基于体积成形钎料的轻金属与裸钢板点焊方法技术

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。本发明专利技术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。

Spot welding method of light metal and bare steel plate based on bulk forming filler metal

The technical field of a welding metal bulk forming solder and bare light metal welding method based on the technology of punch a hole in light metal plate, the solder plastic embedding process hole; then a solder with a hole in the light metal plate placed on the bare plate overlapping and clamping, with wire and welding torch the surface of the metal plate is vertically arranged and aligned with the center of the hole process; to advance into the position of welding protective gas, arc ignition and combustion in CMT mode and filling process and hole in the solder and solder melting space, and the boundary of the hole, and the lower plate through the brazing solder, forming welding brazing joint. The invention uses cold metal transfer arc welding brazing process makes point formed between the light metal and bare steel plate welding head, light metal and steel connection in dissimilar metal connection quality assurance at the same time, greatly reduce the manufacturing cost of the body.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是一种金属焊接
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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。3本专利技术是通过以下技术方案实现的本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术与现有技术相比具有以下优点本专利技术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。附图说明图1为本专利技术工艺装置示意图。图2为本专利技术钎料成形后形状3为本专利技术电弧焊工艺方法示意4为本专利技术焊接系统示意图。图5为本专利技术钎料安置成形装置工作原理图。图6为本专利技术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专利技术的实施例作详细说明，本实施例在以本专利技术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，但本专利技术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固定连接并本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：林忠钦，李永兵，王培中，雷海洋，来新民，陈关龙，
申请(专利权)人：上海交通大学，通用汽车环球科技运作有限公司，
类型：发明
国别省市：31