CN113199163B - 一种铝钢异种金属的焊接接头 - Google Patents
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Abstract
一种铝钢异种金属的焊接接头，通过改变铝钢异种金属的点焊缝的焊缝结构，在点焊缝内部的铝钢界面制造出钢凸结构，使钢凸结构由钢工件向铝工件方向凸起延伸而嵌入到铝工件中，同时对接头加热以获得冶金结合的铝钢界面，在焊接接头中的钢凸结构外围区域，采用熔化焊方法由钢工件向铝工件制造出环绕钢凸结构的环形焊缝，该环形焊缝一方面加强了点焊焊缝外围的连接强度，另一方面与钢凸结构相互配合形成独特的焊接接头结构。本发明通过了优化点焊缝的接头结构，进而提升铝钢异种金属点焊缝整体的力学性能。
Description
技术领域
本发明属于异种金属材料焊接技术领域，具体涉及一种铝钢异种金属的焊接接头。
背景技术
为了实现节能减排的效果，汽车工业提出了汽车轻量化发展理念，因而在汽车结构设计时在保证结车身安全的前提下优化车身结构和选用更多的高强钢和轻质合金制造汽车车身，其中铝合金作为应用最广泛的轻质合金，在汽车车身制造中也越来越受欢迎。目前，铝钢混合车身是汽车制造的一个重要发展方向，这种车身在制造时采用大量的各种类型的钢以及铝合金来兼顾车身结构的安全性能和车身的轻量化，因此在铝钢混合的汽车车身制造中不可避免的面临铝钢异种金属连接问题。由于铝钢异种采用焊接技术连接时存在巨大的挑战，由于铝钢异种金属焊接接头太脆而通常无法承受较大的载荷，因此铝钢异种金属在目前通常采用机械连接技术进行连接，比如自冲铆接和流转螺钉等，但是机械连接也存在其局限性，比如铆接技术中高昂的连接设备、铆钉对车身的增重、铆钉成本高、连接工艺的复杂性和低效率等，此外，随着先进高强钢应用逐渐增加，对先进高强钢的机械连接也提出了新的挑战，比如铆钉无法穿刺高强钢工件、无法有效张开形成机械嵌合或铆钉墩粗等连接失效问题。然而对于焊接技术，其本身连接成本和设备成本低，效率高，若能采用焊接技术实现铝钢异种金属连接对实现汽车轻量化发展具有深远的意义。
到目前为止铝钢异种金属连接面临着巨大的挑战仍然无法得到有效地解决，因此限制了焊接技术在铝钢异种金属连接中的应用。由于铝钢异种金属存在巨大差异的物理性质，比如熔点、膨胀系数和凝固收缩率等，在大的热输入的熔化焊中，同时熔化铝和钢两种金属而获得的接头，这种接头一方面容易出现工件变形大和焊缝凝固过程中产生大的应力而易于形成裂纹，另一方面，由于铝钢冶金相容性差而在焊缝中无法形成固溶体，导致大量脆性Fe-Al系化合物形成于焊缝之中导致接头性能极差；若采用较低的热输入，只熔化铝工件而钢工件不熔化的策略焊接，即熔钎焊方法，在较低的热输入下熔化铝合金，通过熔融的铝金属后润湿铺展到还处在固态的钢工件表面，在高温作用下通过元素的相互扩散形成冶金结合。这种接头一方面焊缝结合界面通常比较平直，另外在界面上会形成连续的Fe-Al系脆性化合物层处在铝和钢之间，这导致了铝钢接头强度非常差。
为了提高铝钢异种金属的接头力学性能，目前现有的大量的实验研究工作通过优化不同焊接方法的工艺参数，旨在通过精准控制焊接热输入来减缓接头产生裂纹和脆性化合物等缺陷产生，然而铝钢异种金属焊接的挑战通过优化焊接工艺方法当前依旧无法得到有效的解决。另外，在铝钢异种金属接头中添加金属夹层或填充金属，旨在减缓或阻止Fe-Al系脆性化合物的形成而提高接头性能，但是添加金属元素是及其复杂的工艺，不同的元素成分和含量对接头的影响机理仍需深入探索，因此当前铝钢异种金属焊接的巨大挑战限制了铝钢异种金属焊接接头的应用。
发明内容
本发明技术解决问题：为了克服现有铝钢异种金属焊接技术的不足，提供了一种铝钢异种金属的焊接接头，通过优化铝钢异种的焊接接头的点焊缝结构，从而达到提升接头的力学性能。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种铝钢异种金属的焊接接头，其特征在于，所述的焊接接头为连接相互堆叠的铝钢异种金属工件的点焊缝，该点焊缝适用于连接厚度为0.2～3.5mm的钢工件和铝工件，所述的点焊缝内部在铝钢界面存在钢凸结构，该钢凸结构由钢工件向铝工件方向凸起延伸，所述的钢凸结构的直径D1为2√t～7√tmm，其中t为铝工件的厚度，钢凸结构由铝钢界面嵌入到铝工件的深度t1为铝工件厚度的0.1～0.8倍，所述的焊接接头在铝钢界面为冶金结合界面，且冶金结合面直径D2为3√t～9√tmm(其中t为铝工件的厚度)，所述的冶金结合面直径D2大于所述的钢凸结构的直径D1；
在所述的钢凸结构外围还存在环形焊缝，所述的环形焊缝在铝钢界面上的内直径D3大于钢凸结构的直径D1，所述的环形焊缝在铝钢界面上的外直径D4小于冶金结合面直径D2的3.5倍；所述的环形焊缝由钢工件表面熔透到铝工件内，且在铝工件内的熔深t2小于铝工件厚度的0.6倍。
一种铝钢异种金属的焊接接头的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将钢工件和铝工件加热到塑性状态或局部熔融状态，并对钢工件表面施加压力挤压出钢凸结构，使钢凸结构的凸起部挤压进铝工件中，铝钢界面的金属元素在高温作用下相互扩散形成冶金结合的界面；
在本步骤中，一方面对钢工件施加挤压力形成钢凸结构，另一方面对焊接接头进行加热软化钢工件而利于变形形成钢凸结构，同时高温作用促使铝钢界面之间的元素相互扩散而形成铝钢冶金结合界面，实现此目的可以采用包括电阻焊、摩擦焊和扩散焊等压力焊接方法进行制造；在对钢工件表面施加挤压力制造所述的钢凸结构时，控制钢表面的凹压痕深度不超过钢工件厚度的2.0倍，此外还应控制铝工件表面只产生较小的变形；所述的铝钢冶金结合界面中存在Fe-Al系金属间化合物层，并且通过控制热输入大小和高温作用时间来控制所述的Fe-Al系金属间化合物层厚度小于10μm。
步骤2：采用熔化焊方法在所述的钢凸结构外围和所述的冶金结合面直径的3.5倍范围内区域制备环形熔化焊焊缝。
在本步骤中，可以采用包括激光焊、电子束焊和电弧焊等熔化焊接方法进行制造所述的环形焊缝，在制造环形焊缝时优选地通过吹惰性保护气体避免焊缝被氧化；所述的环形焊缝为一圈环形焊缝或者为多圈不同直径的同心环形焊缝组成。
为了使上述焊接接头和制造方法更易于高效制造，提供了一种制造所述铝钢异种金属焊接接头的方法，该方法特征在于，步骤1采用电阻点焊，所述的步骤2采用激光焊。所述的步骤1中电阻点焊采用特殊电极，该电阻点焊电极包括与钢工件相接触的钢电极和与铝工件相接触的铝电极，钢电极焊接面设置有环形凹槽，所述的环形凹槽将钢焊接面分为内焊接面和外焊接面，所述的内焊接面高度大于外焊接面，且高度差为0.05～1.2mm，所述的环形凹槽底部低于外焊接面，且高度差为0.1～1.5mm；所述的铝电极焊接面中心为凹弧面，且凹弧面的最大深度为0.05～1.0mm，沿所述的凹弧面的外围设有至少一个凸起圆环，凸起圆环的高度为0.1～0.8mm，宽度为0.2～0.8mm，所述的铝电极凸起圆环直径大于所述钢电极内焊接面直径。所述的钢电极和铝电极为同种材质，优先地均为铜合金。
具体实施过程如下：
步骤1，将相互堆叠的铝钢异种金属工件置于电阻点焊的钢电极和铝电极之间，且钢工件置于钢电极一侧，铝工件置于铝电极一侧。
步骤2，启动电阻点焊，焊接电极对堆叠的铝钢工件施加压力，同时接通焊接电流，在压力和电阻热作用下，所述钢电极的内焊接面挤压钢工件而获得铝钢界面的钢凸结构，在电阻热作用下与钢接触的铝合金熔化而润湿铺展到焊点内的钢工件表面而形成冶金结合的连接界面；
在该步骤中，由于钢电极的内焊接面高于外焊接面，因此钢电极的内焊接面首先接触到钢工件而受到大的焊接作用力和集中了所有的焊接电流，使得内焊接面对工件加热效果显著，在钢工件受热软化同时钢电极的内焊接面向钢工件挤压而形成钢表面凹压痕和在钢铝界面形成钢凸结构而嵌入到铝工件内部；钢电极内焊接面压进到钢工件内后，外焊接面与钢工件接触，一方面限制内焊接面继续向钢工件压进，另一方面将焊接电流分散到外焊接面，扩大点焊受热面积，使得铝钢冶金结合面进一步扩大到钢凸结构外围区域。而铝电极由于其焊接面中心区域是凹弧面，因此铝电极的外围区域和凸起圆环会吸引焊接电流分散到铝电极的外围区域，使得点焊缝的温度场更加均匀，避免焊点中心区域温度过于集中而导致Fe-Al系金属间化合物过度生长的问题，使得Fe-Al系金属间化合物层厚度得以控制在10μm以下，提升了界面结合性能。
步骤3，结束电阻点焊过程，移开与工件相互接触的电阻点焊电极；
步骤4，启动激光焊，激光束作用在钢工件表面，通过控制激光束的沿着环形焊缝路径扫描而获得围绕在钢凸结构外围的环形焊缝。
在该步骤中，控制激光焊的焊接速度和焊接功率等参数，避免过度的焊接热输入，进而控制激光焊缝在铝工件内的熔深t2小于铝工件的厚度的0.6倍，优先地控制t2在0.05～0.55mm。
本发明的有益效果为：
(1)铝钢异种金属焊接接头中除了形成冶金结合界面，还存在凸起而嵌合到铝工件内的钢凸结构，所述的钢凸结构一方面增大了与铝工件接触面积，另一方面改变了传统铝钢电阻点焊平整的冶金结合界面，起到与铝工件相互嵌合锁紧作用，进一步提升界面结合性能。
(2)点焊缝受载时，应力高度集中在焊点外围区域，而点焊缝外围区域通常为连接薄弱区域，导致裂纹快速由焊点边缘启动而沿着焊缝界面向点焊缝中心快速扩展，而钢凸结构外围的环形焊缝一方面加强了点焊缝外围的连接强度，另一方面能阻止或改变初始萌生的裂纹沿着铝钢界面向焊缝中心扩展，进而增强了点焊缝外围受载能力。
(3)焊接接头中钢凸结构和环形焊缝相互配合，起到类似于“钉扎”的根部一样使钢工件紧密地与铝工件相互咬合，从而提升铝钢异种金属焊接接头的整体的力学性能，如拉伸剪切性能和十字拉伸性能。
附图说明
图1为本发明焊接接头的截面示意图。
图2为本发明焊接接头的三维示意图。
图3一种用于制造本发明焊接接头的电阻点焊用的钢电极截面示意图。
图4一种用于制造本发明焊接接头的电阻点焊用的铝电极截面示意图。
图5本发明实施例中采用钢电极和铝电极的电阻点焊示意图。
图6为本发明实施例中的激光焊接示意图。
图7为本发明实施例中焊接接头的截面图。
图8为本发明实施例中焊接接头的截面中心区域的界面微观结构图。
图9为本发明实施例中焊接接头中激光焊缝在铝钢界面微观结构图。
图10为本发明实施例中和对比例中的焊接接头截面图。
图11为本发明实施例中焊接接头拉伸剪切载荷-位移曲线。
图12为本发明实施例中焊接接头十字拉伸载荷-位移曲线。
图13为本发明实施例中和对比例中的焊接接头的拉伸剪切和十字拉伸测试后钢工件侧断口宏观形貌图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优势变得更好地被理解，以下结合附图，对本发明进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用来解释本发明，并不用于限定本发明。
在实施本发明的铝钢异种金属焊接接头时，选用厚度为1.2mm的先进高强钢Q&P1180作为钢工件1和选用厚度为1.6mm的6N16铝合金作为铝工件2，在焊接前采用酒精擦拭焊接工件表面清除残存的油脂和杂质；在本发明的焊接接头的对力学性能测试中，拉伸剪切测试的试样规格为127.0×38.1mm，搭接区域规格为38.1×38.1mm；十字拉伸测试的试样规格为150×50mm，搭接区域为50×50mm；每种测试的试样制造3个以获取焊接接头载荷的平均值，采用万能拉力试验机测试接头力学性能，测试时设置拉伸速度为1mm/min。
采用以上所述的钢工件1和铝工件2制造本发明的铝钢异种金属焊接接头的方法具体包括以下步骤：
步骤1：将钢工件加热到塑性状态或局部熔融状态，并对其表面施加压力挤压出钢凸结构4，并将钢凸结构4挤压进铝工件2中，在高温作用下铝钢界面的金属元素相互扩散形成冶金结合界面5；
在该步骤使用电极点焊方法制造铝钢异种金属焊接接头的钢凸结构4和冶金结合的界面5，焊接时采用本发明的钢电极7和铝电极8如图3和图4所示，电阻点焊的焊接示意图如图5所示。所述的钢电极7和铝电极8的材质均为Cr-Zr-Cu铜合金，电极体直径为16mm。
所述的钢电极7如图3所示，其内焊接面73的端面直径为5.2mm，端面形状为球面且球面半径为35mm。所述的内焊接面73与外焊接面71的高度差为5.5mm，所述的外焊接面71的宽度为1.5mm的环形平面，且其最大直径为11mm；在外焊接面71和内焊接面73之间设置凹槽72，凹槽的与外焊接面高度差为0.3mm
所述的铝电极8如图4所示，其凹弧面81深度为0.25mm，凹弧面宽度为0.65mm；凸起圆环82直径和高度分别为8.2mm和0.2mm，凸起圆环82截面为等腰梯形结构，上底和下底的宽度分别为0.2和0.4mm。
焊接时将钢工件1搭接在铝工件2之上，钢电极7和铝电极8分别向钢工件1和铝工件2挤压，设置焊接压力为5600N压力。设置电阻点焊的焊接参数为：焊接时间190ms，焊接电流19kA，焊接脉冲3个，预压时间300ms，保压时间100ms；在钢电极7的内焊接面73挤压到钢工件1表面时，外焊接面71尚未与钢工件1接触，此时电流集中在钢电极的内焊接面上，在钢工件1被电阻热加热软化后，内焊接面73挤压钢工件1变形而在铝钢界面形成钢凸结构4延伸到铝工件2内，此时内焊接面73也在钢工件1表面压出较深的压痕3，如图5所示。随着电阻热增加，铝钢接触界面上的铝工件2熔化而润湿铺展到钢工件1表面，在高温下元素相互扩散而形成的冶金结合层5，此外由于钢工件1的具有更高的电阻和更低的热导率，在钢凸结构4的内部也存在钢局部熔化而形成钢熔核9，结束焊接后焊接接头凝固冷却而出现钢熔核9和铝熔核10，如图5和图7所示。
焊接过程中，钢电极7在内焊接面73挤压到钢工件1后，钢电极7的外焊接面71与钢工件1接触，使得部分焊接电流向外焊接面71扩散进而扩大点焊面积；由于电流通常选择路径电阻较低的最短路径通过，而铝电极8中心为凹弧面81，在所述的凹弧面81外围的焊接面和凸起圆环82与钢电极7具有更近的距离，此外凸起圆环82还能切断在铝工件3表面绝缘的氧化膜而降低铝电极8与铝工件2之间的接触电阻，因此铝电极8的凹弧面81的外围焊接面和凸起圆环82能吸引部分焊接电流向焊点外围分布，使得焊接电流在铝工件分布更加均匀，使得焊接接头的中心区域的铝钢界面冶金结合层5的厚度更加均匀且不超过10μm，如图8所示。
步骤2：采用熔化焊方法在所述的钢凸结构4外围和所述的冶金结合面5的直径的3.5倍范围内区域制备环形熔化焊焊缝6。
在该步骤使用激光焊方法制造铝钢异种金属接头的环形焊缝6；启动激光焊接系统发射激光束11，使激光束11作用在钢工件1表面，控制激光束11的速度和扫描环形路径，使得激光束11在所述的焊接接头上制备环形焊缝6。在该步骤中，设置激光功率为1114W，焊接速度为2m/min，焊接路径为两个同心环形，其直径分别为8mm和9mm，焊接顺序由内环到外环，焊接示意图如图6所示；在该实施例中控制激光焊工艺参数以控制激光焊缝在铝工件内的熔深t2约为0.2～0.45mm，如图9所示。
对比例1实施方式
采用相同的规格钢工件1和铝工件2对其采用电阻点焊焊接，焊接时选用传统的球面焊接电极，电极的体直径为16mm，所述的球面电极的球面半径为100mm，其焊接面直径为11mm，选用优化后较佳的焊接参数焊接，采用的焊接参数为：焊接压力大小为5600N，焊接电流为17kA，焊接时间为100ms，采用5个脉冲电流，脉冲电流之间间隔20ms，焊后维持300ms。
对比例2实施方式
采用激光焊对相互堆叠并夹持着的钢工件1和铝工件2焊接激点光焊缝，在本实施例中，设置激光路径为螺旋形，圈数为6，螺旋路径的最外圈封闭成环形，最外圈直径为8.5mm，设置激光功率为1750W，焊接速度由焊点中心的3m/min线性递增到5m/min，焊接方向为顺时针，焊接顺序由焊点中心向外焊接。
从本发明实施例和对比例的焊接接头截面来看，本发明的焊接接头界面结构与对比例1和对比例2的接头界面结构有显著的区别。对比例1的接头界面比较平直，中心存在较大的气孔，且铝工件中的铝熔核在焊点中心区域由铝钢界面熔透到铝工件表面；对比例2的接头由于热输入较大，焊点中存在大量的裂纹，由于焊缝中的铝与钢剧烈反应而导致焊点中心铝侧出现凹坑，如图10所示。本发明焊接接头中心钢凸结构4和激光焊缝6嵌合到铝工件中，界面结构起伏多变。由于电阻点焊焊接后铝钢界面紧密结合，将施加激光焊缝区域的钢工件1和铝工件2之间的间隙消除，更利于激光焊缝6的成形，此外，由于将在铝工件2中激光焊缝6的熔深t2控制在很小范围内，避免了激光焊缝中出现气孔和裂纹等缺陷如图9所示。经过拉伸剪切力学性能测试后，本发明的焊接接头拉伸剪切载荷和十字拉伸载荷显著地优于对比例1和对比例2中的接头，统计结果如下表1所示。本发明接头的在拉伸剪切载荷和十字拉伸载荷测试过程，本发明的焊接接头位移量是对比例1和对比例2中的焊接接头位移的3倍以上，并且本发明接头的力学性能稳定性更优，如图11和图12所示；此外，本发明焊接接头拉伸剪切载荷和十字拉伸载荷测试过程，失效模式都为纽扣拔出断裂模式如图13所示，这进一步证明本发明焊接接头连接性能得到了显著的提升。
表1：实施例中本发明的焊接接头和对比例1和对比例2的焊接接头力学性能
| 项目 | 平均拉伸剪切载荷(N) | 平均十字拉伸载荷(N) |
| 本发明接头 | 5358.93 | 1968.67 |
| 对比例1 | 3652.94 | 378.54 |
| 对比例2 | 3041.86 | 671.33 |
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明方法的前提下，可以进行若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种铝钢异种金属的焊接接头的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将钢工件和铝工件加热到塑性状态或局部熔融状态，并对钢工件表面施加压力挤压出钢凸结构，使钢凸结构的凸起部挤压进铝工件中，铝钢界面的金属元素在高温作用下相互扩散形成冶金结合的界面；
步骤2：采用熔化焊方法在所述的钢凸结构外围和所述的冶金结合界面直径的3.5倍范围内区域制备环形熔化焊焊缝；
在步骤1中所采用的加工方法为电阻焊，形成焊点后，铝工件表面只产生较小的变形；
所述的电阻焊采用电阻点焊，所述的电阻焊采用特殊电极，该电极包括与钢工件相接触的钢电极和与铝工件相接触的铝电极，钢电极焊接面设置有环形凹槽，所述的环形凹槽将钢焊接面分为内焊接面和外焊接面，所述的内焊接面高度大于外焊接面，且高度差为0.05~1.2 mm，所述的环形凹槽底部低于外焊接面，且高度差为0.1~1.5 mm；所述的铝电极焊接面中心为凹弧面，且凹弧面的最大深度为0.05~1.0 mm，沿所述的凹弧面的外围设有至少一个凸起圆环，凸起圆环的高度为0.1~0.8 mm，宽度为0.2~0.8 mm，所述的铝电极凸起圆环直径大于所述钢电极内焊接面直径。
2.根据权利要求1所述的一种铝钢异种金属的焊接接头的制造方法，其特征在于，在步骤2中所采用的熔化焊方法包括激光焊、电子束焊或电弧焊。
3.根据权利要求1所述的一种铝钢异种金属的焊接接头的制造方法，其特征在于，所述的钢工件和铝工件的厚度为0.2~3.5 mm，所述的步骤2中采用熔化焊方法制备环形焊缝时通过吹惰性保护气体避免焊缝被氧化。
4.根据权利要求1或2所述的一种铝钢异种金属的焊接接头的制造方法，其特征在于，所述的步骤1采用电阻点焊，所述的步骤2采用激光焊，具体如下：
步骤1，将相互堆叠的铝钢异种金属工件置于电阻点焊的两个焊接电极之间，且钢工件置于钢电极一侧，铝工件置于铝电极一侧；
步骤2，启动电阻点焊，焊接电极对堆叠的铝钢工件施加压力，同时接通焊接电流，在压力和电阻热作用下，所述钢电极的内焊接面挤压钢工件而获得铝钢界面的钢凸结构，在电阻热作用下与钢接触的铝合金熔化而润湿铺展到焊点内的钢工件表面而形成冶金结合的连接界面；
步骤3，结束电阻点焊过程，移开与工件相互接触的电阻点焊电极；
步骤4，启动激光焊，激光束作用在钢工件表面，通过控制激光束的沿着环形焊缝路径扫描而获得围绕在钢凸结构外围的环形焊缝。
5.根据权利要求4所述的一种铝钢异种金属的焊接接头的制造方法，其特征在于，所述的钢电极和所述的铝电极为同种材质，为铜合金。
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