CN111673252A - 一种螺母的凸焊方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了了一种螺母的凸焊方法，包括：在预制板件上确定进行凸焊的待焊接区域，待焊接区域包括凸焊面和非焊面；其中，待焊接区域的数量为N，N≥1且为正整数；对待焊接区域的凸焊面进行激光表面清洗，以去除预设厚度的凸焊面的表面层，获得表面处理后的预制板件；其中，表面层中存在富集元素；使用螺母凸焊装置，在待焊接区域对表面处理后的预制板件进行螺母凸焊。采用激光表面清洗的方法去除预制板件凸焊面表面的元素富集层，能够提高凸焊性能；同时，采用激光进行表面清洗，能够精确定量的控制表面层的去除厚度，并保证清理后预制板件表面质量。

Description

一种螺母的凸焊方法

技术领域

本申请涉及汽车制造技术领域，尤其涉及一种螺母的凸焊方法。

背景技术

螺母凸焊是汽车制造中的主要连接方法之一，用于焊接板件和凸焊螺母。螺母凸焊是螺母底端的多个相同凸点在电极压力下与板材紧密接触形成导电通路，通电后凸点部位在接触电阻和高密度电流的作用下产生大量电阻热，发生软化，并在电极压力下被压溃、冷却结晶后在各凸点部位形成焊接。

汽车的轻量化，就是在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排气污染。为满足汽车轻量化的要求，需要减少汽车用板件的厚度并提高其材料强度。近年来汽车轻量化的一个重要应用方向为高强钢。为提高材料强度，在汽车零部件的原料板材的制造过程中通常会添加较多的合金元素，如此在材料表面会存在元素富集现象(例如，Mn)。基于螺母凸焊的原理，板材表面由于元素富集层的存在，螺母凸焊性能会显著降低。主要体现在：(1)螺母扭转破坏扭矩较低；(2)螺母破坏扭矩波动较大。螺母的凸焊质量直接影响整车装配质量、安全性及舒适性。对于凸焊质量不良的螺母，通常需要进行重焊、补焊，降低车身制造质量、增加制造成本。

发明内容

本发明提供了一种螺母的凸焊方法，以解决或者部分解决现有的螺母的凸焊方法在焊接表面富集元素的板件时，凸焊性能和焊接质量较差的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种螺母的凸焊方法，包括：

在预制板件上确定进行凸焊的待焊接区域，待焊接区域包括凸焊面和非焊面；其中，待焊接区域的数量为N，N≥1且为正整数；

对待焊接区域的凸焊面进行激光表面清洗，以去除凸焊面上预设厚度的表面层，获得表面处理后的预制板件；其中，表面层中存在富集元素；

使用螺母凸焊装置，在待焊接区域对表面处理后的预制板件进行螺母凸焊。

可选的，预制板件的材质为汽车用高强钢。

进一步的，富集元素的含量为预制板件中的对应元素平均含量的1.1倍以上。

如上述的技术方案，预设厚度为100nm以内。

如上述的技术方案，待焊接区域的中心区域设有预设直径的通孔。

进一步的，螺母凸焊装置包括凸焊螺母，第一电极组件和第二电极组件；

凸焊螺母上设有螺纹孔，螺纹孔中设有内螺纹，凸焊螺母与凸焊面连接的下表面上设有M个凸起机构，M≥1且为正整数；

在实施螺母凸焊时，凸焊螺母的下表面与凸焊面接触，第一电极组件接触凸焊螺母的上表面；第二电极组件接触非焊面。

可选的，使用螺母凸焊装置，在待焊接区域对表面处理后的预制板件进行螺母凸焊，具体包括：

对第一电极组件和第二电极组件施加预设压力，以使第一电极组件、第二电极组件与凸焊螺母、待焊接区域闭合；

对第一电极组件和第二电极组件施加预设电流，以焊接凸焊螺母与预制板件。

可选的，第一电极组件包括第一电极帽和第一电极杆；

第一电极帽套设在第一电极杆上；第一电极杆内设有第一电极杆冷却通道。

可选的，第二电极组件包括定位销、第二电极帽和第二电极杆；

第二电极帽套设在定位销与第二电极杆之间；定位销与第二电极杆之间设有弹性机构，弹性机构一端与定位销的底面固定连接，另一端与第二电极杆固定连接；第二电极杆内设有第二电极杆冷却通道；

定位销用于穿过通孔，凸焊螺母套设在定位销上。

基于前述技术方案相同的发明构思，本发明还提供了一种汽车零部件，汽车零部件的预制板件采用上述技术方案中的任一种凸焊方法进行螺母凸焊。

通过本发明的一个或者多个技术方案，本发明具有以下有益效果或者优点：

本发明公开了一种螺母的凸焊方法，通过激光表面清洗预制板件的凸焊面，去除凸焊面表面上的元素富集层，然后再将预制板件进行凸焊。由于去除了预制板件表面的元素富集层，从而提高了后续螺母凸焊后的凸焊性能；同时，采用激光进行表面清洗，能够精确定量的控制表面层的去除厚度，并保证清理后预制板件表面质量。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1示出了根据本发明一个实施例的螺母的凸焊方法的流程图；

图2示出了根据本发明一个实施例的在预制板件的凸焊面去除元素富集层之后的示意图；

图3示出了根据本发明一个实施例的凸焊螺母与预制板件的示意图；

图4示出了根据本发明一个实施例的螺母凸焊装置结构图；

图5示出了根据本发明一个实施例的螺母凸焊装置中的第一电极组件和第二电极组件的具体结构图；

附图标记说明：

1、预制板件；11、元素富集层；12、元素富集层去除区；13、通孔；2、凸焊螺母；21、螺纹孔；22；内螺纹；23、凸起机构；3、第一电极组件；31、第一电极帽；32、第一电极杆；33、第一电极杆冷却通道；4、第二电极组件；41、第二电极帽；42、定位销；43、弹性机构，44、第二电极杆；45、第二电极杆冷却通道。

具体实施方式

为了使本申请所属技术领域中的技术人员更清楚地理解本申请，下面结合附图，通过具体实施例对本申请技术方案作详细描述。

基于表面富含合金元素的板件凸焊性能和焊接质量较差的问题，经过研究，在一个可选的实施例中，如图1所示，提出了一种对其进行改进的解决方案，其整体技术方案如下：

一种螺母的凸焊方法，包括：

S1：在预制板件上确定进行凸焊的待焊接区域，待焊接区域包括凸焊面和非焊面；其中，待焊接区域的数量为N，N≥1且为正整数；

S2：对待焊接区域的凸焊面进行激光表面清洗，以去除凸焊面上预设厚度的表面层，获得表面处理后的预制板件；其中，表面层中存在富集元素；

S3：使用螺母凸焊装置，在待焊接区域对表面处理后的预制板件进行螺母凸焊。

具体的，预制板件是将原料板进行成型(如冲压)后获得的预制零部件，在组装车身时在预制板件上进行螺母凸焊，预制板件上的待焊接区域即为螺母的焊接位置，如图2所示；预制板件1上可根据需要设置一个或多个螺母的待焊接区域。由于预制板件1是使用板材成型的，其具有上下表面，为了方便描述，在本申请中，凸焊面是指预制板件1中直接与螺母焊接的表面，而非焊面为与凸焊面对应的预制板件1的另一侧的表面，简单来说，凸焊面和非焊面是预制板件1的待焊接区域中的上下表面。

在对预制板件1进行凸焊前，首先对每个待焊接区域的凸焊面进行激光表面清洗，定量的在预制板件1的凸焊面上去除预设厚度的表面层。如前所述，添加有较多合金元素的原料板，由于冶炼+轧制制造板材的工艺特性，通常在板材表面形成元素富集层11，元素富集层11中的富集元素包括但不限于Mn，Si，S等在制造时添加合金元素以及不可避免的杂质元素中的一种或多种。采用激光进行表面清洗，是因为激光可以非常精确的定量控制表面层的清洗厚度的同时，保证清理后预制板件的表面质量。若采用机械处理方法，如表面打磨，首先不能精确和均匀的控制表面层的清理厚度；其次机械处理对预制板件表面质量的影响很大，容易引入表面划伤或微裂纹，严重影响后续预制板件涂装质量或喷漆质量；再次，机械打磨对表面元素富集层的处理速度很慢，不能适应流水线上的快速作业需求。在进行激光表面清洗后，待焊接区域的凸焊面内形成元素富集层去除区12，去除厚度为预设厚度，其示意图如图2所示。

在使用激光清理待焊接区域的凸焊面后，即可进行螺母凸焊。由于去除了表面富集层，因此在凸焊时即可解决表层富集元素对凸焊性能和焊接质量的不利影响。基于上述原理，本实施例提出的螺母凸焊方法，可应用于高强钢板、高强钛板、高强铝板等通过冶炼和轧制方法生产的原料板材，并使用此原料板材制造汽车零部件过程中的预制板件的螺母凸焊。

可选的，本实施例中提供的凸焊方法，预制板件1的材质为汽车用高强钢；具体的，汽车用高强钢包括：高强IF钢、烘烤硬化钢、低合金高强钢、双相钢、复相钢、相变诱导塑性钢、孪晶诱导塑性钢、马氏体钢、中锰钢、QP钢、热成形钢等合金元素添加较多、Si和S等元素含量相对较多的汽车用高强钢，汽车用高强钢在板材制造时，表面元素富集的现象十分显著，如不处理对凸焊质量有明显的不利影响。

具体的，富集元素的含量为预制板件1中的对应元素平均含量的1.1倍以上；其中，富集元素的含量可以是质量百分比含量。由于预制板件的原料板材采用冶炼+轧制的生产工艺，元素容易在板材的表面富集，从而形成元素富集层11。在本实施例中，采用激光表面清洗即是为了去除板件表面的元素富集层11。

可选的，对于高强钢的预制板件1，预设厚度为100nm以内，即通过激光表面清洗去除高强钢预制板表面不超过100nm厚度的元素富集层11，预设厚度过大将导致预制板件明显减薄，造成性能不合。具体预设厚度可以根据不同的钢种和对应的元素含量，结合组织分析数据综合确定，对于通用行业标准成分体系的高强钢，优选预设厚度包括50nm，75nm等，能够确保将表面元素富集层去除干净的同时不对预制板件造成明显减薄，影响性能。

本实施例公开了一种螺母的凸焊方法，通过激光表面清洗预制板件的凸焊面，去除凸焊面表面上的元素富集层，然后再将预制板件进行凸焊。由于去除了预制板件表面的元素富集层，从而提高了后续螺母凸焊后的凸焊性能；同时，采用激光进行表面清洗，能够精确定量的控制表面层的去除厚度，并保证清理后预制板件表面质量。

在上述实施例中介绍了如何解决预制板件中凸焊面上的元素富集层对凸焊的不利影响，基于前述实施例相同的发明构思，在又一个可选的实施例中，对螺母凸焊工艺进行阐述，具体如下：

如前述实施例的技术方案，如图2所示，待焊接区域的中心区域设有预设直径的通孔13。在预制板件1上设置通孔，是作为螺母焊接时的定位孔，以准确定位待焊接区域、螺母、焊接电极的位置。在预制板件1的待焊接区域设置通孔13的工序，既可以安排在激光表面清洗前，也可以安排在激光表面清洗后，对此不做具体限定。

可选的，如图3～图4所示，本实施例中使用的螺母凸焊装置包括凸焊螺母2，第一电极组件3和第二电极组件4；

凸焊螺母2上设有螺纹孔21，螺纹孔21中设有内螺纹22，凸焊螺母2与凸焊面连接的下表面上设有M个凸起机构23，M≥1且为正整数；在实施螺母凸焊时，凸焊螺母2的下表面与凸焊面接触，第一电极组件3接触凸焊螺母2的上表面；第二电极组件4接触非焊面。

具体的，凸焊螺母2上凸起机构23设置在螺母本体与预制板件1上的去除了表面元素富集层11的凸焊面相连接的一侧，也就是凸焊螺母2与预制板件1焊接的下表面上。凸起机构23的数量≥1个；当凸起机构23的数量为一个时，其具体结构可以是凸起的环形；当凸起机构23的数量为多个，如3～6个时，其具体结构为凸点形状，凸点围绕螺纹孔21在凸焊螺母2下表面上均匀分布。在实施凸焊时，先通过螺母供给装置将凸焊螺母2置于待焊接区域的凸焊面上，然后第一电极组件3与凸焊螺母2的上表面接触，第二电极组件4与预制板件1待焊接区域的非焊面接触，待焊接区域、凸焊螺母2、第一电极组件3和第二电极组件4可通过通孔13实现定位。

基于上述的螺母凸焊装置，一种实施凸焊的工艺过程具体如下：

可选的，使用螺母凸焊装置，在待焊接区域对表面处理后的预制板件1进行螺母凸焊，具体包括：

对第一电极组件3和第二电极组件4施加预设压力，以使第一电极组件3、第二电极组件4与凸焊螺母2、待焊接区域闭合；对第一电极组件3和第二电极组件4施加预设电流，以焊接凸焊螺母2与预制板件1。

即，对第一电极组件3和第二电极组件4施加压力以保持第一电极组件3与凸焊螺母2紧密接触，第二电极组件4与预制板件1在待焊接区域的非焊面保持紧密接触，然后通电实施凸焊螺母2与预制板件1之间的凸焊。

可选的，如图5所示，第一电极组件3包括第一电极帽31和第一电极杆32；第一电极帽31套设在第一电极杆32上；第一电极杆32内设有第一电极杆冷却通道33。在通电凸焊时，第一电极杆冷却通道33内通过冷却介质对第一电极组件3进行冷却散热。可选的，第一电机杆32的材质为铬铜材料。

可选的，如图5所示，第二电极组件4包括定位销42、第二电极帽41和第二电极杆44；第二电极帽41套设在定位销42与第二电极杆44之间；定位销42与第二电极杆44之间设有弹性机构43，弹性机构43一端与定位销42的底面固定连接，另一端与第二电极杆44固定连接；第二电极杆44内设有第二电极杆冷却通道45；定位销42用于穿过通孔13，凸焊螺母2套设在定位销42上。

具体的，第二电极组件4中预设有用于定位的定位销42，定位销42的尺寸规格与预制板件1待焊接区域中的通孔13的预设直径相匹配。在实施凸焊时，首先将第二电极组件4与待焊接区域的位置进行匹配，定位销42从预制板件1的非焊面下方穿过预制板件1上的通孔13，然后将凸焊螺母2套在定位销42上，再将第一电极组件3与凸焊螺母2进行对齐，如此实现了待焊接区域的凸焊面、凸焊螺母2、第一电极组件3和第二电极组件4的位置对齐。为了使定位销42稳固的进行定位，在定位销42与第二电极杆44之间固定连接有弹性机构43，如弹簧等，当定位销42穿过通孔13时，弹性机构43处于压缩状态，以使定位销42保持定位状态。可选的，定位销42的材质为绝缘材料。

同样的，在通电凸焊时，第二电极杆冷却通道45内通过冷却介质对第二电极组件4进行冷却散热。可选的，第二电机杆的材质为铬铜材料。

在接下来的实施例中，结合具体数据，对本发明提供的技术方案进行详细的说明。

基于前述实施例相同的发明构思，在一个可选的实施例中，预制板件1的材质为为抗拉强度480MPa的高强钢，板材厚度为1.8mm，基体Mn含量1.4％；经分析，预制板件1双侧表面均存在元素富集层11，元素富集层11的厚度为25nm，元素富集层11中Mn含量>10％。在进行螺母凸焊时，使用螺纹孔

的凸焊螺母2；凸焊螺母2上包括4个凸点，围绕螺纹孔21均匀分布，相邻凸点之间的圆心角呈90°。

实施凸焊的第一电极组件3包括第一电极帽31和第一电极杆32，第一电极帽31与第一电极杆32相连；第一电极杆32内部设有第一电极杆冷却通道33，冷却介质为水。第二电极组件4包括第二电极帽41、定位销42、弹性机构43、第二电极杆44；其中，第二电极帽41与第二电极杆44相连；定位销42的一端从第二电极帽41露出，另一端通过弹性机构43与第二电极杆44相连；定位销42的材质为绝缘材料，可选陶瓷材料；第二电机杆内部设有第二电极杆冷却通道45，冷却介质为水。第一电极帽31、第一电极杆32、第二电极帽41、第二电极杆44的材质均为铬铜材料。

实施凸焊的过程具体如下：

(1)确定预制板件1的待焊接区域；

在预制板件1的待焊接位置制备通孔13，可以采用机械钻孔的方式，在预制板件1的待焊接区域制备直径7mm的通孔13。

(2)去除预制板件1的元素富集层11；

采用激光表面清洗除去待焊接区域的凸焊面上的元素富集层11，形成预设厚度的元素富集层去除区12，完成预制板件1的准备。使用的激光器为Nd:YAG脉冲激光器，激光波长1064nm，工作中采用脉冲模式。重复频率20kHz，扫描速度1000mm/s，离焦量0，输出功率10-50W，经激光清洗后，待焊接区域的凸焊面表面的去除深度(预设厚度)为50nm，以完全清除凸焊面上的元素富集层11。

(3)实施凸焊；

由下至上，依次对准第二电极组件4、预制板件1、凸焊螺母2、第一电极组件3，其中，定位销42穿过预制板件1上的通孔13和凸焊螺母2的螺纹孔21；

将第一电极组件3和第二电极组件4闭合，施加压力N和焊接电流I，实施凸焊；具体的，电极压力N为2kN，焊接电流2-5kA；

将第一电极组件3和第二电极组件4张开，完成一次凸焊过程。

在相同凸焊参数下，对去除元素富集层11和传统方法(不去除元素富集层11)进行对比：采用本发明提供的改进方法，焊接后测得螺母与预制板件1之间的凸焊扭矩均值57N·m；采用传统方法，即不采用激光表面清洗去除元素富集层11，获得的凸焊扭矩均值为42N·m；采用本发明方法获得的凸焊接头扭矩稳定性大幅增加的同时，预制板件1的表面质量更佳，在后续的涂装工艺或喷漆工艺中，汽车零部件或车身具有更优的表面质量。

基于前述实施例相同的发明构思，本发明还提供了一种汽车零部件，汽车零部件的预制板件1采用如前述实施例中的凸焊方法进行螺母凸焊。

通过本发明的一个或者多个实施例，本发明具有以下有益效果或者优点：

本发明公开了一种螺母的凸焊方法，通过激光表面清洗预制板件的凸焊面，去除凸焊面表面上的元素富集层，然后再将预制板件进行凸焊。由于去除了预制板件表面的元素富集层，从而提高了后续螺母凸焊后的凸焊性能；同时，采用激光进行表面清洗，能够精确定量的控制表面层的去除厚度，并保证清理后预制板件表面质量。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的普通技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种螺母的凸焊方法，其特征在于，所述凸焊方法包括：

在预制板件上确定进行凸焊的待焊接区域，所述待焊接区域包括凸焊面和非焊面；其中，所述待焊接区域的数量为N，N≥1且为正整数；

对所述待焊接区域的所述凸焊面进行激光表面清洗，以去除所述凸焊面上预设厚度的表面层，获得表面处理后的预制板件；其中，所述表面层中存在富集元素；

使用螺母凸焊装置，在所述待焊接区域对所述表面处理后的预制板件进行螺母凸焊。

2.如权利要求1所述的凸焊方法，其特征在于，所述预制板件的材质为汽车用高强钢。

3.如权利要求2所述的凸焊方法，其特征在于，所述富集元素的含量为所述预制板件中的对应元素平均含量的1.1倍以上。

4.如权利要求2所述的凸焊方法，其特征在于，所述预设厚度为100nm以内。

5.如权利要求1所述的凸焊方法，其特征在于，所述待焊接区域的中心区域设有预设直径的通孔。

6.如权利要求5所述的凸焊方法，其特征在于，所述螺母凸焊装置包括凸焊螺母、第一电极组件和第二电极组件；

所述凸焊螺母上设有螺纹孔，所述螺纹孔中设有内螺纹，所述凸焊螺母与所述凸焊面连接的下表面上设有M个凸起机构，M≥1且为正整数；

在实施螺母凸焊时，所述凸焊螺母的下表面与所述凸焊面接触，所述第一电极组件接触所述凸焊螺母的上表面；所述第二电极组件接触所述非焊面。

7.如权利要求6所述的凸焊方法，其特征在于，所述使用螺母凸焊装置，在所述待焊接区域对所述表面处理后的预制板件进行螺母凸焊，具体包括：

对所述第一电极组件和所述第二电极组件施加预设压力，以使所述第一电极组件、所述第二电极组件与所述凸焊螺母、所述待焊接区域闭合；

对所述第一电极组件和所述第二电极组件施加预设电流，以焊接所述凸焊螺母与所述预制板件。

8.如权利要求6所述的凸焊方法，其特征在于，所述第一电极组件包括第一电极帽和第一电极杆；

所述第一电极帽套设在所述第一电极杆上；所述第一电极杆内设有第一电极杆冷却通道。

9.如权利要求6所述的凸焊方法，其特征在于，所述第二电极组件包括定位销、第二电极帽和第二电极杆；

所述第二电极帽套设在所述定位销与所述第二电极杆之间；所述定位销与所述第二电极杆之间设有弹性机构，所述弹性机构一端与所述定位销的底面固定连接，另一端与所述第二电极杆固定连接；所述第二电极杆内设有第二电极杆冷却通道；

所述定位销用于穿过所述通孔，所述凸焊螺母套设在所述定位销上。

10.一种汽车零部件，其特征在于，所述汽车零部件的预制板件采用如权利要求1～9中任一权项所述的凸焊方法进行螺母凸焊。

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