CN107234327B - 金属板材咬焊复合连接装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于薄板结构连接技术，公开了一种金属板材咬焊复合连接装置与方法，该装置包括实心圆柱体金属压紧块、位于被连接金属板材上方的加压杆和下方的凹模，以及与加压杆与凹模配套的伺服加压装置和电源；该方法利用压紧块压入被连接金属板材，使两种不同金属板材之间形成机械自锁；在加压杆保持对被连接金属板材及压紧块施加的压力前提下，通过电源经过加压杆及凹模对被连接区域施加电流，使压紧块与被连接金属板材局部熔合并且产生冶金连接，最终形成“冶金‑机械”复合连接接头。本发明使板材产生机械自锁与冶金连接，从而提高低熔点金属与高熔点金属异种材料的连接质量，减小两者界面处化合物层厚度，提高接头的力学性能，避免电化学腐蚀。
Description
技术领域
本发明属于薄板结构连接技术领域，具体的说，是涉及一种使板材产生机械自锁与冶金连接的金属薄板连接工艺。
背景技术
通过合理设计，使不同种类、强度级别的轻合金、钢材等应用于车身不同部位处，可以实现车身轻量化，减少燃料消耗及尾气排放。
采用电阻点焊连接铝钢异种材料，必然在铝/钢界面处产生较厚的金属间化合物层，破坏接头力学性能。采用自冲铆接连接铝钢异种材料，由于母材力学性能差异较大，容易产生开裂、空穴等工艺缺陷；此外，自冲铆接工艺采用钢制铆钉，若从铝合金侧工件压入铆钉，则在后续使用过程中形成原电池，使局部发生严重的电化学腐蚀；而且钢制铆钉与铝合金硬度差异较大，使得接头在承受外部载荷时变形容易集中于铆钉/铝合金界面处，使得接头在较低外部载荷作用下破坏、韧性差。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种金属板材咬焊复合连接装置与方法，能够使板材产生机械自锁与冶金连接，从而提高低熔点金属与高熔点金属异种材料的连接质量。
为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：
一种金属板材咬焊复合连接装置，包括位于上部金属板材上方的加压杆和位于下部金属板材下方的凹模，所述加压杆和所述凹模同轴设置，所述加压杆连接于伺服加压装置和电源，所述凹模均连接于所述电源；所述加压杆与所述上部金属板材之间设置有压紧块，所述压紧块为实心圆柱体金属物，用于使不同熔点的所述上部金属板材和所述下部金属板材之间形成机械自锁。
优选地，所述压紧块与所述上部金属板材的化学成分相同或相近，其中相近是指两者的化学成分对照表中各元素的重量百分含量差异小于等于5％。
优选地，所述电源能够提供直流输出电流和脉冲输出电流。
优选地，所述上部金属板材的熔点小于所述下部金属板材。
优选地，所述上部金属板材和所述下部金属板材之间涂敷有高分子结构胶。
优选地，所述高分子结构胶为环氧树脂结构胶或聚醚醚酮结构胶。
一种利用上述金属板材咬焊复合连接装置的金属板材咬焊复合连接方法，包括如下步骤：
(1)准备阶段：
所述压紧块、所述上部金属板材、所述下部金属板材由上到下依次放置于所述凹模上，所述加压杆位于初始位置；
(2)咬接阶段：
所述伺服加压装置驱动所述加压杆向下移动，使所述加压杆、所述压紧块、所述上部金属板材、所述下部金属板材以及所述凹模互相接触；然后所述电源通过所述加压杆和所述凹模向所述压紧块、所述上部金属板材、所述下部金属板材组成的回路施加高频直流脉冲电流，同时所述加压杆继续下压，使得所述压紧块与所述上部金属板材咬合、所述上部金属板材与所述下部金属板材咬合而形成机械自锁；
(3)焊接阶段：
所述电源停止施加高频直流脉冲电流，所述加压杆继续保持对所述压紧块、所述上部金属板材、所述下部金属板材施加的压力，并且所述电源通过所述加压杆和所述凹模向对被连接区域施加直流电流，使所述压紧块与所述上部金属板材局部熔合以形成共同熔池；所述电源停止施加直流电流，在自然冷却过程中该共同熔池与所述下部金属板材通过在界面处形成金属间化合物薄层而完成冶金连接；最终使所述上部金属板材和所述下部金属板材形成“冶金-机械”复合连接接头；
(4)分离阶段：
所述电源停止通电，随后所述加压杆上移，回到步骤(1)的初始位置，为下一连接循环做好准备。
优选地，步骤(1)中，所述上部金属板材和所述下部金属板材之间有涂敷高分子结构胶；步骤(4)后，对连接后的所述上部金属板材、所述下部金属板材进行烘烤，使得所述高分子结构胶发生固化。
优选地，
所述烘烤温度为150摄氏度，烘烤时间为半小时。
优选地，步骤(2)中，所述高频直流脉冲电流的峰值为0.5～4kA，频率范围为50～5000Hz；所述加压杆的加载速度为1～500mm/s；所述加压杆施加的压力为10kN～30kN；步骤(3)中，所述直流电流为2～20kA，所述加压杆施加的压力为10kN～30kN。
本发明的有益效果是：
本发明的金属板材咬焊复合连接装置和方法，利用电致塑性效应使被连接金属板材发生有效软化，使填充材料更容易地压入金属板材被连接区域，压紧块、两被连接金属板材之间互相发生咬合形成机械自锁；采用与一侧被连接金属板材化学成分相同或相近的材料做为压紧块，有利于减小异种金属界面处化合物层厚度，最终提高接头的力学性能；由于压紧块的化学成分与被连接金属板材接近，并配合在两被连接金属板材贴合部位涂覆高分子结构胶，避免接头在后续服役过程中形成原电池，即避免了电化学腐蚀。
附图说明
图1是本发明所提供的金属板材咬焊复合连接装置的结构示意图；
图2是本发明所提供的金属板材咬焊复合连接方法过程示意图；
其中，(a)为准备阶段；(b)为咬接阶段；(c)为焊接阶段；(d)为分离阶段。
图中：1、加压杆；2、压紧块；3、上部金属板材；4、下部金属板材；5、凹模。
图3是本发明所提供的实施例中各构件的实际尺寸示意图；
图4是被连接工件局部截面的10倍放大体式显微镜照片。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及效果，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
如图1所示，本实施例公开了一种金属板材咬焊复合连接装置，主要包括加压杆1、压紧块2、上部金属板材3、下部金属板材4、凹模5。
被连接的上部金属板材3和下部金属板材4由不同熔点的金属材料制成，可以为铝合金、镁合金、铜合金、低碳钢、高强钢等材料。利用本发明的装置和方法连接时，以上部金属板材3的熔点小于下部金属板材4为佳，这样在后续通电焊接阶段压紧块2与上部金属板材3熔化，而同时下部金属板材4保持固态。上部金属板材3和下部金属板材4之间还可以在连接之前涂敷高分子结构胶，从而将化学成分不同的上部金属板材3和下部金属板材4隔开，避免在后续使用过程中形成原电池而造成电化学腐蚀；可选用的高分子结构胶包括环氧树脂结构胶和聚醚醚酮结构胶等。
加压杆1位于上部金属板材3上方，加压杆1与伺服加压装置和电源分别连接，集加压与电阻点焊电极功能一体化。电源可对加压杆1提供直流输出电流和脉冲输出电流，根据具体工序切换使用。
凹模5位于下部金属板材4下方，与加压杆1同轴设置。凹模5与电源连接，电源可对凹模5提供直流输出电流和脉冲输出电流，根据具体工序切换使用。
压紧块2设置于加压杆1和上部金属板材3之间，可以连接于加压杆1下方或者放置于上部金属板材3上方。压紧块2为实心圆柱体金属物，用于压入上部金属板材3并将上部金属板材3部分压入下部金属板材4，从而使上部金属板材3和下部金属板材4之间形成机械自锁。压紧块2应当与上部金属板材3的化学成分相同或相近，其中化学成分相同是指两者的化学成分对照表中各元素组成和重量百分含量完全一致，化学成分相近是指两者的化学成分对照表中各元素的组成相同或不同时，各元素的重量百分含量差异小于等于5％。
加压杆1、压紧块2、凹模5的尺寸应满足能够形成机械自锁的要求，该要求在模具领域属于现有技术，此处不再赘述。如图3所示，本实施例中，加压杆1为圆柱体结构，其直径为20mm，高度为50mm，其端面为半径50mm的球面；压紧块2为实心圆柱体结构，直径为6mm，高度为2mm；凹模5中心处含有凹槽，凹槽深度为2mm，凹槽内部还含有半径为0.5mm的沟槽。
如图2所示，利用上述金属板材咬焊复合连接装置的金属板材咬焊复合连接方法，其具体操作步骤如下：
压紧块2的材质为5052铝合金板材，上部金属板材3为5052铝合金板材(厚度1.5mm)，下部金属板材4为DQSK碳钢板材(厚度0.8mm)。
(1)准备阶段：
压紧块2、上部金属板材3、下部金属板材4由上到下依次放置于凹模5上，加压杆1位于初始位置，与凹模5之间存在放置压紧块2、上部金属板材3和下部金属板材4的间隙；
其中，可以在放置前在上部金属板材3和下部金属板材4之间涂敷高分子结构胶。
(2)咬接阶段：
伺服加压装置驱动加压杆1向下移动，使加压杆1、压紧块2、上部金属板材3、下部金属板材4以及凹模5互相接触；
然后电源通过加压杆1和凹模5向压紧块2、上部金属板材3、下部金属板材4组成的回路施加高频直流脉冲电流，高频直流脉冲电流的峰值为2kA，频率范围为2000Hz，通电时间为200ms；
同时加压杆以50mm/s的加载速度、20kN的压力继续下压，加压时间为200ms，将压紧块2压入上部金属板材3和下部金属板材4，使得压紧块2与上部金属板材3咬合、上部金属板材3与下部金属板材4咬合而形成机械自锁；
由此，压紧块2与上部金属板材3、下部金属板材4产生电致塑性效应，提高被连接金属板材的最大塑性变形量，降低开裂、空穴等缺陷的产生几率。由于电致塑性效应所造成的金属流变抗力降低，最终使上部金属板材3和下部金属板材4在局部变形区域形成比常规铆接咬合深度更深的机械自锁，提高接头的抗外载荷破坏能力。
如果在连接步骤(1)中选择在上部金属板材3和下部金属板材4之间涂敷高分子结构胶，则高分子结构胶将在加压杆1的压力作用下在被连接区域排开，使电流顺利通过。
(3)焊接阶段：
加压杆1继续保持对压紧块2、上部金属板材3、下部金属板材4施加的20kN的压力600ms；
并且电源通过加压杆1和凹模5向对被连接区域施加直流电流，直流电流为15kA，通电时间为300ms。
由此，压紧块2与上部金属板材3局部熔合以形成共同熔池；之后电源停止施加直流电流，在自然冷却过程中该共同熔池与下部金属板材4通过在界面处形成金属间化合物薄层而完成冶金连接；由于压紧块2与上部金属板材3、下部金属板材4已经形成机械自锁，因此，最终上部金属板材3和下部金属板材4形成“冶金-机械”复合连接接头，由于机械自锁可以改善冶金结合薄层的受力情况(拉应力分量增多，剪应力分量减小)，冶金结合可以防止单纯机械自锁结合造成的低载荷剥离情况，最终提高接头的韧性。
(4)分离阶段：
电源停止通电，随后加压杆2上移，回到步骤(1)的初始位置，为下一连接循环做好准备。
(5)烘烤阶段：
如果在实施连接工艺前在上部金属板材3和下部金属板材4之间涂覆了高分子结构胶，则在(4)步骤后还需要对连接后的上部金属板材3和下部金属板材4进行烘烤，使得高分子结构胶发生固化；烘烤温度为150摄氏度，烘烤时间为半小时。
由此，高分子结构胶发生固化后将化学成分不同的上部金属板材3和下部金属板材4隔开，同时压紧块2与直接接触的上部金属板材3化学成分相同或相近，避免在后续使用过程中形成原电池而造成电化学腐蚀。
上述步骤中的参数可选范围如下：
步骤(2)中，高频直流脉冲电流的峰值为0.5～4kA，频率范围为50～5000Hz；加压杆2的加载速度为1～500mm/s；加压杆2施加的压力为10kN～30kN；
步骤(3)中，直流电流为2～20kA，加压杆2施加的压力为10kN～30kN。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种金属板材咬焊复合连接装置，其特征在于，包括位于上部金属板材上方的加压杆和位于下部金属板材下方的凹模，所述加压杆和所述凹模同轴设置，所述加压杆连接于伺服加压装置和电源，所述凹模均连接于所述电源；所述加压杆与所述上部金属板材之间设置有压紧块，所述压紧块为实心圆柱体金属物，用于使所述压紧块与所述上部金属板材咬合、所述上部金属板材与所述下部金属板材咬合而形成机械自锁；
所述压紧块与所述上部金属板材的化学成分相同或相近，其中相近是指两者的化学成分对照表中各元素的重量百分含量差异小于等于5％；
所述上部金属板材和所述下部金属板材之间涂敷有高分子结构胶。
2.根据权利要求1所述的一种金属板材咬焊复合连接装置，其特征在于，所述电源能够提供直流输出电流和脉冲输出电流。
3.根据权利要求1所述的一种金属板材咬焊复合连接装置，其特征在于，所述上部金属板材的熔点小于所述下部金属板材。
4.根据权利要求1所述的一种金属板材咬焊复合连接装置，其特征在于，所述高分子结构胶为环氧树脂结构胶或聚醚醚酮结构胶。
5.一种利用如权力要求1-4中任一项所述金属板材咬焊复合连接装置的金属板材咬焊复合连接方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)准备阶段：
所述压紧块、所述上部金属板材、所述下部金属板材由上到下依次放置于所述凹模上，所述加压杆位于初始位置；
(2)咬接阶段：
所述伺服加压装置驱动所述加压杆向下移动，使所述加压杆、所述压紧块、所述上部金属板材、所述下部金属板材以及所述凹模互相接触；然后所述电源通过所述加压杆和所述凹模向所述压紧块、所述上部金属板材、所述下部金属板材组成的回路施加高频直流脉冲电流，同时所述加压杆继续下压，使得所述压紧块与所述上部金属板材咬合、所述上部金属板材与所述下部金属板材咬合而形成机械自锁；
(3)焊接阶段：
所述电源停止施加高频直流脉冲电流，所述加压杆继续保持对所述压紧块、所述上部金属板材、所述下部金属板材施加的压力，并且所述电源通过所述加压杆和所述凹模向对被连接区域施加直流电流，使所述压紧块与所述上部金属板材局部熔合以形成共同熔池；所述电源停止施加直流电流，在自然冷却过程中该共同熔池与所述下部金属板材通过在界面处形成金属间化合物薄层而完成冶金连接；最终使所述上部金属板材和所述下部金属板材形成“冶金-机械”复合连接接头；
(4)分离阶段：
所述电源停止通电，随后所述加压杆上移，回到步骤(1)的初始位置，为下一连接循环做好准备；对连接后的所述上部金属板材、所述下部金属板材进行烘烤，使得所述高分子结构胶发生固化。
6.根据权利要求5所述的一种金属板材咬焊复合连接方法，其特征在于，所述烘烤温度为150摄氏度，烘烤时间为半小时。
7.根据权利要求5所述的一种金属板材咬焊复合连接方法，其特征在于，
步骤(2)中，所述高频直流脉冲电流的峰值为0.5～4kA，频率范围为50～5000Hz；所述加压杆的加载速度为1～500mm/s；所述加压杆施加的压力为10kN～30kN；
步骤(3)中，所述直流电流为2～20kA，所述加压杆施加的压力为10kN～30kN。
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