本發(fā)明屬于異種材料連接
技術(shù)領(lǐng)域：
，涉及一種電極系統(tǒng)，尤其是涉及一種用于改善鋼鋁異種金屬電阻點焊接頭性能的電極系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：在能源緊缺和環(huán)境污染問題日益加劇的大背景下，輕量化、節(jié)能、環(huán)保和安全已成為當今汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢。國內(nèi)外汽車行業(yè)實現(xiàn)輕量化的方式有：采用輕量化材料、優(yōu)化設計輕量化結(jié)構(gòu)和使用新型制造工藝技術(shù)。高強鋼和鋁合金是主要的輕量化材料，其次是鎂合金、復合材料及塑料等。因此，在設計和制造中增加高強鋼、鋁合金等輕量化材料的應用量是實現(xiàn)汽車輕量化的有效途徑。鋼鋁異種金屬電阻點焊是實現(xiàn)汽車車身輕量化生產(chǎn)中最重要的焊接工藝方法之一，但是這兩種材料的電阻點焊存在一個亟待解決的技術(shù)問題：由于鋼、鋁物理性質(zhì)(例如，熔點、線膨脹系數(shù)、熱導率及固溶度等)的明顯差異，焊接時容易出現(xiàn)裂紋、金屬間化合物(IntermetallicCompound英文縮寫為IMC)等缺陷。其中，IMC是指異種金屬焊接過程中伴生且分布在接頭界面處的反應層，鋼鋁異種金屬點焊的IMC多為靠近鋁側(cè)的針須狀FeAl3和靠近鋼側(cè)的舌狀Fe2Al5組成。該反應層的形成過程是一個熔融鋁與鋼基體及Fe原子與鋁基體的相互擴散反應的結(jié)果。大量研究結(jié)果顯示，脆性的IMC是接頭的薄弱環(huán)節(jié)，較厚的IMC嚴重影響了焊接接頭質(zhì)量和連接的可靠性。針對上述技術(shù)問題，目前，國內(nèi)外學者采用中間過渡層法和工藝墊片法等方法，使鋼鋁不直接接觸，減弱鋼鋁界面反應，以達到減薄、抑制IMC的目的。雖然上述方法取得了一定的技術(shù)效果，但存在處理步驟復雜、生產(chǎn)效率低下的技術(shù)問題外，還會額外增加接頭的重量，這既不滿足汽車輕量化的要求，也不適合大批量生產(chǎn)。申請?zhí)枮?01310485849.8的中國發(fā)明專利公布了一種高強鋼-鋁合金異種金屬連接方法，按以下工藝步驟進行：a)焊前準備：首先將高強鋼和鋁合金板表面用1200#的SiC砂紙打磨去除氧化膜，然后用丙酮清洗，鍍鋅鋼板表面可不打磨直接用丙酮清洗；b)連接方法：高強鋼-鋁合金異種金屬連接采用電阻點焊方法，使用F型電極DINISO5821-F16×20，電極材料為Cu-Cr合金DINISO5821A2/2；c)點焊參數(shù)：采用優(yōu)化的電阻點焊參數(shù)，即焊接電流9-10kA、焊接時間200-250ms、電極壓力2.0-2.5kN，通過增大熔核直徑(＞5.5mm)、限制鋼/鋁界面金屬間化合物層厚度＜8μm、防止點焊噴濺及接頭缺陷等技術(shù)途徑，提高鋁合金-高強鋼異種材料電阻點焊接頭的力學性能及點焊質(zhì)量。上述專利技術(shù)方案中采用的是DINISO5821的F型電極(球面直徑為40mm，端面直徑為6mm)電阻點焊鋼鋁異種金屬。由于脆性金屬間化合物的生成，在外加拉應力的作用下，惡化了焊接接頭的力學性能。技術(shù)實現(xiàn)要素：現(xiàn)有技術(shù)中通常用于鋼鋁點焊的球形端面電極與通常用于鋼板點焊的平端面電極焊接鋼鋁異種金屬時都存在脆性金屬間化合物、不利接頭性能的現(xiàn)象，其原因是點焊過程中鋼鋁兩側(cè)熱量分布不均勻，加上兩種材料自身差異較大的熱物理性能，如熔點、電阻率、線膨脹系數(shù)和固溶度等因素，進而導致了接頭界面處金屬間化合物的產(chǎn)生，本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，安全穩(wěn)定的用于改善鋼鋁異種金屬電阻點焊接頭性能的電極系統(tǒng)。本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：用于改善鋼鋁異種金屬電阻點焊接頭性能的電極系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一對相對設置且具有不同端面結(jié)構(gòu)的正電極和負電極，所述的正電極的端面為球端面，并與待加工的鋁質(zhì)部件表面相接觸，所述的球端面上開設2個呈同心圓布設、半徑不同的圓環(huán)凹槽，所述的負電極的端面為平端面，并與待加工的鋼質(zhì)部件表面相接觸。各圓環(huán)凹槽的寬度相等。每個圓環(huán)凹槽的深度與該圓環(huán)凹槽的寬度之比為1:4。所述的圓環(huán)凹槽共設有2個，分別為內(nèi)圓環(huán)凹槽和外圓環(huán)凹槽。所述的內(nèi)圓環(huán)凹槽的內(nèi)徑寬度與該平端面的半徑之比為1:5。所述的內(nèi)圓環(huán)凹槽的外徑與平端面的半徑之比為2:5。。所述的外圓環(huán)凹槽的內(nèi)徑與平端面的半徑之比為3:5。所述的外圓環(huán)凹槽的外徑與平端面的半徑之比為4:5。所述的球端面的直徑與平端面的直徑之比為1:1。所述的球端面的弧面直徑與平端面的直徑之比為25:4所述的正電極、負電極遠離待加工部件的一端均為圓柱體結(jié)構(gòu)。優(yōu)選的，所述的平端面的直徑與負電極的直徑之比為2:5。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下特點：1)正電極的端面采用呈同心圓布設、半徑不同的雙圓環(huán)凹槽，改善了鋼、鋁兩側(cè)的熱量分布，獲得了成型較好的熔核，圓環(huán)凹槽的設計降低了界面區(qū)高溫停留時間或反應時間，從而降低了原子擴散程度，降低IMC的生長速度，有利于抑制IMC的生成，獲得的IMC最大厚度小于2μm；2)正電極圓心處的中心圓臺的設計使整個電極端面內(nèi)部能夠刺入鋁質(zhì)部件或鋁合金部件內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，破壞鋁板表面氧化層的產(chǎn)生，有利于降低電極和鋁材之間的接觸電阻，減少該位置熱量產(chǎn)生，并且使電流密度更為均勻，同時凹槽的設計改善焊接接頭應力集中，避免內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生，使接頭質(zhì)量穩(wěn)定；3)采用本發(fā)明電極系統(tǒng)所獲的鋁合金-鍍鋅鋼電阻點焊接頭，不但提高了接頭強度，還改善了接頭界面結(jié)構(gòu)和結(jié)合形式，有利于產(chǎn)生紐扣斷裂的失效模式；4)無需額外添加工藝墊片或中間過渡層輔助焊接，有利于提高點焊效率和焊接生產(chǎn)自動化程度，并達到輕量化的要求，經(jīng)濟實用，適于工業(yè)化推廣。附圖說明圖1為本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明正電極、負電極端面局部結(jié)構(gòu)放大示意圖；圖3為本發(fā)明正電極端面尺寸放大示意圖；圖4為傳統(tǒng)正電極采用球電極點焊接頭全貌(50倍金相)圖譜；圖5為本發(fā)明電極系統(tǒng)點焊接頭全貌(50倍金相)圖譜；圖6為傳統(tǒng)正電極采用球電極點焊接頭IMC形貌(2000倍SEM)；圖7為本發(fā)明電極系統(tǒng)點焊接頭IMC形貌(2000倍SEM)；圖8為傳統(tǒng)正電極系統(tǒng)點焊拉剪試樣界面斷裂形貌；圖9為本發(fā)明電極系統(tǒng)點焊拉剪試樣紐扣斷裂形貌圖；圖10為采用不同電極系統(tǒng)點焊試樣的力-位移曲線；圖中標記說明：1—待加工的鋼質(zhì)部件、2—待加工的鋁質(zhì)部件、3—負電極、4—正電極、5—熔核、6—中心圓臺、7—內(nèi)圓環(huán)凹槽、8—外圓環(huán)凹槽、9—平端面、10—球端面。具體實施方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。如圖1、2、3所示，用于改善鋼鋁異種金屬電阻點焊接頭性能的電極系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一對相對設置且具有不同端面結(jié)構(gòu)的正電極4和負電極3，正電極4的端面為球端面10，并與待加工的鋁質(zhì)部件2表面相接觸，球端面10上開設有2個呈同心圓布設、半徑不同的圓環(huán)凹槽，分別為內(nèi)圓環(huán)凹槽7和外圓環(huán)凹槽8，負電極3的端面為平端面9，并與待加工的鋼質(zhì)部件1表面相接觸。本實施例中，內(nèi)圓環(huán)凹槽7和外圓環(huán)凹槽8的寬度相等，并且圓環(huán)凹槽的深度與其寬度之比為1:4。正電極4、負電極3遠離待加工部件的一端均為圓柱體結(jié)構(gòu)。平端面9的直徑與負電極3的直徑之比為2:5。正電極4的球端面10開設有兩個圓環(huán)凹槽。外圓環(huán)凹槽8距離正電極4的中軸線的距離與平端面9的半徑之比為7:10，內(nèi)圓環(huán)凹槽7距離正電極4的中軸線的距離與平端面9的半徑之比為3:10，圓環(huán)凹槽的寬度與中心圓臺6的直徑之比為1:2。實際使用時，正電極4的端面接觸待加工的鋁質(zhì)部件2表面，負電極3接觸待加工的鋼質(zhì)部件1表面，產(chǎn)生較小的壓痕；此時，開始點焊過程，隨著熱輸入的增加，鋁質(zhì)部件(材質(zhì)可以為鋁合金)逐步升溫，并開始熔化，而鋼質(zhì)部件(鍍鋅高強鋼板件)仍然保持固態(tài)。點焊接頭是通過液態(tài)鋁在鋼表面潤濕鋪展作用而形成的。接頭主要由鋁合金熔核和熱影響區(qū)組成，鋁合金與鍍鋅鋼之間存在明顯的界面，即金屬間化合物。相對于正電極4采用傳統(tǒng)的球電極而言，采用本實施例改進后的環(huán)電極，獲得的熔核5直徑變大，電流密度更均勻，有利于減少球電極容易產(chǎn)生的氣孔等缺陷。傳統(tǒng)正電極采用不帶圓環(huán)凹槽的球電極點焊接頭全貌(50倍金相)圖譜如圖4所示，有明顯雙熔核。雙熔核的現(xiàn)象具體來說，是在進行點焊時直接大量的熱輸入鋁板后，由于鋁的導熱性能優(yōu)于鋼，熱量更容易向鋁側(cè)傳導形成熔核偏移。隨著焊接時間的延長，鋁側(cè)金屬熔化以及鋼側(cè)金屬不斷軟化，使得接觸面積迅速增大。在整個過程中，焊接區(qū)的溫度越來越高，熔化金屬越來越多，雙熔核體積也漸漸增大。當焊接區(qū)鋼側(cè)溫度超過其熔點時，由于最高溫度區(qū)域并非出現(xiàn)在鋼鋁接觸界面而是在鋼側(cè)內(nèi)部，這就形成了嚴重的熔核偏移并形成焊接接頭雙熔核。傳統(tǒng)正電極采用不帶圓環(huán)凹槽的球電極點焊后，熔核5的鋁側(cè)熔核延伸到接近鋁表面，這對電極壽命極為不利。焊接過程后期，電極的尺寸及其強烈的散熱效果限制了熔核5的進一步擴展，焊接電流結(jié)束后熔核開始凝固，凝固順序是先邊緣后中心。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實施例的電極系統(tǒng)點焊接頭全貌(50倍金相)圖譜如圖5所示。圖中可以清晰看見改進電極留下的凹痕，該凹痕將使鋼鋁異種金屬點焊接頭熱影響區(qū)域的電流密度更為均勻，減少鋼鋁界面反應的不利影響，同時熔核5鋁側(cè)熔核集中在界面一定深度處，但表面溫度較低，減弱電極的合金化反應，可提高電極壽命。由于本實施例的電極系統(tǒng)初始接觸面積較小，電流密度更為集中，最終的熱輸入量更大，形成的熔核5直徑更大，焊透率更大，力學性能更為優(yōu)異。以下是更加具體的實施方式：實施例1：用于改善鋼鋁異種金屬點焊接頭性能的電極系統(tǒng)，其中正電極為環(huán)電極，負電極為平電極，它們總體形貌為圓柱狀結(jié)構(gòu)，端面直徑平電極的電極端面為平端面，環(huán)電極端面有一個外側(cè)的圓環(huán)凹槽與一個內(nèi)側(cè)的圓形凹槽。點焊電極直徑為20mm，球面直徑為50mm。在平端面距離軸心為和處位置各有深度為200um、寬度為0.8mm的環(huán)形凹槽。中心圓臺6的直徑點焊時正電極接觸鋁板件表面，負電極接觸高強鋼表面，產(chǎn)生較小的壓痕，此時開始點焊過程，隨著熱輸入的增加，鋁合金開始逐步升溫先熔化，而鋼仍然保持固態(tài)。點焊接頭通過液態(tài)鋁在鋼表面潤濕鋪展作用而形成。接頭主要由鋁合金熔核和熱影響區(qū)組成，鋁合金與鍍鋅鋼之間存在著明顯的界面，即金屬間化合物。正電極4采用本專利設計環(huán)電極，負電極3采用平端面電極，點焊1.2mm6061鋁合金+1.2mm鍍鋅雙相鋼，焊后熔核5直徑達到7.4mm，用改進后的環(huán)電極焊接，熔核5直徑變大，因為電流密度更均勻，減少球端面電極容易產(chǎn)生氣孔等缺陷的出現(xiàn)。圖6所示，本實例環(huán)電極焊接接頭IMC由靠近鋼側(cè)的較為均勻舌狀鐵鋁化合物和靠近鋁側(cè)的針狀化合物組成。其最大厚度小于2μm。實施例2：同實施例1，所不同的是正電極4采用傳統(tǒng)球電極，負電極3采用平端面電極，點焊1.2mm6061鋁合金+1.2mm鍍鋅雙相鋼，其同樣熱輸入量焊后的熔核5直徑達到6.9mm，相對于對比例1的環(huán)電極而言，熔核5中心產(chǎn)生了較多氣孔缺陷。圖7所示，球電極焊接的接頭IMC由靠近鋼側(cè)非均勻的鐵鋁化合物和靠近鋁側(cè)的針狀化合物組成。其厚度小于3μm。實施例3：同實施例2，正電極4采用傳統(tǒng)球電極，負電極3采用平端面電極，點焊1.2mm6061鋁合金+1.2mm鍍鋅雙相鋼，調(diào)整焊接參數(shù)獲得同實施例1相同的熔核直徑。表1為利用傳統(tǒng)球電極、本發(fā)明球端面帶有圓環(huán)凹槽電極得到的接頭拉剪性能(N)和斷裂模式對比(表1中數(shù)據(jù)為多次試驗的均值)。表1拉剪性能(N)、斷裂模式對比熔核直徑(mm)拉剪性能(N)斷裂模式球電極7.44647界面斷裂環(huán)電極7.45270紐扣斷裂如表1所示，在相同熔核直徑下，球電極的拉剪強度為4647N，斷裂形式均為界面斷裂(圖8所示)；環(huán)電極的拉剪強度為5270N，接頭強度高，且斷裂形式均為紐扣斷裂(圖9所示)。這是因為環(huán)電極使結(jié)合面的熱量分布更合理，IMC厚度小于2μm，提高了界面結(jié)合力，從而形成紐扣狀斷裂。如圖10所示，采用環(huán)電極獲得的點焊熔核的斷裂能量吸收能力也優(yōu)于球電極。另外，凹槽的設計使電流密度更均勻，降低了在球端面電極中容易產(chǎn)生的氣孔等缺陷的出現(xiàn)概率，從而拉剪性能比傳統(tǒng)球電極提升了13.41％。當前第1頁1 2 3