CN113843488A - 基于磁控电阻点焊的铝合金与钢优化焊接方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于磁控电阻点焊的铝合金与钢优化焊接方法，将钢板和铝合金板设置于电极与可控磁场之间，通过施加焊接电流在钢板内产生焦耳热，利用钢板与铝合金板之间高电阻率氧化膜的阻隔作用，使铝合金板的靠近钢板侧均匀升温，铝合金板的近钢板一侧熔化形成熔融铝合金，熔融铝合金在磁场和电流产生的洛伦兹力作用下高速流动和搅拌，抑制氧化膜缺陷在界面附近的聚集，界面两侧异质材料形成薄而均匀的金属间化合物。本发明通过对钢侧电阻加热，减小铝侧热输入，降低铝板减薄，消除铝板表面压痕，控制界面金属间化合物层厚度；通过外加磁场与电流的交互作用产生洛伦兹力，驱动熔融铝合金高速流动，改善铝侧熔核组织和缺陷分布，提升焊接接头的机械性能。通过避免铜电极与铝板的直接接触，降低电极磨损，提升铝钢点焊接头性能、外观质量和焊点质量稳定性。

Description

基于磁控电阻点焊的铝合金与钢优化焊接方法
技术领域
本发明涉及的是一种焊接领域的技术，具体是一种基于磁控电阻点焊的铝合金与钢优化焊接方法。
背景技术
铝合金与钢的混合使用是降低车体自重，实现节能减排的重要手段。电阻点焊是汽车、轨道交通车厢等载具薄壁结构制造的主要工艺。然而，铝合金与钢的热导率、电阻率、热膨胀系数等属性差异较大，电阻点焊时铝合金因熔点低而严重减薄，接头质量难以保证，且焊点附近铝合金一侧压痕明显，表面质量差。铝合金与钢的传统电阻点焊容易在异种金属界面形成较厚金属间化合物和氧化膜缺陷，严重影响焊点力学性能。此外，由于铝合金易与铜电极发生反应，导致铝侧电极磨损严重，焊点质量不稳定。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于磁控电阻点焊的铝合金与钢优化焊接方法，通过对钢侧电阻加热，减小铝侧热输入，降低铝板减薄率，消除铝板表面压痕，控制界面金属间化合物层厚度；通过外加磁场与电流的交互作用产生洛伦兹力，驱动熔融铝合金高速流动，改善铝侧熔核组织和缺陷分布，提升焊接接头的机械性能。通过避免铜电极与铝板的直接接触，降低电极磨损，提升铝钢点焊接头性能、外观质量和焊点质量稳定性。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种基于磁控电阻点焊的铝合金与钢优化焊接方法，将钢板和铝合金板设置于电极与可控磁场之间，通过施加焊接电流在钢板内产生焦耳热，利用钢板与铝合金板之间高电阻率氧化膜的阻隔作用，使铝合金板的靠近钢板侧均匀升温，铝合金板的近钢板一侧熔化形成熔融铝合金，熔融铝合金在磁场和电流产生的洛伦兹力作用下高速流动和搅拌，抑制氧化膜缺陷在界面附近的聚集，界面两侧异质材料形成薄而均匀的金属间化合物。
所述的熔化，具体满足：tnugget<1/5tAl，Dnugget>5tAl 1/2，其中：tnugget和Dnugget分别为熔化深度和熔化直径，tAl为铝板厚度。tnugget和Dnugget通过焊接时间和/或焊接电流调节，tnugget和Dnugget均随焊接电流和/或焊接时间的增加而增大。
所述的电极包括：外电极杆、内电极杆、外电极帽、内电极帽，其中：外电极杆和内电极杆同轴嵌套设置，外电极帽和内电极帽分别通过过盈配合设置于外电极杆和内电极杆的自由端。
所述的可控磁场，通过设置于待连接铝板下的内置磁场源及其支撑底座实现。
所述的支撑底座包括：支撑平台、绝缘外壳、磁场源和高度调节机构，其中磁场源位于支撑平台下方，高度调节机构与磁场源相连。
所述的外电极帽端部为平面，圆弧面或顶点位于内、外壁之间的尖端结构。
所述的内电极帽端部为球面或平面。
所述的内电极帽和外电极帽材料可以相同或外电极帽采用电阻率较大的材料，以将更多的热量集中在外电极杆下方，实现增大熔核直径，提高接头有效承载面积的目的。
所述的内电极杆为空心结构，空心部分用于通冷却水。
所述的外电极杆为正极，内电极杆为负极或反之。
所述的外电极杆的内径为内电极杆直径的1.2～2.0倍，保证二者在焊接时始终不接触。
所述的待连接钢板为至少一层，当采用多层待连接钢板时相邻布置。
所述的绝缘外壳为绝缘、耐高温、导磁材料。
所述的支撑平台上表面为平面或由在同一平面内的若干支撑点构成。
所述的磁场源为永磁体或励磁线圈。
所述的磁场源距支撑平台表面的高度H通过高度调节机构进行调节，H为2～10mm。
技术效果
本发明整体解决了现有技术在电阻点焊铝合金与钢过程中铝合金一侧热输入过高，导致铝板减薄严重、铝/钢界面金属间化合物厚且不均匀、铝侧电极磨损寿命短的问题，以及铝合金表面氧化膜在铝/钢界面聚集，形成缺陷。
与现有技术相比，本发明对钢板进行电阻加热，利用钢板与铝合金板之间高电阻率氧化膜的阻隔作用，使铝合金板均匀升温，降低焊接过程中铝合金侧的热输入，能够形成深度小、面积大的铝合金熔化区域，减小因铝合金过度熔化造成的严重减薄，抑制界面金属间化合物层生长过厚，减小铝板表面压痕，提高焊点表面质量；本发明通过外加磁场产生洛伦兹力对熔融铝合金的搅拌作用，使铝合金氧化膜分布弥散化，抑制氧化膜缺陷在铝钢界面的聚集，提升焊接接头机械性能；本发明焊接过程中正电极、负电极均不与铝合金板接触，有效解决了传统铝钢电阻点焊工艺电极磨损严重的问题，提高焊接稳定性和一致性。
附图说明
图1为基于磁控电阻点焊的铝合金与钢优化焊接方法及装置的结构示意图；
图2为电极的结构示意图；
图中：a为三维视图；b为截面视图；
图3为支撑底座的结构示意图；
图中：a为三维视图；b为截面视图；
图4为焊接过程电流密度分布示意图；
图5为熔融铝合金受到的洛伦兹力方向示意图；
图中：电极1、待连接钢板2、待连接铝板3、支撑底座4、电流密度分布5、熔融铝合金6、外电极杆101、内电极杆102、外电极帽103、内电极帽104、外电极帽端部105、内电极帽端部106、绝缘外壳401、磁场源402、高度调节机构403、支撑平面404。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及的一种基于磁控电阻点焊的铝合金与钢优化焊接装置，包括：设置于待连接钢板2上的电极1以及设置于待连接铝板3下方的支撑底座4，其中待连接钢板2为双相高强钢DP780，厚度2.0mm，待连接铝板3为铝合金AA5754，厚度1.5mm。
所述的电极1包括：外电极杆101、内电极杆102、外电极帽103、内电极帽104，其中：外电极杆101和内电极杆102同轴嵌套设置，外电极帽103设置于外电极杆101的自由端，内电极帽104设置于内电极杆102的自由端。
所述的外电极帽端部105为平面，所述的内电极帽端部106为平面。
所述的内电极帽104材料为铬锆铜，外电极帽103材料为不锈钢。
所述的外电极杆101为正极，内电极杆102为负极。
所述的外电极杆101内径为20mm，内电极杆102直径为15mm。
所述的支撑底座4包括：支撑平台401、磁场源402和高度调节机构403，其中磁场源402位于支撑平台404下方，高度调节机构403与磁场源402相连。
所述的支撑底座4材料为陶瓷。
所述的支撑平台404上表面为平面。
所述的磁场源402为永磁体，直径20mm，厚度10mm，磁场源402距支撑平台404表面的高度H＝2.0mm。
本实施例涉及上述装置的电焊过程，通过将钢板和铝合金板设置于电极与可控磁场之间，通过施加焊接电流在钢板内产生焦耳热，利用钢板与铝合金板之间高电阻率氧化膜的阻隔作用，使铝合金板的靠近钢板侧均匀升温，铝合金板在靠近钢板侧形成厚度小、面积大的熔融区域，熔融铝合金在磁场和电流产生的洛伦兹力作用下高速流动和搅拌，抑制氧化膜缺陷在界面附近的聚集，界面两侧异质材料形成薄而均匀的金属间化合物，该过程具体包括：
①固定支撑底座4，电极1向下运动，施加电极压力3.0kN，待连接钢板2和待连接铝板3紧固于电极1和支撑底座4之间。
②施加焊接电流10kA，外电极杆101、外电极帽103、待连接钢板2、待连接铝板3、内电极帽104和内电极杆102之间形成导电通路，对待连接钢板2和待连接铝板3进行电阻加热，焊接时间400ms。
③由于待连接钢板2与待连接铝板3之间高电阻率氧化膜的阻隔作用，电流密度主要集中在待连接钢板2中，待连接铝板3中的电流密度较小。待连接钢板2通过热传导的方式对待连接铝板3进行加热，使待连接铝板3在靠近钢板侧的一定深度范围内熔化形成熔融铝合金6，界面两侧异质材料相互扩散，形成金属间化合物。在磁场源402产生的洛伦兹力作用下熔融铝合金6发生三维流动，实现界面附近氧化膜的弥散分布。
经过具体实际实验，在实施例的具体环境设置下，以实施例中所描述的铝合金与钢磁控电阻点焊参数进行焊接，能够显著降低因铝合金热输入过高造成的严重减薄问题，接头中铝合金侧的表面压痕可控制在0-0.05mm范围内，与现有铝合金与钢电阻点焊装置获得的铝侧压痕约0.3-1.0mm相比，焊点表面质量提高；铝钢界面金属间化合物层厚度小于5μm，与现有铝钢电阻点焊相比降低20％～30％；通过外加磁场产生洛伦兹力对熔融铝合金的搅拌作用，使氧化膜分布弥散化，抑制氧化膜缺陷在铝钢界面聚集，接头机械性能提升30％～50％；焊接过程中正电极、负电极均不与铝合金板接触，有效解决了传统铝钢电阻点焊工艺电极磨损严重的问题，提高焊接稳定性和一致性。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (8)

1.一种基于磁控电阻点焊的铝合金与钢优化焊接方法，其特征在于，将钢板和铝合金板设置于电极与可控磁场之间，通过施加焊接电流在钢板内产生焦耳热，利用钢板与铝合金板之间高电阻率氧化膜的阻隔作用，使铝合金板的靠近钢板侧均匀升温，铝合金板的近钢板一侧熔化形成熔融铝合金，熔融铝合金在磁场和电流产生的洛伦兹力作用下高速流动和搅拌，抑制氧化膜缺陷在界面附近的聚集，界面两侧异质材料形成薄而均匀的金属间化合物；
所述的电极包括：外电极杆、内电极杆、外电极帽、内电极帽，其中：外电极杆和内电极杆同轴嵌套设置，外电极帽和内电极帽分别通过过盈配合设置于外电极杆和内电极杆的自由端；
所述的可控磁场，通过设置于待连接铝板下的内置磁场源及其支撑底座实现。
2.根据权利要求1所述的基于磁控电阻点焊的铝合金与钢优化焊接方法，其特征是，所述的熔化，具体满足：tnugget<1/5tAl，Dnugget>5tAl 1/2，其中：tnugget和Dnugget分别为熔化深度和熔化直径，tAl为铝板厚度，tnugget和Dnugget通过焊接时间和/或焊接电流调节，tnugget和Dnugget均随焊接电流和/或焊接时间的增加而增大。
3.根据权利要求1所述的基于磁控电阻点焊的铝合金与钢优化焊接方法，其特征是，所述的支撑底座包括：支撑平台、绝缘外壳、磁场源和高度调节机构，其中磁场源位于支撑平台下方，高度调节机构与磁场源相连。
4.根据权利要求1所述的基于磁控电阻点焊的铝合金与钢优化焊接方法，其特征是，所述的外电极帽端部为平面，圆弧面或顶点位于内、外壁之间的尖端结构。
5.根据权利要求1所述的基于磁控电阻点焊的铝合金与钢优化焊接方法，其特征是，所述的内电极帽端部为球面或平面。
6.根据权利要求1所述的基于磁控电阻点焊的铝合金与钢优化焊接方法，其特征是，所述的内电极帽和外电极帽材料可以相同或外电极帽采用电阻率较大的材料，以将更多的热量集中在外电极杆下方，实现增大熔核直径，提高接头有效承载面积的目的。
7.根据权利要求1所述的基于磁控电阻点焊的铝合金与钢优化焊接方法，其特征是，所述的内电极杆为空心结构，空心部分用于通冷却水。
8.根据权利要求1～7中任一所述的基于磁控电阻点焊的铝合金与钢优化焊接方法，其特征是，具体包括以下步骤：
①固定支撑底座并控制电极向下运动，施加电极压力3.0kN，待连接钢板和待连接铝板紧固于电极和支撑底座之间；
②施加焊接电流10kA，外电极杆、外电极帽、待连接钢板、待连接铝板、内电极帽和内电极杆之间形成导电通路，对待连接钢板和待连接铝板进行电阻加热，焊接时间400ms；
③由于待连接钢板与待连接铝板之间高电阻率氧化膜的阻隔作用，电流密度集中在待连接钢板中，待连接铝板中的电流密度较小，待连接钢板通过热传导的方式对待连接铝板进行加热，使待连接铝板在靠近钢板侧的一定深度范围内熔化形成熔融铝合金，界面两侧异质材料相互扩散，形成金属间化合物，在磁场源产生的洛伦兹力作用下熔融铝合金发生三维流动，实现界面附近氧化膜的弥散分布。
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