[發明專利]輕金屬與鍍層鋼板的異種金屬點焊系統及其焊接方法

有效

• 申請號: 201010613175.1
• 申請日: 2010-12-29
• 公開（公告）號: CN102049591A
• 公開（公告）日: 2011-05-11
• 發明（設計）人: 李永兵;林忠欽;雷海洋;王培中;來新民;陳關龍
• 申請（專利權）人: 上海交通大學;通用汽車環球科技運作有限公司
• 主分類號: B23K9/007
• 分類號: B23K9/007;B23K9/23;B23K9/235;B23K9/173
• 代理公司: 上海交達專利事務所 31201
• 代理人: 王錫麟;王桂忠

技術領域

本發明涉及的是一種金屬焊接技術領域的裝置及方法，具體是一種輕金屬與鍍層鋼板的異種金屬點焊系統及其焊接方法。

背景技術

由于鋁、鎂等輕合金材料的密度遠小于鋼材而受到各大汽車生產廠商的青睞，然而先進鋼材的總體力學性能仍然要優于輕合金材料，因此采用輕合金與先進高強鋼的多材料連接結構成為汽車輕量化的首選方案，這就涉及到輕合金和鋼之間的異種連接。

因為鋁鋼之間的熔點、熱膨脹系數和導電率差異巨大以及熔焊時易形成硬脆相——金屬間化合物，所以難以形成性能良好的接頭。國外提出了一種使鉚釘與板料之間形成牢固互鎖的機械冷成形工藝-半空心鉚釘自沖鉚接，該方法有效避免了異種材料熔化焊時存在的問題。然而鉚接鑄造鋁合金和鎂合金等低延展率輕合金材料時接頭容易產生裂紋甚至脆裂；而在鉚接鋼材時，由于鋼材強度高變形困難，需要較大的鉚接力，一方面需要增加鉚釘強度以免鉚釘發生嚴重墩粗和開裂，另一方面對設備各項性能指標也提出了更高要求，從而增加了車身的連接成本。激光焊接鋁合金與鋼可有效控制金屬間化合物的厚度，接頭強度容易滿足要求，但是需嚴格控制激光束的能量和板件間隙，導致工藝成本非常高。攪拌摩擦焊具有較低的能量輸入、較小的變形等優點，比較適于焊接鋁材。但是采用這種方法時，接頭的形狀受到很大的限制，對于形狀復雜的汽車車身，難以通過夾具保證薄板零件之間的裝配精度，從而大大限制了攪拌摩擦焊在汽車車身中的應用。

經過對現有技術的檢索發現，Fronius公司提出一種稱作冷金屬過渡(Cold?Metal?Transfer，簡稱CMT)的電弧焊工藝，并通過CMT熔釬焊方法實現了鋁板與鍍鋅鋼板之間的連接，即焊接過程中鋁板熔化，而鋼板不熔化，通過焊絲釬料實現鋁合金和鍍鋅鋼的連接。由于CMT方法通過焊絲的機械回抽實現金屬熔滴的過渡，與常規的電弧焊工藝相比熱輸入大大降低，因此可以有效減小鋁鋼界面金屬間化合物的厚度，從而保證了接頭的力學性能，成為一種極具應用前景的鋁合金和鋼異種連接方法。但CMT熔釬焊方法存在以下缺陷：(1)目前該方法只用于縫焊，由于鋁合金與鋼的熱膨脹系數差異較大，接頭存在較大的焊接變形；(2)縫焊時，鋁合金與鋼板之間必須為搭接接頭，這對傳統的車身零部件設計提出了挑戰，難以推廣應用。

發明內容

本發明針對現有技術存在的上述不足，提供一種輕金屬與鍍層鋼板的異種金屬點焊系統及其焊接方法，通過在輕金屬與鍍層鋼板之間形成點熔釬焊接頭，實現輕金屬與鋼的點連接，在保證異種金屬連接質量的同時，解決了連續縫焊使接頭產生嚴重變形的問題，并對傳統的以電阻點焊工藝連接為主的車身零部件接頭設計不產生影響，從而大大降低了車身的設計和制造成本。

本發明是通過以下技術方案實現的：

本發明涉及一種輕金屬與鍍層鋼板的異種金屬點焊系統，包括：CMT電弧焊系統、氣瓶、機器人控制模塊、機器人和夾緊裝置，其中：電弧焊系統與機器人控制模塊相連并傳輸焊接控制信號，氣瓶與CMT電弧焊系統連通，機器人控制模塊與機器人相連，傳輸機器人運動的控制信號。

所述的CMT電弧焊系統包括：焊槍、送絲機、焊絲、主機電源和冷卻液箱，其中：焊槍分別與送絲機、主機電源以及冷卻液箱相連，且焊槍固定設置于機器人的端部，送絲機與主機電源相連并接收控制指令，焊絲位于送絲機內并經焊槍加熱熔化后作為填充金屬滴入帶孔輕金屬板的工藝孔中并與母材熔合形成接頭，冷卻液箱與主機電源相連接并接收控制指令并與CMT電弧焊系統相連接，在焊接過程中冷卻CMT電弧焊系統，主機電源與機器人控制模塊相連以傳輸焊接過程中的輸入輸出信號。

所述的帶孔輕金屬板上設有一個為圓柱形或圓臺形結構的工藝孔。

所述的鋼板為鍍層鋼板，其基體金屬為低碳鋼、高強鋼、先進高強鋼或超高強鋼等，鍍層為鋅、錫、銅或鎳基合金鍍層，鍍層厚度為5-50微米；

所述的氣瓶內裝保護氣體，為焊接過程提供惰性保護氣氛。

所述的機器人為擁有六個旋轉運動軸的工業機械臂，承重能力和工作半徑滿足電弧焊要求，在焊接過程中帶動裝在第六軸的焊槍，使其精確定位輕金屬板孔洞的中心位置。

本發明涉及上述系統的焊接方法

1)預先在輕金屬板上打出若干工藝孔；

2)將帶孔輕金屬板重疊放置于鍍層鋼板之上并通過夾緊裝置夾緊，上下金屬板之間相接觸；

3)機器人帶動焊槍運動并使焊槍中的焊絲與金屬板面垂直且對準帶孔輕金屬板的工藝孔的中心位置；

4)機器人控制模塊向CMT電弧焊主機電源發出焊接過程開始的控制信號并打開氣瓶預先通保護氣體，在帶孔輕金屬板上形成保護氣氛圍；