CN109202247A - 一种铝合金与钢的焊接方法 - Google Patents

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Abstract

一种铝合金与钢的焊接方法，它属于金属材料连接领域，具体涉及铝合金与钢的电阻点焊与铆接相结合的电阻单元焊技术。本发明的目的是要解决现有铝合金与钢的电阻单元焊存在铆钉盖，导致工件表面突起的问题。铝合金与钢的焊接方法：一、铣出沉头孔；二、加工钢制铆钉；三、将钢制铆钉完全塞入沉头孔中；四、采用电阻焊接方法进行焊接，即完成铝合金与钢焊接。优点：隐藏了铆钉盖形成的凸台。本发明主要用于铝合金与钢的焊接。

Description

一种铝合金与钢的焊接方法
技术领域
本发明属于金属材料连接领域，具体涉及铝合金与钢的电阻点焊与铆接相结合的电阻单元焊技术。
背景技术
汽车轻量化作为降低原油消耗和尾气排放的重要手段得到了世界各国的高度重视，通过使用轻量化材料来降低汽车自重是汽车轻量化的途径之一，综合考虑成本与轻量化效果，多材料结构设计将代表今后汽车车身轻量化的发展趋势。然而，多种材料的混合使用也对车身制造技术，尤其是焊接与连接技术提出巨大挑战。
中国已公开专利《一种铝合金-高强钢电阻单元焊方法》(公布号CN105478982A)通过与下层板同质的实心铆钉与下层板之间的焊接把上层板“锁”在铆钉盖与下层板之间来实现异质金属的连接，从而避免了异种金属直接焊接时的硬脆相问题，可以得到可靠的异种材料焊接接头。然而，由于铆钉盖的存在，导致工件表面突起，容易因碰撞使人受伤或工件损坏。
发明内容
本发明的目的是要解决现有铝合金与钢的电阻单元焊存在铆钉盖，导致工件表面突起的问题，而提供一种铝合金与钢的焊接方法。
一种铝合金与钢的焊接方法，具体是按以下步骤完成的：
一、在铝合金板搭接区域的中心位置上用钻头钻削出通孔，在通孔基础上通过端铣刀铣出沉头孔；
二、按照步骤一中沉头孔尺寸加工钢制铆钉，保证钢制铆钉塞入沉头孔时，钢制铆钉的上端面与下端面分别与电阻单元的铝合金板的上表面和下表面相平；
三、将钢制铆钉完全塞入沉头孔中，对铝合金板和钢板的焊点位置进行表面清理；
四、将铝合金板与钢板搭接，采用电阻焊接方法进行焊接，焊接的熔核直径≥4t1 /2，t为铝合金板厚度，即完成铝合金与钢焊接。
本发明优点：一、本发明通过沉头孔隐藏了铆钉盖形成的凸台，使得工件外观平整，整体价值高，不易因碰撞使人受伤或工件损坏；使用传统的电阻点焊设备即可实现铝合金和高强钢的可靠连接；上层铝合金板可替换成其他轻量化材料，如镁合金板等。二、当铝合金板的厚度为2mm时，对接头进行拉剪强度测试，平均拉剪力为6.5kN～6.9kN，该结果表明本发明在提高电阻单元焊接头表面质量同时，仍能得到较高的接头强度。
附图说明
图1是实施例1的工匠装配结构示意图，图中1表示铝合金板，2表示高强钢，3表示钢制铆钉；
图2是实施例2的工匠装配结构示意图，图中1表示铝合金板，2表示高强钢，3表示钢制铆钉；
图3是实施例3的工匠装配结构示意图，图中1表示铝合金板，2表示高强钢，3表示钢制铆钉；
图4是实施例4的工匠装配结构示意图，图中1表示铝合金板，2表示高强钢，3表示钢制铆钉。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式是一种铝合金与钢的焊接方法，具体是按以下步骤完成的：
一、在铝合金板搭接区域的中心位置上用钻头钻削出通孔，在通孔基础上通过端铣刀铣出沉头孔；
二、按照步骤一中沉头孔尺寸加工钢制铆钉，保证钢制铆钉塞入沉头孔时，钢制铆钉的上端面与下端面分别与电阻单元的铝合金板的上表面和下表面相平；
三、将钢制铆钉完全塞入沉头孔中，对铝合金板和钢板的焊点位置进行表面清理；
四、将铝合金板与钢板搭接，采用电阻焊接方法进行焊接，焊接的熔核直径≥4t1 /2，t为铝合金板厚度，即完成铝合金与钢焊接。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤一中铝合金板的厚度为2mm。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二的不同点是：步骤一中所述的沉头孔为平阶梯型沉头孔，平阶梯型沉头孔由公孔和头孔组成，公孔的直径为6mm，公孔的长度为1mm；头孔的直径为10mm，头孔的长度为1mm；步骤二中所述钢制铆钉为平阶梯型铆钉，平阶梯型铆钉由铆钉公和铆钉头组成，铆钉公的直径为6mm，铆钉公的长度为1mm；铆钉头的直径为10mm，铆钉头的长度为1mm。其他与具体实施方式二相同。
当铝合金板的厚度为2mm时，为了达到最佳的焊接效果，钢制铆钉和沉头孔的加工尺寸是必须考虑的一个重要问题。当采用平阶梯型铆钉作为钢制铆钉时，设计铆钉头的直径为10mm，铆钉公的直径分别为4mm，5mm，6mm和7mm的铆钉进行了实验。实验结果表明，当铆钉公直径从4mm增加到6mm时，接头抗剪力从4.0kN增加到6.7kN，当铆钉公直径为7mm时(超过6mm)，接头抗剪力降低为6.4kN。当铆钉公直径小于6mm时，由于铆钉头与铆钉公在焊接热循环和电极压力的作用下产生了极大的应力集中，在拉剪力下，铆钉头与铆钉公产生裂纹，继而断裂。当铆钉公直径增大到6mm时，由于熔核的承载能力增加，且铆钉头与铆钉公结合部位的承载能力增加，使得断裂发生在相对薄弱的铝合金热影响区处。当铆钉公直径超过6mm后，由于降低了铝合金的有效承载面积，使得接头的拉剪强度降低。因此本实施方式平阶梯型铆钉的铆钉公直径为6mm时获得最佳的力学性能。并按照平阶梯型铆钉的尺寸制备平阶梯型沉头孔。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式二的不同点是：步骤一中所述的沉头孔为斜阶梯型沉头孔，斜阶梯型沉头孔由公孔和倒锥形头孔组成，公孔的直径为6mm，公孔的长度为1mm；倒锥形头孔的下端面直径为6mm，倒锥形头孔的上端面直径为10mm，倒锥形头孔的长度为1mm；步骤二中所述钢制铆钉为斜阶梯型铆钉，斜阶梯型铆钉由铆钉公和倒锥形铆钉头组成，铆钉公的直径为6mm，铆钉公的长度为1mm；倒锥形铆钉头的下端面直径为6mm，倒锥形铆钉头的上端面直径为10mm，倒锥形铆钉头的长度为1mm。其他与具体实施方式二相同。
当铝合金板的厚度为2mm时，为了达到最佳的焊接效果，钢制铆钉和沉头孔的加工尺寸是必须考虑的一个重要问题。当采用斜阶梯型铆钉作为钢制铆钉时，设计铆钉头的直径为10mm，铆钉公的直径分别为4mm，5mm，6mm和7mm的铆钉进行了实验。实验结果表明，当铆钉公直径从4mm增加到6mm时，接头抗剪力从3.3kN增加到6.5kN，当铆钉公直径为7mm时(超过6mm)，接头抗剪力降低为6.3kN。当铆钉公直径小于6mm时，由于铆钉头与铆钉公在焊接热循环和电极压力的作用下产生了极大的应力集中，在拉剪力下，铆钉头与铆钉公产生裂纹，继而断裂。当铆钉公直径增大到6mm时，由于熔核的承载能力增加，且铆钉头与铆钉公结合部位的承载能力增加，使得断裂发生在相对薄弱的铝合金热影响区处。当铆钉公直径超过6mm后，由于降低了铝合金的有效承载面积，使得接头的拉剪强度降低。因此本实施方式斜阶梯型铆钉的铆钉公直径为6mm时获得最佳的力学性能。并按照斜阶梯型铆钉的尺寸制备斜阶梯型沉头孔。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式二的不同点是：步骤一中所述的沉头孔为圆台型沉头孔，圆台型沉头孔的下端面直径为6mm，圆台型沉头孔的上端面直径为10mm，圆台型沉头孔的长度为2mm；步骤二中所述钢制铆钉为圆台型铆钉，圆台型铆钉的下端面直径为6mm，圆台型铆钉的上端面直径为10mm，圆台型铆钉的长度为2mm。其他与具体实施方式二相同。
当铝合金板的厚度为2mm时，为了达到最佳的焊接效果，钢制铆钉和沉头孔的加工尺寸是必须考虑的一个重要问题。当采用圆台型铆钉作为钢制铆钉时，设计圆台型铆钉的上端面直径为10mm，综合考虑接头的抗拉强度和抗剪强度，设计圆台型铆钉的下端面直径为6mm。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同点是：步骤四中个所述电阻焊接方法的焊接参数为：电极压力为0.2MPa～0.4MPa，焊接时间为0.25s～0.35s，焊接电流为14kA～22kA。其他与具体实施方式一至五相同。
本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。
采用下述试验验证本发明效果
实施例1：一种铝合金与钢的焊接方法，具体是按以下步骤完成的：
一、在铝合金板搭接区域的中心位置上用钻头钻削出通孔，在通孔基础上通过端铣刀铣出沉头孔；铝合金板的厚度为2mm；所述的沉头孔为平阶梯型沉头孔，平阶梯型沉头孔由公孔和头孔组成，公孔的直径为6mm，公孔的长度为1mm；头孔的直径为10mm，头孔的长度为1mm；
二、按照步骤一中沉头孔尺寸加工钢制铆钉；所述钢制铆钉为平阶梯型铆钉，平阶梯型铆钉由铆钉公和铆钉头组成，铆钉公的直径为6mm，铆钉公的长度为1mm；铆钉头的直径为10mm，铆钉头的长度为1mm；
三、将钢制铆钉完全塞入沉头孔中，对铝合金板和钢板的焊点位置进行表面清理；
四、将铝合金板与钢板搭接，采用电阻焊接方法进行焊接，即完成铝合金与钢焊接；所述电阻焊接方法的焊接参数为：电极压力为0.3MPa，焊接时间为0.3s，焊接电流为15kA。
本实施例步骤一中所述铝合金板的尺寸为2×25×100mm；本实施例步骤三中所述钢板位为高强钢板，且高强钢板尺寸为2×25×100mm；且铝合金板与高强钢板的搭接尺寸为25×25mm。
本实施例步骤四中焊接设备为单相交流点凸焊机DTN-200，电极形状为D型电极，端面直径为8mm。
采用实施例1工艺参数焊接5个试样，并对接头进行拉剪强度测试，平均拉剪力为6.7kN。
实施例2：一种铝合金与钢的焊接方法，具体是按以下步骤完成的：
一、在铝合金板搭接区域的中心位置上用钻头钻削出通孔，在通孔基础上通过端铣刀铣出沉头孔；铝合金板的厚度为2mm；所述的沉头孔为斜阶梯型沉头孔，斜阶梯型沉头孔由公孔和倒锥形头孔组成，公孔的直径为6mm，公孔的长度为1mm；倒锥形头孔的下端面直径为6mm，倒锥形头孔的上端面直径为10mm，倒锥形头孔的长度为1mm；
二、按照步骤一中沉头孔尺寸加工钢制铆钉；所述钢制铆钉为斜阶梯型铆钉，斜阶梯型铆钉由铆钉公和倒锥形铆钉头组成，铆钉公的直径为6mm，铆钉公的长度为1mm；倒锥形铆钉头的下端面直径为6mm，倒锥形铆钉头的上端面直径为10mm，倒锥形铆钉头的长度为1mm；
三、将钢制铆钉完全塞入沉头孔中，对铝合金板和钢板的焊点位置进行表面清理；
四、将铝合金板与钢板搭接，采用电阻焊接方法进行焊接，即完成铝合金与钢焊接；所述电阻焊接方法的焊接参数为：电极压力为0.3MPa，焊接时间为0.3s，焊接电流为15kA。
本实施例步骤一中所述铝合金板的尺寸为2×25×100mm；本实施例步骤三中所述钢板位为高强钢板，且高强钢板尺寸为2×25×100mm；且铝合金板与高强钢板的搭接尺寸为25×25mm。
本实施例步骤四中焊接设备为单相交流点凸焊机DTN-200，电极形状为D型电极，端面直径为8mm。
采用实施例2工艺参数焊接5个试样，并对接头进行拉剪强度测试，平均拉剪力为6.5kN。
实施例3：一种铝合金与钢的焊接方法，具体是按以下步骤完成的：
一、在铝合金板搭接区域的中心位置上用钻头钻削出通孔，在通孔基础上通过端铣刀铣出沉头孔；铝合金板的厚度为2mm；所述的沉头孔为圆台型沉头孔，圆台型沉头孔的下端面直径为6mm，圆台型沉头孔的上端面直径为10mm，圆台型沉头孔的长度为2mm；
二、按照步骤一中沉头孔尺寸加工钢制铆钉；所述钢制铆钉为圆台型铆钉，圆台型铆钉的下端面直径为6mm，圆台型铆钉的上端面直径为10mm，圆台型铆钉的长度为2mm；
三、将钢制铆钉完全塞入沉头孔中，对铝合金板和钢板的焊点位置进行表面清理；
四、将铝合金板与钢板搭接，采用电阻焊接方法进行焊接，即完成铝合金与钢焊接；所述电阻焊接方法的焊接参数为：电极压力为0.3MPa，焊接时间为0.3s，焊接电流为15kA。
本实施例步骤一中所述铝合金板的尺寸为2×25×100mm；本实施例步骤三中所述钢板位为高强钢板，且高强钢板尺寸为2×25×100mm；且铝合金板与高强钢板的搭接尺寸为25×25mm。
本实施例步骤四中焊接设备为单相交流点凸焊机DTN-200，电极形状为D型电极，端面直径为8mm。
采用实施例3工艺参数焊接5个试样，并对接头进行拉剪强度测试，平均拉剪力为6.9kN。
实施例4：对比实施例
一、焊前准备
1.使用钻孔机在铝合金板的指定部位预制铆钉孔，钻孔直径为5mm。
2.将5mm直径铁铆钉塞入孔中，铆钉下端应与铝合金板下端持平。
3.对焊接位置进行除油、杂物清理，避免杂质对焊接质量的影响。
二.焊接方法及焊接材料
1.焊接方法采用逆变式直流电阻点焊。
2.焊接材料采用铝合金板及高强钢板，铝板尺寸为2×25×100mm，钢板尺寸为1.8×25×100mm，搭接区域5尺寸为25×25mm；铆钉为Q235铁铆钉。
三.焊接工艺
1.焊接工艺过程如图4所示，使用点焊机在铆钉处施焊。
2.选用电极压力3.6kN，电极直径10mm，电流8kA，焊接时间300ms进行焊接。
采用实施例4工艺参数焊接5个试样，并对接头进行拉剪强度测试，平均拉剪力为7.1kN。

Claims (6)

1.一种铝合金与钢的焊接方法，其特征在于它是按以下步骤完成的：
一、在铝合金板搭接区域的中心位置上用钻头钻削出通孔，在通孔基础上通过端铣刀铣出沉头孔；
二、按照步骤一中沉头孔尺寸加工钢制铆钉，保证钢制铆钉塞入沉头孔时，钢制铆钉的上端面与下端面分别与电阻单元的铝合金板的上表面和下表面相平；
三、将钢制铆钉完全塞入沉头孔中，对铝合金板和钢板的焊点位置进行表面清理；
四、将铝合金板与钢板搭接，采用电阻焊接方法进行焊接，焊接的熔核直径≥4t1/2，t为铝合金板厚度，即完成铝合金与钢焊接。
2.根据权利要求1所述的一种铝合金与钢的焊接方法，其特征在于步骤一中铝合金板的厚度为2mm。
3.根据权利要求2所述的一种铝合金与钢的焊接方法，其特征在于步骤一中所述的沉头孔为平阶梯型沉头孔，平阶梯型沉头孔由公孔和头孔组成，公孔的直径为6mm，公孔的长度为1mm；头孔的直径为10mm，头孔的长度为1mm；步骤二中所述钢制铆钉为平阶梯型铆钉，平阶梯型铆钉由铆钉公和铆钉头组成，铆钉公的直径为6mm，铆钉公的长度为1mm；铆钉头的直径为10mm，铆钉头的长度为1mm。
4.根据权利要求2所述的一种铝合金与钢的焊接方法，其特征在于步骤一中所述的沉头孔为斜阶梯型沉头孔，斜阶梯型沉头孔由公孔和倒锥形头孔组成，公孔的直径为6mm，公孔的长度为1mm；倒锥形头孔的下端面直径为6mm，倒锥形头孔的上端面直径为10mm，倒锥形头孔的长度为1mm；步骤二中所述钢制铆钉为斜阶梯型铆钉，斜阶梯型铆钉由铆钉公和倒锥形铆钉头组成，铆钉公的直径为6mm，铆钉公的长度为1mm；倒锥形铆钉头的下端面直径为6mm，倒锥形铆钉头的上端面直径为10mm，倒锥形铆钉头的长度为1mm。
5.根据权利要求2所述的一种铝合金与钢的焊接方法，其特征在于步骤一中所述的沉头孔为圆台型沉头孔，圆台型沉头孔的下端面直径为6mm，圆台型沉头孔的上端面直径为10mm，圆台型沉头孔的长度为2mm；步骤二中所述钢制铆钉为圆台型铆钉，圆台型铆钉的下端面直径为6mm，圆台型铆钉的上端面直径为10mm，圆台型铆钉的长度为2mm。
6.根据权利要求3、4或5所述的一种铝合金与钢的焊接方法，其特征在于步骤四中个所述电阻焊接方法的焊接参数为：电极压力为0.2MPa～0.4MPa，焊接时间为0.25s～0.35s，焊接电流为14kA～22kA。
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