WO2023065797A1 - 一种异种金属接头及其电阻焊方法 - Google Patents

Abstract

提供一种异种金属接头的电阻焊方法和异种金属接头，对外层由铁或铁基合金构成、内层由密度小于5g/cm ³或熔点低于800℃的金属构成的层叠结构进行焊接。电阻焊方法包括飞溅阶段，飞溅阶段中层叠结构中间的轻金属或低熔点金属以飞溅的形式脱离，使得焊接界面内的铁或铁基合金层相互之间直接形成连接结构完成焊接。该电阻焊方法能够避免异种接头焊接界面上脆性金属间化合物的形成，提高接头力学性能，实现异种金属间的可靠连接。

Description

一种异种金属接头及其电阻焊方法 技术领域

本发明属于焊接领域，具体涉及一种异种金属接头及其电阻焊方法。

背景技术

随着节能减排要求的不断提高，轻量化设计已经成为汽车工业所面临的重要课题。在少数豪华品牌的产品中，已经出现了全铝车身等设计方案。然而，全铝车身成本昂贵，维修困难，其价格始终难以为一般消费者广泛接受。因此在市面上的主流产品中，车身结构的主体仍然以钢材为主，尤其是如A柱、B柱、车门加强板和纵梁等结构件，高强钢乃至超高强钢正在取代原有的普通钢材，获得越来越多的应用。同时，汽车企业和消费者逐渐发现，在减震器、车轮罩端板、地板、发动机和车身外覆盖件等局部采用包括铝合金、镁合金在内的轻合金材料，不失为一个成本与性能上都可以接受的方案。因此，钢材与轻金属复合的汽车制造方案，正得到越来越多的青睐。钢与轻金属异种接头连接工艺的重要性便凸显了出来。

传统白车身制造工艺多采用电阻焊对钢板进行电阻焊连接。然而钢材尤其是高强钢与铝合金、镁合金物理性能差异巨大，钢材熔点普遍超过1400℃，而铝合金、镁合金熔点多在700℃以下，在传统电阻焊工艺中钢与铝、镁合金的焊接接头会出现大量气孔裂纹等缺陷，且焊接区域内会形成大量脆性的铁-铝或铁-镁金属间化合物，严重影响接头的机械强度。

部分现有技术采用了钢工件-铝工件-钢工件的三层复合结构或者钢元件-铝工件-钢工件，其中钢元件常见的为特别设计的铆钉，包括特制的实心、空心和半空心铆钉等。对这些组合焊接时，先对焊接区域进行加热，或者对钢元件驱动而保持在高速旋转状态下接触铝工件并挤压，使中间的铝板在高温下软化或达到半熔化状态，再通过焊接设备提供大的压力将软化或半熔化状态的铝合金挤出焊接区域，进而直接在最外层的钢板或钢元件与钢工件之间完成焊接的方案。然而，发明人认识到，在这一过程中，被加热的高温铝合金与钢板会发生较长时间的接触，导致形成大量的脆性的金属间化合物，并且高温塑性状态下的铝合金也较难有效排挤出焊接区域而影响焊接质量。因为，铝钢异种金属焊接时，铁在铝中固溶度较高，而铝在铁中几乎无法固溶，因此铁铝之间无法大量形成固溶体，焊接时焊 缝中快速形成大量铁铝系脆性的金属间化合物(例如FeAl ₃，Fe ₂Al ₅，FeAl ₂，FeAl和Fe ₃Al等)，这些脆性金属间化合物通常呈层状结构分布在焊接界面上，在承受外应力化合物层时极易萌生裂纹和提供裂纹扩展，对最终的接头强度产生显著的不良影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种异种金属接头的电阻焊方法，以解决电阻点焊焊接异种金属时焊接强度低、焊接界面存在大量脆性金属间化合物、容易萌生裂纹的问题。

本发明的另一目的在于提供一种异种金属接头，其具有可靠的连接。

根据本发明实施例的一个方面，提供一种异种金属接头的电阻焊方法，对异种金属层叠结构进行焊接，所述层叠结构包括第一类金属板和第二类金属板，所述第一类金属板为纯铁或铁基合金，所述第二类金属板使密度低于5g/cm ³或熔点低于800℃的单质或合金。所述层叠结构的外侧的板为第一类金属板，所述第二类金属板位于所述第一类金属板之间。所述电阻焊方法包括将所述第二类金属板排出焊接区域的步骤和焊接阶段，将所述第二类金属板排出的步骤包括飞溅阶段。在所述飞溅阶段中，对所述层叠结构施加飞溅电流和电极压力，以使焊接区域内的叠层结构被加热，第二类金属熔化并在压力作用下以飞溅的形式脱离焊接区域，第一类金属则在电阻热和压力作用下相互靠近，其中，在至少部分焊接区域所述第二类金属板完全飞离。在所述焊接阶段，在所述至少部分焊接区域形成仅由所述第一类金属板接触组成的焊接界面，所述焊接界面产生冶金连接。

可选地，所述飞溅电流包括一个或多个电流脉冲，优选为2-5个，单个所述电流脉冲的持续时间不超过200ms，优选为50ms-120ms。

进一步地，所述飞溅电流强度I1＝K1*I0，其中I0为对所述异种金属接头中的第一类金属板单独进行电阻焊形成熔核截面直径

时的电流强度，t为所述第一类金属板中较薄板的厚度，K1的取值范围为0.8-3.5。

可选地，在所述飞溅阶段，所述第二类金属板以飞溅形式脱离焊接区域后形成仅由第一类金属板接触组成的焊接界面，所述焊接界面残留第二类金属层的厚度≤0.15mm，且所述焊接界面的等效直径≥所述电极端面直径的0.5倍；优选其中残留的第二类金属层的厚度≤0.05mm。

可选地，所述焊接阶段中，对所述层叠结构施加焊接电流和电极压力，焊接电流的强度小于或等于所述飞溅电流的强度。

进一步地，所述焊接电流的强度I2＝K2*I0，其中I0为对所述异种金属接头中的第一类金属板单独进行电阻焊形成熔核截面直径

时的电流强度，t为所述第一类金属板中较薄板的厚度，K2的取值范围为0.5-2.5。对焊接电流强度的控制能够保证电阻焊方法所得到的异种接头焊接强度。

可选地，所述飞溅电流与所述焊接电流之间的间隔为0ms-200ms。

可选地，所述焊接阶段之后还包括回火阶段，在所述回火阶段中电极对所述焊接区域提供回火电流。回火过程能够改善接头力学性能。

进一步地，所述回火电流强度I3＝K3*I0，其中I0为对所述异种金属接头中的第一类金属板单独进行电阻焊形成熔核截面直径

时的电流强度，t为所述第一类金属板中较薄板的厚度，K3的取值范围为0.4-1.8。

可选地，在所述飞溅阶段之前还包括预热阶段，在所述预热阶段中电极对待焊接区域提供预热电流。预热过程能够使夹层中的铝合金或镁合金更快融化，促进飞溅过程的发生。

进一步地，所述预热电流强度I4＝K4*I0，其中I0为对所述异种金属接头中的第一类金属板单独进行电阻焊形成熔核截面直径

时的电流强度，t为所述第一类金属板中较薄板的厚度，K4的取值范围为0.2-1.3。

可选地，所述焊接方法在所述飞溅阶段之前还包括预热阶段，在所述预热阶段中电极对待焊接区域提供预热电流，在所述焊接阶段之后还包括回火阶段，在所述回火阶段中电极对焊接区域提供回火电流，飞溅电流强度I1＝K1*I0，焊接电流强度I2＝K2*I0，预热电流强度I4＝K4*I0，回火电流强度I3＝K3*I0，K1的取值范围为0.8-3.5,K2的取值范围为0.5-2.5，K4的取值范围为0.2-1.3，K3的取值范围为0.4-1.8，K ₁≥K ₂≥K ₃≥K ₄。

进一步地，所述焊接电流、所述预热电流、所述回火电流具有至少一个电脉冲，作用时间不超过800ms，优选为200-700ms。

进一步地，所述焊接电流或所述预热电流与所述飞溅电流之间，所述回火电流与所述焊接电流之间具有0-200ms的间隔，优选为5-80ms。

可选地，所述第一类金属板其中至少一个的表面存在镀层，所述镀层为锌基镀层或铝基镀层。

可选地，所述层叠结构的结构形式为三层组或者五层组，所述三层组的两外 层组为第一类金属板的单层或者相邻叠加层，而内层组为第二类金属板的单层或相邻叠加层，所述五层组的两外层组、中间层组为第一类金属板的单层或者相邻叠加层，另外两层组为第二类金属板的单层或相邻叠加层，各自位于外层组和中间层组之间，在所述焊接阶段中，相邻的所述第一类金属板在电极压力下相互直接接触并焊接。

进一步地，所述层叠结构中的所述第一类金属板中的至少两层由同一块金属板弯折而成，所述弯折的位置在焊接区域外。

可选地，所述第二类金属板为铝、铝合金、镁和镁合金中的任一个或至少两个的任一种层叠组合。

可选地，所述第一类金属板的抗拉强度不超过2500MPa，显微维氏硬度不超过650Hv，单层厚度范围为0.5mm-2.5mm。

可选地，相邻间隔的所述第一类金属板之间的单层或者相邻叠加的所述第二类金属板的厚度≤4.5mm，单层或者相邻叠加的所述第一类金属板的总厚度≤5.5mm。

可选地，所述第一类金属板的单层或者相邻叠加层满足条件：板的厚度(单位mm)与抗拉强度(单位MPa)的乘积A满足100≤A≤5000。

可选地，所述层叠结构的两外侧的板其中一个与另一个相比，板的厚度(单位mm)与抗拉强度(单位MPa)的乘积数值较小。

根据本发明实施例的另一个方面，提供一种异种金属接头，所述异种金属接头为层叠结构，包括第一类金属板和第二类金属板，所述第一类金属板是纯铁或铁基合金，所述第二类金属板是密度低于5.0g/cm ³或者熔点低于800℃的单质或合金，所述层叠结构的外侧的板为第一类金属板，所述第二类金属板位于所述第一类金属板之间。其中，从异种金属接头的外观看，所述异种金属接头在电极端面压痕区域的厚度小于等于第一类金属板厚度之和，在电极端面压痕区域边缘向外接头结构厚度逐渐增加，最后呈现原始组合的叠层结构；从异种金属接头的横截面看，电极端面压痕区域及其周边材料呈现中间薄、两边厚的特征，在电极端面压痕区域的中间压痕区域仅由第一类金属板组成，且所述第一类金属板之间在界面处发生原子间结合形成永久连接；从压痕区域边缘向外，叠层结构的厚度逐渐增加，第二类金属板在第一类金属板之间从较小的厚度逐渐增加到第二类金属板的原始厚度。

可选地，在所述压痕区域外的所述第一类金属板之间，存在由第二类金属板 熔化飞溅形成的“喷射状”凝固组织。

可选地，在所述电极端面压痕边缘区域，在所述第二类金属板在与所述第一类金属板接触界面，产生了金属间化合物(IMC层)。

进一步地，所述层叠结构中的所述第一类金属板，其中至少两层由同一块金属板弯折而成，所述弯折位于焊接区域外。

根据本发明实施例的又一个方面，提供一种异种金属接头，由上述任一实施方式的电阻焊方式获得。

本发明实施例的有益效果如下：

(1)通过本发明方法的飞溅特征，实现对叠层结构中轻金属的有效排出，以避免轻金属对接头连接造成的不利影响。在本领域的通常认知中，电阻焊点焊过程中的飞溅是需要避免的缺陷，而在本发明中飞溅现象得到了利用。通过对焊接区域施加飞溅电流，使位于中间层的第二类金属快速熔化，熔融的液态金属在电极压力和电流加热的共同作用下瞬间冲破液态区周边的塑性变形区，以飞溅的形式脱离焊接区域，使焊区域中仅存在微量甚至不存在第二类金属而实现第一类金属之间的紧密接触，避免了在后续焊接阶段中焊接界面内生成大量脆性金属间化合物(IMC层)，有效改善了焊接质量，本发明方法简便、效率高、适用范围广泛、连接质量高。

(2)本发明的飞溅阶段可通过多个脉冲实施，能够起到对轻金属多次加热排出的效果，实现在最大程度上排出叠层结构中的轻金属，从而满足包含多层轻金属的叠层结构的连接。

(3)本发明方法能够实现轻金属与钢板多层间隔叠层结构的高质量连接，并且不受轻金属种类、成分和加工方法和钢板强度的限制，比如实现包括镁合金、铝合金冷轧板、铝合金型材、铸铝以及中间存在超高强热成形钢等情形的连接。

(4)与现有钢铝直接电阻点焊方法相比，本发明方法避免了电极与轻金属直接接触，从而能够极大地提高电极的使用寿命和接头的连接质量。

(5)本发明方法与现有同类技术相比，不需要专门制备具有锁紧特征的钢制金属元件，不需要刺穿轻金属或者钢工件，具有极为广阔的应用市场。

附图说明

图1是异种金属接头的一实施例的层叠结构示意图；

图2a是异种金属接头的另一实施例的层叠结构示意图；

图2b是异种金属接头的又一实施例的层叠结构示意图；

图3是异种金属接头的再一实施例的层叠结构示意图；

图4是异种金属接头的电阻焊方法的实施方式中电流、电极压力与时间的关系示意图；

图5a到图5e是异种金属接头的电阻焊方法的实施方式中不同焊接阶段的焊接接头变化示意图；

图6是异种金属接头一实施例的焊接接头结构示意图；

图7是异种金属接头另一实施例的焊接接头结构示意图；

图8a与图8b是异种金属接头的另外两个不同实施例的焊接接头结构示意图；

图9是异种金属接头的电阻焊方法的实施例1的焊接接头剥离端口结构图；

图10是异种金属接头的电阻焊方法的实施例2的焊接接头截面金相图；

图11是异种金属接头的电阻焊方法的实施例2的焊接接头拉伸剪切载荷-位移曲线图；

图12是异种金属接头的电阻焊方法的实施例4的焊接接头截面金相图；

图13是异种金属接头的电阻焊方法的实施例4的焊接接头拉伸剪切载荷-位移曲线图；

图14是异种金属接头的电阻焊方法的实施例5的焊接接头截面金相图；

图15是异种金属接头的电阻焊方法的实施例5的焊接接头拉伸剪切载荷-位移曲线图；

图16是异种金属接头的电阻焊方法的实施例7的焊接接头截面金相图；

图17是异种金属接头的电阻焊方法的实施例7的焊接接头拉伸剪切载荷-位移曲线图；

图18是异种金属接头的电阻焊方法的实施例8的焊接接头截面金相图；

图19是异种金属接头的电阻焊方法的实施例8的焊接接头拉伸剪切载荷-位移曲线图；

图20是异种金属接头的电阻焊方法的实施例9的焊接接头截面金相图；

图21是异种金属接头的电阻焊方法实施例10的焊接接头截面金相图；

图22是异种金属接头的电阻焊方法实施例11的焊接接头截面金相图；

图23是异种金属接头的电阻焊方法的实施例12的焊接接头截面金相图；

图24是异种金属接头的电阻焊方法的对比例焊接接头截面金相图；

图25是异种金属接头的电阻焊方法的对比例焊接接头拉伸剪切载荷-位移曲线 图；

图26是异种金属接头的各区域范围的示意图。

上述附图的目的在于对本发明的技术构思进行描述以便本领域技术人员的理解，附图仅包括与本发明技术特征相关的部分，并未展示发明的整体与全部细节。

具体实施方式

下面通过具体实施例结合附图对本发明的实施方式作进一步的详细描述。

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，因此本发明方法、接头中所涉及相关尺寸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。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。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。

异种金属接头具有如图1所示的层叠结构，该层叠结构包括第一类金属板3、5和第二类金属板4。第一类金属板3、5分别可称为上板3、下板5，第二类金属板4可成为内板4。第一类金属制成的上板3、第二类金属制成的内板4和第一类金属制成的下板5。对于上板3和下板5而言，制成板材的第一类金属为纯铁或铁基合金，具体的板材可通过多个角度进行选择，如机械性能方面其抗拉强度不超过2500MPa，显微维氏硬度不超过650Hv，再如尺寸方面单层厚度在0.5mm-2.5mm范围，或综合考虑板厚(单位mm)与抗拉强度(单位MPa)的乘积数值A在100-5000之间，优选的实施例中上板3与下板5的A值不相等。其中任一一块第一类金属板的任一表面可以为裸板也可以有铝基或锌基镀层如锌镀层、铝硅镀层、锌铝镀层或锌镍镀层，还可以是铅锡镀层。对于内板4而言，制成板材的第二类金属为密度低于5g/cm ³或熔点低于800℃的单质或合金，其具体板材可以从多个角度选择，例如成分上可选铝、铝合金、镁和镁合金中的任一个或至少两个的任一种层叠组 合，又如从尺寸上考虑厚度不超过4mm。

上板3、内板4和下板5是单层板结构，在其他实施例中也可是多层板相邻叠加的复合结构，这种多层板相邻叠加的复合结构可以由分别复合上述限制条件的不同板材组成。无论层叠结构为何种形式，其中的第一类金属板总厚度优选不超过5mm，第二类金属板总厚度优选不超过4mm，以有利于提升焊接质量。

异种金属接头的上板3、内板4和下板5均可以设置成多层结构。在如图2a所示的异种金属接头(焊接前)中，上板3为三层结构，下板5为两层接头。在如图2b所示的异种金属接头(焊接前)中，内板4为两层结构。其中上板3、内板4和下板5的多层结构可以是同种材料，也可以是满足前述实施例中参数限制的多种不同材料的组合。例如上板3、下板5的多层结构可以是低碳钢与纯铁的任一层叠组合，内板4的多层结构可以是铝、铝合金、镁、镁合金中任一个或至少两个的任一种层叠组合。

如图3所示，异种金属接头的另一种形式还可以是第一类金属构成的上板3、下板5与第二类金属构成的内板4及由第一类金属构成的内板13所组成的五层组复合结构，其中每一层板材即可以是单板也可以是多层板材相邻叠加的复合结构。对此类结构，在焊接阶段中，相邻间隔的第一类金属板，即上板3和内板13、内板13和下板5分别接触并焊接。

以图1所提供的三层层叠结构为例，下面对异种金属接头的电阻焊方法实施方式的焊接过程做出说明，结合图5，电阻焊过程中上电极1和下电极2对层叠结构施加电流和电极压力。在图5中，横轴为时间(ms)，纵轴为电极压力(N)或者电流(kA)，其中虚线表示压力随时间的变化，实线表示电流随时间的变化。电阻焊过程包括t1-t2的预热阶段、t3-t4的飞溅阶段、t5-t6的焊接阶段和t6-t7的回火阶段。每个阶段，上电极1和下电极2分别对层叠结构施加对应的预热电流I4、飞溅电流I1、焊接电流I2和回火电流I3。电极压力在图4中随时间变化呈阶段性变化。在飞溅阶段中，对层叠结构施加飞溅电流和电极压力，以使焊接区域内的叠层结构被加热，第二类金属熔化并在压力作用下以飞溅的形式脱离焊接区域，第一类金属则在电阻热和压力作用下相互靠近，其中，在至少部分焊接区域第二类金属板完全飞离。在焊接阶段，在至少部分焊接区域形成仅由第一类金属板接触组成的焊接界面，焊接界面产生冶金连接。在另一实施方式中，整个焊接过程可以保持表1所示的电极压力不变。

其中，飞溅电流和电极压力通过焊接电极施加，焊接电极具有电极端面。 飞溅过程中第二类金属板完全飞离包括后述情形，即在第一类金属板接触组成的焊接界面具有微量残留的第二类金属、且微量残留的第二类金属与所述第一类金属表面镀层或者基体元素发生混合，导致在肉眼观察焊点横截面时仅看到由第一类金属组成的叠层结构；在随后继续焊接的过程中，微量残留的第二类金属将完全熔合进入第一类金属形成的熔核中，且对焊接质量不构成影响，即微量残留的第二类金属不会与第一类金属形成脆性金属间化合物、也不影响熔核的性能。

焊接界面发生的第一类金属与第二类金属元素混合以及仅由第一类金属连接造成原始接触面融合而消失的情况即为产生冶金连接。冶金连接在后述实施例中包括扩散连接和熔核连接。

首先定义参考电流强度I0，I0为对上板3、下板5单独进行单脉冲电阻焊形成熔核截面直径

时的电流强度，t为其中较薄的板的厚度。

在电极对层叠结构施加电流之前，施加可选的预压步骤，预压步骤使堆叠工件接触紧密，降低板材之间的电阻，预压压力如图5所示，其可以低于后述飞溅、焊接阶段的电极压力。

在预热阶段如图5a所示，电极对层叠结构施加预热电流，使堆叠工件接触更加紧密，降低板材之间的电阻。预热电流具有至少一个电脉冲，作用时间一般不超过800ms，优选为200-700ms。预热电流优先地不产生飞溅，预热电流强度I4在数值上满足I4＝K4*I0，K4的取值范围为0.2-1.3。在一些实施例中，省略预热阶段仍然可以完成对层叠结构的焊接。

在飞溅阶段如图5b、图5c所示，电极对层叠结构施加飞溅电流，在飞溅电流的作用下焊接区域范围内的内板4材料熔化成液态金属6，其中部分形成飞溅7脱离焊接区域，在第一类金属板3、5之间形成一个没有第二类金属存在的区域，第一类金属板3、5在电流作用下受热软化，在上电极1和下电极2的压力下向中间靠近并在这个没有第二类金属存在区域内相互接触形成了焊接界面8。第二类金属4受到挤压发生变形，在焊接界面8中残留第二类金属的厚度一般≤0.15mm，在优选状态下其厚度≤0.05mm，且焊接界面8的等效直径通常不小于上电极1或下电极2端面直径的0.5倍。飞溅电流强度I1在数值上满足I1＝K1*I0，K1的取值范围为0.8-3.5。飞溅电流可以是单脉冲也可以是多个脉冲，脉冲数优选为2-5个，单个脉冲持续时间不超过200ms，优选为50ms-120ms。

在焊接阶段如图5d所示，电极对层叠结构施加焊接电流。焊接电流的强度小 于飞溅阶段，而电极压力大于飞溅阶段。焊接电流可以是单脉冲也可以是多脉冲，作用时间一般不超过800ms，优选地为200-700ms。焊接电流强度I2在数值上满足I2＝K2*I0，K2的取值范围为0.5-2.5。第一类金属板3、5在焊接电流作用下持续加热，接触面8处的金属发生熔化，形成钢熔核9，至钢熔核9的直径达到

进而实现第一类金属板3、5之间的冶金连接。内板4残留在焊接界面周围的部分液态金属与附近的钢接触的界面部分形成少量金属间化合物(IMC层)。为了使飞溅发生后上盖板3与下盖板5充分接触，飞溅电流与焊接电流之间可以设置0-200ms的间隔，优选10-70ms。

在回火阶段如图5e所示，电极对层叠结构施加回火电流，以对焊接界面进行保温和回火处理，以获得均匀的焊接组织，消除残余应力。回火电流具有至少一个电脉冲，作用时间一般不超过800ms，优选为200-700ms。回火电流优先地不产生飞溅，回火电流强度I3在数值上满足I3＝K3*I0，K3的取值范围为0.4-1.8。在一些实施例中，省略回火阶段仍可以完成对层叠结构的焊接，回火电流I3一般不超过15kA，优选为4-12kA。

在上述过程中，K1、K2、K3、K4应满足K ₁≥K ₂≥K ₃≥K ₄。

上述电流是由所述焊接电极提供，其具体数值可以是有效电流或者是峰值电流或平均电流，这在本领域是容易理解的。焊接电极作为电阻焊设备的一部分。电阻点焊设备可以是由广泛应用于工业中的工频焊机、中频焊机、交流焊机来实现。其中电阻点焊设备可以是固定式的点焊设备或是具有机器人带动的自动化设备，一般包括C型、X型和其他种类的结构形状的焊钳，通常是由机器人或自动化部件来实现的。焊接电极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，其焊接面可为球面、端平面以及其他特殊形状面，例如表面具有突起结构或凹陷结构端面的电极帽。

根据不同实施例的具体情况，预热电流与飞溅电流之间、飞溅电流与焊接电流之间、焊接电流与回火电流之间都可以设置时间间隔，间隔的设置范围为0-200ms，优选5-80ms。在间隔期间内，焊接电极维持保压状态。

在另一些实施例中，如上板3和下板5为较厚的热成型钢，内板4为很薄的铝板，则电阻焊过程中飞溅阶段的过程很短，构成内板4的铝材可以在短时间内迅速脱离焊接界面，此时飞溅电流I1与焊接电流I2可以保持一致。而焊接阶段所需持续的时间也较短，使热成型钢制成的上板3与下板5在焊接区域不发生熔化，而以 扩散焊的形式固定在一起。在这一类实施例中，接头组织中不产生熔核。

前述的电阻焊方法不限于三层层叠结构，也适合于图2a、图2b、图3示出的层叠结构，其中，I0为对第一类金属板单独进行单脉冲电阻焊形成熔核截面直径

时的电流强度，t为其中第一类金属板中较薄的板的厚度，以图2a为例，t为上板3中的三层板以及下板5中两层板中较薄的板的厚度，以图3为例，t为上板3、内板13、下板5中较薄的板的厚度。

通过上述实施方式，可以获得本发明实施方式另一方面所提供的异种金属接头。一种典型的接头结构如图6所示，异种金属接头为层叠结构，包括第一类金属板和第二类金属板，其中第一类金属板为纯铁或铁基合金，包括上板3和下板5；第二类金属板为密度低于5.0g/cm ³或熔点低于800℃的单质或合金，包括内板4。从外观看，异种金属接头在电极端面压痕区10、11之间的厚度小于等于第一类金属板3、5的厚度之和，在电极端面压痕区域10和11边缘向外，接头结构厚度逐渐增加，最后呈现原始组合的层叠结构。从异种金属接头的横截面看，电极端面压痕区域10和11及周边材料呈现中间薄两边厚的特征，在电极端面压痕区域的中间压痕区域仅由第一类金属板组成，且第一类金属板在界面处发生原子间结合形成永久连接，这种永久连接可能是凝固的熔核9，也可能是发生固态扩散连接的金属界面。从压痕边缘向外，层叠结构的厚度逐渐增加，外侧的第一类金属板呈V形，第二类金属板在第一类金属板所形成的V形结构之间从较小的厚度逐渐增加到第二类金属板的原始厚度。在飞溅过程中发生变形的第二类金属板，在接头组织中通常符合电极端面压痕区域10和11范围内其厚度≤0.15mm的区域的等效直径不小于上电极1或下电极2端面直径的0.5倍的特征。

通常，在内板4与上板3或下板5之间存在飞溅过程中由第二类金属板即内板4熔化飞溅7凝固形成的喷射状凝固组织。

如图6所示，在电极端面压痕边缘区域，第二类金属板构成的内板4与第一类金属板构成的上板3、下板5接触的区域表面发生熔化，产生了金属间化合物(IMC层)12。在金属间化合物12的外侧，受挤压变形的第二类金属板，其中厚度≤0.15mm的第二类金属板区域(包括焊核)的等效直径一般不小于上电极1或下电极2端面直径的0.5倍。在一些实施例中，IMC层也可能通过第二类金属板与第一类金属板之间的扩散形成。

在其他实施例中，异种金属的接头中的上板3、内板4、下板5都可以是单层也可以是多层的，可以是如图6所示的三层结构，也可以是如图7所示在多层第二 类金属组成的内板4中间增加由第一类金属构成的夹层13成为五层结构。

如图8a、8b所示，异种金属接头的另一种形式还可以是由一块弯折的第一类金属板构成层叠结构中的至少两层，弯折部14的位置在焊接区域之外。这一类层叠结构可以是如图8a所示的三层结构，叠层结构的外侧由带有弯折部14的第一类金属板5组成，第二类金属板构成的内板4嵌入弯折的重叠区域；也可以是如图8b所示的五层结构，层叠结构包括有第一类金属制成的上板3和下板5，其中下板5具有弯折部14，两块第二类金属制成的内板4分别插入上板3与下板5及下板5的弯折结构所形成的空间内。

参考附图26以更易于理解上述所提及的焊接接头中的各个区域，焊接接头a为包括第一类金属板和第二类金属板以及形成点连接的结构；焊接区域b为焊接电极对叠层结构进行焊接并且包括受电阻热影响而实现连接的区域，电极端面压痕区域c即在焊接过程中由所述焊接电极的端面与所述异种金属接头直接接触并施压形成的受压区域；焊接界面区d为第二类金属脱离后仅有第一类金属板相互接触组成的区域，此外焊接接头还包括轻金属减薄区e，轻金属减薄区e为从第二类金属板原始厚度向焊接界面区靠近而逐渐减薄的区域。以下是异种金属接头的电阻焊方法的实施方式的举例说明。

实施例1

选取厚度为0.8mm且抗拉强度低于400MPa的CR210冷轧钢作为上板3，厚度为0.8mm的AA 6016铝合金作为内板4，厚度为1.0mm且抗拉强度低于600MPa的CR420冷轧钢作为下板5，第一焊接电极1和第二焊接电极2均采用普通球面电极，电极的焊接端面为6mm；具体焊接工艺参数如表1所示，焊接结束后剥离断口如图9所示，在内板4与下板5界面上，存在围绕焊点周围向外围呈放射状分布的凝固了的轻金属飞溅7；焊接后接头的拉伸剪切载荷测试结果如表2所示，由于在第一类金属板3、5与第二金属板4之间形成了牢固的钢与钢的焊接熔核，通过拉伸剪切载荷测试表明接头具有极高的拉剪强度，达3775N。

实施例2

选取厚度为1.0mm且抗拉强度低于400MPa的CR210冷轧钢作为上板3，厚度为1.2mm的AA 5754铝合金作为内板4，与实施例1选用材质差异为，内板4为5系铝合金；厚度为1.0mm且抗拉强度低于600MPa的CR420冷轧钢作为下板5，第一焊接电极1和第二焊接电极2均采用普通球面电极，电极的焊接端面为6mm，具体焊接工艺参数如表1所示，接头的截面金相图如图10所示。焊接结束后对接头进行 拉伸剪切载荷测试，拉伸剪切载荷-位移曲线如图11所示。通过拉伸剪切载荷测试表明接头在剪切拉伸过程中在明显的塑性变形阶段，具有极高的拉剪强度，达7292.4N。拉伸剪切的峰值载荷测试结果如表2所示。

实施例3

选取厚度为1.0mm的Q&P980冷轧高强钢作为上板3，其抗拉强度一般不低于1000MPa；厚度为1.5mm的AA 5754铝合金作为内板4，厚度为1.2mm的Q&P1180冷轧高强钢作为下板5，其抗拉强度一般不低于1200MPa；第一焊接电极1和第二焊接电极2均采用普通球面电极，电极的焊接端面为6mm，具体焊接工艺参数见表1。焊接结束后对接头进行拉伸剪切载荷测试，测试表明接头同样具有极高的拉剪强度，达7557.6N，拉伸剪切的峰值载荷测试结果如表2所示。

实施例4

选取厚度为1.0mm的CR420冷轧钢作为上板3，其抗拉强度为不超过600MPa；厚度为1.6mm的AA 6016铝合金作为内板4，厚度为1.2mm且抗拉强度一般不低于1200MPa的Q&P1180冷轧高强钢作为下板5，第一焊接电极1和第二焊接电极2均采用普通球面电极，电极的焊接端面为6mm，具体焊接工艺参数如表1所示，接头的截面金相图如图12所示。焊接结束后对接头进行拉伸剪切载荷测试，拉伸剪切载荷-位移曲线如图13所示。通过拉伸剪切载荷测试表明接头发生明显的塑形变形，具有极高的强度，达8995.0N，拉伸剪切的峰值载荷测试结果如表2所示。

实施例5

选取厚度为1.0mm且抗拉强度不超过600MPa的CR420冷轧钢作为上板3，厚度为2.0mm的AA 6016铝合金作为内板4，厚度为1.2mm且抗拉强度一般不低于1200MPa的Q&P1180冷轧高强钢作为下板5，第一焊接电极1和第二焊接电极2均采用普通球面电极，电极的焊接端面为6mm，具体焊接工艺参数见表1，接头截面金相图如图14所示。焊接结束后对接头进行拉伸剪切载荷测试，拉伸剪切载荷-位移曲线如图15所示。通过拉伸剪切载荷测试表明接头具有极高的拉剪强度，达9508.4N，拉伸剪切的峰值载荷测试结果如表2所示。

实施例6

选取厚度为1.0mm的Q&P980冷轧高强钢作为上板3，其抗拉强度一般不低于1000MPa；厚度为2.0mm的AA 6061铝合金作为内板4，厚度为1.4mm且抗拉强度不超过600MPa的CR420冷轧钢作为下板5，并且下板5表面具有镀锌层。第一焊接电极1和第二焊接电极2均采用普通球面电极，电极的焊接端面为6mm，具体焊接 工艺参数见表1。焊接结束后对接头进行拉伸剪切载荷测试，测试结果表明接头具有极高的拉剪强度，达10437.8N，拉伸剪切峰值载荷测试结果如表2所示。

实施例7

选取厚度为1.0mm且抗拉强度不超过600MPa的CR420钢作为上板3，厚度为2.0mm的AZ31镁合金作为内板4，厚度为1.2mm的热成型超高强钢作为下板5，其抗拉强度一般不低于1300Mpa；第一焊接电极1和第二焊接电极2均采用普通球面电极，电极的焊接端面为6mm，具体焊接工艺参数见表1，接头截面金相图如图16所示。焊接结束后对接头进行拉伸剪切载荷测试，拉伸剪切载荷-位移曲线如图17所示。通过拉伸剪切载荷测试表明接头具有极高的拉剪强度，达6970.0N，拉伸剪切峰值载荷测试结果如表2所示。

实施例8

选取厚度为1.0mm且抗拉强度一般不低于1000MPa的Q&P980钢作为上板3，厚度为2.4mm的6061铝合金型材作为内板4，厚度为1.4mm的热成型超高强钢作为下板5，具体焊接工艺参数见表1，接头截面金相图如图18所示。焊接结束后对接头进行拉伸剪切载荷测试，拉伸剪切载荷-位移曲线如图19所示。通过拉伸剪切载荷测试表明接头具有极高的拉剪强度，达9883.4N，拉伸剪切测试的峰值载荷结果如表2所示。

实施例9

选取厚度为1.0mm的Q&P980钢作为上板3，厚度为1.6mm的AA 6061铝合金作为内板4，厚度为1.2mm抗拉强度2000MPa的热成型钢和厚度1.2mm抗拉强度1180MPa的Q&P1180淬火钢复合作为下板5，其中热成型钢作为下板5的上层部分，Q&P1180钢作为下板5的下层部分。焊接采用3个16kA的脉冲作为飞溅电流I1，飞溅电流每个脉冲持续80ms，间隔20ms；飞溅电流之后冷却30ms，施加13kA焊接电流I2、持续300ms进行焊接，得到的接头金相图如图20所示；本实施例中I0为8.2kA(焊接时间为280ms)。可见焊核组织9完全由钢组成，不含有明亮的金属间化合物。

实施例10

选取厚度为1.0mm的DP780钢作为上板3，厚度2.0mm的AZ31镁合金作为内板4，厚度为1.4mm抗拉强度2000MPa的热成型钢和厚度1.2mm抗拉强度1180MPa的Q&P1180淬火钢复合作为下板5，其中热成型钢作为上板5的上层部分，Q&P1180钢作为下板5的下层部分。焊接采用3个19kA的脉冲作为飞溅电流I1，飞溅电流每 个脉冲持续80ms，间隔20ms；飞溅电流之后冷却30ms，施加13kA焊接电流I2、持续400ms进行焊接，得到的接头金相图如图21所示；本实施例中I0为8.7kA(焊接时间为280ms)。可见焊核组织9完全由钢组成，不含有明亮的金属间化合物。

实施例11

选取厚度为1mm的DP780钢作为上板3，分别选取厚度0.8mm的5754铝合金和厚度为1.6mm的AA 6061铝合金作为内板4，其中插入厚度1.2mm抗拉强度1200MPa的Q&P1180淬火钢作为内板13，选取厚度为1mm的DP780钢作为下板5构成5层复合结构，其中5754铝合金置于内板13上方，AA 6061铝合金置于内板13下方。采用6kA预热电流I4进行100ms的预热；随后采用3个20kA的脉冲作为飞溅电流I1，飞溅电流每个脉冲持续85ms，间隔20ms；飞溅电流之后冷却30ms，施加15kA焊接电流I2、持续400ms进行焊接，得到的接头金相图如图22所示；本实施例中I0为8.6kA(焊接时间为300ms)。可见焊核组织9完全由钢组成，不含有明亮的金属间化合物。

实施例12

选取厚度为1mm的DP780钢作为上板3，选取0.8mm的5754铝合金和厚度1.6mm的AA 6061铝合金复合作为内板4，选取厚度1.2mm抗拉强度1200MPa的Q&P1180淬火钢作为下板5。采用6kA预热电流I4进行100ms的预热；随后采用3个21kA的脉冲作为飞溅电流I1，飞溅电流每个脉冲持续80ms，间隔20ms；飞溅电流之后冷却30ms，施加15kA焊接电流I2、持续380ms进行焊接，得到的接头金相图如图23所示；本实施例中I0为8.5kA(焊接时间为280ms)。可见焊核组织9完全由钢组成，不含有明亮的金属间化合物。

对比例

为了与本发明实施例进行对比，本例为采用传统的电阻点焊方法焊接铝钢异种金属，焊接时第一焊接电极和第二焊接电极均为球面，球面半径为100mm，所述的球面电极的焊接面直径为10mm，选用优化后较佳的焊接参数焊接，采用的焊接参数为：焊接压力为5600N，焊接电流为17kA，焊接时间为100ms，采用5个脉冲电流，脉冲电流之间的间隔20ms，焊后维持300ms，接头金相图如图24所示。焊接选用1.2mm厚的Q&P1180钢作为第一金属板5、1.6mm厚的AA 6016作为第二金属板4，焊接厚对接头进行拉伸剪切载荷测试，测试结果如表2和图25所示，接头拉伸剪切峰值载荷只有3265.8N，远低于本发明接头峰值载荷，并且有载荷-位移曲线可以看出，接头位移极小，约为0.3mm脆性明显，远小于本发明提供的 接头。

表1:实施例工艺参数

表2:实施例的焊接接头拉伸剪切载荷

需要理解，上述实施例是为了结合附图使本领域技术人员能够更好地理解本发明的技术构思，而不构成对本发明实施方式和保护范围的具体限定。在本发明权利要求范围内，对相关零件、材料、方法步骤进行修改或替换，以及在不发生冲突的调节下对不同实施方式进行结合，均落入本发明的保护范围。

Claims (27)

1. 一种异种金属接头的电阻焊方法，对异种金属层叠结构进行焊接，所述层叠结构包括第一类金属板和第二类金属板，所述第一类金属板是纯铁或铁基合金，所述第二类金属板是密度低于5.0g/cm ³或者熔点低于800℃的单质或合金，所述层叠结构的外侧的板为第一类金属板，所述第二类金属板位于所述第一类金属板之间；所述电阻焊方法包括将所述第二类金属板排出焊接区域的步骤和焊接阶段，其特征在于：

   将所述第二类金属板排出的步骤包括飞溅阶段；

   在所述飞溅阶段中，对所述层叠结构施加飞溅电流和电极压力，以使焊接区域内的叠层结构被加热，第二类金属熔化并在压力作用下以飞溅的形式脱离焊接区域，第一类金属则在电阻热和压力作用下相互靠近，其中，在至少部分焊接区域所述第二类金属板完全飞离；

   在所述焊接阶段，对所述层叠结构施加焊接电流和电极压力，所述焊接电流的强度小于或等于所述飞溅电流的强度，在所述至少部分焊接区域形成仅由所述第一类金属板接触组成的焊接界面，所述焊接界面产生冶金连接。
2. 根据权利要求1所述的异种金属接头的电阻焊方法，其特征在于，所述飞溅电流包括一个或多个电流脉冲，单个所述脉冲的持续时间不超过200ms。
3. 根据权利要求1所述的一种金属接头的电阻焊方法，其特征在于，所述飞溅电流包括2-5个电流脉冲，单个所述脉冲的持续时间为50ms-120ms。
4. 根据权利要求1或2所述的异种金属接头的电阻焊方法，其特征在于，所述飞溅电流强度I1＝K1*I0，其中I0为对所述异种金属接头中第一类金属板单独进行单脉冲电阻焊形成熔核截面直径

   

   时的电流强度，t为所述第一类金属板中较薄的板的厚度，K1的取值范围为0.8-3.5。
5. 根据权利要求1所述的异种金属接头的电阻焊方法，其特征在于，在所述飞溅阶段，所述第二类金属板以飞溅形式脱离焊接区域后形成焊接界面，所述焊接界面中残留第二类金属层的厚度≤0.15mm，且所述焊接界面的等效直径≥焊接电极的电极端面直径的0.5倍。
6. 根据权利要求5所述的一种金属接头的电阻焊方法，其特征在于，所述第二类金属层的厚度≤0.05mm。
7. 根据权利要求1所述的异种金属接头的电阻焊方法，其特征在于， I2＝K2*I0，其中I2为焊接电流的强度，I0为对所述异种金属接头中第一类金属板单独进行单脉冲电阻焊形成熔核截面直径

   

   时的电流强度，t为所述第一类金属板中较薄的板的厚度，K2的取值范围为0.5-2.5。
8. 根据权利要求1所述的异种金属接头的电阻焊方法，其特征在于，所述飞溅电流与所述焊接电流之间的间隔为0ms-200ms。
9. 根据权利要求1所述的异种金属接头的电阻焊方法，其特征在于，在所述焊接阶段之后还包括回火阶段，在所述回火阶段中电极对焊接区域提供回火电流。
10. 根据权利要求9所述的异种金属接头的电阻焊方法，其特征在于，所述回火电流强度I3＝K3*I0，其中I0为对所述异种金属接头中第一类金属板单独进行单脉冲电阻焊形成熔核截面直径

    

    时的电流强度，t为所述第一类金属板中较薄的板的厚度，K3的取值范围为0.4-1.8。
11. 根据权利要求1所述的异种金属接头的电阻焊方法，其特征在于，在所述飞溅阶段之前还包括预热阶段，在所述预热阶段中电极对待焊接区域提供预热电流。
12. 根据权利要求11所述的异种金属接头的电阻焊方法，其特征在于，所述预热电流强度I4＝K4*I0，其中I0为对所述异种金属接头中第一类金属板单独进行单脉冲电阻焊形成熔核截面直径

    

    时的电流强度，t为所述第一类金属板中较薄的板的厚度，K4的取值范围为0.2-1.3。
13. 根据权利要求1所述的异种金属接头的电阻焊方法，其特征在于，所述电阻焊方法在所述飞溅阶段之前还包括预热阶段，在所述预热阶段中电极对待焊接区域提供预热电流，在所述飞溅阶段之后还包括焊接阶段，在所述焊接阶段之后还包括回火阶段，在所述回火阶段中电极对焊接区域提供回火电流，飞溅电流强度I1＝K1*I0，焊接电流强度I2＝K2*I0，预热电流强度I4＝K4*I0，回火电流强度I3＝K3*I0，其中I0为对所述异种金属接头中第一类金属板单独进行单脉冲电阻焊形成熔核截面直径

    

    时的电流强度，t为所述第一类金属板中较薄的板的厚度，K1的取值范围为0.8-3.5,K2的取值范围为0.5-2.5，K4的取值范围为0.2-1.3，K3的取值范围为0.4-1.8，K ₁≥K ₂≥K ₃≥K ₄。
14. 根据权利要求13所述的异种金属接头的电阻焊方法，其特征在于，所述焊接电流、所述预热电流、所述回火电流具有至少一个电流脉冲，作用时间不超过800ms。
15. 根据权利要求14所述的一种金属接头的电阻焊方法，其特征在于，所述 焊接电流、所述预热电流、所述回火电流具有至少一个电流脉冲，作用时间为200ms-700ms。
16. 根据权利要求13所述的异种金属接头的电阻焊方法，其特征在于，所述焊接电流或所述预热电流与所述飞溅电流之间，所述回火电流与所述焊接电流之间具有0-200ms的间隔。
17. 根据权利要求16所述的一种金属接头的电阻焊方法，其特征在于，所述焊接电流或所述预热电流与所述飞溅电流之间，所述回火电流与所述焊接电流之间间隔5ms-80ms。
18. 根据权利要求1所述的异种金属接头的电阻焊方法，其特征在于，所述第一类金属板其中至少一个的表面存在镀层，所述镀层为锌基镀层或铝基镀层。
19. 根据权利要求1所述的异种金属接头的电阻焊方法，其特征在于，所述层叠结构的结构形式为三层组或者五层组，每个所述层组包括一层或多层金属板，所述三层组的两外层组为第一类金属板的单层或者相邻叠加层，而内层组为第二类金属板的单层或相邻叠加层，所述五层组的两外层组、中间层组为第一类金属板的单层或者相邻叠加层，另外两层组为第二类金属板的单层或相邻叠加层，各自位于外层组和中间层组之间。
20. 根据权利要求1或19所述的异种金属接头的电阻焊方法，其特征在于，所述层叠结构中的所述第一类金属板中的至少两层由同一块金属板弯折而成，所述弯折的位置在焊接区域外。
21. 根据权利要求1或19所述的异种金属接头的电阻焊方法，其特征在于，所述第二类金属板为铝、铝合金、镁和镁合金中的任一个或至少两个的任一种层叠组合。
22. 根据权利要求1所述的异种金属接头的电阻焊方法，其特征在于，相邻间隔的所述第一类金属板之间的单层或者相邻叠加的所述第二类金属板的厚度≤4.5mm，单层或者相邻叠加的所述第一类金属板的总厚度≤5.5mm。
23. 根据权利要求1所述的异种金属接头的电阻焊方法，其特征在于，所述层叠结构的两外侧的板其中一个与另一个相比，板的厚度(单位mm)与抗拉强度(单位MPa)的乘积数值较小。
24. 一种异种金属接头，为层叠结构，包括第一类金属板和第二类金属板，所述第一类金属板是纯铁或铁基合金，所述第二类金属板是密度低于5.0g/cm ³ 或者熔点低于800℃的单质或合金，所述层叠结构的外侧的板为第一类金属板，所述第二类金属板位于所述第一类金属板之间，其特征在于：

    从异种金属接头的横截面看，电极端面压痕区域及其周边材料呈现中间薄、两边厚的特征，所述异种金属接头在电极端面压痕区域的厚度小于等于第一类金属板厚度之和，在电极端面压痕区域的中间压痕区域仅由第一类金属板组成，且所述第一类金属板之间在界面处发生原子间结合形成永久连接；从压痕区域边缘向外，叠层结构的厚度逐渐增加，第二类金属板在第一类金属板之间从较小的厚度逐渐增加到第二类金属板的原始厚度；

    在所述压痕区域外的所述第一类金属板与第二类金属板之间，存在由第二类金属板熔化飞溅形成的“喷射状”凝固组织。
25. 根据权利要求24所述的异种金属接头，其特征在于，在电极端面压痕边缘区域，所述第二类金属板与第一类金属板接触界面产生了金属间化合物(IMC层)。
26. 根据权利要求24或25所述的异种金属接头，其特征在于，所述层叠结构中的所述第一类金属板，其中至少两层由同一块金属板弯折而成，所述弯折位于焊接区域外。
27. 一种异种金属接头，其特征在于，根据权利要求1至23中任一项所述的方法获得。

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