本發(fā)明屬于薄板結(jié)構(gòu)連接技術領域，具體的說，是涉及一種使板材產(chǎn)生機械自鎖與冶金連接的金屬薄板連接工藝。

背景技術：

通過合理設計，使不同種類、強度級別的輕合金、鋼材等應用于車身不同部位處，可以實現(xiàn)車身輕量化，減少燃料消耗及尾氣排放。

采用電阻點焊連接鋁鋼異種材料，必然在鋁/鋼界面處產(chǎn)生較厚的金屬間化合物層，破壞接頭力學性能。采用自沖鉚接連接鋁鋼異種材料，由于母材力學性能差異較大，容易產(chǎn)生開裂、空穴等工藝缺陷；此外，自沖鉚接工藝采用鋼制鉚釘，若從鋁合金側(cè)工件壓入鉚釘，則在后續(xù)使用過程中形成原電池，使局部發(fā)生嚴重的電化學腐蝕；而且鋼制鉚釘與鋁合金硬度差異較大，使得接頭在承受外部載荷時變形容易集中于鉚釘/鋁合金界面處，使得接頭在較低外部載荷作用下破壞、韌性差。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術問題在于提供一種金屬板材咬焊復合連接裝置與方法，能夠使板材產(chǎn)生機械自鎖與冶金連接，從而提高低熔點金屬與高熔點金屬異種材料的連接質(zhì)量。

為了解決上述技術問題，本發(fā)明通過以下的技術方案予以實現(xiàn)：

一種金屬板材咬焊復合連接裝置，包括位于上部金屬板材上方的加壓桿和位于下部金屬板材下方的凹模，所述加壓桿和所述凹模同軸設置，所述加壓桿連接于伺服加壓裝置和電源，所述凹模均連接于所述電源；所述加壓桿與所述上部金屬板材之間設置有壓緊塊，所述壓緊塊為實心圓柱體金屬物，用于使不同熔點的所述上部金屬板材和所述下部金屬板材之間形成機械自鎖。

優(yōu)選地，所述壓緊塊與所述上部金屬板材的化學成分相同或相近，其中相近是指兩者的化學成分對照表中各元素的重量百分含量差異小于等于5％。

優(yōu)選地，所述電源能夠提供直流輸出電流和脈沖輸出電流。

優(yōu)選地，所述上部金屬板材的熔點小于所述下部金屬板材。

優(yōu)選地，所述上部金屬板材和所述下部金屬板材之間涂敷有高分子結(jié)構(gòu)膠。

優(yōu)選地，所述高分子結(jié)構(gòu)膠為環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠或聚醚醚酮結(jié)構(gòu)膠。

一種利用上述金屬板材咬焊復合連接裝置的金屬板材咬焊復合連接方法，包括如下步驟：

(1)準備階段：

所述壓緊塊、所述上部金屬板材、所述下部金屬板材由上到下依次放置于所述凹模上，所述加壓桿位于初始位置；

(2)咬接階段：

所述伺服加壓裝置驅(qū)動所述加壓桿向下移動，使所述加壓桿、所述壓緊塊、所述上部金屬板材、所述下部金屬板材以及所述凹?；ハ嘟佑|；然后所述電源通過所述加壓桿和所述凹模向所述壓緊塊、所述上部金屬板材、所述下部金屬板材組成的回路施加高頻直流脈沖電流，同時所述加壓桿繼續(xù)下壓，使得所述壓緊塊與所述上部金屬板材咬合、所述上部金屬板材與所述下部金屬板材咬合而形成機械自鎖；

(3)焊接階段：

所述電源停止施加高頻直流脈沖電流，所述加壓桿繼續(xù)保持對所述壓緊塊、所述上部金屬板材、所述下部金屬板材施加的壓力，并且所述電源通過所述加壓桿和所述凹模向?qū)Ρ贿B接區(qū)域施加直流電流，使所述壓緊塊與所述上部金屬板材局部熔合以形成共同熔池；所述電源停止施加直流電流，在自然冷卻過程中該共同熔池與所述下部金屬板材通過在界面處形成金屬間化合物薄層而完成冶金連接；最終使所述上部金屬板材和所述下部金屬板材形成“冶金-機械”復合連接接頭；

(4)分離階段：

所述電源停止通電，隨后所述加壓桿上移，回到步驟(1)的初始位置，為下一連接循環(huán)做好準備。

優(yōu)選地，步驟(1)中，所述上部金屬板材和所述下部金屬板材之間有涂敷高分子結(jié)構(gòu)膠；步驟(4)后，對連接后的所述上部金屬板材、所述下部金屬板材進行烘烤，使得所述高分子結(jié)構(gòu)膠發(fā)生固化。

優(yōu)選地，

所述烘烤溫度為150攝氏度，烘烤時間為半小時。

優(yōu)選地，步驟(2)中，所述高頻直流脈沖電流的峰值為0.5～4ka，頻率范圍為50～5000hz；所述加壓桿的加載速度為1～500mm/s；所述加壓桿施加的壓力為10kn～30kn；步驟(3)中，所述直流電流為2～20ka，所述加壓桿施加的壓力為10kn～30kn。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明的金屬板材咬焊復合連接裝置和方法，利用電致塑性效應使被連接金屬板材發(fā)生有效軟化，使填充材料更容易地壓入金屬板材被連接區(qū)域，壓緊塊、兩被連接金屬板材之間互相發(fā)生咬合形成機械自鎖；采用與一側(cè)被連接金屬板材化學成分相同或相近的材料做為壓緊塊，有利于減小異種金屬界面處化合物層厚度，最終提高接頭的力學性能；由于壓緊塊的化學成分與被連接金屬板材接近，并配合在兩被連接金屬板材貼合部位涂覆高分子結(jié)構(gòu)膠，避免接頭在后續(xù)服役過程中形成原電池，即避免了電化學腐蝕。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所提供的金屬板材咬焊復合連接裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明所提供的金屬板材咬焊復合連接方法過程示意圖；

其中，(a)為準備階段；(b)為咬接階段；(c)為焊接階段；(d)為分離階段。

圖中：1、加壓桿；2、壓緊塊；3、上部金屬板材；4、下部金屬板材；5、凹模。

圖3是本發(fā)明所提供的實施例中各構(gòu)件的實際尺寸示意圖；

圖4是被連接工件局部截面的10倍放大體式顯微鏡照片。

具體實施方式

為能進一步了解本發(fā)明的發(fā)明內(nèi)容、特點及效果，茲例舉以下實施例，并配合附圖詳細說明如下：

如圖1所示，本實施例公開了一種金屬板材咬焊復合連接裝置，主要包括加壓桿1、壓緊塊2、上部金屬板材3、下部金屬板材4、凹模5。

被連接的上部金屬板材3和下部金屬板材4由不同熔點的金屬材料制成，可以為鋁合金、鎂合金、銅合金、低碳鋼、高強鋼等材料。利用本發(fā)明的裝置和方法連接時，以上部金屬板材3的熔點小于下部金屬板材4為佳，這樣在后續(xù)通電焊接階段壓緊塊2與上部金屬板材3熔化，而同時下部金屬板材4保持固態(tài)。上部金屬板材3和下部金屬板材4之間還可以在連接之前涂敷高分子結(jié)構(gòu)膠，從而將化學成分不同的上部金屬板材3和下部金屬板材4隔開，避免在后續(xù)使用過程中形成原電池而造成電化學腐蝕；可選用的高分子結(jié)構(gòu)膠包括環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠和聚醚醚酮結(jié)構(gòu)膠等。

加壓桿1位于上部金屬板材3上方，加壓桿1與伺服加壓裝置和電源分別連接，集加壓與電阻點焊電極功能一體化。電源可對加壓桿1提供直流輸出電流和脈沖輸出電流，根據(jù)具體工序切換使用。

凹模5位于下部金屬板材4下方，與加壓桿1同軸設置。凹模5與電源連接，電源可對凹模5提供直流輸出電流和脈沖輸出電流，根據(jù)具體工序切換使用。

壓緊塊2設置于加壓桿1和上部金屬板材3之間，可以連接于加壓桿1下方或者放置于上部金屬板材3上方。壓緊塊2為實心圓柱體金屬物，用于壓入上部金屬板材3并將上部金屬板材3部分壓入下部金屬板材4，從而使上部金屬板材3和下部金屬板材4之間形成機械自鎖。壓緊塊2應當與上部金屬板材3的化學成分相同或相近，其中化學成分相同是指兩者的化學成分對照表中各元素組成和重量百分含量完全一致，化學成分相近是指兩者的化學成分對照表中各元素的組成相同或不同時，各元素的重量百分含量差異小于等于5％。

加壓桿1、壓緊塊2、凹模5的尺寸應滿足能夠形成機械自鎖的要求，該要求在模具領域?qū)儆诂F(xiàn)有技術，此處不再贅述。如圖3所示，本實施例中，加壓桿1為圓柱體結(jié)構(gòu)，其直徑為20mm，高度為50mm，其端面為半徑50mm的球面；壓緊塊2為實心圓柱體結(jié)構(gòu)，直徑為6mm，高度為2mm；凹模5中心處含有凹槽，凹槽深度為2mm，凹槽內(nèi)部還含有半徑為0.5mm的溝槽。

如圖2所示，利用上述金屬板材咬焊復合連接裝置的金屬板材咬焊復合連接方法，其具體操作步驟如下：

壓緊塊2的材質(zhì)為5052鋁合金板材，上部金屬板材3為5052鋁合金板材(厚度1.5mm)，下部金屬板材4為dqsk碳鋼板材(厚度0.8mm)。

(1)準備階段：

壓緊塊2、上部金屬板材3、下部金屬板材4由上到下依次放置于凹模5上，加壓桿1位于初始位置，與凹模5之間存在放置壓緊塊2、上部金屬板材3和下部金屬板材4的間隙；

其中，可以在放置前在上部金屬板材3和下部金屬板材4之間涂敷高分子結(jié)構(gòu)膠。

(2)咬接階段：

伺服加壓裝置驅(qū)動加壓桿1向下移動，使加壓桿1、壓緊塊2、上部金屬板材3、下部金屬板材4以及凹模5互相接觸；

然后電源通過加壓桿1和凹模5向壓緊塊2、上部金屬板材3、下部金屬板材4組成的回路施加高頻直流脈沖電流，高頻直流脈沖電流的峰值為2ka，頻率范圍為2000hz，通電時間為200ms；

同時加壓桿以50mm/s的加載速度、20kn的壓力繼續(xù)下壓，加壓時間為200ms，將壓緊塊2壓入上部金屬板材3和下部金屬板材4，使得壓緊塊2與上部金屬板材3咬合、上部金屬板材3與下部金屬板材4咬合而形成機械自鎖；

由此，壓緊塊2與上部金屬板材3、下部金屬板材4產(chǎn)生電致塑性效應，提高被連接金屬板材的最大塑性變形量，降低開裂、空穴等缺陷的產(chǎn)生幾率。由于電致塑性效應所造成的金屬流變抗力降低，最終使上部金屬板材3和下部金屬板材4在局部變形區(qū)域形成比常規(guī)鉚接咬合深度更深的機械自鎖，提高接頭的抗外載荷破壞能力。

如果在連接步驟(1)中選擇在上部金屬板材3和下部金屬板材4之間涂敷高分子結(jié)構(gòu)膠，則高分子結(jié)構(gòu)膠將在加壓桿1的壓力作用下在被連接區(qū)域排開，使電流順利通過。

(3)焊接階段：

加壓桿1繼續(xù)保持對壓緊塊2、上部金屬板材3、下部金屬板材4施加的20kn的壓力600ms；

并且電源通過加壓桿1和凹模5向?qū)Ρ贿B接區(qū)域施加直流電流，直流電流為15ka，通電時間為300ms。

由此，壓緊塊2與上部金屬板材3局部熔合以形成共同熔池；之后電源停止施加直流電流，在自然冷卻過程中該共同熔池與下部金屬板材4通過在界面處形成金屬間化合物薄層而完成冶金連接；由于壓緊塊2與上部金屬板材3、下部金屬板材4已經(jīng)形成機械自鎖，因此，最終上部金屬板材3和下部金屬板材4形成“冶金-機械”復合連接接頭，由于機械自鎖可以改善冶金結(jié)合薄層的受力情況(拉應力分量增多，剪應力分量減小)，冶金結(jié)合可以防止單純機械自鎖結(jié)合造成的低載荷剝離情況，最終提高接頭的韌性。

(4)分離階段：

電源停止通電，隨后加壓桿2上移，回到步驟(1)的初始位置，為下一連接循環(huán)做好準備。

(5)烘烤階段：

如果在實施連接工藝前在上部金屬板材3和下部金屬板材4之間涂覆了高分子結(jié)構(gòu)膠，則在(4)步驟后還需要對連接后的上部金屬板材3和下部金屬板材4進行烘烤，使得高分子結(jié)構(gòu)膠發(fā)生固化；烘烤溫度為150攝氏度，烘烤時間為半小時。

由此，高分子結(jié)構(gòu)膠發(fā)生固化后將化學成分不同的上部金屬板材3和下部金屬板材4隔開，同時壓緊塊2與直接接觸的上部金屬板材3化學成分相同或相近，避免在后續(xù)使用過程中形成原電池而造成電化學腐蝕。

上述步驟中的參數(shù)可選范圍如下：

步驟(2)中，高頻直流脈沖電流的峰值為0.5～4ka，頻率范圍為50～5000hz；加壓桿2的加載速度為1～500mm/s；加壓桿2施加的壓力為10kn～30kn；

步驟(3)中，直流電流為2～20ka，加壓桿2施加的壓力為10kn～30kn。

盡管上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實施方式，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，并不是限制性的，本領域的普通技術人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權利要求所保護的范圍情況下，還可以作出很多形式的具體變換，這些均屬于本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。