TWI504457B - 多層金屬板件點銲搭接方法 - Google Patents

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Description

多層金屬板件點銲搭接方法
本發明關於一種多層金屬板件搭接方法，特別是一種藉由具高電阻率活性劑搭配電阻點銲技術，用以搭接多層金屬板件之方法。
多層金屬板件搭接技術已廣為工業所用，尤其汽車工業的鋼板接合作業更是普及，其中又以電阻點銲(resistance spot welding)技術最為多層金屬板件搭接所習用。
然而，在以電阻點銲技術進行多層金屬板件銲接過程中，除了必須考量電極挾持力、銲接電流及銲接時間等因素外，往往還可能受限於各金屬板件間之材質、厚度及表面狀況等因素，而需以多道次銲接或高電極挾持力或高銲接電流等作用，方能完成多層金屬板件之接合。如此，不僅因多道次銲接程序過度繁雜，還可能因高銲接電流或高電極挾持力作用而於金屬板件接合處產生異常飛爆(expulsion)或過度凹陷等不良現象，更容易因銲核內部之熱能分佈不均或銲核局部之冷卻速率差異，而造成銲核產生中心縮孔、熔融不全及裂縫等缺陷；甚至，由於相鄰金屬板件間之接觸阻抗值不同，而容易造成通電後之電阻熱能多集中於接觸阻抗值較高處，以致使後續銲核成長時產生偏移狀況而減少銲核直徑或銲核熔融面積，嚴重影響多層金屬板件之點銲搭接品質。
此外，通以高電流之電阻點銲所帶來之高溫作用，往往會導致金屬板件自身強度或硬度降低之缺失，以致在上、下電極挾持金屬板件 所施加之高作用力影響下，遂容易於金屬板件外表面產生凹陷現象，甚至當此凹陷深度達金屬板件厚度之20%以上〔俗稱〝銲核過壓〞〕時，將容易造成金屬板件搭接強度大幅降低之缺失。
有鑑於此，確實有必要發展一種有別於前述習知技術之多層金屬板件搭接方法，以能有效進行多層金屬板件之點銲搭接，並同時解決如上所述之各種問題。
本發明主要目的乃改善上述缺點，以提供一種多層金屬板件點銲搭接方法，其係能夠改變任二相鄰金屬板件間之接觸阻抗值，以增加銲核直徑或銲核熔融面積而能具有較佳銲接成效者。
本發明次一目的係提供一種多層金屬板件點銲搭接方法，係能夠採取較低銲接電流作用，避免銲核產生中心縮孔、熔融不全及裂縫等缺陷，或能夠採取較低電極挾持力作用，避免造成銲核過壓現象，進而能有效提升銲核品質者。
為達到前述發明目的，本發明多層金屬板件點銲搭接方法，係包含：將具高電阻率之活性劑塗覆於任二相鄰金屬板件之間欲接合處，以覆蓋該板件表面而形成一銲接工作區；及以上、下電極共同挾持該銲接工作區，並通入電流至該銲接工作區，以經由該高電阻率活性劑所產生之高電阻熱，迫使該二相鄰金屬板件接合處受熱熔融而接合；其中，該高電阻率活性劑之電阻率遠高於金屬板件之電阻率，且該高電阻率活性劑係由一多組成粉末及有機溶劑混合而成；其中，該多組成粉末為氧化物、硫化物、碳酸化合物及鹵化物。
其中，該多組成粉末係由金屬及非金屬化合物組成，該多組成粉末與一有機溶劑之重量比為2：3。
其中，該多組成粉末較佳是為氧化矽(silicon oxide)、氧化 鈦(titanium oxide)、氧化鐵(iron oxide)、硫化鉬(molybdenum sulfide)、碳酸錳(manganese carbonate)及鹵化物(halides)；該有機溶劑可以為甲醇(methanol)、乙醇(ethanol)、異丙醇(isopropyl alcohol)或丙酮(acetone)。
其中，該高電阻率活性劑係以重量百分比為30~50%之氧化矽(silicon oxide)、20~40%之氧化鈦(titanium oxide)、5~20%之氧化鐵(iron oxide)、10~25%之硫化鉬(molybdenum sulfide)、10~15%之碳酸錳(manganese carbonate)及5~10%之鹵化物(halides)共同與甲醇(methanol)混合而成，以使該高電阻率活性劑成泥漿狀。
其中，該高電阻率活性劑之電阻率與金屬板件之電阻率特別係相差1015 ~1025 。
其中，該高電阻率活性劑之單位面積塗覆量係為0.00009g/cm2 ~0.00099g/cm2 。並且，該高電阻率活性劑之塗覆寬度係大於該上、下電極之端部直徑。
基於相同之技術概念，本發明多層金屬板件點銲搭接方法，更可以包含：將具高電阻率之活性劑塗覆於二相鄰金屬板件間欲接合處，以覆蓋該板件表面而形成一銲接工作區；及以上、下電極共同挾持該銲接工作區，並通入電流至該銲接工作區，經由該高電阻率活性劑所產生之高電阻熱，使該二相鄰金屬板件接合處受熱熔融而接合；其中，該高電阻率活性劑之電阻率遠高於該金屬板件之電阻率，且該高電阻率活性劑係由一多組成粉末與一有機溶劑混合而成，且之間塗覆該高電阻率活性劑之該二相鄰金屬板件均未接觸該上電極。
本發明不僅能經由穩定電阻熱作用而增加銲核直徑或銲核熔融面積，更可避免高銲接電流或高電極挾持力作用而引起之異常飛爆或過度凹陷等不良現象，以經此一道次銲接程序而具有較佳銲接成效；甚至，本發明多層金屬板件點銲搭接方法還能夠在低銲接電流作用下，避免銲核 產生中心縮孔、熔融不全及裂縫等各種缺陷，或能夠採取較低電極挾持力作用下，避免造成銲核過壓現象，進而有效提升銲核品質，並相對達到增進多層金屬板件點銲搭接強度之功效。
〔本發明〕
1、1a、1b、1c‧‧‧金屬板件
2a‧‧‧上電極
2b‧‧‧下電極
P‧‧‧高電阻率活性劑
A‧‧‧銲接工作區
Ra、Rab、Rbc、Rc、Ra’、Rab’、Rbc’、Rc’、Ra”、Rab”、Rbc”、Rc”‧‧‧電阻率
Ta、Tab、Tbc、Tc、Ta’、Tab’、Tbc’、Tc’、Ta”、Tab”、Tbc”、Tc”‧‧‧溫度值
第1a圖：本發明高電阻率活性劑塗覆示意圖。
第1b圖：本發明多層金屬板件點銲搭接方法示意圖。
第2a圖：三層金屬板件點銲搭接示意圖之一。
第2b圖：第2a圖三層金屬板件之電阻分佈示意圖。
第2c圖：第2a圖三層金屬板件之溫度分佈示意圖。
第3a圖：三層金屬板件點銲搭接示意圖之二。
第3b圖：第3a圖三層金屬板件之電阻分佈示意圖。
第3c圖：第3a圖三層金屬板件之溫度分佈示意圖。
第4a圖：三層金屬板件點銲搭接示意圖之三。
第4b圖：第4a圖三層金屬板件之電阻分佈示意圖。
第4c圖：第4a圖三層金屬板件之溫度分佈示意圖。
第5(a)~5(d)圖：多層金屬板件點銲搭接銲核剖面圖。
為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：本發明多層金屬板件點銲搭接方法可以適用於不同材質、厚度之金屬板件銲接，尤以汽車高強度鋼板為主要實施對象，藉此配合電阻點銲搭接技術而能廣泛應用於交通運輸工業，以提高多層金屬板件之銲接 效率及銲核品質。
本文所述「銲核」乃是泛指於電阻點銲過程致使電流通過之區域，此為本技術領域之通常用語，應可為本領域技術人員所理解，不再贅述。
該多層金屬板件點銲搭接方法係包含以下步驟：如第1a圖所示，係先將一高電阻率活性劑P塗覆於任二相鄰金屬板件1之間欲接合處，以覆蓋該板件1表面而形成一銲接工作區A。其中，該高電阻率活性劑P之電阻率遠高於該金屬板件1之電阻率(例如，二氧化矽粉末典型之電阻率為1.0×1018 Ω-cm；二氧化鈦粉末典型之電阻率為1.0×1012 Ω-cm；高強度鋼板材典型之電阻率為2.8×10-5 Ω-cm；不銹鋼板材典型之電阻率為7.4×10-5 Ω-cm)，且該高電阻率活性劑P與該金屬板件1之電阻率特別係相差約1015 ~1025 為較佳，以有效增進該金屬板件1間之接觸電阻值。再者，該高電阻率活性劑P可以選擇由一多組成粉末及一有機溶劑共同混合而成，該多組成粉末係由金屬及非金屬化合物組成，該多組成粉末與該有機溶劑之重量比較佳係為2：3；且該多組成粉末可以包含氧化物、硫化物、碳酸化合物及鹵化物，舉凡氧化矽(silicon oxide)、氧化鈦(titanium oxide)、氧化鐵(iron oxide)、硫化鉬(molybdenum sulfide)、碳酸錳(manganese carbonate)及鹵化物(halides)等各種相對於該板件1具有較高電阻率之金屬或非金屬化合物，且該有機溶劑則可以選擇是甲醇(methanol)、乙醇(ethanol)、異丙醇(isopropyl alcohol)或丙酮(acetone)等各種易揮發性之液體。
詳言之，本實施例之高電阻率活性劑P特別係選擇以重量百分比為30~50%之氧化矽(silicon oxide)、20~40%之氧化鈦(titanium oxide)、5~20%之氧化鐵(iron oxide)、10~25%之硫化鉬(molybdenum sulfide)、10~15%之碳酸錳(manganese carbonate)及5~10%之鹵化物 (halides)等混合而成之多組成粉末，並於適量甲醇(methanol)〔該多組成粉末：甲醇=2：3〕調合下，致使該高電阻率活性劑P呈泥漿狀；續如第1a圖所示之三層金屬板件點銲搭接〔金屬板件1a、1b、1c〕為例，以將呈泥漿狀之該高電阻率活性劑P塗覆於任二相鄰金屬板件1a、1b或1b、1c之夾層間〔亦即圖面所示之金屬板件1b、1c的上表面〕，以於金屬板件1b、1c上表面各形成一覆蓋有該高電阻率活性劑P之銲接工作區A，並致使各層金屬板件1b、1c之銲接工作區A作對位堆疊，再以最上層之金屬板件1a一併予以貼合。
其中，該高電阻率活性劑P是以能塗覆至金屬板件1表面光澤為之所覆蓋為原則，較佳係操作該高電阻率活性劑P之單位面積塗覆量維持0.00009g/cm2 ~0.00099g/cm2 ，亦所謂完整且均勻覆蓋銲接工作區，藉以增進電流通過該銲接工作區A之準確性。
特別地，該高電阻率活性劑P可以但不限需全面塗覆於各層金屬板件1間，本領域技術人員應當視金屬板件1之材質、厚度而加以微調該高電阻率活性劑P之塗覆位置及厚薄程度，以能增進較厚金屬板件間之銲核直徑或銲核熔融面積為原則。
當各層金屬板件1間塗覆有該高電阻率活性劑P，並依據各自之銲接工作區A對位堆疊後，再如第1b圖所示，透過上、下電極2a、2b共同挾持該銲接工作區A，並通入電流至該銲接工作區A，以經由該高電阻率活性劑P所產生之高電阻熱，迫使該二相鄰金屬板件1接合處受熱熔融而接合。其中，該高電阻率活性劑之塗覆寬度係大於該上、下電極之端部直徑。本實施例選擇採用中頻直流電阻點銲設備，以端部直徑為6.0mm、最高銲接電流為6.1kA，且電極挾持力為350kgf作較佳實施。
承如上述，以該上電極2a及下電極2b共同挾持最外層之金屬板件1a、1c，並使該上電極2a及下電極2b之電極頭均對位於該銲接工 作區A，在調整適當銲接電流及電極挾持力後，致使電流導入該銲接工作區A。當該金屬板件1a、1b及1c之間未塗覆高電阻率活性劑P(如第2a圖所示)，其電阻值及其溫度值係如第2b及2c圖所示，其中，Ra及Ta係於該金屬板件1a接觸該上電極2a之表面所測得之電阻值及溫度值、Rab及Tab為該金屬板件1a及1b之接觸面所測得之電阻值及溫度值，Rbc及Tbc為該金屬板件1b及1c之接觸面所測得之電阻值及溫度值，以及Rc及Tc係為該金屬板件1c接觸該下電極2b之表面所測得之電阻值及溫度值。由第2b及2c圖可以得知，Rab及Rbc係大於Ra及Rc，且Tab及Tbc係大於Ta及Tc。而當該金屬板件1a及1b之間，以及該金屬板件1b及1c之間，係於該銲接工作區A塗覆該高電阻率活性劑P(請參照第3a圖所示)，通過該銲接工作區A之電流會受限於該高電阻率活性劑P的高絕緣阻抗特性，使該金屬板件1a及1b之間，以及該金屬板件1b及1c之間，產生高電阻熱，如第3b圖所示，該金屬板件1a及1b之間，以及該金屬板件1b及1c之間，其電阻值Rab’及Rbc’明顯較未塗覆時之電阻值Rab及Rbc為高，且其溫度值Tab’及Tbc’亦較未塗覆時之溫度值Tab及Tbc為高，以致使各金屬板件1a、1b、1c接合處受熱熔融，而能夠進一步在該上、下電極2a、2b加壓之下，迫使該金屬板件1a、1b、1c完成緊密接合。
請參照第4a圖所示，再者，當該金屬板件1a及1b之間未塗覆高電阻率活性劑P，且該金屬板件1b及1c之間塗覆該高電阻率活性劑P(意即，僅於未接觸該上電極2a之該金屬板件1b及1c之間塗覆該高電阻率活性劑P)，該高電阻活性劑P亦可以有效促使該金屬板件1a及1b之間，以及該金屬板件1b及1c之間，產生高電阻熱(請參照第4b及4c圖所示)，亦可以使各金屬板件1a、1b、1c接合處受熱熔融，而使金屬板件1a、1b、1c完成緊密接合。
如此一來，本發明多層金屬板件點銲搭接方法遂可藉由該高 電阻率活性劑增進相鄰金屬板件間之接觸阻抗值，以顯著提高電阻熱能。換言之，由於電阻點銲過程容易使產生之電阻熱多集中於接觸阻抗較顯著之位置，以致電阻熱分佈不均，故當本發明選擇塗覆該高電阻率活性劑於接觸阻抗相較為不顯著之二相鄰金屬板件之間時，則可透過該活性劑之高絕緣電阻率增進二相鄰金屬板件間之接觸阻抗，以在低電流作用下產生穩定且均佈之電阻熱而完成多層金屬板件一道次銲接程序。
基於前述技術概念，在此比較傳統電阻點銲技術與本發明之差異，以藉銲核金相剖面圖呈現於第5(a)~5(d)圖。由圖中可看出，當輸出之銲接電流為5.0kA時，以傳統電阻點銲技術銲接後，如第5(a)圖所示之金屬板件銲核中心明顯有縮孔、裂縫等缺陷，甚至更於外層金屬板件處產生熔融不完全現象；反觀以本發明進行銲接後，如第5(c)圖所示之銲核則呈現完整無缺陷之良好品質。並且，在輸出之銲接電流提高至6.1kA時，傳統電阻點銲之銲核仍舊具有如第5(b)圖所示之縮孔缺陷，而經由本發明作用後，多層金屬板件點銲搭接之銲核直徑或銲核融熔面積與均如第5(d)圖所示呈現大幅之提升，其銲核品質明顯較佳。
對此，多層金屬板件在不同輸出之銲接電流作用並完成點銲搭接後，再以撕裂試驗(peel test)評估其銲核直徑之差異，如下表一。
由表一得知，經本發明之高電阻率活性劑作用後，僅需以較低銲接電流便能增進多層金屬板件點銲搭接之銲核直徑。
綜上，本發明不僅能經由穩定電阻熱作用而增加銲核直徑或銲核熔融面積，更可避免高銲接電流或高電極挾持力作用而引起之異常飛爆或過度凹陷等不良現象，以經此一道次銲接程序而具有較佳銲接成效；甚至，本發明多層金屬板件點銲搭接方法還能夠在低銲接電流作用下，避免銲核產生中心縮孔、熔融不全及裂縫等各種缺陷，或能夠採取較低電極挾持力作用下，避免造成銲核過壓現象，進而有效提升銲核品質，並相對達到增進多層金屬板件點銲搭接強度之功效。
雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
1、1a、1b、1c‧‧‧金屬板件
2a‧‧‧上電極
2b‧‧‧下電極
P‧‧‧高電阻率活性劑
A‧‧‧銲接工作區

Claims (8)

  1. 一種多層金屬板件點銲搭接方法，係包含：將具高電阻率之活性劑塗覆於任二相鄰金屬板件間欲接合處，以覆蓋該板件表面而形成一銲接工作區；及以上、下電極共同挾持該銲接工作區，並通入電流至該銲接工作區，經由該高電阻率活性劑所產生之高電阻熱，使該二相鄰金屬板件接合處受熱熔融而接合；其中，該高電阻率活性劑之電阻率遠高於該金屬板件之電阻率，且該高電阻率活性劑係由一多組成粉末與一有機溶劑混合而成；其中，該多組成粉末為氧化物、硫化物、碳酸化合物及鹵化物。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之多層金屬板件點銲搭接方法，其中，該多組成粉末係由金屬及非金屬化合物組成，該多組成粉末與該有機溶劑之重量比為2：3。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之多層金屬板件點銲搭接方法，其中，該多組成粉末為氧化矽(silicon oxide)、氧化鈦(titanium oxide)、氧化鐵(iron oxide)、硫化鉬(molybdenum sulfide)、碳酸錳(manganese carbonate)及鹵化物(halides)。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之多層金屬板件點銲搭接方法，其中，該高電阻率活性劑係以重量百分比為30~50%之氧化矽(silicon oxide)、20~40%之氧化鈦(titanium oxide)、5~20%之氧化鐵(iron oxide)、10~25%之硫化鉬(molybdenum sulfide)、10~15%之碳酸錳(manganese carbonate)及5~10%之鹵化物(halides)共同與該有機溶劑混合，以使該高電阻率活性劑成泥漿狀。
  5. 如申請專利範圍第1、2、3或4項所述之多層金屬板件點銲搭接方法，其中，該高電阻率活性劑之電阻率與金屬板件之電阻率係 相差1015 ~1025 。
  6. 如申請專利範圍第1、2、3或4項所述之多層金屬板件點銲搭接方法，其中，該有機溶劑為甲醇(methanol)、乙醇(ethanol)、異丙醇(isopropyl alcohol)或丙酮(acetone)。
  7. 如申請專利範圍第1、2、3或4項所述之多層金屬板件點銲搭接方法，其中，該高電阻率活性劑之單位面積塗覆量係為0.00009g/cm2 ~0.00099g/cm2 。
  8. 如申請專利範圍第1、2、3或4項所述之多層金屬板件點銲搭接方法，其中，該高電阻率活性劑之塗覆寬度係大於該上、下電極之端部直徑。
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