骤2，启动电阻点焊系统，电阻点焊的焊接电极对铝钢工件施加压力，使所述的铝钢工件紧密贴合；随后接通焊接电流，在电阻热作用下实现铝钢相互连接的点焊缝；

步骤3，结束电阻点焊过程，移开与工件相互接触的电阻点焊电极；

步骤4，启动激光焊，由激光头发射激光束，使激光束作用在钢工件表面，通过控制激光束的移动，使得激光束在所述的点焊焊缝外围附近制备环绕点焊焊缝分布的激光焊缝。

在步骤1中相互堆叠的铝钢异种金属至少为两层工件，且同一种金属置于同一侧；

优先地，堆叠的铝钢异种金属为两层，铝工件厚度为0.5～3mm，钢工件厚度为0.2～2.5mm；其中铝工件为2系铝合金、5系铝合金、6系铝合金和7系铝合金；钢工件为双相钢(DP钢)、复相钢(CP钢)、相变诱导塑性钢(TRIP钢)、马氏体钢(MS钢)、淬火延性钢(Q&P钢)、孪晶诱发塑性钢(TWIP钢)、硼钢(PH钢或B钢)。

在步骤2中，通过控制电阻点焊的焊接工艺参数获得铝钢点焊焊缝，在点焊焊缝中，控制铝熔核直径不小于4√t(t为铝工件的厚度)，铝钢界面形成的金属间化合物层不大于10μm。

优先地，铝熔核直径为4√t～8√t mm。

在步骤4中，通过激光头控制激光束扫描特定的路径从钢工件表面向铝钢接头制造激光焊缝，所述的激光焊缝在钢工件表面为旋转对称形状且分布在所述的电阻点焊的焊缝直径的0.5～3.5倍的范围内；所述的激光焊缝在工件厚度方向穿过铝钢界面，并且激光焊缝在铝工件中的熔深小于铝工件厚度的0.6倍。

优选地，激光焊缝为若干个不同直径的同心环形焊缝，在与钢工件接触的铝工件厚度为0.5～1mm的接头中，激光焊缝在铝工件的熔深为0.10～0.25mm；在与钢工件接触的铝工件厚度为1～3mm的接头中，激光焊缝在铝工件的熔深为0.10～0.55mm。

优选地，在激光焊接过程中同时通过吹气惰性保护气体保护激光焊缝不被氧化。

本发明通过电阻点焊技术和激光焊接技术的复合连接技术焊接铝钢异种金属，首先利用电阻点焊焊接获得铝钢异种金属点焊焊缝，然后采用激光焊接在点焊焊缝外围附近制备环绕点焊焊缝分布的激光焊缝，激光焊缝加强了电阻点焊的焊点外围的强度，进而提升的铝钢异种金属连接性能。本发明的有益效果为：

(1)电阻点焊焊接铝钢金属获得铝钢紧密结合的连接界面，使得铝钢堆叠工件在焊点附近的间隙几乎为零，利于激光焊缝的制备，降低激光焊接时工件变形大、焊缝被氧化、产生大量气孔和应力过大而产生裂纹等缺陷。

(2)激光焊缝作用在电阻点焊的焊点外围区域，加强了焊点外围的连接强度，由于激光焊缝熔深穿过了铝钢界面，避免了接头受载时裂纹快速沿着焊点界面上的脆性金属间化合物快速扩展而失效，提升了点焊力学性能。

(3)电阻点焊-激光焊复合技术降低了激光焊接的热输入，即只需要制备较小面积和较小熔深的激光焊缝，避免了由于激光焊大而剧烈的热输入导致焊缝产生裂纹、气孔和大量的脆性化合物等问题。

附图说明

图1为本发明实施例中的电阻点焊示意图；

图2为本发明实施例中的激光焊接示意图；

图3为本发明实施例中激光束可选择的扫描路径示意图；

图4为本发明实施例中的焊接接头截面图；

图5为本发明实施例的焊接接头的拉伸剪切载荷-位移曲线。

示意图中的标号说明：

1、上电极；2、下电极；3、钢工件；4；铝工件；5、铝熔核；6、钢熔核；7、激光束；8、激光束扫描路径；9、激光焊缝；

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。

其方法具体包括以下步骤：

步骤1、将相互堆叠夹持着的铝钢异种金属放置在电阻点焊的两个焊接电极之间；

在该步骤中，铝工件4和钢工件3分别选用厚度为1.6mm的汽车用6N16铝合金和厚度为1.2mm的Q&P 1180先进高强钢。将工件剪切成127mm×38.1mm规格的样件；焊接前采用棉质布料擦拭工件表面，清除部分工件表面杂质且使得工件表面状态更加均匀；然后将钢工件3堆叠到铝工件4表面，放置在工装夹具上夹紧，试样的搭接规格为38.1×38.1mm。

步骤2，启动电阻点焊系统，电阻点焊焊接上电极1和下电极2对铝钢工件施加压力，使所述的铝钢异种金属工件紧密贴合；随后接通焊接电流，在电阻热作用下实现铝钢异种金属相互连接的点焊焊缝；

在该步骤中，选用焊接电极的材料为Cr-Zr-Cu合金，电极端面为球面，其球面半径100mm，端面直径为10mm；将Q&P 1180先进高强钢3搭接在6N16铝合金4之上，电阻点焊上电极1向Q&P 1180先进高强钢3方向挤压，待电阻点焊上电极1和下电极2与工件表面接触后施加4500N压力。设置电阻点焊的焊接参数为：焊接时间160ms，焊接电流16kA，焊接脉冲3个，预压时间300ms，保压时间100ms；启功电阻点焊焊接系统对铝钢异种金属进行焊接。电阻点焊焊接结束后，在Q&P 1180先进高强钢3内部获取独立的钢熔核6和与铝钢界面紧密贴合的铝熔核5如图1所示。

步骤3，结束电阻点焊过程，移开与钢工件3相互接触的上电极1；启动激光焊接系统发射激光束7，使激光束7作用在钢工件3表面，控制激光束7的速度和扫描路径8，使得激光束7在所述的点焊焊缝外围附近制备环绕点焊焊缝分布的激光焊缝9，获得电阻点焊-激光焊复合焊点。

在该步骤中，控制激光束7作用于阻点焊的焊缝直径的0.5～3.5倍的范围内。

可选地，激光束7扫描的路径如图3a所示为不少于1个同心环形路径，每个环形焊缝的焊接起点位置错开90°。

可选地，激光束7扫描的路径如图3b所示为由内外两个同心环以及两个同心环之间的螺旋形的路径。

可选地，激光束7扫描的路径如图3c所示为由内、外两个环形和环形之间直线连接的路径。

可选地，激光束7还可以独立摆动，摆动形状如图3d、3e和3f所示的形状。

本实施例中设置激光束7焦点位于钢工件3表面。设置激光功率为1150W，焊接速度为2m/min，激光束扫描路径为两个同心环形，两个同心环形路径的直径分别为7.8mm和8.8mm，焊接顺序由内环到外环，焊接示意图如图2所示。

从本发明实施例焊接接头截面来看，在电阻点焊铝熔核5的外围包覆环形激光焊缝9的接头结构；由于电阻点焊焊接后铝钢界面紧密贴合，铝钢工件之间无间隙，改善了激光焊缝9的成形，激光焊缝中没有出现气孔等缺陷如图5所示。经过拉伸剪切力学性能测试后，本发明的接头承受载荷能力较电阻点焊的接头获得显著地提高，拉伸位移得到很大的改善，且力学性能更加稳定如图5所示。

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 (7)

1.一种铝钢异种金属电阻点焊-激光复合点焊的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1，将相互堆叠夹持着的铝钢异种金属置于电阻点焊的两个焊接电极之间；

步骤2，启动电阻点焊系统，电阻点焊的焊接电极对铝钢工件施加压力，使所述的铝钢工件紧密贴合；随后接通焊接电流，在电阻热作用下获得铝钢相互连接的点焊缝；

步骤3，结束电阻点焊过程，移开与工件相互接触的电阻点焊电极；

步骤4，启动激光焊，由激光头发射激光束，使激光束作用在钢工件表面，通过控制激光束的移动，使得激光束在所述的点焊焊缝外围附近制备环绕点焊焊缝分布的激光焊缝。

2.根据权利要求1所述的一种铝钢异种金属电阻点焊-激光复合点焊的方法，其特征在于所述的电阻点焊的焊缝直径不小于4√t，t为铝工件的厚度，铝钢界面形成的金属间化合物层不大于10μm。

3.根据权利要求1所述的一种铝钢异种金属电阻点焊-激光复合点焊的方法，其特征在于所述的激光焊缝在钢工件表面为旋转对称形状且分布在所述的电阻点焊的焊缝直径的0.5～3.5倍的范围内。

4.根据权利要求1-3所述的一种铝钢异种金属电阻点焊-激光复合点焊的方法，其特征在于所述的激光焊缝在工件厚度方向由钢工件侧熔透铝钢界面，并且激光焊缝在铝工件中的熔深小于铝工件厚度的0.6倍。

5.根据权利要求1所述的一种铝钢异种金属电阻点焊-激光复合点焊的方法，其特征在于所述的相互堆叠的铝钢异种金属工件至少为两层工件，且同一种金属置于同一侧。

6.根据权利要求1所述的一种铝钢异种金属电阻点焊-激光复合点焊的方法，其特征在于所述的激光头为激光振镜，所述的激光头输出的激光为脉冲激光或者连续激光。

7.根据权利要求1所述的一种铝钢异种金属电阻点焊-激光复合点焊的方法，其特征在于在步骤4中，在激光焊接过程同时通过吹气惰性气体保护激光焊缝不被氧化。

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