CN115213536A

CN115213536A - 外部磁场辅助电阻点焊连接方法

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Publication number: CN115213536A
Application number: CN202110423837.7A
Authority: CN
Inventors: 胡珊青; 马运五; 李永兵; 安布尔李·哈泽胡恩; 布莱尔·卡尔松
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2021-04-20
Filing date: 2021-04-20
Publication date: 2022-10-21

Abstract

一种外部磁场辅助电阻点焊连接方法，通过一对极性相反的电极杆分别从上下两侧与两块不同熔点的待连接金属工件接触并相向施加压力，通过对电极杆施加电流后，在持续的焦耳热作用下具有较低熔点的待连接金属工件沿工件接触界面熔化，并向其自身内部生长形成熔核，熔核中熔化金属在外部磁场提供的磁场力作用下高速流动，并对工件接触界面附近的缺陷产生搅拌作用，待熔核冷却凝固后即实现异种材料连接；本发明通过电磁搅拌避免氧化膜缺陷在板材界面聚集，同时促进未熔化侧元素向熔核扩散，增大熔核硬度和强度，提升接头的力学性能。

Description

外部磁场辅助电阻点焊连接方法

技术领域

本发明涉及的是一种焊接领域的技术，具体是一种外部磁场辅助电阻点焊连接方法。

背景技术

电阻点焊(RSW)是汽车等工业中主要的金属点连接方法。随着汽车车身轻量化需求的不断提升，高强钢、铝合金、镁合金等的混合使用逐渐成为车身材料发展的重要趋势。然而，由于异种材料物理属性差异大、冶金相容困难等问题，传统的RSW工艺面临挑战。此外，铝合金、镁合金等表面存在的多层含水氧化膜会导致熔核气孔缺陷的产生；氧化膜熔点高、电阻率大，焊接过程中容易在异质材料接合面上形成夹杂缺陷，严重影响接头的力学性能。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种外部磁场辅助电阻点焊连接方法，以电阻点焊为基础，在电极帽上附加外部磁场，使之在平行于待焊板材表面方向产生径向磁场。该磁场与焊接电流相互作用产生电磁力。焊接过程中，电磁力搅拌作用可带动氧化膜缺陷运动，避免氧化膜缺陷在板材界面聚集，同时促进未熔化侧元素向熔核扩散，提升熔核硬度和强度。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种外部磁场辅助电阻点焊连接方法，通过一对极性相反的电极杆分别从上下两侧与两块不同熔点的待连接金属工件接触并相向施加压力，通过对电极杆施加电流后，在持续的焦耳热作用下具有较低熔点的待连接金属工件沿工件接触界面熔化，并向其自身内部生长形成熔核，熔核中熔化金属在外部磁场提供的磁场力作用下高速流动，并对工件接触界面附近的缺陷产生搅拌作用，待熔核冷却凝固后即实现异种材料连接。

所述的电极杆的自由端分别设有电极帽；电极杆的外部设有绝缘套筒套。

所述的外部磁场分布于待连接金属工件的一侧或两侧，当外部磁场为单侧设置时，优先设置于靠近具有较低熔点的待连接金属工件的电极杆外侧；当外部磁场为双侧设置时，上下磁场源的形状、材料、大小、强度、工作距离可以非对称分布。

所述的外部磁场强度为恒定或随焊接电流变化周期性施加；所述的外部磁场的端面与待连接工件的距离为1～10mm。

所述的外部磁场为管状体，包括圆柱管、方管、三角管或者其它形状更为复杂的管状体，或者为多个设置于线性驱动装置上的小弧度的上述管状体。

所述的对电极杆施加电流，具体为恒定电流、方波电流、脉冲电流、斜坡电流或其组合。

所述的熔核的直径为

其中：t为具有较低熔点的待连接金属工件的厚度。

所述的熔核与待连接金属工件界面的夹角为10～45°。

所述的两块不同熔点的待连接金属工件中一块的材质为纯铝、铝合金、纯铜、铜合金、纯镁或镁合金；另一块为钢、纯钛或钛合金。

技术效果

本发明整体解决了异种材料电阻点焊接头界面缺陷多、熔核组织粗大导致的焊点力学性能下降、焊点脆性断裂等问题。与现有技术相比，本发明通过设置可移动的外部磁场以适用于不同焊接工况和材料组合，熔核中界面氧化膜在电磁搅拌作用下破碎并运动，减少了界面氧化膜的分布；未熔化的具有较高熔点的待连接金属工件元素在电磁力作用下加速向具有较低熔点的连接金属工件中的熔核扩散，强化熔核；电磁力的引入阻碍第一连接金属工件中熔核凝固过程中柱状晶的生长，在熔核边缘形成多层细小柱状晶结构。

附图说明

图1为本发明结构的示意图；

图中：a为主视图；b为俯视图；

图2为本发明应用的示意图；

图3为实施例1焊接规范和熔核生长变化的示意图；

图4为实施例2焊接规范和熔核生长变化的示意图；

图5为实施例3焊接规范和熔核生长变化的示意图；

图6为实施例4焊接规范和熔核生长变化的示意图；

图中：上电极杆1、绝缘套筒2、上电极帽3、移动夹具4、外部磁场5、下电极帽6、下电极杆7、第一待连接金属工件8、第二待连接金属工件9、熔核10、中间反应化合物11。

具体实施方式

实施例1

如图1和图2所示，本实施例涉及一种外部磁场辅助电阻点焊连接装置，包括：上电极杆1、绝缘套筒2、上电极帽3、移动夹具4、外部磁场5、下电极帽6和下电极杆7，其中：可移动的外部磁场5通过移动夹具4活动设置于绝缘套筒2上，绝缘套筒2套接于上电极杆1及下电极杆7上，上电极帽3和下电极帽6分别对应设置于上电极杆1和下电极杆7的自由端上，上电极帽3与第一待连接金属工件8接触，下电极帽6与第二待连接金属工件9接触。

所述的绝缘套筒2与电极杆采用过盈连接。

所述的活动设置是指外部磁场5可沿电极杆长度方向移动或沿电极杆圆周方向转动。

所述的外部磁场5在待连接金属工件界面间产生的径向磁场，可随着焊接电流变化周期性施加或去除。

所述的外部磁场5为钕磁体，其形状为管状体。

所述的管状体为圆柱管、方管、三角管或多个能够固定设置于线性驱动装置上的管状体。

本实施例涉及一种基于所述装置的外部磁场辅助电阻点焊连接方法，具体包括以下步骤：

步骤一：预压阶段：极性相反的上电极杆1和下电极杆7分别置于对应的第一待连接金属工件8和第二待连接金属工件9的两侧，焊接过程提供焊接压力；

步骤二：预热阶段：开始施加预热电流，第一待连接金属工件8和第二待连接金属工件9通过上电极帽3和下电极帽6间的电流开始加热；

步骤三：长大阶段：第一待连接金属工件8的熔核10在持续的焦耳热作用下沿板材界面生长；

步骤四：搅拌阶段：第一待连接金属工件8熔核10中的熔化金属在电磁力作用下高速旋转，高温金属流体发生高速流动；

步骤五：凝固阶段：停止施加电流，第一待连接金属工件8的熔核10在界面上凝固，形成多层晶体结构的熔核；

所述的多层晶体结构为分布在熔核10边缘的多层柱状晶结构，在熔核10中央部分则为单层细柱状晶结构。

所述的第一待连接金属工件8为1.2mm的铝合金5754-O。

所述的第二待连接金属工件9为2.0mm的低碳钢。

如图3所示，所述的焊接压力为3.5kN，预压阶段的预压时间为200ms，预热阶段的预热电流为7kA，预热时间为40ms，长大阶段和搅拌阶段的焊接电流为10kA，焊接时间为400ms，凝固阶段的保压时间250ms。

所述的外部磁场5的强度为1.41T。

所述的外部磁场5到电极帽端面的工作距离为3mm。

所述的熔核10直径d为5.6mm；所述的熔核10边缘与待连接金属工件界面的夹角α为18。

本实施例中，可移动的外部磁场5辅助焊接异种材料，有效减小了界面氧化膜缺陷分布，显著提升了焊点的力学性能，改变了焊点断裂模式。

本实施例获得的铝钢点焊接头中间反应化合物11的最大厚度为5μm，界面无明显氧化膜夹杂缺陷，剥离峰值力268N，剥离断裂吸能3.14J，与相同焊接规范下的传统电阻点焊接头相比剥离峰值力提升90.4％，剥离断裂吸能提升1327.2％，断裂模式从界面脆性断裂转变为部分纽扣断裂。

实施例2

与实施例1相比，本实施例的第一待连接金属工件8为3mm的铝板6022；第二待连接金属工件9为2.0mm的钢板DP980。

如图4所示，所述的焊接压力为3kN，预压阶段的预压时间为200ms，预热阶段的预热电流为8kA，预热时间为40ms，长大阶段采用五个加热时间80ms，冷却时间10ms的脉冲电流，电流从15kA增加到18kA，搅拌阶段采用八个焊接时间40ms，冷却时间10ms的脉冲电流，焊接电流从18kA增加到20kA，凝固阶段的保压时间为250ms。

所述的外部磁场5的强度为2T。

所述的外部磁场5到电极帽端面的工作距离为1.5mm。

所述的熔核10直径d为8.6mm；所述的熔核10边缘与待连接金属工件界面的夹角α为28。

本实施例获得的铝钢点焊接头中间反应化物11的最大厚度为6μm，界面无明显氧化膜夹杂缺陷，较传统电阻点焊接头相比，剥离力学性能提高30～60％，吸能提高80％～100％。

实施例3

与实施例1相比，本实施例的第一待连接金属工件8为0.8mm的铝板5754；第二待连接金属工件9为0.8mm的钢板DP980。

如图5所示，所述的焊接压力为2kN，预压阶段的预压时间为250ms，预热阶段的预热电流为6kA，预热时间为20ms，长大阶段的电流8kA，焊接时间50ms，搅拌阶段采用八个焊接时间40ms，冷却时间5ms的脉冲电流，焊接电流从10kA增加到11kA，凝固阶段的保压时间为250ms。

所述的外部磁场5的强度为1T。

所述的外部磁场5到电极帽端面的工作距离为2mm。

所述的熔核10直径d为4.2mm；所述的熔核10边缘与待连接金属工件界面的夹角α为10。

本实施例获得的铝钢点焊接头中间反应化合物11的最大厚度为1.5μm，界面无明显氧化膜夹杂缺陷，与传统电阻点焊接头相比，剥离力学性能提高40～70％，吸能提高80％～120％。

实施例4

与实施例1相比，本实施例的第一待连接金属工件8为1.2mm的铝板5754；第二待连接金属工件9为2.5mm的钢板DP980。

如图6所示，所述的焊接压力为3.0kN，预压阶段的预压时间为200ms，预热阶段的预热电流为6kA，预热时间为60ms，长大阶段和搅拌阶段的焊接电流为12kA，焊接时间为400ms，凝固阶段的保压时间250ms。

所述的外部磁场5的强度为1.3T。

所述的外部磁场5到电极帽端面的工作距离为3.5mm。

所述的熔核10直径d为5.9mm；所述的熔核10边缘与待连接金属工件界面的夹角α为19。

本实施例获得的铝钢点焊接头中间反应化物11的最大厚度为5.5μm，界面无明显氧化膜夹杂缺陷，较传统电阻点焊接头相比，剥离力学性能提高40～60％，吸能提高90％～100％。

经过具体实际实验，在连接1.2mm5754与2.0mm低碳钢时，以7kA、40ms的预热电流，10kA，400ms的焊接电流，3.5kN的焊接压力运行上述方法，本发明将焊点中间反应化合物的最大厚度从10μm降为5μm，界面氧化膜夹杂缺陷从有到无，熔核硬度从78Hv提升到88Hv，剥离峰值力268N，焊点剥离断裂吸能3.14J。与相同焊接规范下的传统电阻点焊接头相比，剥离峰值力提升90.4％，剥离断裂吸能提升1327.2％。断裂模式从界面脆性断裂转变为部分纽扣断裂。

与现有技术相比，本发明可移动的外部磁场可解决实现生产中磁场源与工件的干涉问题，电磁力引入异种材料连接可有效减少界面未熔化的氧化物夹杂缺陷，减小中间反应化合物的厚度，促进未熔化的板材元素向熔核侧扩散，同时电磁力搅拌作用阻碍熔核中粗大柱状晶生长，熔核边缘处形成多层细小晶粒结构，有利于提升焊点力学性能与断裂韧性，显著提升点焊接头的剥离强度30％～90％，吸能提升80％～1000％，焊点从脆性断裂转变为韧性断裂。

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

1.一种外部磁场辅助电阻点焊连接方法，其特征在于，通过一对极性相反的电极杆分别从上下两侧与两块不同熔点的待连接金属工件接触并相向施加压力，通过对电极杆施加电流后，在持续的焦耳热作用下具有较低熔点的待连接金属工件沿工件接触界面熔化，并向其自身内部生长形成熔核，熔核中熔化金属在外部磁场提供的磁场力作用下高速流动，并对工件接触界面附近的缺陷产生搅拌作用，待熔核冷却凝固后即实现异种材料连接；

所述的外部磁场分布于待连接金属工件的一侧或两侧。

2.根据权利要求1所述的外部磁场辅助电阻点焊连接方法，其特征是，当外部磁场为单侧设置时，优先设置于靠近具有较低熔点的待连接金属工件的电极杆外侧；当外部磁场为双侧设置时，上下磁场源的形状、材料、大小、强度、工作距离可以非对称分布。

3.根据权利要求1或2所述的外部磁场辅助电阻点焊连接方法，其特征是，所述的外部磁场强度为恒定或随着焊接电流变化周期性施加。

4.根据权利要求1或2所述的外部磁场辅助电阻点焊连接方法，其特征是，所述的外部磁场为至少一个设置于线性驱动装置上的管状体。

5.根据权利要求1所述的外部磁场辅助电阻点焊连接方法，其特征是，所述的熔核的直径为

其中：t为具有较低熔点的待连接金属工件的厚度。

6.根据权利要求1或5所述的外部磁场辅助电阻点焊连接方法，其特征是，所述的熔核与待连接金属工件界面的夹角为10～45°。

7.根据权利要求1所述的外部磁场辅助电阻点焊连接方法，其特征是，所述的两块不同熔点的待连接金属工件中一块的材质为纯铝、铝合金、纯铜、铜合金、纯镁或镁合金；另一块为钢、纯钛或钛合金。

8.根据权利要求1所述的外部磁场辅助电阻点焊连接方法，其特征是，所述的外部磁场的端面与待连接工件的距离为1～10mm。