专利名称：轻金属与镀层钢板的异种金属点焊系统及其焊接方法
技术领域：
本发明涉及的是一种金属焊接技术领域的装置及方法，具体是一种轻金属与镀层 钢板的异种金属点焊系统及其焊接方法。
背景技术：
由于铝、镁等轻合金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合金材料，因此采用轻合金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，这就涉及到轻合金和钢之间的异种连接。因为铝钢之间的熔点、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合金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公司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。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种轻金属与镀层钢板的异种金属点 焊系统及其焊接方法，通过在轻金属与镀层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。本发明是通过以下技术方案实现的
本发明涉及一种轻金属与镀层钢板的异种金属点焊系统，包括CMT电弧焊系统、 气瓶、机器人控制模块、机器人和夹紧装置，其中电弧焊系统与机器人控制模块相连并传 输焊接控制信号，气瓶与CMT电弧焊系统连通，机器人控制模块与机器人相连，传输机器人 运动的控制信号。所述的CMT电弧焊系统包括焊枪、送丝机、焊丝、主机电源和冷却液箱，其中焊 枪分别与送丝机、主机电源以及冷却液箱相连，且焊枪固定设置于机器人的端部，送丝机与 主机电源相连并接收控制指令，焊丝位于送丝机内并经焊枪加热熔化后作为填充金属滴入 带孔轻金属板的工艺孔中并与母材熔合形成接头，冷却液箱与主机电源相连接并接收控制 指令并与CMT电弧焊系统相连接，在焊接过程中冷却CMT电弧焊系统，主机电源与机器人控 制模块相连以传输焊接过程中的输入输出信号。所述的带孔轻金属板上设有一个为圆柱形或圆台形结构的工艺孔。所述的钢板为镀层钢板，其基体金属为低碳钢、高强钢、先进高强钢或超高强钢 等，镀层为锌、锡、铜或镍基合金镀层，镀层厚度为5-50微米；所述的气瓶内装保护气体，为焊接过程提供惰性保护气氛。所述的机器人为拥有六个旋转运动轴的工业机械臂，承重能力和工作半径满足电 弧焊要求，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。本发明涉及上述系统的焊接方法1)预先在轻金属板上打出若干工艺孔；2)将带孔轻金属板重叠放置于镀层钢板之上并通过夹紧装置夹紧，上下金属板之 间相接触；3)机器人带动焊枪运动并使焊枪中的焊丝与金属板面垂直且对准带孔轻金属板 的工艺孔的中心位置；4)机器人控制模块向CMT电弧焊主机电源发出焊接过程开始的控制信号并打开 气瓶预先通保护气体，在带孔轻金属板上形成保护气氛围；5)焊枪由CMT电弧焊主机电源控制，在CMT电弧模式下，以设定的起弧电流和电压 引燃电弧；6)电弧调整至设定的焊接电流、焊接电压，以设定的送丝速度和焊丝回抽频率焊 接，焊丝熔化填充工艺孔，通过熔化工艺孔边界与上层铝板实现焊接，通过镀层与下层镀层 钢板实现钎焊；7)焊接结束后，焊接电流衰减至收弧电流，轻合金板上的工艺孔被完全填满且表 面平整后电弧熄灭，保持通入保护气体以防止接头氧化；8)机器人带动焊枪运动到下一个预置孔的位置并重复步骤幻至步骤7)的操作， 实现异种金属点焊。本发明与现有技术相比具有以下优点本发明通过将缝焊转变为点焊，大大降低 了因两种材料热膨胀系数不同产生的热变形对接头质量的影响。与自冲铆接机械连接工艺 相比，打孔和焊丝的成本非常低，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能够有效的控制轻金属和钢板界面金属 间化合物的厚度，接头具有优越的力学性能。
图1为本发明工艺方法示意图。图2为本发明系统示意图。图3为本发明方法工作原理图。图4为本发明工艺参数曲线图。
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2所示，本实施例包括CMT电弧焊系统1、焊丝2、带孔轻金属板3、钢板4、气 瓶5、机器人控制模块6、机器人7、夹紧装置8。其中CMT电弧焊系统1与机器人控制模块 6相连并传输焊接控制信号，焊丝2装于CMT电弧焊系统1中，带孔轻金属板3、钢板4固定 于夹紧装置8上，气瓶5与CMT电弧焊系统1连通，机器人控制模块6与机器人7相连，传 输机器人7运动的控制信号。所述的CMT电弧焊系统包括焊枪9、送丝机10、主机电源11和冷却液箱12，其中 焊枪9与送丝机10、主机电源11以及冷却液箱12相连，并且装在机器人7的端部；送丝机 10由主机电源11控制，装在其中的焊丝2通过焊枪9作为填充金属熔化滴入轻金属板3的 孔中，与母材熔合形成接头；冷却液箱12由主机电源11提供电源和控制信号，在焊接过程 中冷却CMT电弧焊1系统；主机电源11与机器人控制模块6相连以传输焊接过程中的输 入、输出信号。所述的带孔轻金属板3，其上的工艺孔为圆柱形，直径为6. 5mm。所述的钢板为镀层钢板4，为镀锌低碳钢。所述的气瓶5内装氩气作为保护气体，为焊接过程提供惰性保护气氛。所述的机器人7为工业机械臂，承重能力为^g，拥有六个旋转运动轴，工作半径 为1444mm，在焊接过程中带动装在第六轴的焊枪9，使其精确定位轻金属板3孔洞的中心位置。本实施例的上层轻金属板3为铝合金AA6061-T6，下层镀锌钢板4为镀锌低碳钢板 HDG-GMW2，板件厚度匹配lmm+l. 2mm，铝合金板3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2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。本实施例工艺过程工艺过程如图3 (a) (h)以及图4所示1)预先在铝合金板3上打出圆柱形直径为6. 5mm的工艺孔；2)将铝合金板3重叠放置于镀层钢板4之上并通过夹紧装置夹紧，上下金属板之 间相接触；3)机器人7带动焊枪9运动并使焊枪9中的焊丝2与金属板面垂直且对准带孔铝 合金板3的工艺孔的中心位置；
4)机器人控制模块6向CMT电弧焊主机电源11发出焊接过程开始的控制信号并 打开气瓶5预先通保护气体，在带孔铝合金板3的工艺孔附近形成保护气氛围；5)预通保护气体一定时间(GPr = 0. Is)后，焊枪9由CMT电弧焊主机电源11控 制，在CMT电弧模式下，以起弧电流(大小为焊接电流的135% )、电压引燃电弧；6)引燃电弧经I-S段后，电流经衰减(SL段)，CMT电弧焊系统1以设定的焊接电 流、焊接电压以及送丝速度和焊丝回抽频率焊接，、燃烧并填充工艺孔，同时熔化孔的边界， 并与下层的钢板4通过镀层实现钎焊；7)在达到预先设定的焊接时间(I段)后，焊接电流经SL段衰减至收弧电流(大 小为焊接电流的50%)，铝合金板3上的工艺孔被完全填满且表面平整后(I-E段)电弧熄 灭，继续通一定时间的保护气体(GPo = 0. 5s)以防止接头氧化；在该焊接参数条件下焊接，镀锌钢板上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，接头拉剪强度最高可以达到3. 364KN;而自冲铆接工艺(SPR)采用同样材 料和板厚，拉剪强度最高为2. 704KN,因此该工艺方法可达到较高的强度。同时镀锌钢板背 面的镀锌层无烧损，保持了钢板的防腐蚀性能。实施例2本实施例的上层轻金属板3为铝合金AA6061-T6，下层镀锌钢板4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3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。本实施例工艺过程工艺过程如图3 (a) (h)以及图4所示1)预先在铝合金板3上打出若干圆柱形直径为6. 5mm的工艺孔；2)将铝合金板3重叠放置于镀层钢板4之上并通过夹紧装置夹紧，上下金属板之 间相接触；3)机器人7带动焊枪9运动并使焊枪9中的焊丝2与金属板面垂直且对准带孔铝 合金板3的工艺孔的中心位置；4)机器人控制模块6向CMT电弧焊主机电源11发出焊接过程开始的控制信号并 打开气瓶5预先通保护气体，在带孔铝合金板3的工艺孔附近形成保护气氛围；5)预通保护气体一定时间(GPr = 0. Is)后，焊枪9由CMT电弧焊主机电源11控 制，在CMT电弧模式下，以起弧电流(大小为焊接电流的135% )、电压引燃电弧；6)引燃电弧经I-S段后，电流经衰减(SL段)，CMT电弧焊系统1以设定的焊接电 流、焊接电压以及送丝速度和焊丝回抽频率焊接，、燃烧并填充工艺孔，同时熔化孔的边界， 并与下层的钢板4通过镀层实现钎焊；7)在达到预先设定的焊接时间(I段)后，焊接电流经SL段衰减至收弧电流(大 小为焊接电流的50%)，铝合金板3上的工艺孔被完全填满且表面平整后(I-E段)电弧熄 灭，继续通一定时间的保护气体(GPo = 0. 5s)以防止接头氧化；8)机器人7带动焊枪9运动到下一个预置孔的位置并重复步骤幻至步骤7)的操作，实现异种金属点焊。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
1.一种轻金属与镀层钢板的异种金属点焊系统，包括CMT电弧焊系统、气瓶、机器人 控制模块、机器人和夹紧装置，其特征在于电弧焊系统与机器人控制模块相连并传输焊接 控制信号，气瓶与CMT电弧焊系统连通，机器人控制模块与机器人相连，传输机器人运动的 控制信号，所述的CMT电弧焊系统包括焊枪、送丝机、焊丝、主机电源和冷却液箱，其中焊 枪分别与送丝机、主机电源以及冷却液箱相连，且焊枪固定设置于机器人的端部，送丝机与 主机电源相连并接收控制指令，焊丝位于送丝机内并经焊枪加热熔化后作为填充金属滴入 带孔轻金属板的工艺孔中并与母材熔合形成接头，冷却液箱与主机电源相连接并接收控制 指令并与CMT电弧焊系统相连接，在焊接过程中冷却CMT电弧焊系统，主机电源与机器人控 制模块相连以传输焊接过程中的输入输出信号。
2.根据权利要求1所述的轻金属与镀层钢板的异种金属点焊系统，其特征是，所述的 带孔轻金属板上设有一个为圆柱形或圆台形结构的所述工艺孔。
3.根据权利要求1所述的轻金属与镀层钢板的异种金属点焊系统，其特征是，所述的 镀层钢板的基体金属为低碳钢、高强钢、先进高强钢或超高强钢，镀层为锌、锡、铜或镍基合 金镀层，镀层厚度为5-30微米。
4.根据权利要求1所述的轻金属与镀层钢板的异种金属点焊系统，其特征是，所述的 气瓶内装保护气体。
5.根据权利要求1所述的轻金属与镀层钢板的异种金属点焊系统，其特征是，所述的 机器人为拥有六个旋转运动轴的工业机械臂。
6.一种涉及上述任一权利要求所述系统的焊接方法，包括以下步骤1)预先在轻金属板上打出若干工艺孔；2)将带孔轻金属板重叠放置于镀层钢板之上并通过夹紧装置夹紧，上下金属板之间相 接触；3)机器人带动焊枪运动并使焊枪中的焊丝与金属板面垂直且对准带孔轻金属板的工 艺孔的中心位置；4)机器人控制模块向CMT电弧焊主机电源发出焊接过程开始的控制信号并打开气瓶 预先通保护气体，在带孔轻金属板上形成保护气氛围；5)焊枪由CMT电弧焊主机电源控制，在CMT电弧模式下，以设定的起弧电流和电压引燃 电弧；6)电弧调整至设定的焊接电流、焊接电压，以设定的送丝速度和焊丝回抽频率焊接，焊 丝熔化填充工艺孔，通过熔化工艺孔边界与上层铝板实现焊接，通过镀层与下层镀层钢板 实现钎焊；7)焊接结束后，焊接电流衰减至收弧电流，轻合金板上的工艺孔被完全填满且表面平 整后电弧熄灭，保持通入保护气体以防止接头氧化；8)机器人带动焊枪运动到下一个预置孔的位置并重复步骤幻至步骤7)的操作，实现 异种金属点焊。
全文摘要
一种金属焊接技术领域的轻金属与镀层钢板的异种金属点焊系统及其焊接方法，该系统包括CMT电弧焊系统、气瓶、机器人控制模块、机器人和夹紧装置，电弧焊系统与机器人控制模块相连并传输焊接控制信号，气瓶与CMT电弧焊系统连通，机器人控制模块与机器人相连，传输机器人运动的控制信号。本发明通过在轻金属与镀层钢板之间形成点熔钎焊接头，实现轻金属与镀层钢板的点连接，在保证异种金属连接质量的同时，解决了连续缝焊时接头严重变形的问题，并对传统的以电阻点焊工艺为主的车身零部件接头设计不产生影响，大大降低了车身的设计和制造成本。
文档编号B23K9/007GK102049591SQ20101061317
公开日2011年5月11日 申请日期2010年12月29日 优先权日2010年12月29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