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CN111230278A - 一种超声波辅助胶接点焊方法 - Google Patents

一种超声波辅助胶接点焊方法 Download PDF

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CN111230278A CN202010120156.9A CN202010120156A CN111230278A CN 111230278 A CN111230278 A CN 111230278A CN 202010120156 A CN202010120156 A CN 202010120156A CN 111230278 A CN111230278 A CN 111230278A
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李铭锋
王艳俊
杨上陆
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Abstract

本发明公开了一种超声波辅助胶接点焊方法，该方法结合超声波焊接的基本原理，利用其高频的机械振动能，辅助电阻点焊进行透胶胶接点焊：将胶层均匀涂敷在搭接的工件之间，首先于目标焊接位置施加适当压力排挤大部分胶，然后对工件施加高频率的超声振动能，彻底驱除焊点区域中的的胶粘剂，使待焊工件的焊点之间获得纯净的金属接触，然后在此区域进行电阻点焊焊接。本发明在高频率的超声波振动辅助下，彻底清除焊点区域残留的胶粘剂，改善板材之间的接触状态，降低了工件之间的接触电阻，均匀了焊点区域的电流密度，减少了传统透胶胶接点焊时容易产生严重的气孔、飞溅等问题，提高胶接点焊焊缝的质量，克服了胶接点焊的接头力学性能不稳定的问题。

Description

一种超声波辅助胶接点焊方法
技术领域
本发明属于胶接点焊的技术领域，具体涉及一种超声波辅助胶接点焊方法。
背景技术
由于电阻点焊的效率高、连接可靠，且易于实现自动化和机械化，目前在汽车领域中是最主要的先进连接技术。虽然电阻点焊的接头具有强度高，性能稳定等优点，但是在焊点边缘存在应力集中、疲劳性能差和接头容易出现应力腐蚀等问题。随着新一代高强钢的推广和应用以及先进铝合金在车上应用日益增加，要获得更高力学性能的接头，提高接头质量的稳定性和可靠性，除了从优化电阻点焊工艺参数入手外，胶接点焊技术的应用能极大地提升接头的连接性能。
胶接点焊是结合胶接和电阻点焊的复合连接技术，胶接点焊能消除焊点周围的应力集中，提升接头的疲劳性能和抗震性能，同时实现密封性能避免焊缝腐蚀问题。目前胶接点焊技术分为三种：其一，毛细作用胶接点焊(先点焊后灌胶)，这种工艺要求比较高，制造较困难；其二，胶膜法，胶膜法是采用预留有焊点孔的胶膜置于材料之间，然后在预留孔部位进行电阻点焊焊接，最后再固化胶膜，但目前胶膜的质量和性能都较差因而使用较少；其三，透胶胶接点焊(先涂胶后点焊)，这种方法是采用具有一定粘度的胶涂敷在板材之间，然后电阻点焊通过电极压力挤压出焊点区域的胶后再进行焊接，即透过胶层焊接，这种方法简单可靠，易于实现自动化和提高生产效率，因此在汽车制造中有望得到广泛应用的方法。
透胶胶接点焊能极大提升接头性能同时，也存在巨大的挑战，由于工件表面状态不一样，比如镀锌层、镀Al-Si涂层和形成厚的氧化膜等，表面存在一定的粗糙度，而胶接点焊时，由于胶层的加入，进一步复杂了工件之间的接触状态，在焊接时导致局部接触的区域电流密度特别大(如图2所示)，工件界面加热极其不均匀，容易出现飞溅，形核质量不稳定等问题；特别是对铝合金进行胶接点焊时，其挑战就显得更为严峻。由于铝合金表面本身就存在绝缘、高硬度、熔点(2054℃)高且致密的厚度约为0.1μm的氧化膜，增大工件/工件和工件/电极的接触电阻。在硬规范下焊接，接触面产热量较大。在工件/工件和工件/电极间接触面上容易造成飞溅，飞溅的带走部分热量和熔化金属，严重影响熔核直径，对焊点质量极为不利；同时工件/电极之间的由于高温的作用，导致铝铜合金化，随着焊点的增多电极表面出现铝粘连严重，降低了电极帽的使用寿命。而氧化膜中也存在的气体的水分，焊接时容易导致焊点中形成裂纹和气孔等缺陷。
铝合金进行胶接点焊时，由于板材表面存在一定的粗糙度，而且胶粘剂具有一定的粘稠性，在焊接前通过预压力把绝大部分的胶排除出焊点外，但压力作用下无法完全排除干净焊点区域的胶，残留在焊点中的胶的量以及分布的位置具有随机性，进一步增大了板材之间的接触电阻，胶层较厚的区域具有绝缘性，只有金属接触的区域才具有足够小的电阻让电流通过。当焊接时焊点区域间电流密度和产热量及其不均匀，极其容易导致严重的飞溅产生；同时焊点中的胶受高温碳化和气化，碳化的胶残留在熔核中会引起熔核疏松，而产生大量的气体由熔核中喷出，破坏了熔核以及熔核周围胶层的完整性，降低接头的质量和稳定性。目前有一些文献报道，通过采用大的电极压力，配合预热、缓升电流或不同脉冲电流等工艺参数应对残留在焊点区域之间的胶，虽然在一定程度上有所改善胶接点焊接头质量，但尚不能完全避免残留的胶对于焊接质量带来的不利影响，而且这些方法均存在工艺复杂，成本高，质量不稳定的缺点，特别是在铝合金胶接点焊过程中，这种挑战显得更为严峻；同时单纯通过改变焊接参数方法提高胶接点焊中熔核质量和连接性能，优化好的参数只对特定电极帽和特定材料及板厚有效，而对采用不同形貌和尺寸的电极帽焊接时此工艺参数不具有普适作用。
发明内容
为了解决上述胶接点焊中的技术难题，本发明提供了一种超声波辅助胶接点焊方法，基于超声波焊接基本原理以及胶接点焊两种先进连接技术，提出了利用超声波产生的高频机械振动能驱除板材之间的残留胶层，达到接触的板材之间无残留胶层影响的效果；此外高频的机械能作用下，同时清除表面镀层、涂层和残留的污渍等，进而实现完全由纯净的金属接触的目的，最大化减低残留的胶对后期点焊产生的影响，同时能均匀了板材之间的接触电阻，为点焊创造最佳的焊接条件。
基于以上目的，本发明提出了一种超声波辅助胶接点焊方法，其方案如下：
A、涂胶：在工件之间均匀涂覆胶层；
B、搭接：将涂覆好胶层的工件进行搭接，保证胶层达到设计的厚度；
C、超声波高频振动驱除胶层：选择合适的压力，在超声波启动之前设置合适的预压时间，在压力作用下驱除待焊部位的大部分胶层，然后启动超声波系统，对目标焊点区域施加一定时间的高频机械振动能进而彻底驱除的工件之间的胶层，使工件接触面之间直接接触；
D、电阻点焊：对超声振动作用后的目标焊点区域进行电阻点焊；
E、胶层固化：对工件在规定温度下进行保温处理。
进一步的，重复上述B-D步骤，获得一系列的焊点。
进一步的，所述胶层包括单组分胶、双组分胶或反应型胶中的一种或多种。
进一步的，所述涂胶采用涂胶机器人及胶枪通过运行设定好的程序，机器人和胶枪在相应的路径运动，胶枪控制挤压出特定量的胶粘剂而将胶层均匀涂覆在工件连接区域。
进一步的，所述胶层的层数为单层或多层。
进一步的，所述胶层的厚度为0.1～1mm。
进一步的，所述工件材质为能进行电阻点焊焊接的金属材料。
进一步的，所述工件材质为钢材、铝合金、镁合金和钛合金中的同种或异种。
更进一步的，所述钢材包括低碳钢、低合金高强钢、高强钢、先进高强钢、中的同种或异种。
进一步的，所述搭接的工件层数≥两层。
进一步的，所述压力大小为2000-10000N。
更进一步的，所述压力大小为3000N-5000N。
进一步的，所述预压时间为50-1000ms。
更进一步的，所述预压时间为50ms-500ms。
进一步的，所述的超声波频率大小为10-75kHz，超声波振幅选用范围为5-30μm，超声波作用时间为50-1000ms。
进一步的，所述超声波振动能量由切向方向(垂直于工件厚度方向)传递到工件之间
进一步的，所述超声波振动能量由纵向方向(平行于工件厚度方向)传递到工件之间。
进一步的，所述的电阻点焊过程为采用气缸或伺服电机等驱动电极移动，对分离的工件施加压力，然后电流从电极的流经板材之间由于存在接触电阻的而产生焦耳热，当热量足够大时而导致金属熔化，停止通电后通过电极的冷却和保压等作用下，熔融的金属凝固成完整的熔核。
进一步的，所述胶层固化过程，温度范围为100-300℃，保温时间为10-40min。
本发明的有益的效果是，与现有的透胶胶接点焊技术相比，具有以下的优势：
1、对点焊区域在焊接前施加高频机械振动能，几乎完全驱除残留在板材之间的胶粘剂，避免了残留的胶对电阻点焊带来不利的影响，避免了胶接点焊容易产生飞溅、气体以及熔核质量差的问题，保证了接头性能的稳定性和可靠性。
2、高频的超声振动能量作用下，还能破除表面油脂、杂质和镀层等，提升板材之间真实的物理接触点，能有效增大接触面积，进而获得更均匀的接触电阻，不仅提高了点焊的焊接质量以及电极帽的寿命，还能提升点焊的效率，充分利用电能，实现节约电能等效果。
附图说明
图1为本发明的技术方案示意图。
图2为现有技术中胶接点焊时微观电流密度分布示意图。
图3为超声波高频机械振动驱除胶层示意图。
图4为电阻点焊形核示意图。
图中：1.胶枪，2.胶层，3.工件，4.上声极，5.下声极，6.上电极，7.熔核，8.下电极，9.电流密度矢量，10.镀层
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优势变得更好地被理解，以下结合附图，对本发明进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用来解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
选用厚度为2mm的汽车用5754铝合金板材，对板材表面采用抹布进行均匀化除油污处理；选用汽车用的单组分热固化环氧树脂胶进行胶接，胶层厚度控制在0.2～0.3mm之间。
具体步骤为(如图1所示):
A、涂胶：首先应用涂胶机器人运行设定好的程序，使得胶枪1在工件3表面目标连接区域均匀涂覆单组分热固化环氧树脂胶胶层2。
B、搭接：然后拼接成两层板的搭接接头，并采用特定的夹具进行工件的固定，使胶层厚度控制在0.2～0.3mm之间。
C、超声波高频振动驱除胶层：运用具有集成超声波辅助系统的电阻点焊的焊钳对搭接好的目标焊点区域进行超声辅助胶接点焊；首先启动设定好的程序使下声极5靠近工件3上目标焊点区域，接着启动焊钳的伺服电机机构使上声极4下压，对板材施加合适的例如4000N的压力F1，设置预压时间为150ms，使板材之间绝大部分的胶被挤压出焊点区域之外；由于板材表面存在粗糙度，并且胶粘剂具有一定的粘性，界面之间会残留胶层降低了两板材表面直接接触面积(如图3所示)，启功超声波发生系统，调节适当的超声振动频率、振幅以及作用时间(例如超声波振动频率为15kHz，振幅为15μm，作用时间为200ms)，超声波系统将电能转换成高频机械振动能，通过上声极4传递到铝板之间，振动能量由切向方向传递到工件之间。在压力和切向振动作用下，板材之间形成一个摩擦过程，随着微区点的相互接触扩散到面接触，表面残留的胶以及表面的杂质将会被排挤出焊点区域(如图3中t1，t2状态)，使纯净的金属裸露出来相互接触(如图3中的t3状态)。
D、电阻点焊：超声辅助处理完成后，启动程序移开超声波上声极4和下声极5，接着将电阻点焊的焊钳移动到超声处理过的焊点区域，启动焊接程序，将上电极6和下电极8夹紧在目标焊点区域进行通电焊接，例如焊接时预压时间100ms，焊接时间为150ms，焊接电流为30kA，焊接压力F2为4500N，维持时间100ms进行焊接，经过超声辅助驱除胶层后，工件之间的接触电阻降到合适范围内，接触面积增大而获得均匀的电流密度(如图4中t4状态所示)，避免了由于工件之间由于残留较多且厚的胶层而导致电流密度分布不均匀(如图2所示)的问题；随着产热量增加熔核快速扩大，最终获得质量稳定的熔核(7)(如图4中t6状态所示)。
重复上述B-D过程，可获得一系列焊点。
E、胶层固化：最后对连接的工件进行等温固化，将焊接完成的接头进行等温处理，温度为170℃，固化时间为25min，最终获得优质可靠的胶接点焊连接接头。
实施例2
选用厚度为1mm的汽车用HRDP600镀锌钢，对工件3表面采用抹布进行均匀化除油污处理；选用汽车用的单组分热固化环氧树脂胶进行胶接，控制胶层厚度约为0.2mm。
具体步骤为：
A、涂胶：首先应用涂胶机器人运行设定好的程序，使得胶枪1在铝板材3表面目标连接区域均匀涂覆单组分热固化环氧树脂胶胶层2。
B、搭接：然后拼接成两层板的搭接接头，并采用特定的夹具进行工件的固定，控制胶层厚度约为0.2mm。
C、超声波高频振动驱除胶层：运用具有集成超声波辅助系统的电阻点焊的焊钳对搭接好的目标焊点区域进行超声辅助胶接点焊。首先启动设定好的程序使下声极5靠近工件3上目标焊点区域，接着启动焊钳的伺服电机机构使上声极4下压，对板材施加合适的例如3000N的压力F1，设置预压时间为100ms，使板材之间绝大部分的胶被挤压出焊点区域之外；由于板材表面存在粗糙度，并且胶粘剂具有一定的粘性，界面之间会残留胶层降低了两板材表面直接接触面积。启功超声波发生系统，调节适当的超声振动频率、振幅以及作用时间(例如超声波振动频率为15kHz，振幅为15μm，作用时间为120ms)，超声波系统将电能转换成高频机械振动能，通过上声极4传递到镀锌板之间，振动能量由切向方向传递到工件之间。在压力和切向振动作用下，板材之间形成一个摩擦过程，随着微区点的相互接触扩散到面接触，表面残留的胶以及表面的杂质将会被排挤出焊点区域，使纯净的金属裸露出来相互接触。
D、电阻点焊：超声辅助处理完成后，启动程序移开超声波上声极4和下声极5，接着将电阻点焊的焊钳移动到超声处理过的焊点区域，启动焊接程序，将上电极6和下电极8夹紧在目标焊点区域进行通电焊接，例如焊接时预压时间100ms，焊接时间为300ms，电流为9.5kA进行焊接，焊接压力F2为3200N，维持时间90ms，经过超声辅助驱除胶层后，不仅清除工件间的残留的胶层，同时清理了焊点区域的镀锌层，接触面积增大而获得均匀的电流密度(如图4中t4状态所示)，避免了由于工件之间由于残留较多且厚的胶层而导致电流密度分布不均匀(如图2所示)的问题；随着产热量增加熔核快速扩大，最终获得质量稳定的熔核(7)(如图4中t6状态所示)，超声波辅助同时避免了锌层融入熔核中，防止了锌及锌铁合金在熔核结晶过程中导致的气孔、裂纹及软化组织等问题。
重复上述B-D过程，可获得一系列焊点。
E、胶层固化：最后对连接的工件进行等温固化，将焊接完成的接头进行等温处理，温度为170℃，固化时间为25min，最终获得优质可靠的胶接点焊连接接头。
上述实施例中，超声波系统可以集成到电阻点焊焊枪中，超声波声极即是电阻点焊的焊极；或者超声波系统与电阻点焊焊枪独立存在而集成到同个机构上，即超声波声极和电阻点焊焊极独立存在。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明方法的前提下，可以进行若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种超声波辅助胶接点焊方法，其特征在于，包含以下步骤：
A、涂胶：在工件之间均匀涂覆胶层；
B、搭接：将涂覆好胶层的工件进行搭接，保证胶层达到设计的厚度；
C、超声波高频振动驱除胶层：选择合适的压力，在超声波启动之前设置合适的预压时间，在压力作用下驱除待焊部位的大部分胶层，然后启动超声波系统，对目标焊点区域施加一定时间的高频机械振动能进而彻底驱除的工件之间的胶层，使工件接触面之间直接接触；
D、电阻点焊：对超声振动作用后的目标焊点区域进行电阻点焊；
E、胶层固化：对工件在规定温度下进行保温处理。
2.根据权利要求1所述的一种超声波辅助胶接点焊方法，其特征在于：所述胶层包括单组分胶、双组分胶或反应型胶中的一种或多种。
3.根据权利要求2所述的一种超声波辅助胶接点焊方法，其特征在于：胶层的层数为单层或多层。
4.根据权利要求1所述的一种超声波辅助胶接点焊方法，其特征在于：所述工件材质为钢材、铝合金、镁合金和钛合金中的同种或异种。
5.根据权利要求4所述的一种超声波辅助胶接点焊方法，其特征在于：所述搭接的工件层数≥两层。
6.根据权利要求1所述的一种超声波辅助胶接点焊方法，其特征在于：所述压力大小为2000-10000N，预压时间为50-1000ms。
7.根据权利要求1所述的一种超声波辅助胶接点焊方法，其特征在于：所述的超声波频率大小为10-75kHz，超声波振幅选用范围为5-30μm。
8.根据权利要求7所述的一种超声波辅助胶接点焊方法，其特征在于：超声波振动能量由切向方向(垂直于工件厚度方向)传递到工件之间。
9.根据权利要求7所述的一种超声波辅助胶接点焊方法，其特征在于：超声波振动能量由纵向方向(平行于工件厚度方向)传递到工件之间。
10.根据权利要求1所述的一种超声波辅助胶接点焊方法，其特征在于：所述胶层固化过程，温度范围为100-300℃，保温时间为10-40min。
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