CN109396627A - 异种材料连接装置及连接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种异种材料连接装置及连接方法，所述连接装置包括电源、上电极、下电极以及导电辅助件，所述上电极连接所述电源的第一输出端，所述下电极连接所述电源的第二输出端；所述导电辅助件包括第一柱体和第二柱体，所述第一柱体的一个底面连接所述第二柱体的一个底面，所述第二柱体的水平投影落入所述第一柱体的水平投影内，所述第二柱体的熔点高于第一试样的熔点，所述第一试样的熔点低于第二试样的熔点，所述第二柱体与所述第二试样的焊接强度高于所述第一试样与所述第二试样的焊接强度，所述第二柱体的高度大于所述第一试样的厚度。本发明提供的异种材料连接装置及连接方法，解决了不同材料之间连接强度不足的问题。

Description

异种材料连接装置及连接方法

技术领域

本发明涉及异种材料连接技术领域，具体涉及一种异种材料连接装置及连接方法。

背景技术

传统的电阻点焊通常采用将上层试样和下层试样置于电阻点焊装置的上电极和下电极之间，其中上电极与下电极分别与电源相连，通过在上电极和下电极之间施加压力，将上层试样和下层试样夹紧，电源提供的电流经过上电极、上层试样、下层试样、下电极。根据焦耳定律，在上层试样和下层试样之间产生热量形成焊核，使得上层试样和下层试样之间形成冶金结合，从而达到连接的目的。

上述电阻点焊方法被广泛应用于同种材料，尤其是钢铁材料的连接中。近年来，随着轻量化材料的应用，异种材料的连接需求日益增加，传统的电阻点焊方法不能适应异种材料连接的需求。主要原因在于：不同材料之间的物理特性和化学特性差异很大，并且，在不同材料之间易发生化学反应生成脆性相，造成连接强度不足。比如，在钢和铝合金的电阻点焊中，就遇到了很大问题：钢与铝合金之间的固溶度较低、物理性能差异较大，钢的熔点比铝合金的熔点高。在焊接过程中，当铝合金完全熔化为液态时，钢仍处于固态。铝合金和钢在点焊时，就会在连接界面处生成脆硬的金属间化合物，直接影响接头的使用性能。

发明内容

本发明所要解决的是采用现有的电阻点焊装置连接异种材料连接强度不足的问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种异种材料连接装置，包括电源、上电极、下电极以及导电辅助件，所述上电极连接所述电源的第一输出端，所述下电极连接所述电源的第二输出端；

所述导电辅助件包括第一柱体和第二柱体，所述第一柱体的一个底面连接所述第二柱体的一个底面，所述第二柱体的水平投影落入所述第一柱体的水平投影内，所述第二柱体的熔点高于第一试样的熔点，所述第一试样的熔点低于第二试样的熔点，所述第二柱体与所述第二试样的焊接强度高于所述第一试样与所述第二试样的焊接强度，所述第二柱体的高度大于所述第一试样的厚度。

可选的，所述第二柱体的横截面为非圆形。

可选的，所述第二柱体的横截面为椭圆形。

可选的，所述第二柱体的横截面为具有倒圆角结构的多边形。

可选的，所述第二柱体的横截面为不规则形状，所述不规则形状包括矩形、第一弓形以及第二弓形；

所述第一弓形的弦为所述矩形的第一边，所述第二弓形的弦为所述矩形的第二边，所述第一边和所述第二边平行。

可选的，所述第一弓形的弧长和所述第二弓形的弧长相等。

可选的，所述第一柱体的中轴线和所述第二柱体的中轴线重合。

可选的，所述第一柱体为圆柱体。

可选的，所述第一试样为上层试样，所述第二试样为下层试样。

基于同样的发明构思，本发明还提供一种异种材料连接方法，基于上述异种材料连接装置，包括：

在所述上电极和所述下电极之间依次层叠放置所述导电辅助件、所述第一试样以及所述第二试样，且使所述第二柱体的另一个底面与所述第一试样接触；

控制所述上电极和所述下电极相互靠拢的同时，控制所述电源提供第一电流，以使所述第二柱体穿过所述第一试样与所述第二试样接触；

控制所述上电极和所述下电极相互靠拢的同时，控制所述电源提供第二电流，以使所述第二柱体与所述第二试样之间的接触部位熔化；

控制所述电源停止工作，并维持所述上电极和所述下电极之间的靠拢状态，以在所述第二柱体与所述第二试样之间形成焊核；

控制所述上电极和所述下电极相互背离，取出所述第一试样和所述第二试样形成的连接件。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明提供的异种材料连接装置及连接方法，在上电极和下电极之间设置包括第一柱体和第二柱体的导电辅助件，且所述第二柱体的熔点高于第一试样的熔点，所述第一试样的熔点低于第二试样的熔点，所述第二柱体与所述第二试样的焊接强度高于所述第一试样与所述第二试样的焊接强度，所述第二柱体的高度大于所述第一试样的厚度，因而在连接所述第一试样与所述第二试样时，所述第一试样先于所述第二柱体熔化或软化，所述第二柱体可穿过所述第一试样，在所述第二柱体和所述第二试样之间形成焊核，从而能够有效实现异种材料的电阻点焊连接，解决了不同材料之间物理和化学特性差异大而易发生化学反应生成脆性相，造成连接强度不足的问题。进一步，由于所述第一柱体的存在，所述第一试样和所述第二试样形成连接后，所述第一试样受到垂直方向的力，可防止所述第一试样与所述第二柱体发生拉脱。

并且，在本发明的一种具体实施例中，通过将所述第二柱体的横截面设置为非圆形，可在所述第二柱体穿过所述第一试样时形成非圆形的孔洞，使得所述第一试样和所述第二柱体之间不易发生转动，达到增强扭矩的作用，可显著提升焊点接头的抗扭转性能。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1是本发明实施例的异种材料连接装置的结构示意图；

图2是本发明实施例的导电辅助件的结构示意图；

图3是本发明一种实施例的第二柱体的横截面示意图；

图4是本发明另一种实施例的第二柱体的横截面示意图；

图5是本发明再一种实施例的第二柱体的横截面示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-电源，2-上电极，3-下电极，4-导电辅助件，5-第一导线，6-第二导线，7-第一试样，8-第二试样，9-焊核，41-第一柱体，42-第二柱体。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

本实施例提供一种异种材料连接装置，图1是所述异种材料连接装置的结构示意图，所述异种材料连接装置包括电源1、上电极2、下电极3以及导电辅助件4。

具体地，所述上电极2连接所述电源1的第一输出端，所述下电极3连接所述电源1的第二输出端。所述电源1用于向所述上电极2和所述下电极3供电，在所述上电极2和所述下电极3之间形成电流回路。进一步，所述电源1可以为电流源。所述上电极2通过第一导线5连接所述电源1的第一输出端，所述下电极3通过第二导线6连接所述电源1的第二输出端。

图2是所述导电辅助件4的结构示意图，所述导电辅助件4包括第一柱体41和第二柱体42，所述第一柱体41的一个底面连接所述第二柱体42的一个底面，所述第二柱体42的水平投影落入所述第一柱体41的水平投影内。继续参考图1，所述导电辅助件4用于设置在所述上电极2和所述下电极3之间，用于辅助连接第一试样7和第二试样8，所述第一试样7和所述第二试样8为需要连接的熔点不同的试样，其中，所述第二柱体42的熔点高于所述第一试样7的熔点，所述第一试样7的熔点低于所述第二试样8的熔点；所述第二柱体42与所述第二试样8的焊接强度高于所述第一试样7与所述第二试样8的焊接强度，且所述第二柱体42的高度大于所述第一试样7的厚度。

进一步，所述第二柱体42的横截面可以为非圆形，即所述第二柱体42为非旋转体。例如，所述第二柱体42的横截面可以为椭圆形，如图3所示；所述第二柱体42的横截面可以为具有倒圆角结构的多边形，如图4所示具有倒圆角结构的三边形；所述第二柱体42的横截面还可以为不规则形状，如图5所示，所述不规则形状包括矩形、第一弓形以及第二弓形。所述第一弓形的弦为所述矩形的第一边，所述第二弓形的弦为所述矩形的第二边，所述第一边和所述第二边平行。并且，所述第一弓形的弧长和所述第二弓形的弧长还可以设置为相等。将所述第二柱体42的横截面形状设置为图3至图5所示的图形，由于所述第二柱体42的横截面无尖角，避免了应力集中，可提升焊接形成的接头性能。需要说明的是，所述第二柱体42的横截面形状并不限于图3至图5所示的图形，只要所述第二柱体42为非旋转体即可。

需要说明的是，所述第一柱体41和所述第二柱体42可以为同种材料的一体成型结构。所述第一柱体41可以为圆柱体，所述第一柱体41的中轴线和所述第二柱体42的中轴线重合。作为一具体实施例，所述导电辅助件4为碳素钢，所述第一试样7为厚度为1mm的5系铝合金，所述第二试样8为厚度1mm的热成形钢22MnB5，所述第一柱体41为高度为1mm、直径为10mm的圆柱体，所述第二柱体42为高度为1.3mm、横截面形状如图5所示的柱体。

在本实施例中，所述第一试样7为上层试样，所述第二试样8为下层试样。在进行点焊连接时，所述导电辅助件4位于所述上电极2和所述第一试样7之间，所述第二试样8位于所述第一试样7和所述下电极3之间。当然，在其他实施例中，也可以所述第一试样7为下层试样，所述第二试样8为上层试样，在进行点焊连接时，所述导电辅助件4位于所述下电极3和所述第一试样7之间，所述第二试样8位于所述第一试样7和所述上电极2之间。

基于同样的发明构思，本发明实施例还提供一种异种材料连接方法，用于采用上述异种材料连接装置对异种材料进行连接，所述异种材料连接方法包括：

在所述上电极2和所述下电极3之间依次层叠放置所述导电辅助件4、所述第一试样7以及所述第二试样8，且使所述第二柱体42的另一个底面与所述第一试样7接触；

控制所述上电极2和所述下电极3相互靠拢的同时，控制所述电源1提供第一电流，以使所述第二柱体42穿过所述第一试样7与所述第二试样8接触；

控制所述上电极2和所述下电极3相互靠拢的同时，控制所述电源1提供第二电流，以使所述第二柱体42与所述第二试样8之间的接触部位熔化；

控制所述电源1停止工作，并维持所述上电极2和所述下电极3之间的靠拢状态，以在所述第二柱体42与所述第二试样8之间形成焊核9；

控制所述上电极2和所述下电极3相互背离，取出所述第一试样7和所述第二试样8形成的连接件。

具体地，仍以所述第一试样7为上层试样、所述第二试样8为下层试样为例，对所述第一试样7和所述第二试样8进行连接时，采用气压装置或者步进电机控制所述上电极2和/或所述下电极3，使所述上电极2和所述下电极3处于打开状态，在所述上电极2和所述下电极3之间从下到上依次放置所述第二试样8、所述第一试样7以及所述导电辅助件4，且使所述第二柱体42的另一个底面与所述第一试样7接触。

放置好所述导电辅助件4、所述第一试样7以及所述第二试样8之后，采用气压装置或者步进电机控制所述上电极2和/或所述下电极3，在所述上电极2和所述下电极3之间施加压力F，使所述上电极2和所述下电极3相互靠拢。并且，在控制所述上电极2和所述下电极3相互靠拢的同时，控制所述电源1提供第一电流I1，所述第一电流I1的维持时间为T1。在所述第一电流I1的作用下，所述第一试样7发生软化或者熔化，所述第二柱体42在所述压力F的作用下穿过所述第一试样7与所述第二试样8相接触。

在所述第二柱体42与所述第二试样8接触之后，控制所述上电极2和所述下电极3继续相互靠拢，同时控制所述电源1提供第二电流I2，所述第二电流I2的维持时间为T2，在所述第二电流I2的作用下，所述第二柱体42与所述第二试样8之间的接触部位熔化。

在所述第二柱体42与所述第二试样8之间的接触部位熔化之后，控制所述电源1停止输出电流，维持所述上电极2和所述下电极3之间的压力F，即维持所述上电极2和所述下电极3之间的靠拢状态，所述第二柱体42与所述第二试样8之间的接触部位冷却后，形成所述焊核9。

形成所述焊合9之后，采用气压装置或者步进电机控制所述上电极2和/或所述下电极3，使所述上电极2和所述下电极3相互背离，即控制所述上电极2和所述下电极3处于打开状态，取出所述第一试样7和所述第二试样8形成的连接件，完成对所述第一试样7和所述第二试样8的焊接。

需要说明的是，所述第一电流I1和所述第二电流I2的形式包括但不限于下述类型：直流电流、交流电流、脉冲电流、逐渐增加的电流、逐渐减小的电流、不同波形的电流等。并且，所述压力F仅表征连接过程中的压力，在连接的不同阶段所述压力F的压力值可以是变化的。所述第一电流I1及其维持时间T1、所述第二电流I2及其维持时间T2以及所述压力F的选择与所述导电辅助件4、所述第一试样7和所述第二试样8的材料、尺寸等因素紧密相关，本实施例对此不作限定。对于本实施例所述材料和规格的工艺参数，如下表所示：

本实施例提供的异种材料连接装置及连接方法，由于所述第一试样7的熔点低于所述第二试样8的熔点，所述第二柱体42的熔点高于所述第一试样7的熔点，同时所述第二柱体42与所述第二试样8的焊点接头强度高于所述第一试样7与所述第二试样8的焊点接头强度，因而在连接所述第一试样7与所述第二试样8时，所述第一试样7先于所述第二柱体42熔化或软化，所述第二柱体42可穿过所述第一试样7，在所述第二柱体42和所述第二试样8之间形成焊核，从而能够有效实现异种材料的电阻点焊连接，解决了不同材料之间物理和化学特性差异大而易发生化学反应生成脆性相，造成连接强度不足的问题。并且，由于所述第一柱体41的存在，所述第一试样7和所述第二试样8形成连接后，所述第一试样7受到垂直方向的力时，可防止所述第一试样7与所述第二柱体42发生拉脱。

进一步，通过将所述第二柱体42的横截面设置为非圆形，可在所述第二柱体42穿过所述第一试样7时形成非圆形的孔洞，使得所述第一试样7和所述第二柱体42之间不易发生转动，达到增强扭矩的作用，可显著提升焊点接头的抗扭转性能。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种异种材料连接装置，其特征在于，包括电源(1)、上电极(2)、下电极(3)以及导电辅助件(4)，所述上电极(2)连接所述电源(1)的第一输出端，所述下电极(3)连接所述电源(1)的第二输出端；

所述导电辅助件(4)包括第一柱体(41)和第二柱体(42)，所述第一柱体(41)的一个底面连接所述第二柱体(42)的一个底面，所述第二柱体(42)的水平投影落入所述第一柱体(41)的水平投影内，所述第二柱体(42)的熔点高于第一试样(7)的熔点，所述第一试样(7)的熔点低于第二试样(8)的熔点，所述第二柱体(42)与所述第二试样(8)的焊接强度高于所述第一试样(7)与所述第二试样(8)的焊接强度，所述第二柱体(42)的高度大于所述第一试样(7)的厚度。

2.根据权利要求1所述的异种材料连接装置，其特征在于，所述第二柱体(42)的横截面为非圆形。

3.根据权利要求2所述的异种材料连接装置，其特征在于，所述第二柱体(42)的横截面为椭圆形。

4.根据权利要求2所述的异种材料连接装置，其特征在于，所述第二柱体(42)的横截面为具有倒圆角结构的多边形。

5.根据权利要求2所述的异种材料连接装置，其特征在于，所述第二柱体(42)的横截面为不规则形状，所述不规则形状包括矩形、第一弓形以及第二弓形；

所述第一弓形的弦为所述矩形的第一边，所述第二弓形的弦为所述矩形的第二边，所述第一边和所述第二边平行。

6.根据权利要求5所述的异种材料连接装置，其特征在于，所述第一弓形的弧长和所述第二弓形的弧长相等。

7.根据权利要求1所述的异种材料连接装置，其特征在于，所述第一柱体(41)的中轴线和所述第二柱体(42)的中轴线重合。

8.根据权利要求1所述的异种材料连接装置，其特征在于，所述第一柱体(41)为圆柱体。

9.根据权利要求1所述的异种材料连接装置，其特征在于，所述第一试样(7)为上层试样，所述第二试样(8)为下层试样。

10.一种异种材料连接方法，基于权利要求1至9任一项所述的异种材料连接装置，其特征在于，包括：

在所述上电极(2)和所述下电极(3)之间依次层叠放置所述导电辅助件(4)、所述第一试样(7)以及所述第二试样(8)，且使所述第二柱体(42)的另一个底面与所述第一试样(7)接触；

控制所述上电极(2)和所述下电极(3)相互靠拢的同时，控制所述电源(1)提供第一电流，以使所述第二柱体(42)穿过所述第一试样(7)与所述第二试样(8)接触；

控制所述上电极(2)和所述下电极(3)相互靠拢的同时，控制所述电源(1)提供第二电流，以使所述第二柱体(42)与所述第二试样(8)之间的接触部位熔化；

控制所述电源(1)停止工作，并维持所述上电极(2)和所述下电极(3)之间的靠拢状态，以在所述第二柱体(42)与所述第二试样(8)之间形成焊核(9)；

控制所述上电极(2)和所述下电极(3)相互背离，取出所述第一试样(7)和所述第二试样(8)形成的连接件。