用于改善钢铝异种金属电阻点焊接头性能的电极系统技术方案

本发明专利技术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，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有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。与现有技术相比，本发明专利技术能够有效改善钢铝界面的热分布，减弱接头界面处IMC的生长，获得稳定的纽扣断裂模式，提高接头连接的可靠性。

【技术实现步骤摘要】
用于改善钢铝异种金属电阻点焊接头性能的电极系统
本专利技术属于异种材料连接
，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。
技术介绍
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的中国专利技术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。
技术实现思路
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，本专利技术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。本专利技术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，本专利技术具有以下特点：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)采用本专利技术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为本专利技术整体结构示意图；图2为本专利技术正电极、负电极端面局部结构放大示意图；图3为本专利技术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为本专利技术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为本专利技术电极系统点焊接头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为本专利技术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专利技术进行详细说明。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本文档来自技高网...

【技术保护点】
用于改善钢铝异种金属电阻点焊接头性能的电极系统，其特征在于，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有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。

【技术特征摘要】
1.用于改善钢铝异种金属电阻点焊接头性能的电极系统，其特征在于，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有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。2.根据权利要求1所述的用于改善钢铝异种金属电阻点焊接头性能的电极系统，其特征在于，各圆环凹槽的宽度相等。3.根据权利要求2所述的用于改善钢铝异种金属电阻点焊接头性能的电极系统，其特征在于，每个圆环凹槽的深度与该圆环凹槽的宽度之比为1:4。4.根据权利要求3所述的用于改善钢铝异种金属电阻点焊接头性能的电极系统，其特征在于，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。5.根据权利要求4所述的用于改善钢铝异种金属电阻点焊接头性能的电极...

【专利技术属性】
技术研发人员：张敏，孔谅，王敏，王炜杰，陈楠楠，刘思源，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31