CN104084686B - 一种用于抑制铝合金电阻点焊裂纹产生的电极 - Google Patents

一种用于抑制铝合金电阻点焊裂纹产生的电极 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于抑制铝合金电阻点焊裂纹产生的电极，该电极为上下对称结构，电极与待加工的铝合金板件表面接触的端面为平直端面，在该平直端面上开设一个外侧的圆环凹槽与一个心部的圆形凹槽。与现有技术相比，本发明能够减弱接头热影响区拉应力，达到减小、减少裂纹的产生。通过电极边缘凹痕设计，施加相应的压应力，抵消拉应力的存在，达到完全抑制裂纹的效果，进而保证了焊接质量的稳定性。

Description

一种用于抑制铝合金电阻点焊裂纹产生的电极
技术领域
本发明属于点焊技术领域，尤其是涉及一种用于抑制铝合金电阻点焊裂纹产生的电极。
背景技术
铝合金电阻点焊是汽车车身自动化生产中最重要的焊接工艺方法，但是铝合金电阻点焊中存在一个主要问题：由于铝合金的热膨胀系数较大，点焊后板件翘离较为严重、变形较大，热影响区易产生接头裂纹，且压痕过深。本发明所说的裂纹是指分布在接头热影响区的裂纹，此处判断是一种液化裂纹，起始于熔合线附近的热影响区，并朝着母材扩展。该裂纹的形成过程是一个冶金、热、力因素交互的结果。拉应力和组织缺陷的同时存在是产生裂纹的必要条件：在初始相的固相线温度以下时，晶间的第二相或低熔点夹杂物的液化，加之脆性温度区间下材料的高温强度较低，塑性也非常差，在拉应力的作用下发生沿晶断裂并产生裂纹。这是因为采用通常用于焊接钢板的平直端面电极焊接铝合金，容易使表面产生较大的变形，以至于产生较多较为规律的热影响区液化裂纹，且板材变形较大，压痕深度较深，焊接质量不稳定。国外学者也尝试通过外置添加的夹具进行相应区域的约束作用来抑制铝合金点焊接头热影响区产生的裂纹，但是此种方法较为复杂，并不适合大批量生产。同时通过调整工艺如通过使用平直端面电极多脉冲工艺电阻点焊铝合金板件发现：焊后板件翘离变形减弱、裂纹数量减少，但是裂纹仍然不能完全消除。
申请号为201210405715.6的中国专利公开了一种消除点焊接头再热裂纹的方法，厚度为0.5～3mm板材点焊接头在热处理前进行球面加压消除残余应力；对焊点及周围区域进行施压所采用的模具，其与点焊接头接触的表面是球面或近似球面的曲面，曲率半径大于等于点焊时所用球面电极的半径，加压区域面积大于焊点面积且完全覆盖焊点；对焊点及周围区域所施加的应力超过熔核和母材的屈服强度，使其发生塑性变形；对点焊接头进行球面加压时，焊点中心与模具中心同轴，但是该专利所讲的再热裂纹为熔核内部裂纹，且利用此专利进行铝合金点焊时熔合线外部热影响区也会出现液化裂纹，由于铝合金的热膨胀系数较大，热影响区冷却过程中收到的热应力较大，因而仍然会产生相应的裂纹，基于上述裂纹产生的理论分析，结合实验验证发现铝合金点焊接头热影响区液化裂纹确实未能消除。
发明内容
针对现有技术中通常用于铝合金点焊的带有球形端面的电极与通常用于钢板点焊的平直端面电极焊接铝合金时都有存在热影响区液化裂纹的现象，其缘由是点焊过程中热影响区冷却过程中所受到的拉应力较大，加上材料自身较低的高温强度、高温塑性、金属夹杂等材料因素这两方面的因素导致了热影响区裂纹的产生，因而本发明提出一种能有效抑制铝合金点焊裂纹产生的点焊电极。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种用于抑制铝合金电阻点焊裂纹产生的电极，为上下对称结构，电极与待加工的铝合金板件表面接触的端面为平直端面，在该平直端面上开设一圆环凹槽，该圆环凹槽的中心开设有圆形凹槽。
所述的电极远离待加工的铝合金板件的一端为圆柱状结构，所述的平直端面经过渡圆弧与其连接，平直端面的直径与电极直径的比例为0.3-0.4∶1。
所述的圆环凹槽的半径与平直端面半径的比例为2-2.5∶3。
所述的圆环凹槽的宽度与圆环凹槽的半径的比例为0.2-0.5∶2-2.5，圆环凹槽的深度与宽度的比例为0.1-0.2∶0.2-0.5，圆环凹槽的内侧带有30°-60°的倒角。
作为优选的实施方式，圆环凹槽的宽度与圆环凹槽的半径的比例为0.5∶2.2，圆环凹槽的深度与宽度的比例为0.15∶0.5，圆环凹槽的内侧带有30°-45°的倒角。
所述的圆形凹槽的半径与平直端面的半径的比例为0.7-0.9∶3。
所述的圆形凹槽的深度与半径的比例为0.1-0.2∶0.7-0.9。
作为优选的实施方式，所述的圆形凹槽的深度与半径的比例为0.15∶0.75。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明包括一个外侧的圆环凹槽，凹槽位于距离电极端面一定距离的位置，电极端面的边缘区域从模拟及实验中可以发现，一定范围内是应力较为集中以及电流密度较为集中的区域，容易发生电流集中与点蚀现象。如图1所示，在平直端面电极单脉冲点焊后，直接大量的热输入铝板后，铝合金板材的软化区较大，变形较为严重，若电极表面没有凹槽的存在，电极压入后，铝合金材料只能朝电极与铝板工件接触外缘挤出，致使产生较大的变形。如图2所示，通过多脉冲输入相当的热输入，材料变形减小，板件翘离减小，但是仍然无法消除由拉应力及材料本身及夹杂等缺陷带来的液化裂纹，多脉冲点焊只能使裂纹易发区域裂纹倾向性变小。说明通过工艺的改变能够减弱拉应力，达到减小、减少裂纹的产生。通过电极边缘凹痕设计，施加相应的压应力，抵消拉应力的存在，达到完全抑制裂纹的效果。
2、对于凹痕深度的设计参考ISO18595：2007标准中定义焊透率的正常范围20％-80％，所以针对压痕深度应该综合控制，结合金相分析，本申请采用的压痕深度能够避免直接接触熔核，通过电极压痕改进的验证试验发现，完全抑制熔合线边缘裂纹的产生，且压痕位置正好处在熔合线边缘附近，能够完全抑制裂纹的产生。
3、凹痕的宽度及带倾角的设计是为了保证电极在压下及撤离的过程中能够保证不会被材料锁住或者带出相应的金属。
4、心部的圆形凹槽的设计使整个电极端面内部能够也有一个刺入金属内部的结构，破坏表面氧化层的产生，是电流密度更为均匀，同时凹槽的设计使材料不会发生应力集中，避免内部裂纹的产生，并且使焊接质量更好，熔核更为饱满。
附图说明
图1为单脉冲点焊接头热影响区液化裂纹图示(50倍金相)；
图2为多脉冲点焊接头热影响区液化裂纹图示(50倍金相)；
图3为本发明产生压痕金相图(100倍金相)
图4为电极的结构示意图
图5为平直端面处的放大结构示意图。
图中，1为电极、11为平直端面、12为圆环凹槽、13为圆形凹槽、2为铝合金板件、3为熔核。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
一种用于抑制铝合金电阻点焊裂纹产生的电极1，其结构如图4、5所示，为上下对称结构，电极1总体为圆柱状结构，靠近待加工的铝合金板件2处为球状结构，与铝合金板件2的接触面为平直端面11，在该平直端面11上开设一圆环凹槽12，该圆环凹槽12，其中心开设有圆形凹槽13。平直端面11的直径与电极1直径的比例为0.3-0.4∶1。圆环凹槽12的半径与平直端面11半径的比例为2-2.5∶3。圆环凹槽12的宽度与半径的比例为0.2-0.5∶2-2.5，深度与宽度的比例为0.1-0.2∶0.2-0.5，圆环凹槽12的内侧带有30°-60°的倒角。圆形凹槽13的半径与平直端面11的半径的比例为0.7-0.9∶3。圆形凹槽13的深度与半径的比例为0.1-0.2∶0.7-0.9。
如果想要获得更加优异的效果，圆环凹槽12的宽度与半径的比例为0.5∶2.2，圆环凹槽12的深度与宽度的比例为0.15∶0.5，内侧带有30°-45°的倒角。圆形凹槽13的深度与半径的比例为0.15∶0.75。
点焊时上下对称的电极1端面接触铝板件2的表面，产生较小的压痕，此时开始点焊过程，随着热输入的增加，材料开始形成熔核3，热影响区金属开始软化，电极边缘开始压入材料表面，直至完全使铝合金材料填满整个凹痕为止，当点焊结束后，边缘位置压入材料提供相应的压应力，凹痕避免材料向外部挤出，同时使整个热扩散更为均匀，焊接质量良好，达到了使裂纹消失的效果。相对于单脉冲平直端面电极而言，用改进后的电极焊接，熔核直径变大，且熔核变得更加饱满，电流密度更均匀，减少平直端面电极容易产生的局部击穿，点蚀、飞溅等缺陷的出现。图3为本发明产生压痕金相图，图中可以清晰看见改进电极留下的凹痕，且凹痕位置正好位于热影响区较易发生液化裂纹的区域，该凹痕将使铝合金点焊接头热影响区域产生塑性变形进而提供较大的压应力，抵消冷却过程中由于铝合金较大的热膨胀率导致的拉应力；同时由于环形凹痕的存在使熔核处电流密度更为均匀，没有出现局部的击穿等现象；由于初试接触面积较小，电流密度更为集中，最终的热输入量更大，形成的熔核更为饱满，焊透率更大，力学性能更为优异。
以下是更加具体的实施方式
实施例1
一种用于抑制铝合金电阻点焊裂纹产生的电极，电极的电极端面为平直端面，电极端面有一个外侧的圆环凹槽与一个心部的圆形凹槽。点焊电极直径为16mm，平直端面的直径为6mm，过度弧面半径为8mm。在平直端面距离轴心为2.2mm处位置有深度为150um、宽度为0.41mm、内侧倒角为45°的环形凹槽。距离轴心0.75mm范围内有为150um深的圆形凹槽。
点焊时上下电极端面接触铝板件表面，产生较小的压痕，此时开始点焊过程，随着热输入的增加，材料开始形成熔核，热影响区金属开始软化，电极边缘开始压入材料表面，直至完全使铝合金材料填满整个凹痕为止，当点焊结束后，边缘位置压入材料提供相应的压应力，凹痕避免材料向外部挤出，同时使整个热扩散更为均匀，焊接质量良好，达到了使裂纹消失的效果。多脉冲参数下用设计电极点焊1.2mm+1.2mm铝合金薄板，其同样热输入量焊后的熔核直径达到6mm，相对于单脉冲平直端面电极而言，用改进后的电极焊接，熔核直径变大，且熔核变得更加饱满，电流密度更均匀，减少平直端面电极容易产生的局部击穿，点蚀、飞溅等缺陷的出现。
实施例2
同实施例1，所不同的是环形凹槽与圆形凹槽深度为200um时，熔核压痕较深，焊接质量较好，没有裂纹产生。
实施例3
同实施例1，所不同的是环形凹槽与圆形凹槽深度为100um时，熔核压痕较浅，焊接质量较好，没有裂纹产生。
表1为利用单脉冲以及多脉冲+改造电极的拉剪强度对比。
表1拉剪强度对比(单位N）
如表1所示，单脉冲最大拉剪强度值达到3790N，但是分布不够稳定；多脉冲与改造电极结合的方式，拉剪强度均值达到3733N，分布非常稳定。环状压痕的存在使电流密度更均匀，熔核变得更加饱满，减少平直端面电极容易产生的局部击穿，点蚀、飞溅等缺陷的出现，更重要的是消除了热影响区裂纹，使焊接最大拉剪强度比单脉冲的实验值稳定，且力学性能平均值比单脉冲提升3.3％。

Claims (6)

1.一种用于抑制铝合金电阻点焊裂纹产生的电极，其特征在于，该电极为上下对称结构，电极与待加工的铝合金板件表面接触的端面为平直端面，在该平直端面上开设一个外侧的圆环凹槽与一个心部的圆形凹槽；
所述的圆环凹槽的半径与平直端面半径的比例为2-2.5︰3，所述的圆形凹槽的半径与平直端面的半径的比例为0.7-0.9︰3。
2.根据权利要求1所述的一种用于抑制铝合金电阻点焊裂纹产生的电极，其特征在于，所述的电极远离待加工的铝合金板件的一端为圆柱状结构，所述的平直端面经过渡圆弧与其连接，平直端面的直径与电极直径的比例为0.3-0.4︰1。
3.根据权利要求1所述的一种用于抑制铝合金电阻点焊裂纹产生的电极，其特征在于，所述的圆环凹槽的宽度与圆环凹槽的半径的比例为0.2-0.5︰2-2.5，圆环凹槽的深度与宽度的比例为0.1-0.2︰0.2-0.5，圆环凹槽的内侧带有30°-60°的倒角。
4.根据权利要求1所述的一种用于抑制铝合金电阻点焊裂纹产生的电极，其特征在于，所述的圆环凹槽的宽度为与圆环凹槽的半径的比例优选0.5︰2.2，圆环凹槽的深度与宽度的比例优选0.15︰0.5，圆环凹槽的内侧带有30°-45°的倒角。
5.根据权利要求1所述的一种用于抑制铝合金电阻点焊裂纹产生的电极，其特征在于，所述的圆形凹槽的深度与半径的比例为0.1-0.2︰0.7-0.9。
6.根据权利要求1所述的一种用于抑制铝合金电阻点焊裂纹产生的电极，其特征在于，所述的圆形凹槽的深度与半径的比例优选0.15︰0.75。
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