CN115213535A - 磁辅助多阶段轻金属与钢电阻点焊连接方法 - Google Patents
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Abstract
一种磁辅助多阶段轻金属与钢电阻点焊连接方法，包括：预热阶段、碎膜阶段、长大阶段和搅拌阶段，本发明在传统电阻点焊工艺的基础上引入以径向磁场为主的外部磁场源，经多脉冲电流的碎膜处理，在轻金属/钢界面产生循环拉‑压应力破碎界面氧化膜。破碎的氧化膜在电磁力搅拌驱动下远离焊接连接面。本发明无需焊前氧化膜去除工序，显著提升接头的力学性能，实现轻金属/钢异种材料的高性能点焊连接。
Description
技术领域
本发明涉及一种焊接领域的技术，具体是一种磁辅助多阶段轻金属与钢电阻点焊连接方法，适用于轻金属/钢双层板和多层板的电阻点焊连接，也适用于板材表面有镀层的双层板或多层板的异种材料电阻点焊连接。
背景技术
电阻点焊(RSW)是当前汽车车身轻量化要求下金属点连接的主要方法。然而，轻金属和钢的晶体结构不同，两种金属点焊时极易在界面处生成脆性金属间化合物(Intermetallic compounds,IMC)。IMC中独立滑移系少，变形协调能力差，位错极易塞积。当接头承载时，如果IMC较厚，裂纹往往在IMC层中萌生，导致接头脆性断裂；轻金属表面有多层含水、非连续的氧化膜，其熔点高、导热差，焊接过程中轻金属/钢接合面上的氧化膜会导致轻金属侧熔核中产生夹渣、气孔等缺陷，此外，轻金属表面的氧化膜电阻率极高，通电过程中容易引起界面急速生热，导致界面飞溅的产生，严重影响工艺稳定性和接头性能。实际生产制造过程中，生产制造商通常在焊接前采用机械打磨或化洗方法，去掉轻金属表面氧化膜，以消除氧化膜对焊点性能的影响，但该方法难以满足大批量、快节拍、低成本、绿色化生产的要求。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种磁辅助多阶段轻金属与钢电阻点焊连接方法，在传统电阻点焊工艺的基础上引入以径向磁场为主的外部磁场源，其与焊接电流交互产生电磁力。轻金属/钢界面的氧化膜在多脉冲电流产生的循环拉-压应力作用下破碎；破碎的氧化膜在电磁力搅拌驱动下远离焊接连接面。本发明无需焊前氧化膜去除工序，能够显著提升接头的力学性能，实现轻金属/钢异种材料的高性能点焊连接。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种磁辅助多阶段轻金属与钢电阻点焊连接方法，包括：预热阶段、碎膜阶段、长大阶段和搅拌阶段，其中：预热阶段通过预热电流使板材/电极界面以及板材/板材界面形成良好接触；碎膜阶段通过多脉冲电流对板材进行循环加热/冷却，使轻金属/钢界面氧化膜在热循环产生的循环拉-压应力和电极力的共同作用下破碎；长大阶段通过多脉冲电流调节轻金属/钢界面的热输入功率，抑制界面IMC过快生长和飞溅的产生，同时促进轻金属侧的熔核沿直径和厚度方向生长；搅拌阶段通过至少一个脉冲电流与外部磁场源相互作用产生电磁力，氧化膜碎片在电磁力搅拌作用下弥散分布于熔核内部，同时搅拌作用下高温金属流体高速流动，加快铁元素向轻金属侧扩散，增加熔核强度，降低轻金属/钢界面的铁原子浓度，减缓IMC的生长速率。
所述的电极力，即由焊枪施加于板材上的力，该电极力优选为1-10kN。
所述的预热电流，即由焊接控制器施加于板材上的电流，该预热电流优选为1kA-20kA。
所述的预热电流，其持续时间可通过增加碎膜阶段脉冲电流的时间或数量调整为零。
所述的碎膜阶段，通过调节多脉冲电流幅值和占空比，运用固态板材循环膨胀/收缩的循环应力大于氧化膜的抗拉强度实现氧化膜破碎，即板材/板材界面温度TC满足
其中：σb为轻金属表面氧化膜抗拉强度，α(T)为轻金属热膨胀系数随温度变化关系，E(T)为轻金属杨氏模量随温度变化关系，T0为环境温度。
所述的长大阶段，通过调节多脉冲电流幅值和占空比，使熔核直径应达到
同时控制不发生飞溅现象，其中：t为轻金属板厚。
所述的长大阶段，若熔核厚度h满足0.45t<h<0.65t时，搅拌阶段电磁力可由感应磁场或外部磁场与电流交互产生，其中：t为轻金属板厚。
所述的多脉冲电流，其脉冲形状为方波、斜坡或上述电流波形的组合形式。
所述的多脉冲电流，其占空比优选50％-100％。
所述的搅拌阶段，持续至有飞溅产生后立刻停止。
所述的外部磁场源，优先作用于搅拌阶段。
技术效果
本发明解决了现有轻金属/钢电阻点焊面临的IMC层过厚、轻金属侧熔核界面缺陷和界面飞溅等问题，本发明引入径向磁场为主的外部磁场源，并通过预热、碎膜、长大和搅拌四个阶段对接头进行形性调控，在轻金属/钢界面产生循环拉-压应力破碎界面氧化物；利用长大阶段的多脉冲电流，调节热输入功率，控制IMC的生长速率，同时，避免因热输入功率过大导致的轻金属侧熔核生长过快，防止熔核生长过程中飞溅的产生，促进熔核在直径方向和厚度方向的生长；利用搅拌阶段的电磁力实现氧化膜碎片在轻金属侧熔核中的弥散分布，加速铁原子向轻金属侧熔核的扩散，强化熔核，同时降低轻金属/钢界面的铁原子浓度，减缓IMC的生长速率，大幅度提升了接头质量。与传统点焊工艺相比，本发明解决了轻金属/钢焊接中界面氧化膜造成的焊点质量问题，为混合材料车身的大批量、快节拍、低成本、绿色化生产提供了使能技术。
附图说明
图1为本发明的工艺流程示意图；
图2为轻金属侧熔核生长及氧化膜缺陷分布示意图。
图中：1轻金属板、2钢板、3界面连续氧化膜、4氧化膜碎片、5轻金属侧熔核、6中间反应化合物(IMC)；
图3为实施例1焊接工艺示意图；
图4为实施例2焊接工艺示意图。
具体实施方式
实施例1
本实施例中，待连接铝板为1.2mm的5754-O，待连接钢板为2.0mm的低碳钢。
本实施例具体包括以下步骤：如图3所示，通过永磁体在板材水平面施加径向磁场，具体包括四个阶段的多脉冲电流。预热阶段，电流6kA，时间40ms；碎膜阶段，包括10个脉冲电流，电流大小为7kA，加热、冷却时间分别为40ms和25ms；长大阶段，包含6个脉冲电流，电流大小为13kA，加热、冷却时间分别为80ms和15ms；搅拌阶段包含4个脉冲电流，电流大小为14.5kA，加热、冷却时间分别为80ms和5ms。焊接过程施加电极力为3500N，施加的磁场强度为1.41T。
经过具体实际实验，以上述参数设置下获得的磁辅助铝钢点焊接头较传统的铝钢电阻点焊相比，中间反应化物厚度从10μm降到5μm；铝钢界面无氧化膜缺陷；磁辅助多阶段焊点拉剪峰值力3800kN，剪断裂吸能1.55J，与传统电阻点焊接头拉剪性能相比，拉剪峰值提升30％，拉剪吸能提升115％，断裂模式从界面脆性断裂转变为部分纽扣断裂。
本实施例在焊接过程中解决了铝合金与钢焊接界面氧化膜问题，通过预热阶段、破膜阶段、长大阶段和搅拌阶段，在焊接过程中用10个脉冲电流使铝金属/钢界面氧化膜在热循环产生的循环拉-压应力和电极力的作用下破碎；电磁搅拌力带动氧化膜碎片流动，使其弥散分布于熔核内部，减少界面氧化膜分布。此外，高温金属流体在电磁搅拌作用下发生高速流动，加快铁元素向轻金属侧扩散，增加熔核强度，同时降低铝金属/钢界面的铁原子浓度，减缓IMC的生长速率。
实施例2
本实施例中，待连接铝板为1.2mm的6022，待连接钢板为2.0mm的低碳钢。如图4所示，所使用的焊接规范包含四个阶段的多脉冲电流。预热阶段，电流8kA，时间40ms；碎膜阶段，包括8个脉冲电流，电流大小为9kA，加热、冷却时间分别为40ms和15ms；长大阶段，包含10个脉冲电流，电流大小为15.5kA，加热、冷却时间分别为80ms和5ms；搅拌阶段包含6个脉冲电流，电流大小为16.5kA，加热、冷却时间分别为80ms和20ms。焊接过程施加电极力为4000N。
本实施例在焊接过程中解决了铝合金与钢焊接界面氧化膜问题，通过在焊接过程中用8个脉冲电流使铝金属/钢界面氧化膜在热循环产生的循环拉-压应力和电极力的作用下破碎；电磁搅拌作用下带动氧化膜碎片流动，使其弥散分布于熔核内部，减少界面氧化膜分布。此外，高温金属流体在电磁搅拌作用下发生高速流动，加快铁元素向轻金属侧扩散，增加熔核强度，同时降低铝金属/钢界面的铁原子浓度，减缓IMC的生长速率。
经过上述实施例获得的铝钢点焊接头，熔核熔深达到0.7mm，中间反应化物的最大厚度为6μm，较传统电阻点焊接头拉剪力学性能提高30-60％，吸能提高80％-100％。
本发明与现有技术相比优势在于：
1)长大阶段多脉冲电流产生的循环加热冷却有效抑制了飞溅的产生；
2)接头两侧金属进行高频的膨胀和收缩，使位于铝钢界面的氧化层破碎得更为充分，同时在外部磁场或感应磁场作用下，细小的氧化膜在铝侧焊核熔化金属内做高速运动，远离铝钢界面，有效减小氧化膜在铝侧熔核界面的分布，降低铝钢接合面附近氧化膜缺陷对焊点力学性能的负面影响；
3)中间反应化物IMC层的厚度减小4-5μm，降低接接头的界面脆性失效风险；
4)焊接过程中的磁搅拌作用加速铁原子扩散，增大了铝侧熔核的硬度和强度；
5)大幅提高焊点的剪切和剥离性能，改变焊点的断裂模式；
6)焊接前不需要对轻金属表面氧化膜进行预处理。
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 (10)
1.一种磁辅助多阶段轻金属与钢电阻点焊连接方法，其特征在于，包括：预热阶段、碎膜阶段、长大阶段和搅拌阶段，其中：预热阶段通过预热电流使板材/电极界面以及板材/板材界面形成良好接触；碎膜阶段通过多脉冲电流对板材进行循环加热/冷却，使轻金属/钢界面氧化膜在热循环产生的循环拉-压应力和电极力的共同作用下破碎；长大阶段通过多脉冲电流调节轻金属/钢界面的热输入功率，抑制界面IMC过快生长和飞溅的产生，同时促进轻金属侧的熔核沿直径和厚度方向生长；搅拌阶段通过至少一个脉冲电流与外部磁场源相互作用产生电磁力，氧化膜碎片在电磁力搅拌作用下弥散分布于熔核内部，同时搅拌作用下高温金属流体高速流动，加快铁元素向轻金属侧扩散，增加熔核强度，降低轻金属/钢界面的铁原子浓度，减缓IMC的生长速率。
2.根据权利要求1所述的磁辅助多阶段轻金属与钢电阻点焊连接方法，其特征是，所述的电极力，即由焊枪施加于板材上的力，该电极力为1-10kN。
3.根据权利要求1所述的磁辅助多阶段轻金属与钢电阻点焊连接方法，其特征是，所述的预热电流，即由焊接控制器施加于板材上的电流，该预热电流为1kA-20kA。
4.根据权利要求1所述的磁辅助多阶段轻金属与钢电阻点焊连接方法，其特征是，所述的预热电流，其持续时间通过增加碎膜阶段脉冲电流的时间或数量调整为零。
5.根据权利要求1所述的磁辅助多阶段轻金属与钢电阻点焊连接方法，其特征是，所述的碎膜阶段，通过调节多脉冲电流幅值和占空比，运用固态板材循环膨胀/收缩的循环应力大于氧化膜的抗拉强度实现氧化膜破碎，即板材/板材界面温度TC满足
其中：σb为轻金属表面氧化膜抗拉强度，α(T)为轻金属热膨胀系数随温度变化关系，E(T)为轻金属杨氏模量随温度变化关系，T0为环境温度。
6.根据权利要求1所述的磁辅助多阶段轻金属与钢电阻点焊连接方法，其特征是，所述的长大阶段，通过调节多脉冲电流幅值和占空比，使熔核直径应达到
同时控制不发生飞溅现象，其中：t为轻金属板厚。
7.根据权利要求1或6所述的磁辅助多阶段轻金属与钢电阻点焊连接方法，其特征是，所述的长大阶段，当熔核厚度h满足0.45t<h<0.65t时，搅拌阶段电磁力可由感应磁场或外部磁场与电流交互产生，其中：t为轻金属板厚。
8.根据权利要求1所述的磁辅助多阶段轻金属与钢电阻点焊连接方法，其特征是，所述的多脉冲电流，其占空比50％-100％。
9.根据权利要求1所述的磁辅助多阶段轻金属与钢电阻点焊连接方法，其特征是，所述的搅拌阶段，持续至有飞溅产生后立刻停止。
10.根据权利要求1所述的磁辅助多阶段轻金属与钢电阻点焊连接方法，其特征是，所述的外部磁场源作用于搅拌阶段。
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