一种多物理场辅助异种金属材料电阻焊方法
【专利摘要】一种多物理场辅助异种金属材料电阻焊方法，步骤如下：对除油和酸洗后的待焊件施加磁-声复合场以使焊件表面活化，在磁-声复合场环境下对异种金属进行电阻焊，直至焊缝处金属凝固并冷却至室温，停止复合场的施加，完成异种金属焊接。本发明的优点是：通过在焊接过程中磁-声复合场对焊缝处熔融金属的搅拌和激振作用，有效的减小初晶尺寸，增加晶体内的位错密度，细化焊缝处晶粒组织大小，提高焊接接头的力学性能；在磁场和高频振动作用下，将弹性振动所产生的能量转化为金属材料的塑性流动能、焊接界面的摩擦功及热能，可降低电阻焊熔化母材所需的能量，节约能源。
【专利说明】一种多物理场辅助异种金属材料电阻焊方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种多物理场辅助异种金属材料电阻焊方法，属焊接【技术领域】。
【背景技术】
[0002]日新月异的科技水平与复杂的工作程序对各类工程机械构件的综合性能提出了更高的要求。在许多情况下，单纯的一种金属材料已经不能满足工程使用要求，集多种材料性能于一身的异种金属焊接构件备受人们关注。异种金属的焊接不仅能实现综合利用各组成材料的优异性能，还能大大降低生产成本，提高企业经济效益。因此，异种金属焊接技术在交通运输、航空航天、石油化工和工程机械等行业得以广泛应用。
[0003]异种金属材料间的可焊性与这两种金属材料间的热物理性能和化学冶金特性的区别有着密切的联系。化学冶金性能上的相容性对异种金属材料的可焊接性起着主导作用。这是因为两种金属间的相容性主要决定着脆性化合物会不会在它们之间形成。当异种金属材料间产生了脆性的共晶体或金属间化合物时，焊接接头的力学性能将受到很大的影响。因此，传统的焊接方法进行异种金属焊接有着非常大的困难，要选择恰当的焊接方法和焊接工艺才能使异种金属实现可靠连接。
[0004]中国专利CN101890564A，名为“异种金属电阻铆焊装置”的发明专利，提出了一种焊接异种金属的方法。在半空心铆钉自冲铆接的基础上，引入电阻点焊，利用电阻热来软化焊件，依此来减低在铆接过程中产生的脆裂，同时实现铆钉与焊件之间的钎焊连接，实现机械-固相双重连接，进一步增加接头的焊接强度。虽然此装置实现了异种金属的连接，但其本质上仍为铆接，未能实现异种金属原子或分子之间的结合和扩散，同时其焊接强度仍有待商榷。中国专利CN102848058A，名为“焊接过程中使用脉冲磁场细化焊缝组织的方法和设备”的发明专利，提出了一种脉冲磁场细化焊缝结晶组织的方法和装置。通过外加磁场控制熔化金属的流动，产生搅拌作用，实现细化焊缝组织的目的。虽然在一定程度上细化了焊缝区的晶粒，但控制方法相对单一，细化晶粒程度有限，焊前对焊件表面的清理工作繁重。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是针对上述存在问题，提供一种多物理场辅助异种金属材料电阻焊方法，通过在施焊同时对焊件施加磁场和超声波复合场，磁场分量对晶体产生切割和搅拌作用，超声波对晶体有破碎作用和过冷生核作用，在磁-声复合场的综合作用下，使得部分晶粒破碎成为细小晶粒，而未破碎的晶粒在搅拌作用下产生一定的塑性变形，增加晶粒内部位错，使得晶粒得到显著的细化；复合场在一定程度上提高了焊缝处成份的均匀化程度，减少了焊缝处组织缺陷，提高焊缝的力学性能；利用超声波的冲击破碎作用来处理焊件表面，减小焊件表面的污物及氧化物熔合进焊缝对焊缝性能产生影响。
[0006]本发明技术方案:
一种多物理场辅助异种金属材料电阻焊方法，步骤如下:
I)待焊件异种金属表面的预处理，先用丙酮溶液对金属表面的油污进行清洗，再对表面采用酸洗方法清除其表面的氧化膜，酸洗结束后迅速用水冲洗，最后用酒精擦拭晾干；
2)将待焊异种金属件固定，在氮气或氩气保护气氛或者大气环境下，对焊缝处施加磁-声复合物理场，对焊接件表面进行表面处理，处理时间为< lOmin，磁场距离焊件表面范围为< 100cm，产生声场的超声发射装置置于焊件表面；
3)开启焊机进行电阻焊，利用电流流经工件接触面及邻近区域产生的电阻热效应将其加热到熔化或塑性状态；
4)焊接结束待焊接金属冷却至室温后，停止磁-声复合场的施加，完成异种金属焊接。
[0007]所述异种金属材料包括异种钢铁材料、铜-铝、铝-钢、铌-不锈钢、钛-铜等合金。
[0008]所述电阻焊包括点焊、对焊、缝焊、凸焊和闪光焊。
[0009]所述磁-声复合物理场包括磁场和超声波，磁场为交变磁场或稳恒磁场，磁场强度为0.001-15T，交变磁场频率为0.01-1OOOHz ;超声发射装置产生的超声波的振动频率为15-60KHZ，超声波振幅为10-60 μ m,超声波振动方向为横向或纵向。
[0010]所述电阻焊中电极压力为2-4KN，焊接电流为7-20KA，焊接时间为60_400ms，保压时间为 300-500ms。
[0011]本发明的优点:
本发明基于电阻焊工艺，在焊接同时对焊缝处施加磁-声复合物理场，通过磁场-超声波的搅拌作用和冲击破碎效应，有效的降低了焊缝处晶粒的尺寸，增加了晶体内的位错密度，细化了焊缝处晶粒的大小，减少了焊缝处的孔洞等缺陷密度，提高了焊接接头的力学性能；在高频振动和磁场作用下，将振动所产生的能量转化成为熔融金属的塑性流动能、焊接界面的摩擦功及热能，在一定程度上降低了电阻焊熔化母材所需的能量，节约能源；在超声波作用下，焊接界面的氧化膜和表面附着物会被破碎与驱散，降低了因夹杂物溶入焊缝金属内而对焊缝性能产生影响的可能，降低了了对待焊工件表面的清洁程度的要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为实施例1实施多物理场辅助异种金属电阻点焊示意图。
[0013]图2为实施例2实施多物理场辅助异种金属电阻点焊示意图。
[0014]图3为实施例3实施多物理场辅助异种金属电阻对焊示意图。
[0015]图4为实施例4实施多物理场辅助异种金属电阻对焊示意图。
[0016]图5为实施例5实施多物理场辅助异种金属电阻缝焊示意图。
[0017]图6为实施例6实施多物理场辅助异种金属电阻凸焊示意图。
[0018]图7为实施例7实施多物理场辅助异种金属电阻闪光焊示意图。
[0019]图中:1.铝板；2.点焊焊枪；3.点焊焊缝；4.超声发射装置；5.铁板；
6.磁场7.对焊焊枪；8.对焊焊缝；9.缝焊焊缝；10.滚轮电极；11.异种金属母材；12.凸焊电极；13.闪光焊焊光。
【具体实施方式】
[0020]结合附图通过实施例对本发明进行说明。附图中序号名称为:1.铝板；2.点焊焊枪；3.点焊焊缝；4.超声发射装置；5.铁板；6.磁场；7.对焊焊枪；8.对焊焊缝；9.缝焊焊缝；10.滚轮电极；11.异种金属母材；12.凸焊焊枪；13.闪光焊焊光。
[0021]实施例1:
一种多物理场辅助异种金属电阻点焊的焊接方法，步骤如下:
1)将铝板和铁板表面进行预处理，先用丙酮溶液对金属表面的油污进行清洗，再对表面采用酸洗方法清除其表面的氧化膜，酸洗溶液为10wt%HF、20 Wt %HN0jP70 wt %水的混合液，当酸洗金属呈银白色即可结束，待酸洗结束，迅速用水冲洗，最后用酒精擦拭晾干；
2)将待焊件固定，在大气环境下，施加磁场-超声波复合物理场，对焊接件表面进行表面处理，处理时间为lmin，其中超声发射装置型号为YPR55，超声频率为20KHz，工具头输出振幅为20Mm，超声波电源的输出功率为2kW，工作压力2KN，磁场强度为3T，交变磁场频率为1Hz，磁场距离焊件表面范围为50cm ；
3)在继续施加磁场-超声波复合物理场下开启焊机进行施焊，利用电流流经工件接触面及邻近区域产生的电阻热效应将其加热到熔化或塑性状态，焊接电流为8-15KA，焊接通电时间为400ms，电极压力为2.3KN，保持时间300ms ；
4)待焊接结束，焊接金属冷却至室温后，停止磁场-超声波复合场的施加，完成铝板和铁板的焊接。
[0022]图1为实施多物理场辅助异种金属电阻点焊示意图，图中:铝板I和铁板5实施电阻点焊，施加的复合物理场为磁场6和超声发射装置4，超声发射装置4置于铁板5表面。
[0023]实施例2:
一种多物理场辅助异种金属电阻对焊的焊接方法，步骤与实施例1基本相同，不同之处在于:在铝板I表面增加一个超声波发射装置，如图2所示。
[0024]实施例3:
一种多物理场辅助异种金属电阻对焊的焊接方法，步骤与实施例2基本相同，不同之处在于:电阻对焊是将焊件装配成对接接头，使其端面紧密接触，利用电阻热加热至塑性状态，然后断电并迅速对两金属板件施加挤压力完成焊接。实施对焊时需要两个超声发射装置4，分别放置在对焊焊枪7的外侧，如图3所示。
[0025]实施例4:
一种多物理场辅助异种金属电阻对焊的焊接方法，步骤与实施例3基本相同，不同之处在于:两个超声发射装置4放置在两个对焊焊枪7的内侧，如图4所示。
[0026]实施例5:
一种多物理场辅助异种金属电阻缝焊的焊接方法，步骤与实施例1基本相同，不同之处在于:用旋转的圆盘状滚轮电极10代替点焊中的柱状电极，将两焊件装配成对接或搭接接头，并置于两滚轮电极10之间，滚轮对焊件加压并转动，连续或断续送电，如图5所示。
[0027]实施例6:
一种多物理场辅助异种金属电阻凸焊的焊接方法，步骤与实施例1基本相同，不同之处在于:焊前需在一块异种金属焊接母材11 (铝板)上预制一个凸起，凸焊电极12放置在凸起处，如图6所示。
[0028]实施例7:
一种多物理场辅助异种金属电阻闪光对焊的焊接方法，步骤与实施例2基本相同，不同之处在于:焊接过程中的电流较大，在焊接处发生闪光焊焊光13使端面金属熔化，如图7所示。
【权利要求】
1.一种多物理场辅助异种金属材料电阻焊方法，所述电阻焊包括点焊、对焊、缝焊、凸焊和闪光焊，其特征在于步骤如下: 1)待焊件异种金属表面的预处理，先用丙酮溶液对金属表面的油污进行清洗，再对表面采用酸洗方法清除其表面的氧化膜，酸洗结束后迅速用水冲洗，最后用酒精擦拭晾干； 2)将待焊异种金属件固定，在氮气或氩气保护气氛或者大气环境下，对焊缝处施加磁-声复合物理场，对焊接件表面进行表面处理，处理时间为< lOmin，磁场距离焊件表面范围为< 100cm，产生声场的超声发射装置置于焊件表面； 3)开启焊机进行电阻焊，利用电流流经工件接触面及邻近区域产生的电阻热效应将其加热到熔化或塑性状态； 4)焊接结束待焊接金属冷却至室温后，停止磁-声复合场的施加，完成异种金属焊接。
2.根据权利要求1所述多物理场辅助异种金属材料电阻焊方法，其特征在于:所述异种金属材料包括不锈钢-碳钢、异种钢、镁-铝、铜-铝、铝-钢。
3.根据权利要求1所述多物理场辅助异种金属材料电阻焊方法，其特征在于:所述电阻焊包括点焊、对焊、缝焊、凸焊和闪光焊。
4.根据权利要求1所述多物理场辅助异种金属材料电阻焊方法，其特征在于:所述磁-声复合物理场包括磁场和超声波，磁场为交变磁场或稳恒磁场，磁场强度为0.001-15T,交变磁场频率为0.0l-lOOOHz ;超声发射装置产生的超声波的振动频率为15飞OKHz，超声波振幅为1(Γ60 μ m,超声波振动方向为横向或纵向。
5.根据权利要求1所述多物理场辅助异种金属材料电阻焊方法，其特征在于:所述电阻焊中电极压力为2-4KN，焊接电流为7-20KA，焊接时间为60-400ms，保压时间为300_500mso
【文档编号】B23K11/16GK104384698SQ201410678175
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年11月24日 优先权日:2014年11月24日
【发明者】李云涛, 李晓宁, 王谦 申请人:天津理工大学