CN114226943B - 一种焊接料片、输送系统、焊接装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种焊接料片，用于包括熔点不超过800℃的第一金属板和熔点高于800℃的第二金属板的异种金属焊接，焊接料片与第一金属板接触的表面围绕中心设置有棱状结构，以容许在焊接过程中棱状结构能够嵌入第一金属板的表面。本发明能够有效实现异种金属间的电阻焊连接，提高接头强度，改善焊接质量，制造简单，成本低。本发明还提供一种料片输送系统，一种焊接装置及焊接方法。

Description

一种焊接料片、输送系统、焊接装置及方法

技术领域

本发明属于电阻焊领域，具体涉及一种焊接料片、输送系统、焊接装置及方法。

背景技术

随着材料加工和机械制造技术的快速发展，在航空航天、车辆、船舶、轨道交通及各类装备制造领域，多种金属材料综合应用越来越受到行业青睐。其中，铝合金、镁合金、钛合金等新型合金以其轻质高强的优点，得到了越来越广泛的应用。这使得轻合金与传统合金钢之间的异种金属连接工艺变得越来越重要。

传统工艺中异种金属间多采用铆接等机械方式进行连接，工艺复杂成本较高。而由于异种金属间熔点、塑性、强度等物理性能差异很大，且异种金属由于冶金相容性差，在焊接时容易形成脆性金属间化合物，焊缝组织很容易产生气孔、裂纹等缺陷，导致异种金属间焊接接头的强度始终难以满足工业需求，大大限制了焊接技术在异种合金材料连接上的应用。

为了解决异种金属焊接的强度问题，现有焊接技术除了优化焊接参数外，还尝试采用激光-电弧复合焊、超声波辅助焊接、搅拌摩擦铆焊及电磁场辅助焊接等新型焊接工艺。这些新工艺在部分应用场景下能够抑制裂纹萌生，减少热影响区性能衰退，减少脆性化合物层的形成，或改善焊缝组织。但这些工艺都无法完全避免异种金属焊接过程中焊接区域生成脆性金属间化合物的问题。如铝/钢或镁/钢进行异种金属间焊接时，即使采用诸如搅拌摩擦焊的固态焊接和激光电弧复合焊等工艺，焊接界面仍然会产生大量脆性相，导致最终接头强度显著弱于焊接母材。

有部分工艺尝试采用两层以上的异种金属叠加，将焊接性能好、熔点较高的金属如钢材置于外侧，将可熔点较低的合金如铝合金置于内侧，对外侧钢材进行点焊，将熔化的铝合金挤出焊接区域，实现钢材-钢材的稳定焊接，使钢-钢焊点在异种金属接头中发挥类似铆钉的固定作用，这种工艺在一定程度上解决了铝-钢焊接界面结合强度差的问题。然而，发明人认识到，虽然焊核内部的铝合金基本被清除，钢-钢点焊接头能够保证一定的结合强度，但焊点周围仍然存在部分熔融铝合金与钢接触产生的脆性金属间化合物环，使这一区域内裂纹极易萌生和扩展，导致铝合金板与焊点脱离，削弱异种金属接头的强度和耐久性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种焊接料片，进一步提高异种金属焊接接头的强度，改善焊接质量。本发明还提供一种焊接料片输送系统、一种焊接装置及焊接方法。

根据本发明实施例的一个方面，提供一种焊接料片，用于包括熔点不超过800℃的第一金属板和熔点高于800℃的第二金属板的异种金属电阻焊。该焊接料片包括在焊接过程中与焊接电极接触的第一表面，和与第一金属板接触的第二表面，在焊接过程中，焊接料片与第二金属板件的第一金属板被排出，最终焊接料片与第二金属板直接焊接在一起，其特征在于：所述焊接料片包括环绕所述第二表面中心设置的凸起的棱状结构，以容许在焊接过程中至少部分所述棱状结构嵌入所述第一金属板表面，所述焊接料片的熔点高于所述第一金属板。棱状结构为异种金属接头提供了额外的机械结合力，能够缓解焊点周围的应力集中，避免脆性金属间化合物区域过早开裂，进而提高接头的强度和可靠性；同时棱状结构能阻止电解质溶液进入到焊点周围，避免焊接头在服役过程中产生化学腐蚀或电化学腐蚀，提升接头的耐腐蚀性能。该料片结构简单，易于设计和制造，成本低廉。

优选地，所述棱状凸起的宽度为0.1mm至0.8mm，所述棱状凸起结构末端与所述第二表面的垂直距离为0.1t至0.5t，其中t为所述焊接料片的最大厚度。

优选地，所述焊接料片的第一表面和第二表面配置为相同的中心对称的几何形状。

可选地，所述焊接料片的中心设置有向所述第二表面方向凸出设置的凸起结构，所述凸起结构表面与所述第二表面垂直距离的最大值h的范围为0.5t至2.5t，其中t为所述焊接料片的最大厚度。凸起结构与焊接电极相匹配，有助于焊接过程中的定位。

优选地，所述棱状结构设置在所述凸起结构之外。设置在焊点熔池范围外的棱状结构能够充分发挥作用。

优选地，所述焊接料片外轮廓最大直径D≥2t；1.1Dw≤D≤3Dw，其中Dw为所述焊接电极的焊接面直径；当s≤1mm时0.5mm≤t≤1.2mm，当1mm≤s≤2mm时0.6mm≤t≤1.8mm，当s＞2mm时0.7mm≤t≤2.5mm，其中t为所述焊接料片的最大厚度，s为所述第一金属板的厚度。

优选地，所述焊接料片的制造材料包括铁、铁合金或钛合金。焊接料片通常选择易于与第二金属板件焊接的金属材料。

根据本发明实施例的另一个方面，提供一种焊接料片输送系统，用于在电阻焊中输送焊接料片，其中，所述输送系统用于输送前述的焊接料片；所述输送系统包括送出机构和环绕设置在焊接电极上的抓取机构，所述抓取机构环绕在所述焊接电极上，能够平行于所述焊接电极的轴向相对移动，以容许所述抓取机构从所述上料位置抓取所述焊接料片并将其移动到与所述焊接电极同轴位置并抵靠在焊接电极面的前端或通过对所述焊接料片垂直施加压力将其固定在待焊接位置上。焊接料片输送系统能够自动上料，配合焊接节奏高速传输，提高焊接效率。

可选地，所述送出机构包括往复机构或摆动机构或旋转机构。

可选地，所述抓取机构包括磁性吸附机构或真空吸附机构。

优选地，所述输送系统该包括清理装置，所述清理装置包括设置在所述焊接电极旁的真空收集器，所述真空收集器的吸气端指向所述焊接电极末端，用于吸附焊接过程中产生的金属飞溅和废气。

可选地，所述清理装置还包括表面清扫装置，所述表面清扫装置包括旋转机构和柔性软垫，所述旋转机构容许所述柔性软垫抵靠在所述第一金属板和/或所述第二金属板表面旋转，以清除金属飞溅和碎屑。

根据本发明实施例的另一个方面，提供一种焊接装置，包括焊接电极，用于包括熔点不超过800℃的第一金属板和熔点高于800℃的第二金属板的异种金属电阻焊，其中，所述焊接装置采用前述的焊接料片和前述的焊接料片输送系统辅助进行电阻焊接。

可选地，所述焊接电极设置有平行于所述第一金属板的压边，在焊接过程中所述压边至少覆盖部分所述焊接料片的所述棱状结构，以使所述部分棱状结构嵌入所述第一金属表面。压边的设置能够避免料片在焊接过程中翘曲变形，确保棱状结构能够嵌入焊接板材。

可选地，所述焊接装置还包括平压头，所述焊接装置容许成对的所述平压头在至少一种工况下移动到所述第一金属板和所述第二金属板两侧所述焊接电极同轴位置并相向移动，以对所述平压头之间的区域进行挤压。所述平压头包括挤压面，在所述至少一种工况下，成对的所述平压头的所述挤压面相互平行，且平行于所述第一金属板和第二金属板。其中，所述挤压面的等效半径大于所述焊接料片中至少部分所述棱状结构与所述第二表面中心的距离，以容许在所述平压头的挤压下，所述至少部分棱状结构嵌入所述第一金属板的表面。平压头能够消除焊接过程中因受热不均匀导致的料片变形。

根据本发明实施例的又一个方面，提供一种焊接方法，对包括熔点不超过800℃的第一金属板和熔点高于800℃的第二金属板的异种金属进行电阻焊，其中，所述焊接方法采用前述的焊接装置。该焊接方法提供的异种金属接头除了焊点具有较高的冶金结合强度，焊接料片还能够提供额外的机械结合作用，能够进一步提高异种金属接头的强度和疲劳性能。该方法应用广泛，能够实现铝/镁、铝/钢、镁/钢、铝/镁/钢、镁/钛、铝/钛及铝/镁/钛等两种或多种异种金属间的有效焊接。同时，与自冲铆接等工艺相比，该方法在薄板连接上或例如铝合金与多层高强度甚至超高强度钢板的连接上能够实现更好的连接效果。

可选地，在进行焊接时，包括对所述焊接电极覆盖范围外的所述焊接料片施加压力的步骤，以使所述焊接电极覆盖范围外的所述焊接料片的至少部分棱状结构嵌入所述第一金属表面。施加压力的方法包括并不限于利用焊接电极的压边和抓取机构的挤压，能够有效避免焊接区域及附近的工件发生翘曲。

可选地，所述焊接方法包括焊接前在所述第一金属的表面与所述焊接料片接触的区域设置沉孔的步骤，所述沉孔设置在待焊接位置，以容许所述焊接料片覆盖在沉孔上或放置在沉孔内。沉孔的设置能降低或消除料片在第一工件表面的凸出高度，同时也有利于焊接定位和焊接过程中的焊点清洁，以减少焊接区域内的第一金属板残留，也提高了对较厚的第一金属板的焊接效果。

可选地，所述焊接方法包括这样一种情况：所述第二金属板的尺寸及材料与所述焊接料片相同，所述第一金属板包括一种或多种至少两块堆叠的金属板。这种焊接方式能够将多层难焊的金属板如镁合金与铝合金的层叠结构牢固地焊接在一起。

附图说明

图1为一实施例中焊接料片的结构示意图；

图2为另一实施例中焊接料片的结构示意图；

图3a至图3f为不同实施例中棱状结构示意图；

图4a至图4e为不同实施例中焊接料片俯视示意图；

图5为又一实施例中焊接料片的结构示意图；

图6a至图6c为不同实施例中焊接料片的结构示意图；

图7为一实施例中焊接电流、电极压力与时间的关系图；

图8a至图8d为一实施例中焊接过程不同阶段的示意图；

图9为一实施例中料片输送系统示意图；

图10为一实施例中焊接装置示意图；

图11a至图11e为另一实施例中焊接过程不同阶段的示意图；

图12a和图12b为又一实施例中焊接过程不同阶段的示意图；

图13a至图13d为再一实施例中焊接过程不同阶段的示意图；

图14a至图14c为不同实施例中沉孔结构示意图；

图15a至图15c为不同实施例中沉孔与焊接料片的配合示意图；

图16a至图16d为再一实施例中焊接过程不同阶段的示意图；

图17a至图17d为又另一实施例中焊接过程不同阶段的示意图；

图18a和图18b为一实施例中焊接区域金相图；

图19a为一实施例中焊接区域结构示意图；

图19b为图19a所示施例中103区域金相图；

图20a为另一实施例中焊接区域结构示意图；

图20b为图20a所示实施例中103区域金相图；

图21为又一实施例中焊接区域结构示意图；

图22a为再一实施例中焊接区域结构示意图；

图22b为图22a所示实施例中103区域仰视示意图；

图23a与图23b为两个不同实施例中焊点表面照片；

图24a至图24c为一实施例中焊接过程不同阶段焊接装置示意图；

图25a为一实施例中焊接接头拉伸测试载荷-位移曲线；

图25b为一实施例中焊接接头拉伸测试后的失效样品；

图26a为另一实施例中焊接接头拉伸测试载荷-位移曲线；

图26b为另一实施例中焊接接头拉伸测试后的失效样品。

上述附图的目的在于对本发明进行详细描述，以便本领域技术人员能够理解本发明的技术构思，而非旨在限制本发明的实施方式。上述附图仅对于本发明技术相关的部分进行了示意性描述，并未严格按照比例画出全部设备和所有细节。

具体实施方式

下面通过实施例结合附图，对本发明的技术方案作出进一步描述。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本领域技术人员的通常理解含义相同；本文中所使用的术语仅为了描述具体的实施例，而非旨在限制本申请；本申请的说明书、权利要求书及附图说明中的术语“包括”和“具有”及其同义表述，意在覆盖不排他的包含。

在本文实施例的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区别不同对向，而非对其相对重要性、技术特征的数量、特定顺序或主次关系进行限定。

在本文中，“实施例”意味着结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书各个位置出现的“实施例”并非限定为指代一相同的实施例，也并非限定为与其他实施例互斥的独立或备选的实施例。本领域技术人员应当理解，本文中所描述的实施例可以在不发生结构或原理冲突的情况下与其他实施例进行结合。

在本文的描述中，术语“和/或”仅作为一种描述关联对象的关联关系，表示可以存着三种关系，例如“A和/或B”可以表示单独存在A、同时存在A和B、单独存在B三种情况。

在本文实施例的描述中，“中心”、“末端”、“内”、“外”、“上”、“下”、“水平”、“竖直”等术语所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，仅为了便于描述本申请实施例和简化描述，而非对所涉及的装置或元件的方位、构造或操作的方向进行限定。

在本文中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”、“固定”等应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或成一体；可以是直接相连，也可以通过中介相连；可以是机械连接，也可以是电连接或信号连接。本领域技术人员应当能够结合具体状况，理解相关术语在具体实施例中的正确含义。

本申请公开的实施例可以并不限于应用在异种金属间的电阻焊作业中，能够提高电阻焊接头的强度和疲劳耐性。本发明实施例的应用场景包括并不限于制造汽车、航天等领域的异种金属结构件或非结构件，如汽车横梁、底盘托架、防撞梁、侧围、A/B柱等。

根据本发明实施例的一个方面，提供一种焊接料片如图1所示，料片100配置有第一表面100a和第二表面100b，环绕第二表面100b的中心设置有棱状结构101。结合图8a至图8d，料片100用于熔点不超过800℃的第一金属板200和熔点高于800℃的第二金属板300之间的电阻焊，其中料片100的熔点高于第一金属板200。典型的第一金属板可以包括铝及铝合金或镁及镁合金，典型的第二类金属板可以包括铁及铁合金或钛合金。一个典型的焊接过程如图7所示，首先通入第一电流脉冲进行预热；随后通入第二电流脉冲进行焊点清洁，在这一实施例中，料片100与第二金属板300在焊接电极400a、400b的电极压力及电流加热作用下变形并相互靠近，使第一金属板200熔化并以飞溅501的形式被排出；最后通入第三脉冲电流进行焊接，使料片100与第二金属板300之间产生直接的冶金连接，焊接在一起，焊点中第一金属板200以飞溅501排出焊点外，避免了大量脆性化合物在冶金熔核中形成而脆化接头。同时，料片100上至少部分棱状结构101嵌入第一金属板200的上表面。棱状结构100的嵌入能够为焊接接头提供额外的机械结合力，缓解焊点周围的应力集中，避免焊点周边的脆性金属间化合物层过早开裂，进而提高接头强度与可靠性；此外，棱状结构能阻止电解质溶液进入到焊点周围，避免焊接头在服役过程中产生化学腐蚀或电化学腐蚀，提升接头的耐腐蚀性能。其中，第一金属板200和第二金属板300可以是单层金属板，也可以是多层金属板的层叠；可以分别是同种金属板，也可以分别由不同成分、牌号的金属板堆叠而成。

本发明的另一实施例如图2所示，棱状结构101能够配置为不同的尺寸，在与第二表面100b的中心不同距离的位置上，棱状结构101的末端与第二表面100b的高度距离如h1、h2、h3、h4可以设置为不同的数值，这一方面使得棱状结构挤压入第一工件表面的难度和棱状结构嵌合的强度和深度之间的平衡，另一方面，在焊点周围的第一金属存在逐渐由原始厚度变薄的区域(参考图19a)，不同的棱状结构的高度距离能适应第二金属的厚度变化，避免过大高度距离棱状结构对第一金属板的削弱。通常棱状结构的高度距离如h1、h2、h3、h4，这一数值范围在0.1t至0,5t之间，其中t为料片100的最大厚度。单一棱状结构101沿水平方向的宽度通常设置为0.1mm至0.8mm。

图3a至图3f所示为另一些实施例中棱状结构101的不同几何形状。根据不同的加工工艺和焊接需求，棱状结构101可以配置为圆台形、圆锥形、顶部带有圆角的锥形、半球形、末端膨大的近似纺锤形或与料片100成一定夹角α的倾斜结构。

图4a至图4e所示为不同实施例中料片100的俯视示意图，根据具体的加工工艺、焊接需求或第一金属板200的表面状态，料片通常可以配置为第一表面、第二表面成相同的中心对称的几何形状，包括但不限于圆形、多边形或符合中心对称特征的直边和/或曲边图形的组合。如图4a所示，针对不同的应用场景，相邻棱状结构101之间的距离B以及最外围棱状结构101与料片边缘107之间的距离可以配置为不同数值。结合图4c，棱状结构可以配置为连续的环状结构，也可以配置为分立的点状或直线段、曲线段形状。

本发明的又一实施例如图5所示，料片100的中心向第二表面100b的法线方向，也即图中的下方设置有凸起结构106，凸起结构106表面与第二表面100b距离最大值为h，根据实际应用场景的不同，例如第一金属板厚度、焊点表面形貌和状态等，h的取值通常设置为0.5t至2.5t，其中t为料片100的最大厚度。凸起结构106的上表面105结构设计可以用于配合焊接电极端面以辅助料片定位和利于焊接过程，凸起结构106也可用于匹配表面设置有沉孔的焊点表面以改善焊接面的结合效果。通常，棱状结构101设置在凸起结构106的范围之外。在焊点熔池范围外的棱状结构能够比较有效地嵌入第一金属板表面之中，本实施例中凸起结构106边缘的直径为1.2Dw，棱状结构101就设置在这一范围之外，其中Dw为焊接电极的焊接面直径。

图6a至图6c所示为其他实施例中不同形状的料片100结构示意图。根据应用场景和加工工艺不同，料片100可以设置为厚度均匀的片状，也可以设置为中间与边缘位置厚度不等的片状，可以如图6a所示设置为剖面上窄下宽的形状，也可以如图6b所示设置为剖面上宽下窄的形状使棱状结构101与水平面呈一定倾斜夹角，还可以如图6c所示在边缘位置设置与棱状结构101同向的凸出的突边。

通常，为了实现更好的焊接效果，结合图1，料片100外轮廓最大直径D≥2t，且满足1.1Dw≤D≤3Dw，其中Dw为焊接电极的焊接面直径。

对不同的第一金属板200的厚度s，料片100的最大厚度t的选取优选地满足以下条件：

当s≤1mm，0.5mm≤t≤1.2mm，

当1mm≤s≤2mm，0.6mm≤t≤1.8mm，

当s＞2mm，0.7mm≤t≤2.5mm。

为了实现良好的焊接效果，焊接料片的材料通常可以选用铁、铁合金及钛合金等易于与第二金属板300进行电阻焊的材料制造。

根据本发明实施例的另一个方面，提供一种焊接料片输送系统，用于在焊接过程中输送料片100，其结构如图9和图10所示。该焊接料片输送系统800包括储放机构805、运输机构801、送出机构802和抓取机构803。其中，储放机构805用于储存料片100并通过引导装置将料片100输送给运输机构801；运输机构801具有调速装置，能够根据设定以不同速率输送料片。送出机构802将料片100输送至上料位置上，其中送出机构802的具体结构可以包括并不限于往复机构或摆动机构或旋转机构。焊接电极周围环绕设置有抓取机构803，抓取机构803配置有独立于焊接电极的驱动装置，使其能够相对于焊接电极进行平行于其轴向的移动，以从上料位置上抓取料片100并将其移动到与电极同轴的位置并抵靠在焊接电极面的前端或通过对料片100垂直施加压力将其固定在待焊接位置上。

根据本发明实施例的又一方面，如图10所示，提供一种焊接装置900，采用料片输送系统800和焊接料片100对第一金属板200、第二金属板300进行焊接。该焊接装置900包括控制器901，控制器901向料片输送装置800下达指令，运输机构801将储放机构805中存储的料片传递给送出机构802，送出机构802依照指令要求的速率将料片输送至设置在焊接电极旁的抓取机构803处。抓取机构803抓取料片，使其跟随焊接上电极400a一起移动到焊点位置。焊接电极400a与抓取机构803同时向工件200上的焊点靠近，当料片100接触到工件200上后，焊接电极400a在电极连杆903驱动下独立于抓取机构803向下移动，直到焊接电极400a挤压到料片100上，此时独立驱动装置(未示出)可以驱动抓取机构803向上移动，使料片100和抓取机构803自动分离，以容许焊接上电极400a进行焊接。

在一个或多个实施例中，抓取机构803可以配置为磁性吸附机构如永磁体或电磁线圈，也可配置为真空吸附机构。

在一些实施例中，可选地配置有清理装置，清理装置包括设置在焊接电极旁的真空收集器804，真空收集器804的进气端指向焊接电极400a和/或400b的末端，以便吸附在焊接过程中产生的金属飞溅和废气，改善第一金属板200和第二金属板300的表面质量和焊接现场的工作环境。

在一个或多个实施例中，焊接装置900的焊接上电极400a可以配置为如图8a至图8d所示的结构，在焊接电极端面401外设置平行于第一金属板200表面的压边402，在焊接过程中，压边402所覆盖的料片100范围内至少有部分棱状结构101，在焊接过程中料片100受到压边挤压，使覆盖范围内的棱状结构101嵌入第一金属板200的表面。对比图11d，压边402的存在可以避免焊接过程中料片100受热和受力不均产生翘曲102使部分棱状结构101无法嵌入的情况。

在一个或多个实施例中，焊接装置900还配置有成对的平压头700a和700b如图11e所示，平压头700a、700b相对的平行面为其挤压面。其焊接过程如图11a至图11e所示，首先，焊接装置900借助料片输送系统800将料片100输送至焊接位置，焊接上电极400a和焊接下电极400b共同对由料片100、第一金属板200、第二金属板300组成的层叠结构进行焊接。在进行预热后，通过焊接电极对层叠结构施加第二电流脉冲，使焊接区域内的部分第一金属板100熔化并以飞溅501的形式脱离焊接区域，料片100和第二金属板300直接接触形成界面502。继续施加焊接电流(即第三电流脉冲)，料片100和第二金属板300在界面502处熔化形成焊核，同时，由于受热和受压不均，料片100在焊接电极的边缘位置形成翘曲102。接下来，焊接电极400a、400b移出焊点区域，接着焊点区域及附近被同轴布置的平压头700a、700b挤压，平压头相向运动，对焊接区域进行挤压。平压头700a和700b的挤压面能够覆盖翘曲102，且翘曲102范围内至少存在部分棱状结构101在平压头700a、700b相互挤压下嵌入第一金属板200的表面。

根据本发明实施例的再一方面，提供一种焊接方法，对第一金属板和第二金属板进行异种金属间的电阻焊，采用前述实施例中的焊接装置900。

进一步地，在一个或多个实施例中，如图12a和图12b所示，焊接方法还包括对焊接电极400a覆盖范围外的料片100施加压力的步骤。在焊接过程中，由于料片100受热和受压不均，其在焊接上电极400a边缘区域发生翘曲，导致棱状结构101不能完全嵌入第一金属板200的表面。此时，独立驱动装置(未示出)向环形的抓取机构803施加压力，使抓取机构803沿焊接上电极400a轴向下压，向料片100施加压力以将翘曲压平，同时使棱状结构101嵌入第一金属板200的表面。

进一步地，在一个或多个实施例中，焊接方法还包括在第一金属板表面设置沉孔的步骤，如图13a至图13d所示。结合图14a，在需要保持第一金属板200上表面平整的应用场合，在焊接前提前在第一金属板表面200设置沉孔201，沉孔201的深度CT可选地不小于料片100的厚度t，沉孔201的直径DH可选地不小于料片轮廓最大直径D。在焊接时，将料片100放入沉孔内再进行焊接，可以避免料片凸出在第一金属板200的表面之外，通常，此种情况下第一金属板的厚度范围为0.5mm至2.8mm。

在第一金属板200厚度大于2.8mm情况下，如图14b和图14c所示可选地将沉孔设置为减薄区202，或在沉孔201中心进一步设置减薄区202，减薄区的直径DT优选地略大于焊接电极的焊接面直径。沉孔201和减薄区202有利于焊接定位和焊点清洁阶段熔化的第一金属板200全部以飞溅形式脱离焊接区域。减薄区域202与第一金属板200的下表面间存在最小厚度尺寸HT，HT≥0且小于第一金属板200本身的厚度。

图15a所示为一实施例中剖面为等腰梯形的料片100放置在预置沉孔201中的状态，沉孔的形状可选地设置为与料片100形状向匹配，沉孔的深度根据实际工艺要求，可设置大于、等于或小于料片100的最大厚度，在进行焊接时料片100覆盖在沉孔上。图15b所示为另一实施例中，厚度大于3mm的铝合金材质第一金属板200与钛合金材质第二金属板300的层叠结构，其中第一金属板200表面设置了沉孔201并在沉孔中心进一步设置了减薄区202。图15c所示为一带有凸起结构106的钛合金料片100设置在沉孔201中的状态，其中凸起结构106的尺寸与减薄区202一致并嵌入减薄区202内。凸起结构的高度尺寸通常可根据第一金属板200的厚度和焊点表面形貌进行选择，优选地，凸起结构的高度尺寸为0.3mm至1mm。

图16a至图16d所示为另一实施例中，带有减薄区202的层叠结构的焊接过程。钢制料片100经料片输送装置800输送至焊接位置，放置在镁合金制成的第一金属板200表面，并覆盖其表面的减薄区202，钢制第二金属板300置于层叠结构的最下层。焊接上电极400a和焊接下电极400b分别从焊点两侧对层叠结构施加电极压力。首先，在预热阶段电极压力和电阻热使料片100软化变形并与减薄区202贴合，此时部分棱状结构101嵌入镁合金板200的表面。接下来，在焊接电流和电极压力作用下，部分镁合金板200熔化并发生飞溅，以飞溅501的形式脱离焊接区域，料片100与钢板300相互接触形成界面502。最后，焊接电极继续加压，施加焊接电流，料片100与钢板300间形成焊核600，同时在焊接电极压边402的作用下料片100上的棱状结构101完全嵌入镁板200表面。

在另外一些实施例中，第一金属板与第二金属板之间的界面上涂有结构胶、粘合剂或密封剂等附加结合剂。如图17a至图17d所示，铝合金板200与钢板300间涂有粘合剂301。焊接选用钢制料片100，其中料片100具有凸起结构106。在焊接过程中，由于粘合剂301的存在，焊点的散热速率会降低，焊接的预热阶段以较小电流维持较长时间，如以3kA的电流维持180ms，使焊接区域内的粘合剂301被尽可能地排出焊接区域。接下来按照正常焊接步骤进行焊接，首先使铝合金板200部分受热熔化以飞溅501的形式脱离焊接区域，接下来施加焊接电流，使料片100与钢板300之间形成熔核600完成焊接。带有压边402的焊接上电极400a起到避免料片100发生翘曲的作用。图18a和图18b所示为一个实施例中的一个焊点的金相照片。其中料片100为双相钢，铝板200为1.2mm厚的5754铝合金板，钢板300为1.6mm厚的热成型钢，表面具有铝硅镀层。焊接过程中，进行焊点清洁的第二电流为4个间隔20ms、强度15kA持续75ms的电流。进行焊接的第三电流为12kA持续380ms的电流。焊接后对焊点进行了180℃持续30分钟的烘烤固化处理，使粘合剂固化。如图18b所示，铝合金板200与钢板300之间的粘合剂301被挤出至焊点外围，同时料片100与钢板300之间形成了如图18a所示的无缺陷焊核600。

图19a所示为另一实施例中的焊接区域结构示意图，其中第二金属板300包括热成型钢300a和淬火分配钢300b的堆叠。料片100选取为钢质材料，焊接后如图19b的金相照片所示，103区域内料片100中的棱状结构101嵌入到铝合金板200的表面内。

图20a所示为又一实施例中的焊接区域结构示意图，其中第一金属板200和第二金属板300交错堆叠，从上至下依次是钢制料片100、铝合金板200a、热成型钢300a、镁合金板200b和与料片100形状、尺寸、材质均相同的钢制工件300b。在进行焊接时，焊接电极对料片100、钢制工件300b进行加热挤压，使焊接区域内的部分铝合金板200a、镁合金板200b均发生熔化，并以飞溅501a和501b的形式被排出焊接区域。料片100、钢制工件300b向内挤压，分别与热成型钢300a接触，共同形成焊核600。如103区域金相照片图20b所示，料片100中的棱状结构101完全嵌入铝合金板200a表面。

图21所示为又一实施例中的焊接区域结构示意图，其中第一金属板200包括6系铝合金板200a和5系铝合金板200b，料片100和第二金属板300为双相钢。焊接过程中铝合金板200a和200b均发生熔化并产生飞溅501，料片100和钢板300受电极加热挤压变形而实现相互接触，接着在焊接电流作用下形成焊核600。

图22a和图22b所示为再一实施例中的焊接区域结构示意图。镁合金板200a与铝合金板200b置于钢制料片100和钢制工件300之间，其中钢制工件300与料片100完全相同。铝合金板200b的厚度大于3mm，其下表面设置有沉孔201，使钢制工件300在焊接时能够完全放置在沉孔中。焊接过程中，镁合金板200a和铝合金板200b发生熔化并产生飞溅501a和501b，其中501b部分填充在沉孔201与钢制工件300之间的缝隙中。料片100与钢制工件300受电极加热挤压变形，并相互接触形成焊核600，将镁合金板200a、铝合金板200b焊接在一起。

在上述实施例中，焊接过程中形成的金属飞溅可能大部分飞离焊接区域，仅有少量残余在料片100外围，如图23a所示；也可能有相当一部分残留在在料片100外围的金属板表面，如图23b所示。为此，作为优选实施例，图24a至图24c所示的焊接装置设置了表面清扫装置，其包括能够升降的旋转机构807和柔性软垫806。首先料片输送装置800装置将料片100传送到料片预定位置，通过抓取机构803的磁力抓取料片100并固定在上焊接电极400a正下方，如图24a所示。焊接时，环形抓取机构803和上焊接电极同时向铝合金板200表面移动，与此同时，飞溅金属清理回收装置的旋转机构807也同时向下移动，而下焊接电极400b也同时向上移动直到挤压到钢板300；待上焊接电极400a将料片100压紧到焊点表面后，进行电阻点焊焊接过程，焊接时飞溅金属501从焊点喷出，真空收集器804将飞溅出的飞溅金属501吸入进行回收。同时柔性软垫806抵靠在铝合金板200表面旋转，以将落在铝合金板200表面的飞溅金属501清除。此外在焊接结束后，上、下焊接电极400a和400b还维持着电极压力同时环形抓取机构向料片100外围施加压力，使得料片100外围的棱状结构101嵌入到工件200的表面上，如图24c所示。

在其他实施例中，真空收集装置、柔性软垫也可以同时或单独地布置在第二金属板一侧。

如图25a为本发明的一个实施例中焊接接头拉伸测试载荷-位移曲线。实施例选用厚度为1mm的双相钢(DP780)作为料片100，对厚度为1.2mm的5754铝合金板200和厚度为1.6mm的热成型钢板300进行焊接，热成型钢300表面存在Al-Si镀层。首先对焊点施加第二电流脉冲，第二电流脉冲的参数为：4个脉冲电流；每个脉冲电流间隔20ms，并且每个脉冲电流为15kA并维持65ms；多次飞溅之后将排出焊点中的铝合金200排出，紧接着施加第三电流脉冲，第三电流脉冲参数为11kA并维持400ms，电极压力为5000N。从图25a接头的力-位移曲线可见接头具有相当大的延性，并且平均峰值载荷高达5350.3N，结合图25b接头的所有拉伸断口均发生在铝合金200侧。

如图26a为本发明另一实施例中焊接接头样品的拉伸剪切的载荷-位移曲线。实施例中同样采用厚度为1mm的双相钢(DP780)作为料片100，对厚度为1.2mm的5754铝合金板200和厚度为1.6mm的热成型钢板300进行焊接，热成型钢300表面存在Al-Si镀层。焊接前，在铝合金200和热成型钢300之间涂覆BETAMATETM^TM 1840C LV CHN结构粘合剂。由于结构粘合剂具有较高的电阻和低的导热速率，为了尽可能多地排出焊点中的结构粘合剂，首先接通第一电流脉冲4kA并维持200ms，使得结构粘合剂充分软化而排挤出焊点区域，在冷却150ms之后接通第二电流脉冲，第二电流脉冲采用6个脉冲电流，每个脉冲电流之间设置间隔为30ms，且每个脉冲电流为15kA并维持50ms。在第二电流脉冲作用后产生多次飞溅过程将焊点中的铝合金和部分胶层排出焊点，随后施加第三电流脉冲11kA并维持400ms。完成焊接后对接头中的结构粘合剂烘干，烘干过程中将试样放置在180℃的烘干炉中保30min。等待焊接接头中的结构粘合剂完全烘干后进行拉伸测试，获得的力位移曲线如图26a所示，接头平均峰值载荷高达11328.4N，并且接头的延性十分优异，结合图26b，接头的断口表现为铝合金200被拉伸断裂。

需要理解，上述实施例的目的仅在于对本发明的技术构思进行说明以便于本领域技术人员的理解，而非旨在限定本发明的保护范围。在本发明权利要求的范围内，任何对上述实施例所涉及的零件、结构或方法步骤的改进及等效替换，特别是在不发生结构或原理冲突的前提下对不同实施例进行结合，都落入本发明的保护范围之内。

Claims (18)

1.一种焊接料片，用于包括熔点不超过800℃的第一金属板和熔点高于800℃的第二金属板的异种金属电阻焊，所述焊接料片包括在焊接过程中与焊接电极接触的第一表面和与第一金属板接触的第二表面，在焊接过程中所述焊接料片与所述第二金属板之间的所述第一金属板被排出，最终所述焊接料片与所述第二金属板直接焊接在一起，其特征在于，

所述焊接料片包括环绕所述第二表面的中心设置的凸起的棱状结构，以容许在焊接过程中至少部分所述棱状结构嵌入所述第一金属板表面以提供机械结合力，

所述焊接料片的熔点高于所述第一金属板；

所述焊接料片外轮廓的最大直径D≥2t；

1.1Dw≤D≤3Dw，其中Dw为所述焊接电极的焊接面直径；

当s≤1mm时，0.5mm≤t≤1.2mm，

当1mm≤s≤2mm时，0.6mm≤t≤1.8mm，

当s＞2mm时，0.7mm≤t≤2.5mm，

其中t为所述焊接料片的最大厚度，s为所述第一金属板的厚度。

2.根据权利要求1所述的焊接料片，其特征在于，所述棱状结构的宽度为0.1mm至0.8mm，所述棱状结构结构末端与所述第二表面的垂直距离为0.1t至0.5t，其中t为所述焊接料片的最大厚度。

3.根据权利要求1所述的焊接料片，其特征在于，所述焊接料片的第一表面和第二表面配置为相同的中心对称的几何形状。

4.根据权利要求1所述的焊接料片，其特征在于，所述焊接料片的中心设置有向所述第二表面法线方向突出的凸起结构，所述凸起结构表面与所述第二表面距离的最大值h的范围为0.5t至2.5t，其中t为所述焊接料片的最大厚度。

5.根据权利要求4所述的焊接料片，其特征在于，所述棱状结构设置在所述凸起结构之外。

6.根据权利要求1至5其中任一所述的焊接料片，其特征在于，所述焊接料片的制造材料包括铁、铁基合金或钛合金。

7.一种焊接料片输送系统，用于在电阻焊中输送焊接料片，其特征在于，所述输送系统用于输送权利要求1至6其中任一所述的焊接料片；

所述输送系统包括送出机构和环绕设置在焊接电极上的抓取机构；

所述送出机构设置在固定位置，用于将所述料片输送到焊接电极旁的上料位置上；

所述抓取机构环绕在所述焊接电极上，能够平行于所述焊接电极的轴向相对移动，以容许所述抓取机构从所述上料位置抓取所述焊接料片并将其移动到与所述焊接电极同轴位置并抵靠在焊接电极面的前端或通过对所述焊接料片垂直施加压力将其固定在待焊接位置上。

8.根据权利要求7所述的输送系统，其特征在于，所述送出机构包括往复机构或摆动机构或旋转机构。

9.根据权利要求7所述的输送系统，其特征在于，所述抓取机构包括磁性吸附机构或真空吸附机构。

10.根据权利要求7所述的输送系统，其特征在于，所述输送系统还包括清理装置，所述清理装置包括设置在所述焊接电极旁的真空收集器，所述真空收集器的吸气端指向所述焊接电极末端，用于吸附焊接过程中产生的金属飞溅和废气。

11.根据权利要求10所述的输送系统，其特征在于，所述清理装置还包括表面清扫装置，所述表面清扫装置包括旋转机构和柔性软垫，所述旋转机构容许所述柔性软垫抵靠在所述第一金属板表面和/或所述第二金属板表面旋转，以清除金属飞溅和碎屑。

12.一种焊接装置，包括焊接电极，用于包括熔点不超过800℃的第一金属板和熔点高于800℃的第二金属板的异种金属电阻焊，其特征在于，所述焊接装置采用如权利要求1至6其中任一所述的焊接料片和如权利要求7至11其中任一所述的焊接料片输送系统辅助进行电阻焊接。

13.根据权利要求12所述的焊接装置，其特征在于，所述焊接电极设置有平行于所述第一金属板的压边，在焊接过程中所述压边至少覆盖部分所述焊接料片的所述棱状结构，以使所述部分棱状结构嵌入所述第一金属表面。

14.根据权利要求12所述的焊接装置，其特征在于，所述焊接装置还包括平压头；

所述焊接装置容许成对的所述平压头在至少一种工况下移动到所述第一金属板和所述第二金属板两侧所述焊接电极的同轴位置并相向移动，以对所述平压头之间的区域进行挤压；

所述平压头包括挤压面，在所述至少一种工况下，成对的所述平压头的所述挤压面互相平行，且平行于所述第一金属板和第二金属板；

所述挤压面的等效半径大于所述焊接料片中至少部分所述棱状结构与所述第二表面中心的距离，以容许在所述平压头的挤压下，所述至少部分棱状结构嵌入所述第一金属板的表面。

15.一种焊接方法，对包括熔点不超过800℃的第一金属板和熔点高于800℃的第二金属板的异种金属进行电阻焊，其特征在于，所述焊接方法采用如权利要求12至14中任一所述的焊接装置。

16.根据权利要求15所述的焊接方法，其特征在于，在进行焊接时，包括对所述焊接电极覆盖范围外的所述焊接料片施加压力的步骤，以使所述焊接电极覆盖范围外的所述焊接料片的至少部分棱状结构嵌入所述第一金属表面。

17.根据权利要求15所述的焊接方法，其特征在于，包括焊接前在所述第一金属板的表面与所述焊接料片接触的区域设置沉孔的步骤，所述沉孔设置在待焊接位置，以容许所述焊接料片覆盖在沉孔上或放置在沉孔内。

18.根据权利要求15所述的焊接方法，其特征在于，所述第二金属板的尺寸及材料与所述焊接料片相同，所述第一金属板包括一种或多种至少两块堆叠的金属板。

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