CN114535766B - 异种金属的电容放电焊接 - Google Patents

异种金属的电容放电焊接 Download PDF

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Abstract

一种将由第一材料制成的汽车部件的第一块接合到由第二材料制成的汽车部件的第二块的方法包括：在该汽车部件的第一块和第二块中的每一者上加工接合面；清洁该汽车部件的第一块和第二块中的每一者的接合面；将金属填料放置在该汽车部件的第一块和第二块的接合面之间；将第一块和第二块与位于第一块和第二块的接合面之间的该金属填料保持在一起；并且使电流通过该第一块、该金属填料和该第二块，以熔化该金属填料并将该第一块焊接到该第二块。

Description

异种金属的电容放电焊接
技术领域
本公开涉及电容放电焊接，并且更具体地涉及电容放电焊接异种材料。
背景技术
电容放电焊接是一种电阻焊接的形式，其利用电容器放电和使电流通过零件。利用大量能量对该电容器充电，该能量被选择性地并且快速地释放到该零件中。在电容放电焊接期间，对该电容器充电。将零件的两块被彼此接触地放置。当释放该电容器时，大电流通过该两块。由于电流穿过该两块而产生的热使两个表面熔化，两个表面在固化时在这两块之间形成焊接点。
由于重量和强度的优点，轻质材料的使用(诸如汽车中用于汽车部件的铝和钛)已经变得越来越普遍。然而，由于固有更高的弹性模量和机械强度选择，某些部件或部件的零件(诸如齿轮界面或高应力集中点)仍必须由钢制成，从而导致结构性能改善。对于工业的挑战是，如何将这两种材料一起利用，同时又不因这两种材料的结构连接所产生的缺点(如果有的话)造成损害。当异种材料(诸如钢和铝)直接彼此焊接时，会出现诸如形成脆性铝/铁金属间相的问题。
另外，为了制成具有大表面积的强焊接点，需要非常大量的电流熔化被焊接在一起的两个零件之间的界面。
因此，虽然当前的电容放电焊接工艺实现了它们的预期目的，但是需要一种改进的电容放电焊接工艺，其使用比传统工艺更少的电流并且在由异种材料制成的零件之间形成坚固的焊接结合。
发明内容
根据本公开的若干方面，一种将由第一材料制成的汽车部件的第一块接合到由第二材料制成的汽车部件的第二块的方法包括：在该汽车部件的该第一块和该第二块中的每一者上机加工接合面；清洁该汽车部件的该第一块和第二块中的每一者的接合面，将金属填料放置在该汽车部件的该第一块和第二块的接合面之间，将该第一块和该第二块与位于该第一块和该第二块的接合面之间的该金属填料保持在一起，并且使电流通过该第一块、该金属填料和该第二块以熔化该金属填料并将该第一块焊接到该第二块。
根据另一方面，该方法还包括在使电流通过该第一块、该金属填料和该第二块之前，以第一预定力将该第一块和该第二块挤压在一起。
根据另一方面，该方法还包括以介于10兆帕和200兆帕之间的第一预定力将该第一块和该第二块挤压在一起。
根据另一方面，该方法还包括在该金属填料熔化后，以第二预定力将该第一块和该第二块挤压在一起。
根据另一方面，该方法还包括以介于100兆帕和500兆帕之间的第二预定力将该第一块和该第二块挤压在一起。
根据另一方面，该方法还包括在该汽车部件的第一块和第二块中的每一者上机加工平坦接合面，其中该平坦接合面彼此平行，且相对于穿过该第一块、该金属填料和该第二块的电流路径以一定角度定向。
根据另一方面，该方法还包括在该汽车部件的第一块和第二块中的每一者上机加工平坦接合面，其中该平坦接合面彼此平行，且相对于穿过该第一块、该金属填料和该第二块的电流路径以大约45度的角度定向。
根据另一方面，该方法还包括在将金属填料放置在汽车部件的第一块和第二块的接合面之间之前，由金属填充材料片形成金属填料。
根据另一方面，该方法还包括由金属填充材料片形成实心双环金属填料和单环网金属填料中的一种。
根据另一方面，该方法还包括基于制成第一块和第二块的材料，选择合适的金属填充材料。
根据另一方面，第一块和第二块中的一者由钢制成，第一块和第二块中的另一者由球墨铸铁和钛中的一种制成，并且该方法还包括在将该金属填料放置在该汽车部件的第一块和第二块的接合面之间之前，由具有大于20％的镍的合金片形成该金属填料。
根据另一方面，第一块和第二块中的一者由钢制成，第一块和第二块中的另一者由铝制成，并且该方法还包括在将该金属填料放置在该汽车部件的第一块和第二块的接合面之间之前，由具有大于50％的镍的合金片和铜合金片中的一者形成该金属填料。
根据本公开的若干方面，一种将由第一材料制成的环形齿轮接合到由第二材料制成的差速器壳体上的方法，包括：在该环形齿轮和该差速器壳体中的每一者上机加工接合面；清洁该环形齿轮和该差速器壳体中的每一者的接合面；基于制成第一块和第二块的材料选择适当的金属填充材料；由合适的金属填充材料片形成实心双环金属填料和单环网金属填料中的一者；将金属填料放置在该环形齿轮与该差速器壳体的接合表面之间；以介于10兆帕与200兆帕之间的第一预定力将该环形齿轮与该差速器壳体挤压在一起；将该环形齿轮和该差速器壳体与定位在该环形齿轮和该差速器壳体的该接合面之间的该金属填料保持在一起；使电流穿过该环形齿轮、该金属填料以及该差速器壳体以熔化该金属填料，并且将该环形齿轮焊接到该差速器壳体，其中，该环形齿轮与该差速器壳体的接合面是彼此平行的，并且相对于穿过该环形齿轮、该金属填料和该差速器壳体的电流路径以大约45度的角度定向；以及以介于100兆帕与500兆帕之间的第二预定力将该第一块和该第二块挤压在一起。
根据另一方面，该环形齿轮由钢制成，该差速器壳体由球墨铸铁和钛中的一种制成，该方法还包括选择金属填充材料，该金属填充材料为具有大于20％的镍的镍合金。
根据另一方面，该环形齿轮由钢制成，该差速器壳体由铝制成，该方法还包括选择金属填充材料，该金属填充材料为具有大于50％的镍的镍合金和铜合金中的一者。
根据本公开的若干方面，一种差速器壳体组件包括：差速器壳体，由第一材料制成，并且具有在其上机加工的接合面；环形齿轮，焊接到该差速器壳体上，该环形齿轮由第二材料制成，并且具有在其上机加工的接合面；以及金属填料，定位在该差速器壳体的接合面与该环形齿轮的接合面之间，并且将它们互连。
根据另一方面，该金属填料是实心双环金属填料和单环网金属填料中的一者，该实心双环金属填料和该单环网金属填料由金属填充材料片制成。
根据另一方面，该环形齿轮与该差速器壳体通过以下步骤焊接在一起：以介于10兆帕与200兆帕之间的第一预定力将该环形齿轮与该差速器壳体挤压在一起；将该环形齿轮和该差速器壳体与定位在该环形齿轮和该差速器壳体的该接合面之间的该金属填料保持在一起；使电流穿过该环形齿轮、该金属填料以及该差速器壳体，以熔化该金属填料并且将该环形齿轮焊接到该差速器壳体上，其中，该环形齿轮与该差速器壳体的该接合面是彼此平行的，并且相对于穿过该环形齿轮、该金属填料和该差速器壳体的电流路径以大约45度的角度定向；以及以介于100兆帕与500兆帕之间的第二预定力将该第一块和该第二块挤压在一起。
根据另一方面，该环形齿轮由钢制成，该差速器壳体由球墨铸铁和钛中的一者制成，该金属填料为具有大于20％的镍的镍合金。
根据另一方面，该环形齿轮由钢制成，该差速器壳体由铝制成，该金属填料由具有大于50％的镍的镍合金和铜合金中的一者制成。
根据本文提供的说明书，进一步的应用领域将变得显而易见。应当理解的是，说明书和具体实施例旨在仅用于说明目的，而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是根据本公开的示例性实施例的差速器壳体的截面侧视图，该差速器壳体具有焊接在其上的环形齿轮；
图2是图1的放大部分；
图3是差速器壳体的截面侧视图，其中，在环形齿轮焊接在差速器壳体上的过程中，电流穿过该差速器壳体；
图4A是根据示例性实施例的实心双环金属填料的透视图；
图4B是根据示例性实施例的单环网金属填料的透视图；并且
图5是根据本公开的示例性实施例的接合方法的流程图。
具体实施方式
以下描述本质上仅是示例性的，并不旨在限制本公开、应用或用途。
参照图1，根据本公开的示例性实施例的差速器壳体组件10包括由第一材料制成的差速器壳体12，该差速器壳体具有在其上机加工的接合面14。环形齿轮16焊接到差速器壳体12上。环形齿轮16由第二材料制成并且具有在其上机加工的接合面18。金属填料20定位在差速器壳体12的接合面14与环形齿轮16的接合面18之间，并且将它们互连。
在一个示例性实施例中，环形齿轮16是由钢制成的，并且差速器壳体12是由球墨铸铁和钛中的一者制成的。金属填料20是由将很好地结合到钢环形齿轮16和球墨铸铁或钛差速器壳体12两者上的材料制成的。金属填料20是由具有大于20％的镍的镍合金制成的。具有大于20％的镍的镍合金将很好地结合到钢、球墨铸铁和钛上，并且避免了脆性金属间化合物的形成；其中，如果将钢环形齿轮16直接焊接到球墨铸铁或钛差速器壳12上，将形成该脆性金属间化合物。
在另一个示例性实施例中，环形齿轮16是由钢制成的，并且差速器壳体12是由铝制成的。金属填料20是由将很好地结合到钢环形齿轮16和球墨铸铁或钛差速器壳体12两者上的材料制成的。金属填料20是由具有大于50％的镍的镍合金和铜合金中的一者制成的。具有大于50％的镍的镍合金或铜合金将很好地结合到钢和铝上，并且避免了脆性金属间化合物的形成；其中，如果将钢环形齿轮16直接焊接到铝差速器壳12上，将形成该脆性金属间化合物。
参照图3，通过将环形齿轮16和差速器壳体12与定位在接合面14、18之间的金属填料20挤压在一起并且使电流22穿过环形齿轮16、金属填料20和差速器壳体12，以熔化金属填料20并将环形齿轮16焊接到差速器壳体12，从而在环形齿轮16与差速器壳体12之间形成焊接点。如图3所示，第一电极28接触环形齿轮16，第二电极30接触差速器壳体12。电流22从第一电极28经过环形齿轮16，从环形齿轮16的接合面18经过金属填料20到达差速器壳体12的接合面14，并且经过差速器壳体12到达第二电极30。
参照图4A，在一个示例性实施例中，金属填料20是实心双环金属填料20’。实心双环金属填料20’填充材料集中在接合面14、18的外边缘附近，这将形成抵抗由环形齿轮16和差速器壳体12经受的弯曲应力的耐久性。另外，通过使用实心双环金属填料20’，电流22被集中在该实心双环金属填料20’。实心双环金属填料20’减小了电流22通过的表面积，从而与覆盖接合面14、18的整个表面积的金属填料20相比，减小了熔化实心双环金属填料20’和接触接合面14、18所需的电流22的量。
参照图4B，在另一个示例性实施例中，金属填料20是单环网金属填料20”。单环网金属填料20”将电流22集中在单环网金属填料20”的网眼上。单环网金属填料20”减小了电流22通过的表面积，从而与覆盖接合面14、18的整个表面积的实心金属填料20相比，减小了熔化单环网金属填料20”和接触接合面14、18所需的电流22的量。
使用实心双环金属填料20’或单环网金属填料20”显著减少了形成焊接点所需的电流的量。例如，在电流密度为0.4kA/mm2(范围为0.3kA/mm2-0.7kA/mm2)下，熔化球墨铸铁和钢以形成焊接接头。如果使用外径为140mm、内径为120mm的实心单环金属填料20，则所需电流为1633kA。如果使用实心双环金属填料20’或单环网金属填料20”，则电流可减少40％。所需电流将仅为980kA。这种减少将显著降低机器成本和能量效率。
在示例性实施例中，环形齿轮16和差速器壳体12的接合面14、18是彼此平行的，并且相对于穿过环形齿轮16、金属填料20和差速器壳体12的电流22的路径以大约45度的角度定向。这增加了接合面14、18的表面积并缩短了电流22的路径。
一旦接合面14、18和金属填料20熔化，环形齿轮16和差速器壳体12如箭头26所示被挤压在一起，以在环形齿轮16、金属填料20和差速器壳体12之间形成熔合结合，从而将环形齿轮16焊接到差速器壳体12上。
参照图5，示出了一种将由第一材料制成的汽车部件(诸如差速器壳体组件10)的第一块(诸如差速器壳体12)接合到由第二材料制成的汽车部件的第二块(诸如环形齿轮16)上的方法100。
从方框102开始，该方法包括在汽车部件的第一块和第二块的每一者上机加工接合面，并且在方框104，清洁该汽车部件的第一块和第二块的每一者的接合面。
转到方框106，该方法包括基于制成第一块和第二块的材料，选择合适的金属填充材料。在示例性实施例中，第一块和第二块之一是由钢制成的，并且第一块和第二块的另一者是由球墨铸铁和钛中的一者制成的。用于金属填料的合适的金属填充材料是具有大于20％的镍的合金。在另一示例性实施例中，第一块和第二块之一者由钢制成的，并且第一块和第二块的另一者是由铝制成的。用于金属填料的合适的金属填充材料是具有大于50％的镍的合金和铜合金中的一者。
转到方框108，该方法包括由合适的金属填充材料片形成实心双环金属填料20’和单环网金属填料20”中的一种。如图4A所示，实心双环金属填料20’可以从合适的金属填充材料的实心片冲压或激光切割获得。同样，如图4B所示，单环网金属填料20”可以从合适的金属填充材料的实心片冲压或激光切割获得。
转到方框114，该方法包括将金属填料放置在第一块和第二块的接合面之间，并且在方框116，将该第一块和该第二块挤压在一起。在示例性实施例中，该第一块和该第二块以介于10兆帕和200兆帕之间的第一预定力挤压在一起。这确保了该第一块和该第二块与位于它们之间的该金属填料被推到一起，并且在该第一块和该金属填料之间以及该第二块和该金属填料之间形成良好的电接触。
转到方框118，该方法包括将该第一块和该第二块与位于该接合面之间的金属填料20保持在一起，并且在框120，使电流通过该第一块、该金属填料20和该第二块，以熔化金属填料20并将该第一块焊接至第二块。
在示例性实施例中，该第一块和该第二块的接合面是彼此平行的，并且相对于穿过该第一块、该金属填料20和该第二块的电流的路径以大约45度的角度定向。这增加了接合面的表面积并缩短了电流的路径。
转到方框122，在该接合面和该金属填料已经通过由通过第一块、该金属填料和该第二块的电流的阻力产生的热而熔化之后，该方法包括以介于100兆帕和500兆帕之间的第二预定力将该第一块和该第二块挤压在一起。这有助于在该第一块和第二块的接合面与金属填料20之间形成牢固的熔合结合。
一种将由第一材料制成的汽车部件(诸如差速器壳体组件10)的第一块(诸如差速器壳体12)接合到由第二材料制成的汽车部件的第二块(诸如环形齿轮16)上的方法，提供的优点是在该第一块和该第二块之间形成牢固的熔合结合，该熔合结合不包括如果该第一块和该第二块在没有金属填料的情况下直接彼此焊接时将形成的脆性相。另外，使用实心双环金属填料或单环网金属填料显著减少了形成焊接点所需的电流的量。
本公开的描述本质上仅是示例性的，并且不脱离本公开的主旨的变型旨在落入本公开的范围内。这些变型不应被认为偏离本公开的精神和范围。

Claims (8)

1.一种将由第一材料制成的汽车部件的第一块接合到由第二材料制成的所述汽车部件的第二块的方法，包括：
在所述汽车部件的所述第一块和所述第二块中的每一者上加工接合面；
清洁所述汽车部件的所述第一块和所述第二块中的每一者上的接合面；
由金属填充材料片形成金属填料，所述金属填料为实心双环金属填料和单环网金属填料中的一者；
将所述金属填料放置在所述汽车部件的所述第一块和所述第二块的接合面之间；
将第一块和第二块与位于所述第一块和所述第二块的接合面之间的所述金属填料保持在一起；以及
使电流通过所述第一块、所述金属填料和所述第二块，以熔化所述金属填料并将所述第一块焊接至所述第二块。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括在使电流通过所述第一块、所述金属填料和所述第二块之前，以第一预定力将所述第一块和所述第二块挤压在一起。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括以介于10兆帕和200兆帕之间的第一预定力将所述第一块和所述第二块挤压在一起。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述金属填料熔化后，以第二预定力将所述第一块和所述第二块挤压在一起。
5.根据权利要求4所述的方法，还包括以介于100兆帕和500兆帕之间的所述第二预定力将所述第一块和所述第二块挤压在一起。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述汽车部件的第一块和第二块中的每一者上加工平坦接合面，其中所述平坦接合面彼此平行，且相对于穿过所述第一块、所述金属填料和所述第二块的电流路径以一定角度定向。
7.根据权利要求6所述的方法，还包括在所述汽车部件的所述第一块和第二块中的每一者上加工平坦接合面，其中所述平坦接合面彼此平行，且相对于穿过所述第一块、所述金属填料和所述第二块的电流路径以45度的角度定向。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括基于制成第一块和第二块的材料，选择合适的金属填充材料。
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