用于改善钢铝异种金属电阻点焊接头性能的电极系统的制作方法

本发明属于异种材料连接
技术领域：
，涉及一种电极系统，尤其是涉及一种用于改善钢铝异种金属电阻点焊接头性能的电极系统。
背景技术：
：在能源紧缺和环境污染问题日益加剧的大背景下，轻量化、节能、环保和安全已成为当今汽车产业发展的必然趋势。国内外汽车行业实现轻量化的方式有：采用轻量化材料、优化设计轻量化结构和使用新型制造工艺技术。高强钢和铝合金是主要的轻量化材料，其次是镁合金、复合材料及塑料等。因此，在设计和制造中增加高强钢、铝合金等轻量化材料的应用量是实现汽车轻量化的有效途径。钢铝异种金属电阻点焊是实现汽车车身轻量化生产中最重要的焊接工艺方法之一，但是这两种材料的电阻点焊存在一个亟待解决的技术问题：由于钢、铝物理性质(例如，熔点、线膨胀系数、热导率及固溶度等)的明显差异，焊接时容易出现裂纹、金属间化合物(IntermetallicCompound英文缩写为IMC)等缺陷。其中，IMC是指异种金属焊接过程中伴生且分布在接头界面处的反应层，钢铝异种金属点焊的IMC多为靠近铝侧的针须状FeAl3和靠近钢侧的舌状Fe2Al5组成。该反应层的形成过程是一个熔融铝与钢基体及Fe原子与铝基体的相互扩散反应的结果。大量研究结果显示，脆性的IMC是接头的薄弱环节，较厚的IMC严重影响了焊接接头质量和连接的可靠性。针对上述技术问题，目前，国内外学者采用中间过渡层法和工艺垫片法等方法，使钢铝不直接接触，减弱钢铝界面反应，以达到减薄、抑制IMC的目的。虽然上述方法取得了一定的技术效果，但存在处理步骤复杂、生产效率低下的技术问题外，还会额外增加接头的重量，这既不满足汽车轻量化的要求，也不适合大批量生产。申请号为201310485849.8的中国发明专利公布了一种高强钢-铝合金异种金属连接方法，按以下工艺步骤进行：a)焊前准备：首先将高强钢和铝合金板表面用1200#的SiC砂纸打磨去除氧化膜，然后用丙酮清洗，镀锌钢板表面可不打磨直接用丙酮清洗；b)连接方法：高强钢-铝合金异种金属连接采用电阻点焊方法，使用F型电极DINISO5821-F16×20，电极材料为Cu-Cr合金DINISO5821A2/2；c)点焊参数：采用优化的电阻点焊参数，即焊接电流9-10kA、焊接时间200-250ms、电极压力2.0-2.5kN，通过增大熔核直径(＞5.5mm)、限制钢/铝界面金属间化合物层厚度＜8μm、防止点焊喷溅及接头缺陷等技术途径，提高铝合金-高强钢异种材料电阻点焊接头的力学性能及点焊质量。上述专利技术方案中采用的是DINISO5821的F型电极(球面直径为40mm，端面直径为6mm)电阻点焊钢铝异种金属。由于脆性金属间化合物的生成，在外加拉应力的作用下，恶化了焊接接头的力学性能。技术实现要素：现有技术中通常用于钢铝点焊的球形端面电极与通常用于钢板点焊的平端面电极焊接钢铝异种金属时都存在脆性金属间化合物、不利接头性能的现象，其原因是点焊过程中钢铝两侧热量分布不均匀，加上两种材料自身差异较大的热物理性能，如熔点、电阻率、线膨胀系数和固溶度等因素，进而导致了接头界面处金属间化合物的产生，本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结构简单，操作方便，安全稳定的用于改善钢铝异种金属电阻点焊接头性能的电极系统。本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：用于改善钢铝异种金属电阻点焊接头性能的电极系统，该系统包括一对相对设置且具有不同端面结构的正电极和负电极，所述的正电极的端面为球端面，并与待加工的铝质部件表面相接触，所述的球端面上开设2个呈同心圆布设、半径不同的圆环凹槽，所述的负电极的端面为平端面，并与待加工的钢质部件表面相接触。各圆环凹槽的宽度相等。每个圆环凹槽的深度与该圆环凹槽的宽度之比为1:4。所述的圆环凹槽共设有2个，分别为内圆环凹槽和外圆环凹槽。所述的内圆环凹槽的内径宽度与该平端面的半径之比为1:5。所述的内圆环凹槽的外径与平端面的半径之比为2:5。。所述的外圆环凹槽的内径与平端面的半径之比为3:5。所述的外圆环凹槽的外径与平端面的半径之比为4:5。所述的球端面的直径与平端面的直径之比为1:1。所述的球端面的弧面直径与平端面的直径之比为25:4所述的正电极、负电极远离待加工部件的一端均为圆柱体结构。优选的，所述的平端面的直径与负电极的直径之比为2:5。与现有技术相比，本发明具有以下特点：1)正电极的端面采用呈同心圆布设、半径不同的双圆环凹槽，改善了钢、铝两侧的热量分布，获得了成型较好的熔核，圆环凹槽的设计降低了界面区高温停留时间或反应时间，从而降低了原子扩散程度，降低IMC的生长速度，有利于抑制IMC的生成，获得的IMC最大厚度小于2μm；2)正电极圆心处的中心圆台的设计使整个电极端面内部能够刺入铝质部件或铝合金部件内部的结构，破坏铝板表面氧化层的产生，有利于降低电极和铝材之间的接触电阻，减少该位置热量产生，并且使电流密度更为均匀，同时凹槽的设计改善焊接接头应力集中，避免内部裂纹的产生，使接头质量稳定；3)采用本发明电极系统所获的铝合金-镀锌钢电阻点焊接头，不但提高了接头强度，还改善了接头界面结构和结合形式，有利于产生纽扣断裂的失效模式；4)无需额外添加工艺垫片或中间过渡层辅助焊接，有利于提高点焊效率和焊接生产自动化程度，并达到轻量化的要求，经济实用，适于工业化推广。附图说明图1为本发明整体结构示意图；图2为本发明正电极、负电极端面局部结构放大示意图；图3为本发明正电极端面尺寸放大示意图；图4为传统正电极采用球电极点焊接头全貌(50倍金相)图谱；图5为本发明电极系统点焊接头全貌(50倍金相)图谱；图6为传统正电极采用球电极点焊接头IMC形貌(2000倍SEM)；图7为本发明电极系统点焊接头IMC形貌(2000倍SEM)；图8为传统正电极系统点焊拉剪试样界面断裂形貌；图9为本发明电极系统点焊拉剪试样纽扣断裂形貌图；图10为采用不同电极系统点焊试样的力-位移曲线；图中标记说明：1—待加工的钢质部件、2—待加工的铝质部件、3—负电极、4—正电极、5—熔核、6—中心圆台、7—内圆环凹槽、8—外圆环凹槽、9—平端面、10—球端面。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。如图1、2、3所示，用于改善钢铝异种金属电阻点焊接头性能的电极系统，该系统包括一对相对设置且具有不同端面结构的正电极4和负电极3，正电极4的端面为球端面10，并与待加工的铝质部件2表面相接触，球端面10上开设有2个呈同心圆布设、半径不同的圆环凹槽，分别为内圆环凹槽7和外圆环凹槽8，负电极3的端面为平端面9，并与待加工的钢质部件1表面相接触。本实施例中，内圆环凹槽7和外圆环凹槽8的宽度相等，并且圆环凹槽的深度与其宽度之比为1:4。正电极4、负电极3远离待加工部件的一端均为圆柱体结构。平端面9的直径与负电极3的直径之比为2:5。正电极4的球端面10开设有两个圆环凹槽。外圆环凹槽8距离正电极4的中轴线的距离与平端面9的半径之比为7:10，内圆环凹槽7距离正电极4的中轴线的距离与平端面9的半径之比为3:10，圆环凹槽的宽度与中心圆台6的直径之比为1:2。实际使用时，正电极4的端面接触待加工的铝质部件2表面，负电极3接触待加工的钢质部件1表面，产生较小的压痕；此时，开始点焊过程，随着热输入的增加，铝质部件(材质可以为铝合金)逐步升温，并开始熔化，而钢质部件(镀锌高强钢板件)仍然保持固态。点焊接头是通过液态铝在钢表面润湿铺展作用而形成的。接头主要由铝合金熔核和热影响区组成，铝合金与镀锌钢之间存在明显的界面，即金属间化合物。相对于正电极4采用传统的球电极而言，采用本实施例改进后的环电极，获得的熔核5直径变大，电流密度更均匀，有利于减少球电极容易产生的气孔等缺陷。传统正电极采用不带圆环凹槽的球电极点焊接头全貌(50倍金相)图谱如图4所示，有明显双熔核。双熔核的现象具体来说，是在进行点焊时直接大量的热输入铝板后，由于铝的导热性能优于钢，热量更容易向铝侧传导形成熔核偏移。随着焊接时间的延长，铝侧金属熔化以及钢侧金属不断软化，使得接触面积迅速增大。在整个过程中，焊接区的温度越来越高，熔化金属越来越多，双熔核体积也渐渐增大。当焊接区钢侧温度超过其熔点时，由于最高温度区域并非出现在钢铝接触界面而是在钢侧内部，这就形成了严重的熔核偏移并形成焊接接头双熔核。传统正电极采用不带圆环凹槽的球电极点焊后，熔核5的铝侧熔核延伸到接近铝表面，这对电极寿命极为不利。焊接过程后期，电极的尺寸及其强烈的散热效果限制了熔核5的进一步扩展，焊接电流结束后熔核开始凝固，凝固顺序是先边缘后中心。与现有技术相比，本实施例的电极系统点焊接头全貌(50倍金相)图谱如图5所示。图中可以清晰看见改进电极留下的凹痕，该凹痕将使钢铝异种金属点焊接头热影响区域的电流密度更为均匀，减少钢铝界面反应的不利影响，同时熔核5铝侧熔核集中在界面一定深度处，但表面温度较低，减弱电极的合金化反应，可提高电极寿命。由于本实施例的电极系统初始接触面积较小，电流密度更为集中，最终的热输入量更大，形成的熔核5直径更大，焊透率更大，力学性能更为优异。以下是更加具体的实施方式：实施例1：用于改善钢铝异种金属点焊接头性能的电极系统，其中正电极为环电极，负电极为平电极，它们总体形貌为圆柱状结构，端面直径平电极的电极端面为平端面，环电极端面有一个外侧的圆环凹槽与一个内侧的圆形凹槽。点焊电极直径为20mm，球面直径为50mm。在平端面距离轴心为和处位置各有深度为200um、宽度为0.8mm的环形凹槽。中心圆台6的直径点焊时正电极接触铝板件表面，负电极接触高强钢表面，产生较小的压痕，此时开始点焊过程，随着热输入的增加，铝合金开始逐步升温先熔化，而钢仍然保持固态。点焊接头通过液态铝在钢表面润湿铺展作用而形成。接头主要由铝合金熔核和热影响区组成，铝合金与镀锌钢之间存在着明显的界面，即金属间化合物。正电极4采用本专利设计环电极，负电极3采用平端面电极，点焊1.2mm6061铝合金+1.2mm镀锌双相钢，焊后熔核5直径达到7.4mm，用改进后的环电极焊接，熔核5直径变大，因为电流密度更均匀，减少球端面电极容易产生气孔等缺陷的出现。图6所示，本实例环电极焊接接头IMC由靠近钢侧的较为均匀舌状铁铝化合物和靠近铝侧的针状化合物组成。其最大厚度小于2μm。实施例2：同实施例1，所不同的是正电极4采用传统球电极，负电极3采用平端面电极，点焊1.2mm6061铝合金+1.2mm镀锌双相钢，其同样热输入量焊后的熔核5直径达到6.9mm，相对于对比例1的环电极而言，熔核5中心产生了较多气孔缺陷。图7所示，球电极焊接的接头IMC由靠近钢侧非均匀的铁铝化合物和靠近铝侧的针状化合物组成。其厚度小于3μm。实施例3：同实施例2，正电极4采用传统球电极，负电极3采用平端面电极，点焊1.2mm6061铝合金+1.2mm镀锌双相钢，调整焊接参数获得同实施例1相同的熔核直径。表1为利用传统球电极、本发明球端面带有圆环凹槽电极得到的接头拉剪性能(N)和断裂模式对比(表1中数据为多次试验的均值)。表1拉剪性能(N)、断裂模式对比熔核直径(mm)拉剪性能(N)断裂模式球电极7.44647界面断裂环电极7.45270纽扣断裂如表1所示，在相同熔核直径下，球电极的拉剪强度为4647N，断裂形式均为界面断裂(图8所示)；环电极的拉剪强度为5270N，接头强度高，且断裂形式均为纽扣断裂(图9所示)。这是因为环电极使结合面的热量分布更合理，IMC厚度小于2μm，提高了界面结合力，从而形成纽扣状断裂。如图10所示，采用环电极获得的点焊熔核的断裂能量吸收能力也优于球电极。另外，凹槽的设计使电流密度更均匀，降低了在球端面电极中容易产生的气孔等缺陷的出现概率，从而拉剪性能比传统球电极提升了13.41％。当前第1页1 2 3