专利名称：基于体积成形钎料的轻金属与裸钢板点焊方法
技术领域：
本发明涉及的是一种金属焊接技术领域的方法，具体是一种轻金属与裸钢板的优 化异种金属点焊方法。
背景技术：
由于铝、镁等轻金属材料的密度远小于钢材而受到各大汽车生产厂商的青睐，然 而先进钢材的总体力学性能仍然要优于轻金属材料，因此采用轻金属与先进高强钢的多材 料连接结构成为汽车轻量化的首选方案，这就涉及到轻金属和钢之间的异种连接。因为轻金属与钢之间的熔点、热膨胀系数和导电率差异巨大以及熔焊时易形成硬 脆相——金属间化合物，所以难以形成性能良好的接头。国外提出了一种使铆钉与板料之 间形成牢固互锁的机械冷成形工艺——半空心铆钉自冲铆接，该方法有效避免了异种材料 熔化焊时存在的问题。然而铆接铸造铝合金和镁合金等低延展率轻金属材料时接头容易产 生裂纹甚至脆裂；而在铆接钢材时，由于钢材强度高变形困难，需要较大的铆接力，一方面 需要增加铆钉强度以免铆钉发生严重墩粗和开裂，另一方面对设备各项性能指标也提出了 更高要求，从而增加了车身的连接成本。激光焊接铝合金与钢可有效控制金属间化合物的 厚度，接头强度容易满足要求，但是需严格控制激光束的能量和板件间隙，导致工艺成本非 常高。搅拌摩擦焊具有较低的能量输入、较小的变形等优点，比较适于焊接铝材。但是采用 这种方法时，接头的形状受到很大的限制，对于形状复杂的汽车车身，难以通过夹具保证薄 板零件之间的装配精度，从而大大限制了搅拌摩擦焊在汽车车身中的应用。经过对现有技术的检索发现，Fronius提出一种称作冷金属过渡(Cold Metal Transfer,简称CMT)的电弧焊工艺，并通过CMT熔钎焊方法实现了铝板与镀锌钢板之间的 连接，即焊接过程中铝板熔化，而钢板不熔化，通过焊丝钎料实现铝合金和镀锌钢的连接。 由于CMT方法通过焊丝的机械回抽实现金属熔滴的过渡，与常规的电弧焊工艺相比热输入 大大降低，因此可以有效减小铝钢界面金属间化合物的厚度，从而保证了接头的力学性能， 成为一种极具应用前景的铝合金和钢异种连接方法。但CMT熔钎焊方法存在以下缺陷(1) 目前该方法只用于缝焊，由于铝合金与钢的热膨胀系数差异较大，接头存在较大的焊接变 形；(2)缝焊时，铝合金与钢板之间必须为搭接接头，这对传统的车身零部件设计提出了挑 战，难以推广应用；(3)该方法只适用于镀锌钢板与铝合金的连接，对于裸钢板不能得到良 好接头。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于体积成形钎料的轻金属与裸 钢板点焊方法，用冷金属过渡电弧焊使得轻金属与裸钢板之间形成点熔钎焊接头，实现轻 金属与钢的点连接，在保证异种金属连接质量的同时，解决了连续缝焊使接头产生严重变 形以及裸钢板无法与轻金属材料连接得到良好接头的问题，并对传统的以电阻点焊工艺连 接为主的车身零部件接头设计不产生影响，从而大大降低了车身的设计和制造成本。
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本发明是通过以下技术方案实现的本发明涉及一种钎料体积成形嵌入装置，包括冲头、上模、压边圈和下模，其中 冲头与上模固定连接并套接于压边圈内，带孔轻金属板及钎料置于下模上，冲头、上模、压 边圈与下模同轴设置。所述的冲头在钎料挤压成形过程中提供向下压力，内部攻有螺纹，以便与上模连接。所述的上模的末端通过螺纹与冲头固定连接，在钎料挤压成形过程中，与下模以 及带孔轻金属板组成型腔，使受挤压的钎料充满型腔内部。本发明涉及一种电弧焊接系统，包括CMT电弧焊系统、焊丝、裸钢板、气瓶、机器 人控制柜、机器人和夹紧装置，其中CMT电弧焊系统与机器人控制柜相连并传输焊接控制 信号，焊丝装于CMT电弧焊系统中，充有氩气的气瓶与CMT电弧焊系统连通，机器人控制柜 与机器人相连并传输机器人运动控制信号，夹紧装置在焊接过程中夹紧带孔轻金属板和裸 钢板。所述的CMT电弧焊系统包括焊枪、送丝机、主机电源和冷却液箱，其中焊枪与送 丝机、主机电源以及冷却液箱相连，并且装在机器人的端部；送丝机由主机电源控制，装在 其中的焊丝通过焊枪作为填充金属熔化滴入轻金属板的孔中，与母材以及钎料熔合形成接 头；冷却液箱由主机电源提供电源和控制信号，在焊接过程中冷却CMT电弧焊系统；主机电 源与机器人控制柜相连以传输焊接过程中的输入、输出信号。所述的机器人为工业机械臂，承重能力和工作半径满足电弧焊要求，拥有六个旋 转运动轴，在焊接过程中带动装在第六轴的焊枪，使其精确定位轻金属板孔洞的中心位置。本发明包括以下步骤第一步、焊接材料预处理在轻金属板上打出若干工艺孔后，将钎料通过体积成形 方式嵌入工艺孔内。所述的体积成形嵌入是指将块状圆柱形钎料置于轻金属板的孔中，底面与下模 表面接触，其轴线对准下模轴线，并驱动压边圈将轻金属板压紧于下模上；冲头带动上模向 下运动，挤压钎料至预先设定的行程停止运动，块状圆柱形钎料经挤压后呈碗状结构并与 带孔轻金属板机械连接。所述的工艺孔为圆柱形或圆台形结构。所述的钎料为圆柱形锌、锡、铜或镍基合金块，具有较好的塑性和韧性，在焊接过 程中可改善润湿性，与焊丝、母材熔合形成接头。所述的碗状结构由端部和腿部组成，其中腿部的顶端经挤压得到卡环结构，端部 的直径及厚度均大于卡环结构的直径及厚度，实现通过端部和卡环结构与轻金属板机械连 接。第二步、将装有钎料的带孔轻金属板重叠放置于裸钢板之上并夹紧，将具有焊丝 的焊枪与金属板面垂直设置且对准工艺孔的中心；所述的裸钢板的基体金属为低碳钢、高强钢、先进高强钢或超高强钢等。 第三步、向焊接位置预先通入保护气体后，采用预设焊接电流、焊接电压以及送丝 速度和频率以CMT焊接模式引燃电弧、燃烧并填充工艺孔与钎料中的空间，同时熔化钎料 与孔的边界，并与下层的钢板通过钎料实现钎焊，形成熔钎焊接头；熄灭电弧并继续通入保护气体防止接头氧化。机器人带动焊枪运动到下一个预置孔的位置，实现其余点的熔钎点 焊连接。所述的CMT模式是指通过焊丝的机械回抽实现金属熔滴的过渡，与常规的电弧 焊熔滴过渡方式相比焊接热输入可以大大降低，因此可以有效减小轻金属与钢结合界面金 属间化合物的厚度。本发明与现有技术相比具有以下优点本发明通过将连续缝焊转变为点焊，大大 降低了因两种材料热膨胀系数不同产生的变形对接头质量的影响，且钎料安置、成形装置 简单易于实现、效率高，使轻金属与无镀层裸钢板的连接成为可能。与自冲铆接机械连接工 艺相比，打孔和钎料成本低，而且对长期以来基于电阻点焊工艺的车身零部件设计方法没 有影响，易于推广应用。尤其重要的是该方法输入热量低，能够有效的控制轻金属和钢板界 面金属间化合物的厚度，钎料改善了焊接过程中的润湿性，过程稳定、焊接缺陷少，接头美 观且具有良好的力学性能。
图1为本发明工艺装置示意图。图2为本发明钎料成形后形状3为本发明电弧焊工艺方法示意4为本发明焊接系统示意图。图5为本发明钎料安置成形装置工作原理图。图6为本发明冷金属过渡电弧焊过程工作原理图
具体实施例方式下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行 实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施 例。实施例1如图1、2、3、4所示，本实施例包括钎料整形嵌入装置以及电弧焊接系统。其中钎料整形嵌入装置包括冲头1、上模2、压边圈3，下模4。其中冲头1与上 模2固定连接并套接于压边圈3内，带孔轻金属板5及钎料6置于下模4上，冲头1、上模 2、压边圈3与下模4同轴设置。所述的冲头1在钎料6挤压成形过程中提供向下压力，内部攻有螺纹，以便与上模 2连接。所述的上模2的末端通过螺纹与冲头1固定连接，在钎料6的挤压成形过程中，与 下模4以及带孔轻金属板5组成型腔，使受挤压的钎料6充满型腔内部。其中电弧焊系统包括CMT电弧焊系统10、焊丝11、裸钢板12、气瓶13、机器人控 制柜14、机器人15、夹紧装置16，其中CMT电弧焊系统10与机器人控制柜14相连并传输 焊接控制信号，焊丝11装于CMT电弧焊系统10中，充有氩气的气瓶13与CMT电弧焊系统 10连通，机器人控制柜14与机器人15相连并传输机器人15运动控制信号，夹紧装置16在 焊接过程中夹紧带孔轻金属板5和裸钢板12。
所述的CMT电弧焊系统包括焊枪17、送丝机18、主机电源19和冷却液箱20，其 中辉枪17与送丝机18、主机电源19以及冷却液箱20相连，并且装在机器人15的端部； 送丝机18由主机电源19控制，装在其中的焊丝11通过焊枪17作为填充金属熔化滴入轻 金属板5的孔中，与母材以及钎料6熔合形成接头；冷却液箱20由主机电源19提供电源和 控制信号，在焊接过程中冷却CMT电弧焊系统10 ；主机电源19与机器人控制柜14相连以 传输焊接过程中的输入、输出信号。所述的机器人15为工业机械臂，承重能力为^g，工作半径为1444mm，拥有六个旋 转运动轴，在焊接过程中带动装在第六轴的焊枪17，使其精确定位轻金属板5孔洞的中心位置。本实施例的上层轻金属板5为铝合金AA6061-T6，下层裸钢板12为低碳钢板 GMW2，板件厚度匹配lmm+l. 2mm，铝合金板5用机械打磨方式去除表面的氧化层，用丙酮试 剂去除金属板表面的油污，焊丝11材料为AlSi5，直径为1. 2mm。工艺参数焊接电流为127A，电压15. 3V，送丝速度6. Om/min,弧长修正为-30 %， 焊丝回抽频率70Hz，采用氩气作为保护气体，其流量为15L/min，焊接时间为0. 8s。本实施例工作过程如图5(a) (f)以及图6(a) (h)所示第一步、焊接材料预处理在铝合金板5上打出工艺孔后，将钎料6整形嵌入工艺 孔内。所述的整形嵌入是指将块状圆柱形钎料6置于铝合金板5的孔中，底面与下模4 表面接触，其轴线对准下模4轴线，并驱动压边圈3将铝合金板5压紧于下模4上；冲头1 带动上模2向下运动，挤压钎料6至预先设定的行程停止运动，块状圆柱形钎料6经挤压后 呈碗状结构并与带孔铝合金板5机械连接。所述的工艺孔为圆柱形，直径6. 5mm。所述的钎料6为圆柱形锌基合金块，直径为5mm，高为3. 5mm,具有较好的塑性和韧 性，在焊接过程中可改善润湿性，与焊丝11、母材熔合形成接头。所述的碗状结构由端部7和腿部8组成，其中腿部的顶端经挤压得到卡环结构 9，端部7的直径及厚度均大于卡环结构9的直径及厚度，实现通过端部7和卡环结构8与 铝合金板5的机械连接。第二步、将装有钎料6的带孔铝合金板5重叠放置于裸钢板12之上并夹紧，将具 有焊丝11的焊枪17与金属板面垂直设置且对准工艺孔的中心；所述的裸钢板12的基体金属为低碳钢。第三步、向焊接位置预先通入保护气体后，采用预先设定好的焊接电流、焊接电压 以及送丝速度和频率以CMT焊接模式引燃电弧、燃烧并填充工艺孔与钎料6中的空间，同时 熔化钎料6与孔的边界，并与下层的钢板12通过钎料6实现钎焊，形成熔钎焊接头；熄灭电 弧并继续通入保护气体防止接头氧化。所述的CMT模式是指奥地利Fronius公司提出的CMT方法，该方法通过焊丝11的 机械回抽实现金属熔滴的过渡，与常规的电弧焊熔滴过渡方式相比焊接热输入可以大大降 低，因此可以有效减小铝合金与钢结合界面金属间化合物的厚度。在该焊接参数条件下焊接，钎料中的锌元素提高了铝在钢上的润湿性，获得了良 好的焊接接头。接头形貌平整对称，无飞溅，气孔，裂纹等焊接缺陷少。焊后采用万能试验机进行拉伸，接头可以达到较高的剪切强度。实施例2本实施例的上层轻金属板5为铝合金AA6061-T6，下层裸钢板12为高强钢DP780， 板件厚度匹配lmm+2mm，孔径为6. 5mm，孔与孔之间的中心距为20mm，铝合金板5用机械打 磨方式去除表面的氧化层，用丙酮试剂去除金属板表面的油污。工艺参数焊丝2材料为AlSi5，直径为1. 2mm，焊接电流为144A，电压16. 4V，送丝 速度6. 5m/min,弧长修正为-30 %，焊丝回抽频率70Hz，采用氩气作为保护气体，其流量为 15L/min，焊接时间为0. 8s。本实施例工作过程如图5(a) (f)以及图6(a) (h)所示第一步、焊接材料预处理在铝合金板5上打出若干工艺孔后，将钎料6整形嵌入 工艺孔内。所述的整形嵌入是指将块状圆柱形钎料6置于铝合金板5的孔中，底面与下模4 表面接触，其轴线对准下模4轴线，并驱动压边圈3将铝合金板5压紧于下模4上；冲头1 带动上模2向下运动，挤压钎料6至预先设定的行程停止运动，块状圆柱形钎料6经挤压后 呈碗状结构并与带孔铝合金板5机械连接。所述的工艺孔为圆柱形，直径6. 5mm。所述的钎料6为圆柱形锌基合金块，直径为5mm，高为3. 5mm,具有较好的塑性和韧 性，在焊接过程中可改善润湿性，与焊丝11、母材熔合形成接头。所述的碗状结构由端部7和腿部8组成，其中腿部的顶端经挤压得到卡环结构 9，端部7的直径及厚度均大于卡环结构9的直径及厚度，实现通过端部7和卡环结构8与 铝合金板5的机械连接。第二步、将装有钎料6的带孔铝合金板5重叠放置于裸钢板12之上并夹紧，将具 有焊丝11的焊枪17与金属板面垂直设置且对准工艺孔的中心；所述的裸钢板12的基体金属为低碳钢。第三步、向焊接位置预先通入保护气体后，采用预先设定好的焊接电流、焊接电压 以及送丝速度和频率以CMT焊接模式引燃电弧、燃烧并填充工艺孔与钎料6中的空间，同时 熔化钎料6与孔的边界，并与下层的钢板12通过钎料6实现钎焊，形成熔钎焊接头；熄灭 电弧并继续通入保护气体防止接头氧化。机器人15带动焊枪17运动到下一个预置孔的位 置，实现其余点的熔钎点焊连接。本实施例的其它实施方式与实施例1相同。在该工艺参数条件下，多点连续点焊接头形貌平整美观，工艺稳定性好，无飞溅等 焊接缺陷。焊后变形小，上、下两层板件基本保持平整，与缝焊相比，无明显弯曲。因此采用 本工艺方法可大大减小被连接工件的变形。
权利要求
1.一种轻金属与裸钢板的优化异种金属点焊方法，其特征在于，包括以下步骤第一步、焊接材料预处理在轻金属板上打出若干工艺孔后，将钎料通过体积成形方式嵌入工艺孔内；第二步、将装有钎料的带孔轻金属板重叠放置于裸钢板之上并夹紧，将具有焊丝的焊 枪与金属板面垂直设置且对准工艺孔的中心；第三步、向带焊接位置预先通入保护气体后，采用预设焊接电流、焊接电压以及送丝速 度和频率以CMT焊接模式引燃电弧、燃烧并填充工艺孔与钎料中的空间，同时熔化钎料与 孔的边界，并与下层的钢板通过钎料实现钎焊，形成熔钎焊接头；熄灭电弧并继续通入保护 气体防止接头氧化，机器人带动焊枪运动到下一个预置孔的位置，实现其余点的熔钎点焊 连接。
2.根据权利要求1所述的轻金属与裸钢板的优化异种金属点焊方法，其特征是，所述 的整形嵌入是指将块状圆柱形钎料置于轻金属板的孔中，底面与下模表面接触，其轴线对 准下模轴线，并驱动压边圈将轻金属板压紧于下模上；冲头带动上模向下运动，挤压钎料至 预先设定的行程停止运动，块状圆柱形钎料经挤压后呈碗状结构并与带孔轻金属板机械连 接。
3.根据权利要求1所述的轻金属与裸钢板的优化异种金属点焊方法，其特征是，所述 的工艺孔为圆柱形或圆台形结构。
4.根据权利要求1所述的轻金属与裸钢板的优化异种金属点焊方法，其特征是，所述 的钎料为圆柱形锌、锡、铜或镍基合金块。
5.根据权利要求1所述的轻金属与裸钢板的优化异种金属点焊方法，其特征是，所述 的碗状结构由端部和腿部组成，其中腿部的顶端经挤压得到卡环结构，端部的直径及厚度 均大于卡环结构的直径及厚度，实现通过端部和卡环结构与轻金属板机械连接。
6.一种根据权利要求1所述方法的钎料整形嵌入装置，其特征在于，包括冲头、上模、 压边圈和下模，其中冲头与上模固定连接并套接于压边圈内，带孔轻金属板及钎料置于与 压边圈同轴设置的下模上，冲头、上模、压边圈与下模同轴设置。
7.一种根据权利要求1所述方法的电弧焊接系统，其特征在于，包括CMT电弧焊系统、 焊丝、钢板、气瓶、机器人控制柜、机器人和夹紧装置，其中电弧焊系统与机器人控制柜相 连并传输焊接控制信号，焊丝装于CMT电弧焊系统中，充有氩气的气瓶与CMT电弧焊系统连 通，机器人控制柜与机器人相连并传输机器人运动控制信号，夹紧装置在焊接过程中夹紧 带孔轻金属板和裸钢板。
8.根据权利要求7所述的电弧焊接系统，其特征是，所述的CMT电弧焊系统包括焊 枪、送丝机、主机电源和冷却液箱，其中焊枪与送丝机、主机电源以及冷却液箱相连，并且 装在机器人的端部；送丝机由主机电源控制，装在其中的焊丝通过焊枪作为填充金属熔化 滴入轻金属板的孔中，与母材以及钎料熔合形成接头；冷却液箱由主机电源提供电源和控 制信号，在焊接过程中冷却CMT电弧焊系统；主机电源与机器人控制柜相连以传输焊接过 程中的输入、输出信号。
9.根据权利要求8所述的电弧焊接系统，其特征是，所述的机器人为工业机械臂，承重 能力和工作半径满足电弧焊要求，拥有六个旋转运动轴，在焊接过程中带动装在第六轴的 焊枪，使其精确定位轻金属板孔洞的中心位置。
全文摘要
一种金属焊接技术领域的基于体积成形钎料的轻金属与裸钢板点焊方法，通过在轻金属板上打出工艺孔后，将钎料整形嵌入工艺孔内；再将装有钎料的带孔轻金属板重叠放置于裸钢板之上并夹紧，将具有焊丝的焊枪与金属板面垂直设置且对准工艺孔的中心；向带焊接位置预先通入保护气体后，以CMT模式引燃电弧、燃烧并填充工艺孔与钎料中的空间，同时熔化钎料与孔的边界，并与下层的钢板通过钎料实现钎焊，形成熔钎焊接头。本发明用冷金属过渡电弧焊使得轻金属与裸钢板之间形成点熔钎焊接头，实现轻金属与钢的点连接，在保证异种金属连接质量的同时，大大降低了车身的制造成本。
文档编号B23K9/007GK102126064SQ20111005807
公开日2011年7月20日 申请日期2011年3月10日 优先权日2011年3月10日
发明者李永兵, 来新民, 林忠钦, 王培中, 陈关龙, 雷海洋 申请人:上海交通大学, 通用汽车环球科技运作有限公司