一種多物理場輔助異種金屬材料電阻焊方法
【專利摘要】一種多物理場輔助異種金屬材料電阻焊方法，步驟如下：對除油和酸洗后的待焊件施加磁-聲復(fù)合場以使焊件表面活化，在磁-聲復(fù)合場環(huán)境下對異種金屬進行電阻焊，直至焊縫處金屬凝固并冷卻至室溫，停止復(fù)合場的施加，完成異種金屬焊接。本發(fā)明的優(yōu)點是：通過在焊接過程中磁-聲復(fù)合場對焊縫處熔融金屬的攪拌和激振作用，有效的減小初晶尺寸，增加晶體內(nèi)的位錯密度，細化焊縫處晶粒組織大小，提高焊接接頭的力學(xué)性能；在磁場和高頻振動作用下，將彈性振動所產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為金屬材料的塑性流動能、焊接界面的摩擦功及熱能，可降低電阻焊熔化母材所需的能量，節(jié)約能源。
【專利說明】一種多物理場輔助異種金屬材料電阻焊方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種多物理場輔助異種金屬材料電阻焊方法，屬焊接【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]日新月異的科技水平與復(fù)雜的工作程序?qū)Ω黝惞こ虣C械構(gòu)件的綜合性能提出了更高的要求。在許多情況下，單純的一種金屬材料已經(jīng)不能滿足工程使用要求，集多種材料性能于一身的異種金屬焊接構(gòu)件備受人們關(guān)注。異種金屬的焊接不僅能實現(xiàn)綜合利用各組成材料的優(yōu)異性能，還能大大降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)經(jīng)濟效益。因此，異種金屬焊接技術(shù)在交通運輸、航空航天、石油化工和工程機械等行業(yè)得以廣泛應(yīng)用。
[0003]異種金屬材料間的可焊性與這兩種金屬材料間的熱物理性能和化學(xué)冶金特性的區(qū)別有著密切的聯(lián)系?；瘜W(xué)冶金性能上的相容性對異種金屬材料的可焊接性起著主導(dǎo)作用。這是因為兩種金屬間的相容性主要決定著脆性化合物會不會在它們之間形成。當(dāng)異種金屬材料間產(chǎn)生了脆性的共晶體或金屬間化合物時，焊接接頭的力學(xué)性能將受到很大的影響。因此，傳統(tǒng)的焊接方法進行異種金屬焊接有著非常大的困難，要選擇恰當(dāng)?shù)暮附臃椒ê秃附庸に嚥拍苁巩惙N金屬實現(xiàn)可靠連接。
[0004]中國專利CN101890564A，名為“異種金屬電阻鉚焊裝置”的發(fā)明專利，提出了一種焊接異種金屬的方法。在半空心鉚釘自沖鉚接的基礎(chǔ)上，引入電阻點焊，利用電阻熱來軟化焊件，依此來減低在鉚接過程中產(chǎn)生的脆裂，同時實現(xiàn)鉚釘與焊件之間的釬焊連接，實現(xiàn)機械-固相雙重連接，進一步增加接頭的焊接強度。雖然此裝置實現(xiàn)了異種金屬的連接，但其本質(zhì)上仍為鉚接，未能實現(xiàn)異種金屬原子或分子之間的結(jié)合和擴散，同時其焊接強度仍有待商榷。中國專利CN102848058A，名為“焊接過程中使用脈沖磁場細化焊縫組織的方法和設(shè)備”的發(fā)明專利，提出了一種脈沖磁場細化焊縫結(jié)晶組織的方法和裝置。通過外加磁場控制熔化金屬的流動，產(chǎn)生攪拌作用，實現(xiàn)細化焊縫組織的目的。雖然在一定程度上細化了焊縫區(qū)的晶粒，但控制方法相對單一，細化晶粒程度有限，焊前對焊件表面的清理工作繁重。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是針對上述存在問題，提供一種多物理場輔助異種金屬材料電阻焊方法，通過在施焊同時對焊件施加磁場和超聲波復(fù)合場，磁場分量對晶體產(chǎn)生切割和攪拌作用，超聲波對晶體有破碎作用和過冷生核作用，在磁-聲復(fù)合場的綜合作用下，使得部分晶粒破碎成為細小晶粒，而未破碎的晶粒在攪拌作用下產(chǎn)生一定的塑性變形，增加晶粒內(nèi)部位錯，使得晶粒得到顯著的細化；復(fù)合場在一定程度上提高了焊縫處成份的均勻化程度，減少了焊縫處組織缺陷，提高焊縫的力學(xué)性能；利用超聲波的沖擊破碎作用來處理焊件表面，減小焊件表面的污物及氧化物熔合進焊縫對焊縫性能產(chǎn)生影響。
[0006]本發(fā)明技術(shù)方案:
一種多物理場輔助異種金屬材料電阻焊方法，步驟如下:
I)待焊件異種金屬表面的預(yù)處理，先用丙酮溶液對金屬表面的油污進行清洗，再對表面采用酸洗方法清除其表面的氧化膜，酸洗結(jié)束后迅速用水沖洗，最后用酒精擦拭晾干；
2)將待焊異種金屬件固定，在氮氣或氬氣保護氣氛或者大氣環(huán)境下，對焊縫處施加磁-聲復(fù)合物理場，對焊接件表面進行表面處理，處理時間為< lOmin，磁場距離焊件表面范圍為< 100cm，產(chǎn)生聲場的超聲發(fā)射裝置置于焊件表面；
3)開啟焊機進行電阻焊，利用電流流經(jīng)工件接觸面及鄰近區(qū)域產(chǎn)生的電阻熱效應(yīng)將其加熱到熔化或塑性狀態(tài)；
4)焊接結(jié)束待焊接金屬冷卻至室溫后，停止磁-聲復(fù)合場的施加，完成異種金屬焊接。
[0007]所述異種金屬材料包括異種鋼鐵材料、銅-鋁、鋁-鋼、鈮-不銹鋼、鈦-銅等合金。
[0008]所述電阻焊包括點焊、對焊、縫焊、凸焊和閃光焊。
[0009]所述磁-聲復(fù)合物理場包括磁場和超聲波，磁場為交變磁場或穩(wěn)恒磁場，磁場強度為0.001-15T，交變磁場頻率為0.01-1OOOHz ;超聲發(fā)射裝置產(chǎn)生的超聲波的振動頻率為15-60KHZ，超聲波振幅為10-60 μ m,超聲波振動方向為橫向或縱向。
[0010]所述電阻焊中電極壓力為2-4KN，焊接電流為7-20KA，焊接時間為60_400ms，保壓時間為 300-500ms。
[0011]本發(fā)明的優(yōu)點:
本發(fā)明基于電阻焊工藝，在焊接同時對焊縫處施加磁-聲復(fù)合物理場，通過磁場-超聲波的攪拌作用和沖擊破碎效應(yīng)，有效的降低了焊縫處晶粒的尺寸，增加了晶體內(nèi)的位錯密度，細化了焊縫處晶粒的大小，減少了焊縫處的孔洞等缺陷密度，提高了焊接接頭的力學(xué)性能；在高頻振動和磁場作用下，將振動所產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化成為熔融金屬的塑性流動能、焊接界面的摩擦功及熱能，在一定程度上降低了電阻焊熔化母材所需的能量，節(jié)約能源；在超聲波作用下，焊接界面的氧化膜和表面附著物會被破碎與驅(qū)散，降低了因夾雜物溶入焊縫金屬內(nèi)而對焊縫性能產(chǎn)生影響的可能，降低了了對待焊工件表面的清潔程度的要求。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為實施例1實施多物理場輔助異種金屬電阻點焊示意圖。
[0013]圖2為實施例2實施多物理場輔助異種金屬電阻點焊示意圖。
[0014]圖3為實施例3實施多物理場輔助異種金屬電阻對焊示意圖。
[0015]圖4為實施例4實施多物理場輔助異種金屬電阻對焊示意圖。
[0016]圖5為實施例5實施多物理場輔助異種金屬電阻縫焊示意圖。
[0017]圖6為實施例6實施多物理場輔助異種金屬電阻凸焊示意圖。
[0018]圖7為實施例7實施多物理場輔助異種金屬電阻閃光焊示意圖。
[0019]圖中:1.鋁板；2.點焊焊槍；3.點焊焊縫；4.超聲發(fā)射裝置；5.鐵板；
6.磁場7.對焊焊槍；8.對焊焊縫；9.縫焊焊縫；10.滾輪電極；11.異種金屬母材；12.凸焊電極；13.閃光焊焊光。

【具體實施方式】
[0020]結(jié)合附圖通過實施例對本發(fā)明進行說明。附圖中序號名稱為:1.鋁板；2.點焊焊槍；3.點焊焊縫；4.超聲發(fā)射裝置；5.鐵板；6.磁場；7.對焊焊槍；8.對焊焊縫；9.縫焊焊縫；10.滾輪電極；11.異種金屬母材；12.凸焊焊槍；13.閃光焊焊光。
[0021]實施例1:
一種多物理場輔助異種金屬電阻點焊的焊接方法，步驟如下:
1)將鋁板和鐵板表面進行預(yù)處理，先用丙酮溶液對金屬表面的油污進行清洗，再對表面采用酸洗方法清除其表面的氧化膜，酸洗溶液為10wt%HF、20 Wt %HN0jP70 wt %水的混合液，當(dāng)酸洗金屬呈銀白色即可結(jié)束，待酸洗結(jié)束，迅速用水沖洗，最后用酒精擦拭晾干；
2)將待焊件固定，在大氣環(huán)境下，施加磁場-超聲波復(fù)合物理場，對焊接件表面進行表面處理，處理時間為lmin，其中超聲發(fā)射裝置型號為YPR55，超聲頻率為20KHz，工具頭輸出振幅為20Mm，超聲波電源的輸出功率為2kW，工作壓力2KN，磁場強度為3T，交變磁場頻率為1Hz，磁場距離焊件表面范圍為50cm ；
3)在繼續(xù)施加磁場-超聲波復(fù)合物理場下開啟焊機進行施焊，利用電流流經(jīng)工件接觸面及鄰近區(qū)域產(chǎn)生的電阻熱效應(yīng)將其加熱到熔化或塑性狀態(tài)，焊接電流為8-15KA，焊接通電時間為400ms，電極壓力為2.3KN，保持時間300ms ；
4)待焊接結(jié)束，焊接金屬冷卻至室溫后，停止磁場-超聲波復(fù)合場的施加，完成鋁板和鐵板的焊接。
[0022]圖1為實施多物理場輔助異種金屬電阻點焊示意圖，圖中:鋁板I和鐵板5實施電阻點焊，施加的復(fù)合物理場為磁場6和超聲發(fā)射裝置4，超聲發(fā)射裝置4置于鐵板5表面。
[0023]實施例2:
一種多物理場輔助異種金屬電阻對焊的焊接方法，步驟與實施例1基本相同，不同之處在于:在鋁板I表面增加一個超聲波發(fā)射裝置，如圖2所示。
[0024]實施例3:
一種多物理場輔助異種金屬電阻對焊的焊接方法，步驟與實施例2基本相同，不同之處在于:電阻對焊是將焊件裝配成對接接頭，使其端面緊密接觸，利用電阻熱加熱至塑性狀態(tài)，然后斷電并迅速對兩金屬板件施加擠壓力完成焊接。實施對焊時需要兩個超聲發(fā)射裝置4，分別放置在對焊焊槍7的外側(cè)，如圖3所示。
[0025]實施例4:
一種多物理場輔助異種金屬電阻對焊的焊接方法，步驟與實施例3基本相同，不同之處在于:兩個超聲發(fā)射裝置4放置在兩個對焊焊槍7的內(nèi)側(cè)，如圖4所示。
[0026]實施例5:
一種多物理場輔助異種金屬電阻縫焊的焊接方法，步驟與實施例1基本相同，不同之處在于:用旋轉(zhuǎn)的圓盤狀滾輪電極10代替點焊中的柱狀電極，將兩焊件裝配成對接或搭接接頭，并置于兩滾輪電極10之間，滾輪對焊件加壓并轉(zhuǎn)動，連續(xù)或斷續(xù)送電，如圖5所示。
[0027]實施例6:
一種多物理場輔助異種金屬電阻凸焊的焊接方法，步驟與實施例1基本相同，不同之處在于:焊前需在一塊異種金屬焊接母材11 (鋁板)上預(yù)制一個凸起，凸焊電極12放置在凸起處，如圖6所示。
[0028]實施例7:
一種多物理場輔助異種金屬電阻閃光對焊的焊接方法，步驟與實施例2基本相同，不同之處在于:焊接過程中的電流較大，在焊接處發(fā)生閃光焊焊光13使端面金屬熔化，如圖7所示。
【權(quán)利要求】
1.一種多物理場輔助異種金屬材料電阻焊方法，所述電阻焊包括點焊、對焊、縫焊、凸焊和閃光焊，其特征在于步驟如下: 1)待焊件異種金屬表面的預(yù)處理，先用丙酮溶液對金屬表面的油污進行清洗，再對表面采用酸洗方法清除其表面的氧化膜，酸洗結(jié)束后迅速用水沖洗，最后用酒精擦拭晾干； 2)將待焊異種金屬件固定，在氮氣或氬氣保護氣氛或者大氣環(huán)境下，對焊縫處施加磁-聲復(fù)合物理場，對焊接件表面進行表面處理，處理時間為< lOmin，磁場距離焊件表面范圍為< 100cm，產(chǎn)生聲場的超聲發(fā)射裝置置于焊件表面； 3)開啟焊機進行電阻焊，利用電流流經(jīng)工件接觸面及鄰近區(qū)域產(chǎn)生的電阻熱效應(yīng)將其加熱到熔化或塑性狀態(tài)； 4)焊接結(jié)束待焊接金屬冷卻至室溫后，停止磁-聲復(fù)合場的施加，完成異種金屬焊接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述多物理場輔助異種金屬材料電阻焊方法，其特征在于:所述異種金屬材料包括不銹鋼-碳鋼、異種鋼、鎂-鋁、銅-鋁、鋁-鋼。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述多物理場輔助異種金屬材料電阻焊方法，其特征在于:所述電阻焊包括點焊、對焊、縫焊、凸焊和閃光焊。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述多物理場輔助異種金屬材料電阻焊方法，其特征在于:所述磁-聲復(fù)合物理場包括磁場和超聲波，磁場為交變磁場或穩(wěn)恒磁場，磁場強度為0.001-15T,交變磁場頻率為0.0l-lOOOHz ;超聲發(fā)射裝置產(chǎn)生的超聲波的振動頻率為15飛OKHz，超聲波振幅為1(Γ60 μ m,超聲波振動方向為橫向或縱向。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述多物理場輔助異種金屬材料電阻焊方法，其特征在于:所述電阻焊中電極壓力為2-4KN，焊接電流為7-20KA，焊接時間為60-400ms，保壓時間為300_500mso
【文檔編號】B23K11/16GK104384698SQ201410678175
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年11月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月24日
【發(fā)明者】李云濤, 李曉寧, 王謙 申請人:天津理工大學(xué)