CN115302062A - 一种电阻点焊异种金属的方法 - Google Patents

Abstract

本发明针对钢制工件与铝制工件电阻点焊存在的问题，通过电流只在在铝工件侧流过形成回流加热熔化铝工件，然后铺展与钢工件接触形成焊接接头的方法，能够有效克服常规电阻点焊时由于电流热量在钢侧、铝侧均产生，但由于两侧导热性以及熔点差异等导致热量不均匀而出现的焊接缺陷，同时常规电阻点焊时由于铝侧热量主要是通过钢侧热量的热传导而形成，所以热效率利用低，本方法通过直接在铝侧产热可大大提升产热效率，降低制造成本。

Description

一种电阻点焊异种金属的方法

技术领域

本发明涉及电阻点焊领域，并且更具体地涉及钢工件与铝工件异种材料堆叠件电阻点焊的方法。

背景技术

近年来，由于环保和节能的需要，汽车的轻量化已经成为世界汽车发展的潮流，因为铝合金、镁合金等轻合金材料的密度远小于钢材而受到各大汽车厂商的青睐，但是钢材的总体力学性能要优于轻合金材料，因此使轻合金材料与钢材连接成为汽车轻量化的优选方案，这就涉及到轻合金与钢之间的连接问题。

电阻点焊是依靠电流流动通过接触的金属工件并穿过他们之间的接触面电阻来产生热量，进而熔化焊接连接在一起。但是在焊接异种材料时，特别是铝合金与钢，由于铝钢的熔点不同(钢的熔点在1300℃以上，铝的熔点只有660℃，铝合金的熔点更低，强度差也很大)，电阻率、导热性、热膨胀系数等的差异，导致将两者熔焊在一起非常困难。铝合金熔点低，在结合面产生的热量使铝合金熔化而钢还未熔化，并且在电流停止时，铝冷却速度较快，而钢冷却较慢，界面处凝固收缩率相差很大，导致在最后的结合处容易出现气孔、裂纹等明显的缺陷，无法实现可靠的焊接。此外，由于钢工件较高的电阻率，导致在界面结合处产生更高的温度会使产生的脆性的金属件化合物Fe-Al层生长，而更多更厚的脆性金属件化合物会严重降低焊接接头的强度。因此如何更好地控制铝工件与钢工件之间的热平衡非常重要，从而使熔化金属能够以理想的受控的方式熔化和冷却凝固显得非常重要。同时由于铝工件表面存在氧化膜的原因，导致钢铝润湿困难，且极易在接头内部形成气孔等缺陷，而导致接头性能低。

CN106736000A公开了一种用于铝钢异种材料电阻点焊的方法，通过在钢侧使用小端面的电极在铝侧使用具有凸出环的球面电极来改善钢铝界面的热量分布，进而提升焊点性能；该方法需要在钢铝两侧均使用特定比例大小的焊接电极，对于其形状尺寸要求较高，难以保证稳定的焊接质量。

CN110280880A公开了一种6系铝合金与钢接触界面上增加铜材料以此来提升接头性能的方法；该方法需要增加额外的材料成本较高，同时需精确控制多个焊接参数，针对材料范围小，难以保证稳定性；而且热量会在铝侧大量产生，也会降低铝侧电极的使用寿命。

CN110270750A公开了一种用于铝工件与钢工件电阻点焊的方法，其通过预先在钢侧表面添加一钢制工件，从而提升钢侧材料的产热效率；该方法虽然在一定程度上能提升铝钢接头性能，但是其在执行点焊过程中始终是双面通电，热量大部分仍主要是依靠钢侧传导过去，所以热效率利用低。

因此，本领域缺少一种既能方便、低成本、高效率实现钢铝点焊接头性能提升的电阻点焊方法。

发明内容

本发明针对上述问题，提出了一种抑制钢铝工件电阻点焊缺陷多，提升接头性能的方法。

为解决上述问题，本发明采用的一个技术方案是：

一种电阻点焊异种金属的方法，其特点在于，所述方法包括以下步骤：

将待焊接的钢工件与铝工件堆叠，形成堆叠结构，

在所述钢工件与铝工件的接触面，且位于所述铝工件的同侧放置电极相反的一对焊接电极对，使电流由正向负或由负向正流经所述的铝工件；

所述的铝工件电流流经区发生熔化，与所述的钢工件形成金属间化合物，冷却凝固后形成钢铝异质工件接头。

优选的，在所述的焊接电极对之间设有高电阻率材料，构成一个内外组合的整体电极。

优选的，所述焊接电极对为相互独立分开的的两个焊接电极。

所述支撑件具有支撑表面，所述表面与钢工件具有相互接触面，接触面整体与焊接电极面相对提供支撑。

优选的，所述的焊接电极对包括第二焊接电极和环绕在该第二焊接电极外的第一焊接电极，所述第一焊接电极呈环形，该环形的内径为d2，外径为d3；所述第二焊接电极呈柱形，该柱形的外径为d1，满足d3＞d2＞d1。

优选的，所述d1为1-4mm，d2为3-8mm，d3为5-10mm。

优选的，所述的焊接电极对包括第一焊接电极的焊接表面的面积S1，所述第二焊接电极焊接表面的面积S2，满足S2/S1大于1小于5。

优选的，S2/S1为1.5-3.0。

优选的，总输出电流有效值为10-40KA，电流持续时间为50-300ms。

应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。

本发明的有益效果是：通过焊接电流只在在铝工件侧流过形成回流加热熔化铝工件，然后铺展与钢工件接触形成焊接接头的方法，能够有效克服常规电阻点焊时由于电流热量在钢侧、铝侧均产生，但由于两侧导热性以及熔点差异等导致热量不均匀而出现的焊接缺陷；同时常规电阻点焊时由于铝侧热量主要是通过钢侧热量的热传导而形成，所以热效率利用低，本方法通过直接在铝侧产热可大大提升产热效率，降低制造成本。另外,可调整的单面电流回流路径，可精确控制电流流过范围及加热区大小，进而控制内部铝焊核熔化区面积以及金属间化合物的形成，提高焊接接头性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的可替代的实施方式。

图1为本发明的焊接过程示意图。

图2所示为第一焊接电极与第二焊接电极组合时的一种示意图。

图3所示为第一焊接电极与第二焊接电极间存在镶嵌件时组合的一种示意图。

图4所示为图3所示结构的顶视图。

图5所示为第一焊接电极的焊接表面的示意图。

图6所示为支撑部件的示意图。

图7所示为本发明所涉及的另一种焊接电极搭配示意图。

附图标记，1-第一焊接电极；2-第二焊接电极；3-铝工件；4-钢工件；5-支撑部件；11-电流线；12-铝熔核；13-金属间化合物层；6—镶嵌部件；11-第一焊接电极焊接表面；21-第二焊接电极焊接表面；31-铝工件第一表面；32-铝工件第二表面；41-钢工件第一表面；42-钢工件第二表面；51-支撑部件支撑表面；61-镶嵌件表面；d1-第一焊接电极焊接表面外圆周直径；d2-镶嵌件外圆周直径；d3-第二焊接电极焊接表面外径；d4-支撑件支撑表面外圆周直径；B-第一焊接电极与第二焊接电极间距。

具体实施方式

本发明人经过广泛而深入的研究，发现了通过电流只在在铝工件侧流过形成回流加热熔化铝工件，然后铺展与钢工件接触形成焊接接头的方法，能够有效克服常规电阻点焊时由于电流热量在钢侧、铝侧均产生，但由于两侧导热性以及熔点差异等导致热量不均匀而出现的焊接缺陷，同时常规电阻点焊时由于铝侧热量主要是通过钢侧热量的热传导而形成，所以热效率利用低，本方法通过直接在铝侧产热可大大提升产热效率，降低制造成本；在此基础上完成了本发明。

术语

如本文所用，术语“相对”是指对于堆叠组件两个表面而言，“工件”在说明书中广泛地指片材金属层、铸件、挤压件或能电阻点焊的其他任何结构件。术语“大约”表示在本领域中通常可接受的制造过程中的公差范围内。术语“上”、“下”、“外侧”、“内侧”等只是相对性的说明相对位置关系，并没有特定的内外限制。

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外，附图为示意图，因此本发明装置和设备的并不受所述示意图的尺寸或比例限制。

需要说明的是，在本专利的权利要求和说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

此外，在该说明书中提供的数值范围意在包括其端部极限数值，另外，虽然本发明描述的是用在车身部件的结构中，但是详细的方法和组件也可适用于其他领域，例如工业设备、航空航天等领域。

如图1所示为使用本发明方法的示意图。采用本发明方法焊接铝工件3与铝钢工件4，具体包括以下步骤：

(1)提供一种钢工件4和铝工件3；所述钢工件具有总体向外的第一表面41和第二表面42；所述铝工件也具有总体向外的第一表面31和第二表面32；

(2)将所述钢工件与铝工件堆叠形成堆叠结构；其中所述钢工件第二表面42与铝工件第二表面32接触；

(3)提供一对位于堆叠件组合同一侧的焊接电极1和2，以及另一侧的支撑5，在所述电极之间通电流及压力，从而使在所述堆叠部分的通电区域铝侧材料发生熔化并与钢工件形成金属间化合物，冷却凝固后形成钢铝异质工件接头。

值得注意的是本实施例中示意图所示堆叠件为单层工件相互堆叠的结构，但实际上本发明还包括多层工件的堆叠组合，并且工件厚度可以相同或不同。其中钢工件4可以是：例如淬火分配钢(Q&P钢)、双相钢(DP钢)、相变诱发塑性变形钢(TRIP钢)、复相钢(CP钢)、孪生诱发塑性钢(TWIP钢)和热成形钢(PHS钢)等冷轧或热轧钢板中的一种，其可以为同种牌号或不同种牌号，并无严格限定。而且其材料状态可以包括各种回火，包括退火、应变强化等热处理状态。其厚度为0.4-4mm，优选地为0.5-3mm之间。其表面可以具有镀层，镀层的种类可包括例如Zn系、Zn－Fe系、Zn－Ni系、Zn－Al系、Zn－Mg等。作为Zn系镀层的高强度钢板，可包括例如合金化热浸镀锌钢板、热浸镀锌钢板和电镀锌钢板等。还包括预镀层为铝合金或铝基，预镀层按重量计成分为：6-12％的硅，1-5％的铁，而其余组分为铝或必然的杂质。镀层的单位面积重量也无特别限定，镀层厚度为3-40μm。另外，也可以在镀层的表面形成无机系或有机系的油膜(例如润滑油膜)等。铝工件3可以是：如铝镁合金、铝硅合金、铝镁硅合金或铝铜合金等等的铝合金，或者是镁铝合金、镁锰合金、镁锌锆合金等镁合金，工件的厚度为0.5-3mm，优选地为0.8-2.5mm。一般地，钢工件4和铝工件3之间可包括广泛应用于电阻点焊的粘结剂和密封剂。钢工件4与铝工件3之间可以是具有间隙或无间隙的。

成对的焊接电极1,2是位于堆叠件组合的一侧，通过其中任意一个通以焊接电流，然后在1、2之间形成电流回路，而焊接电极1、2的相互位置配置关系可以有多种类型，如图2中所示为环绕布置式的，即电极2包围电极1，此时1、2之间还可以包括电阻率更高的材料，使两电极可以紧密接触，并形成隔离以保证电流回路从1、2之间形成，如图3所示。此时，焊接电极1、2均具有焊接表面11、21，而隔离部件具有同侧表面61；此时整个装配部件的顶视图如图4所示；第一焊接电极1呈环形结构，其内部直径为d2，外径为d3；而第二焊接电极为整体呈柱形结构，焊接表面11的外径为d1。

一般而言，d1，d2，d3是相互搭配来实现焊接的，通常d1为1-4mm，d2为3-8mm，d3为5-10mm，但是满足d3＞d2＞d1，第一焊接电极焊接表面的面积S1与第二焊接电极焊接表面的面积S2是有比例要求的，由于外侧散热较快，所以S1是略小于S2，即S2/S1大于1，其范围为1-5，更窄地为1.5-3.0之间，而具体的尺寸搭配可以根据所焊接材料组合及厚度来确定。而镶嵌件6通常为电阻率高于焊接电极1、2的材料构成，比如钨合金、树脂等高电阻材料，而其表面6距离焊接面11，21是可以具有高度差h，通常h＞0，实现在进行焊接时不接触铝工件，当然也可以是等于0的，即焊接时接触到铝工件，此时也并不妨碍焊接的进行。

执行电阻焊时，首先焊接电极1、2、镶嵌部件6整体以及支撑部件5运动以向堆叠件组合提供一焊接压力F，如图1(b)所示，通常的F为1000-12000N，优选地为2000-5000N；使焊接电极的焊接接触面11、21分别与铝工件的第一表面31形成精密接触。然后通一段或多段焊接电流11，使其经焊接电极1和2流过，并使铝工件加热并熔化形成铝熔核12，如图1(c)所示；在此过程中焊接压力是持续保持作用，而焊接电流可以是一段或多段，可以是直流或交流形式的，这可以根据具体的工件搭配组合来确定；最后，移除焊接电极和支撑部件后，在铝工件侧形成铝熔核12以及熔化的铝润湿铺展钢工件后形成的金属间化合物层13，形成铝钢异质工件点焊接头，如图1(d)所示。值得注意的是附图中所示为第一焊接电极1为接通焊接电源正极，第二焊接电极2所接为负极，但实际上两者是更易更换的，或者是不存在正负极的(如为交流电源时)，在此作出说明。

一般地，焊接电极的焊接面11和21其截面形状可以是平面或是圆弧面。如图5所示为电极1焊接面11为圆弧面时的示意图，此时焊接面11具有曲率半径为r1的曲面，其中r1不小于20mm，当r1为无穷大时即变为平面；而同样第二焊接电极2的焊接表面21也可以是圆弧面或者是平面的形式。

实际上，第一焊接电极和第二焊接电极是可以独立的，如图7所示；此时，第一焊接电极1和第二焊接电极2单独分开作用，不需要增加镶嵌部件；两电极接触中心具有间距B，为3-15mm；优选地为4-12mm；

支撑部件5为可以为钢、铝或铜等材料构成，其在焊接过程不参与导电，只提供压力支撑；一般地其也具有支撑表面51，如图6所示，支撑表面51具有圆周直径d4，一般地d4为5-15mm，优选地为6-12mm；而表面51的截面形状可以是平面或是圆弧面。

焊接电极3、4可以由任何导电和导热材料制成，例如可由铜合金制成，包括铜铬(CuCr)合金、铜铬锆(CuCrZr)合金，添加氧化铝颗粒的铜合金或其他各种的可用作电极材料的铜合金；第一焊接电极3和第二焊接电极4分别具有第一焊接面31和第二焊接面41。两电极3和4可以的结构可以相同也可以不同。

正如上文所述，执行电阻点焊的焊接电流可以是任何直流、交流焊接控制器所发出的，其在焊接过程中可以是恒流、恒压、恒功率或是恒象角的任意形式，这在本领域是容易理解的。执行电阻点焊过程中可以由一个或多个阶段的加热和冷却过程，具体地为多个脉冲的焊接电流，每一个的电流输出大小、持续时间及间隔时间都是可以相同或不同的，一般地总输出电流有效值一般为10-40KA，优选地为15-35KA，而电流持续时间为50-300ms，优选地为60-200ms。

尽管本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限制本发明，任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，做出的种种的等效的变化或替换，均属于本发明保护的范围。因此，本发明的保护范围当视后附的本申请权利要求所界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种电阻点焊异种金属的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

将待焊接的钢工件与铝工件堆叠，形成堆叠结构，

在所述钢工件与铝工件的接触面，且位于所述铝工件的同侧放置电极相反的一对焊接电极对，使电流由正向负或由负向正流经所述的铝工件；

所述的铝工件电流流经区发生熔化，与所述的钢工件形成金属间化合物，冷却凝固后形成钢铝异质工件接头。

2.根据权利要求1所述的电阻点焊异种金属的方法，其特征在于：在所述的焊接电极对之间设有高电阻率材料，构成一个内外组合的整体电极。

3.根据权利要求1所述的电阻点焊异种金属的方法，其特征在于：所述焊接电极对为相互独立分开的两个焊接电极。

4.根据权利要求1-3任一所述的电阻点焊异种金属的方法，其特征在于：在所述钢工件与所述的铝工件的非接触面设有支撑件，用于为所述的钢工件、铝工件和焊接电极对提供支撑。

5.根据权利要求1-3任一所述的电阻点焊异种金属的方法，其特征在于，所述的焊接电极对包括第二焊接电极和环绕在该第二焊接电极外的第一焊接电极，所述第一焊接电极呈环形，该环形的内径为d2，外径为d3；所述第二焊接电极呈柱形，该柱形的外径为d1，满足d3＞d2＞d1。

6.根据权利要求5所述的电阻点焊异种金属的方法，其特征在于，所述d1为1-4mm，d2为3-8mm，d3为5-10mm。

7.根据权利要求1-3任一所述的电阻点焊异种金属的方法，其特征在于，所述的焊接电极对包括第一焊接电极的焊接表面的面积S1，所述第二焊接电极焊接表面的面积S2，满足S2/S1大于1小于5。

8.根据权利要求7所述的电阻点焊异种金属的方法，其特征在于，S2/S1为1.5-3.0。

9.根据权利要求1-3任一所述的电阻点焊异种金属的方法，其特征在于，总输出电流有效值为10-40KA，电流持续时间为50-300ms。

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