金屬板材咬焊複合連接裝置與方法與流程

2023-10-18 04:53:34

本發明屬於薄板結構連接技術領域，具體的說，是涉及一種使板材產生機械自鎖與冶金連接的金屬薄板連接工藝。

背景技術：

通過合理設計，使不同種類、強度級別的輕合金、鋼材等應用於車身不同部位處，可以實現車身輕量化，減少燃料消耗及尾氣排放。

採用電阻點焊連接鋁鋼異種材料，必然在鋁/鋼界面處產生較厚的金屬間化合物層，破壞接頭力學性能。採用自衝鉚接連接鋁鋼異種材料，由於母材力學性能差異較大，容易產生開裂、空穴等工藝缺陷；此外，自衝鉚接工藝採用鋼製鉚釘，若從鋁合金側工件壓入鉚釘，則在後續使用過程中形成原電池，使局部發生嚴重的電化學腐蝕；而且鋼製鉚釘與鋁合金硬度差異較大，使得接頭在承受外部載荷時變形容易集中於鉚釘/鋁合金界面處，使得接頭在較低外部載荷作用下破壞、韌性差。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題在於提供一種金屬板材咬焊複合連接裝置與方法，能夠使板材產生機械自鎖與冶金連接，從而提高低熔點金屬與高熔點金屬異種材料的連接質量。

為了解決上述技術問題，本發明通過以下的技術方案予以實現：

一種金屬板材咬焊複合連接裝置，包括位於上部金屬板材上方的加壓杆和位於下部金屬板材下方的凹模，所述加壓杆和所述凹模同軸設置，所述加壓杆連接於伺服加壓裝置和電源，所述凹模均連接於所述電源；所述加壓杆與所述上部金屬板材之間設置有壓緊塊，所述壓緊塊為實心圓柱體金屬物，用於使不同熔點的所述上部金屬板材和所述下部金屬板材之間形成機械自鎖。

優選地，所述壓緊塊與所述上部金屬板材的化學成分相同或相近，其中相近是指兩者的化學成分對照表中各元素的重量百分含量差異小於等於5％。

優選地，所述電源能夠提供直流輸出電流和脈衝輸出電流。

優選地，所述上部金屬板材的熔點小於所述下部金屬板材。

優選地，所述上部金屬板材和所述下部金屬板材之間塗敷有高分子結構膠。

優選地，所述高分子結構膠為環氧樹脂結構膠或聚醚醚酮結構膠。

一種利用上述金屬板材咬焊複合連接裝置的金屬板材咬焊複合連接方法，包括如下步驟：

(1)準備階段：

所述壓緊塊、所述上部金屬板材、所述下部金屬板材由上到下依次放置於所述凹模上，所述加壓杆位於初始位置；

(2)咬接階段：

所述伺服加壓裝置驅動所述加壓杆向下移動，使所述加壓杆、所述壓緊塊、所述上部金屬板材、所述下部金屬板材以及所述凹模互相接觸；然後所述電源通過所述加壓杆和所述凹模向所述壓緊塊、所述上部金屬板材、所述下部金屬板材組成的迴路施加高頻直流脈衝電流，同時所述加壓杆繼續下壓，使得所述壓緊塊與所述上部金屬板材咬合、所述上部金屬板材與所述下部金屬板材咬合而形成機械自鎖；

(3)焊接階段：

所述電源停止施加高頻直流脈衝電流，所述加壓杆繼續保持對所述壓緊塊、所述上部金屬板材、所述下部金屬板材施加的壓力，並且所述電源通過所述加壓杆和所述凹模向對被連接區域施加直流電流，使所述壓緊塊與所述上部金屬板材局部熔合以形成共同熔池；所述電源停止施加直流電流，在自然冷卻過程中該共同熔池與所述下部金屬板材通過在界面處形成金屬間化合物薄層而完成冶金連接；最終使所述上部金屬板材和所述下部金屬板材形成「冶金-機械」複合連接接頭；

(4)分離階段：

所述電源停止通電，隨後所述加壓杆上移，回到步驟(1)的初始位置，為下一連接循環做好準備。

優選地，步驟(1)中，所述上部金屬板材和所述下部金屬板材之間有塗敷高分子結構膠；步驟(4)後，對連接後的所述上部金屬板材、所述下部金屬板材進行烘烤，使得所述高分子結構膠發生固化。

優選地，

所述烘烤溫度為150攝氏度，烘烤時間為半小時。

優選地，步驟(2)中，所述高頻直流脈衝電流的峰值為0.5～4ka，頻率範圍為50～5000hz；所述加壓杆的加載速度為1～500mm/s；所述加壓杆施加的壓力為10kn～30kn；步驟(3)中，所述直流電流為2～20ka，所述加壓杆施加的壓力為10kn～30kn。

本發明的有益效果是：

本發明的金屬板材咬焊複合連接裝置和方法，利用電致塑性效應使被連接金屬板材發生有效軟化，使填充材料更容易地壓入金屬板材被連接區域，壓緊塊、兩被連接金屬板材之間互相發生咬合形成機械自鎖；採用與一側被連接金屬板材化學成分相同或相近的材料做為壓緊塊，有利於減小異種金屬界面處化合物層厚度，最終提高接頭的力學性能；由於壓緊塊的化學成分與被連接金屬板材接近，並配合在兩被連接金屬板材貼合部位塗覆高分子結構膠，避免接頭在後續服役過程中形成原電池，即避免了電化學腐蝕。

附圖說明

圖1是本發明所提供的金屬板材咬焊複合連接裝置的結構示意圖；

圖2是本發明所提供的金屬板材咬焊複合連接方法過程示意圖；

其中，(a)為準備階段；(b)為咬接階段；(c)為焊接階段；(d)為分離階段。

圖中：1、加壓杆；2、壓緊塊；3、上部金屬板材；4、下部金屬板材；5、凹模。

圖3是本發明所提供的實施例中各構件的實際尺寸示意圖；

圖4是被連接工件局部截面的10倍放大體式顯微鏡照片。

具體實施方式

為能進一步了解本發明的發明內容、特點及效果，茲例舉以下實施例，並配合附圖詳細說明如下：

如圖1所示，本實施例公開了一種金屬板材咬焊複合連接裝置，主要包括加壓杆1、壓緊塊2、上部金屬板材3、下部金屬板材4、凹模5。

被連接的上部金屬板材3和下部金屬板材4由不同熔點的金屬材料製成，可以為鋁合金、鎂合金、銅合金、低碳鋼、高強鋼等材料。利用本發明的裝置和方法連接時，以上部金屬板材3的熔點小於下部金屬板材4為佳，這樣在後續通電焊接階段壓緊塊2與上部金屬板材3熔化，而同時下部金屬板材4保持固態。上部金屬板材3和下部金屬板材4之間還可以在連接之前塗敷高分子結構膠，從而將化學成分不同的上部金屬板材3和下部金屬板材4隔開，避免在後續使用過程中形成原電池而造成電化學腐蝕；可選用的高分子結構膠包括環氧樹脂結構膠和聚醚醚酮結構膠等。

加壓杆1位於上部金屬板材3上方，加壓杆1與伺服加壓裝置和電源分別連接，集加壓與電阻點焊電極功能一體化。電源可對加壓杆1提供直流輸出電流和脈衝輸出電流，根據具體工序切換使用。

凹模5位於下部金屬板材4下方，與加壓杆1同軸設置。凹模5與電源連接，電源可對凹模5提供直流輸出電流和脈衝輸出電流，根據具體工序切換使用。

壓緊塊2設置於加壓杆1和上部金屬板材3之間，可以連接於加壓杆1下方或者放置於上部金屬板材3上方。壓緊塊2為實心圓柱體金屬物，用於壓入上部金屬板材3並將上部金屬板材3部分壓入下部金屬板材4，從而使上部金屬板材3和下部金屬板材4之間形成機械自鎖。壓緊塊2應當與上部金屬板材3的化學成分相同或相近，其中化學成分相同是指兩者的化學成分對照表中各元素組成和重量百分含量完全一致，化學成分相近是指兩者的化學成分對照表中各元素的組成相同或不同時，各元素的重量百分含量差異小於等於5％。

加壓杆1、壓緊塊2、凹模5的尺寸應滿足能夠形成機械自鎖的要求，該要求在模具領域屬於現有技術，此處不再贅述。如圖3所示，本實施例中，加壓杆1為圓柱體結構，其直徑為20mm，高度為50mm，其端面為半徑50mm的球面；壓緊塊2為實心圓柱體結構，直徑為6mm，高度為2mm；凹模5中心處含有凹槽，凹槽深度為2mm，凹槽內部還含有半徑為0.5mm的溝槽。

如圖2所示，利用上述金屬板材咬焊複合連接裝置的金屬板材咬焊複合連接方法，其具體操作步驟如下：

壓緊塊2的材質為5052鋁合金板材，上部金屬板材3為5052鋁合金板材(厚度1.5mm)，下部金屬板材4為dqsk碳鋼板材(厚度0.8mm)。

(1)準備階段：

壓緊塊2、上部金屬板材3、下部金屬板材4由上到下依次放置於凹模5上，加壓杆1位於初始位置，與凹模5之間存在放置壓緊塊2、上部金屬板材3和下部金屬板材4的間隙；

其中，可以在放置前在上部金屬板材3和下部金屬板材4之間塗敷高分子結構膠。

(2)咬接階段：

伺服加壓裝置驅動加壓杆1向下移動，使加壓杆1、壓緊塊2、上部金屬板材3、下部金屬板材4以及凹模5互相接觸；

然後電源通過加壓杆1和凹模5向壓緊塊2、上部金屬板材3、下部金屬板材4組成的迴路施加高頻直流脈衝電流，高頻直流脈衝電流的峰值為2ka，頻率範圍為2000hz，通電時間為200ms；

同時加壓杆以50mm/s的加載速度、20kn的壓力繼續下壓，加壓時間為200ms，將壓緊塊2壓入上部金屬板材3和下部金屬板材4，使得壓緊塊2與上部金屬板材3咬合、上部金屬板材3與下部金屬板材4咬合而形成機械自鎖；

由此，壓緊塊2與上部金屬板材3、下部金屬板材4產生電致塑性效應，提高被連接金屬板材的最大塑性變形量，降低開裂、空穴等缺陷的產生機率。由於電致塑性效應所造成的金屬流變抗力降低，最終使上部金屬板材3和下部金屬板材4在局部變形區域形成比常規鉚接咬合深度更深的機械自鎖，提高接頭的抗外載荷破壞能力。

如果在連接步驟(1)中選擇在上部金屬板材3和下部金屬板材4之間塗敷高分子結構膠，則高分子結構膠將在加壓杆1的壓力作用下在被連接區域排開，使電流順利通過。

(3)焊接階段：

加壓杆1繼續保持對壓緊塊2、上部金屬板材3、下部金屬板材4施加的20kn的壓力600ms；

並且電源通過加壓杆1和凹模5向對被連接區域施加直流電流，直流電流為15ka，通電時間為300ms。

由此，壓緊塊2與上部金屬板材3局部熔合以形成共同熔池；之後電源停止施加直流電流，在自然冷卻過程中該共同熔池與下部金屬板材4通過在界面處形成金屬間化合物薄層而完成冶金連接；由於壓緊塊2與上部金屬板材3、下部金屬板材4已經形成機械自鎖，因此，最終上部金屬板材3和下部金屬板材4形成「冶金-機械」複合連接接頭，由於機械自鎖可以改善冶金結合薄層的受力情況(拉應力分量增多，剪應力分量減小)，冶金結合可以防止單純機械自鎖結合造成的低載荷剝離情況，最終提高接頭的韌性。

(4)分離階段：

電源停止通電，隨後加壓杆2上移，回到步驟(1)的初始位置，為下一連接循環做好準備。

(5)烘烤階段：

如果在實施連接工藝前在上部金屬板材3和下部金屬板材4之間塗覆了高分子結構膠，則在(4)步驟後還需要對連接後的上部金屬板材3和下部金屬板材4進行烘烤，使得高分子結構膠發生固化；烘烤溫度為150攝氏度，烘烤時間為半小時。

由此，高分子結構膠發生固化後將化學成分不同的上部金屬板材3和下部金屬板材4隔開，同時壓緊塊2與直接接觸的上部金屬板材3化學成分相同或相近，避免在後續使用過程中形成原電池而造成電化學腐蝕。

上述步驟中的參數可選範圍如下：

步驟(2)中，高頻直流脈衝電流的峰值為0.5～4ka，頻率範圍為50～5000hz；加壓杆2的加載速度為1～500mm/s；加壓杆2施加的壓力為10kn～30kn；

步驟(3)中，直流電流為2～20ka，加壓杆2施加的壓力為10kn～30kn。

儘管上面結合附圖對本發明的優選實施例進行了描述，但是本發明並不局限於上述的具體實施方式，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，並不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨和權利要求所保護的範圍情況下，還可以作出很多形式的具體變換，這些均屬於本發明的保護範圍之內。