一种提升金属薄板超声波点焊力学性能的方法

摘要

本发明公开了一种提升金属薄板超声波点焊力学性能的方法，包括如下步骤：对待焊接的两块金属板材上下表面的待焊接区域，分别进行氧化层去锈处理；将下金属垫片贴附固定在下金属板材下表面的待焊接区域，并将下金属板材置于工作台上；然后将上金属板材的待焊接区域搭接放置在与下金属板材待焊接的区域；在上金属板材搭接部位的焊点区域放置上金属垫片；将超声波焊头按压在上金属垫片上，开始超声波焊接，直至完成上金属板材和下金属板材的焊接。本发明可以有效避免金属板材在焊接过程中粘附在工作台上，同时还可以减少金属板材在焊点附近产生应力集中，避免下薄板在焊点位置附近产生微裂纹，从而提升焊件整体剪切抗拉力。

说明书

技术领域

本发明涉及超声波点焊工艺，具体涉及一种提升金属薄板超声波点焊力学性能的方法。

背景技术

超声波点焊焊接(ultrasonic spot welding,简称USW)是利用超声波的高频振动,在静压力的作用下将弹性振动能量转变为工件间的摩擦功和形变能,对焊件进行局部清理和加热焊接的一种压力焊接方法。其原理为:焊接金属材料时,由超声波发生器产生的超声频率振动电流,换能器利用逆压电效应使之转换成弹性机械振动能,并通过声学系统向焊件输入。两被焊工件的接触界面在静压力和弹性振动能量的共同作用下,通过摩擦、温升和变形,使氧化膜或其他表面附着物被破坏,并使纯净界面之间金属原子无限接近、产生结合与扩散,实现可靠连接。该焊接方法最大优点：节能，焊接速度快，效率高，无需焊料，可实现异种金属薄板之间和同种金属薄板之间的焊接，如钢/铝，钛/铝，铝/铝等金属薄板之间的焊接。其中钢/铝薄板和铝/铝薄板的超声波焊接已成为全世界焊接领域研究的热点之一，有望在不远的将来分别取代自冲铆工艺和氩气保护焊接工艺，在汽车车身焊接上广泛使用。

目前阻碍钢/铝薄板和铝/铝薄板的超声波焊接工艺应用的最大障碍是焊点的力学性能不理想，目前钢/铝薄板的超声波焊点的最大剪切抗拉力仅为4.2KN，铝/铝薄板的超声波焊点的最大剪切抗拉力不到4KN。如何更进一步提升钢/铝薄板和铝/铝薄板超声波点焊焊点的力学性能成为该领域主要研究的方向。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种提提升金属薄板超声波点焊力学性能的方法。该方法不仅能够实现薄板焊点力学性能的稳定提升，同时该工艺能耗低，焊接时间短，生产效率高，工艺简单，成本低廉。

本发明通过下述技术方案实现：

一种提提升金属薄板超声波点焊力学性能的方法，包括如下步骤：

步骤一：对待焊接的两块金属板材上下表面的待焊接区域，分别进行氧化层去锈处理；金属板材的厚度为0.5mm～1.5mm；

步骤二：将下金属垫片贴附固定在下金属板材下表面的待焊接区域，并将下金属板材置于工作台上；然后将上金属板材的待焊接区域搭接放置在与下金属板材待焊接的区域；

步骤三：在上金属板材搭接部位的焊点区域放置上金属垫片；

步骤四：将超声波焊头按压在上金属垫片上，压力自上而下依次施加至上金属垫片、上金属板材待焊接区域、下金属板材待焊接区域、下金属垫片、工作台；开始超声波焊接，直至完成上金属板材和下金属板材的焊接。

步骤一所述对待焊接的两块金属板材是指，若其中一块为铝板，另一块为钢板时，则铝板在下，钢板在上。

当步骤三中上金属垫片和步骤二中下金属垫片为矩形时，其长度和宽度分别取超声焊头长度或宽度的两倍至三倍；

当步骤三中上金属垫片和步骤二中下金属垫片为椭圆形时，椭圆的长轴和短轴分别取焊头长度和宽度的三倍。

步骤一所述两块金属板材的待焊接区域搭接宽度不小于20mm～25mm。

步骤三所述上金属垫片的耐温系数大于步骤二所述的下金属垫片的耐温系数。

所述上金属垫片的耐温系数≥500℃-600℃；下金属垫片的耐温系数≥400℃-500℃。

步骤一所述氧化层去锈处理，是指采用砂纸(120目砂纸)打磨后，用无水酒精对打磨位置进行擦拭清洁，待酒精挥发完全供后续焊接工序。

步骤二所述下金属垫片贴附固定，可采用高温胶，以周围点胶的点接触形式将二者粘结固定在一起，以免胶材面积过大影响焊接质量。此方法也适用于上金属垫片的贴附固定。

步骤四超声波焊接时的焊接参数设定如下：下压力为2.0Bar，振幅为20um-22um，震动频率为20KHz，焊接时间为0.3S～3.0S。

本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：

有效去除影响焊点力学性能的氧化物，保证焊点力学性能优异，同时120目砂纸打磨后金属表面粗糙度适中，有利于超声焊过程中焊点对能量的吸收；

本发明在金属板材的待焊接区域底部放置金属垫片，可以有效避免金属板材在焊接过程中粘附在工作台上，同时还可以减少金属板材在焊点附近产生应力集中，避免下薄板在焊点位置附近产生微裂纹，从而提升焊件整体剪切抗拉力。在金属板材的待焊接区域上部放置上垫片，可以有效避免金属板材宏观开裂，同时上垫片可以起到加强衬板作用，提升焊点力学性能。

当被焊板材为钢/铝薄板时，应将钢薄板搭接放置在铝薄板上，焊接时焊点处的钢板易产生塑性变形，但变形量不大，只是在钢板内部产生大量晶体缺陷，如位错、滑移、空位等，这些缺陷能快速吸收超声波能量，使焊点处温度快速升高，焊点吸收足够能量，同时在焊头下压力作用下，钢铝板材紧密结合，形成力学性能良好的焊点。如果钢铝薄板放置位置相反，铝板放置在钢板上，则铝板焊点处及焊点附近温度更高(可达到550度左右)，此处铝材产生超塑性现象，部分铝材液化，焊头下压力难以传递到钢铝焊点界面处，使焊点处钢铝结合面处的结合压力大幅减小，导致焊点力学性能大幅降低。同时焊接所需时间成倍增加，消耗超声波能量也大幅增加，增加的超声波能量大都消耗在铝母材超塑性软化上，并最终消散在空气中。

搭接宽度确定为20mm-25mm。搭接宽度过小，则焊点附近母材易产生挤压变形，导致力学性能下降，并影响外形美观，搭接宽度过大，则导致不必要的材料工艺浪费。

焊接过程中，采用简单有效的方式，放置上金属垫片有效防止了母材产生宏观开裂。

附图说明

图1为本发明提升钢铝薄板超声波点焊力学性能的工艺侧视示意图。

图2为图1的俯视(透视)示意图。

图中：

上金属板材1(钢板或者铝板)；

下金属板材(钢板或者铝板)2；

上金属垫片3；

下金属垫片4；

焊点5；

振动方向6。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。

为便于理解，本实例选用瑞士Telsonic公司生产的M5000侧向驱动、单焊头、半波超声焊接设备为参考，来确定最佳焊接参数，焊机焊头为矩形，尺寸为5mm*7mm,焊头有九条平行条形齿纹。若实际选用超声焊机和焊头与本案例不同，实验参数略有差异，但差异不大。

举例一：

以DC04钢(一种低碳钢，抗拉强度为270MPa)薄板和6061-T4铝合金薄板超声波点焊为例，确定上、下金属垫片(以下简称上、下垫片)材料及上、下垫片厚度，并确定步骤5的最佳工艺参数。

选取DC04钢薄板的厚度为0.8mm，6061-T4铝合金薄板的厚度为1.0mm，薄板的宽度都为25mm，长度都为100mm，进行搭接焊接，搭接长度为25mm。

焊接参数设定如下：下压力为2.0Bar,振幅为20um-22um,震动频率为20KHz，焊接时间为0.8S。

上垫片材料为65Mn钢，上垫片厚度为0.5mm，下垫片材料为304不锈钢，下垫片厚度为0.2mm，上、下垫片形状都为矩形，上、下垫片的长度和宽度分别为焊头长度和宽度的三倍,即长21mm,宽15mm。

未放置垫片时，在以上设定的焊接参数下，在焊接过程中，焊头会嵌入上金属板材，即嵌入母板中(钢薄板)，使上母板发生开裂，且下金属板材(铝薄板)易粘附在工作台上，污染工作台，焊件的剪切抗拉强度最大不超过3KN。

放置垫片后，未发生焊头嵌入上薄板现象，上金属板材未发生宏观开裂，下金属板材(铝薄板)未粘工作台，焊件焊点力学性能大幅提升，焊点的剪切抗拉力达到5.4KN，达到母材DC04钢的抗拉力(钢薄板横截面尺寸为0.8mm*25mm,抗拉强度270MPa；钢薄板极限抗拉力为270MPa*0.8mm*25mm＝5400N)，DC04钢发生缩颈失效。

此时焊接时间仅需0.8秒，焊接能量为1800J-2200J,是目前已知焊接能量最低，耗时最少的钢铝薄板焊接方法。与搅拌摩擦焊相比，此工艺耗能降低一半，焊接时间降低一半以上，与熔焊相比，此工艺耗能降低80％以上，且力学性能更好，可以极大提升焊接效率，减少能量损耗。

举例二：

选取6061-T4铝合金薄板进行超声波点焊，并确定工艺步骤5最佳工艺参数。

选取6061-T4铝合金薄板的厚度为1.0mm，板材宽度都为25mm，长度100mm，进行搭接焊接，搭接长度为25mm。

焊接参数设定如下：下压力为2.0Bar,振幅为20um-22um,震动频率为20KHz，焊接时间为1.5S。

上、下垫片材料都为DC04钢，垫片厚度都为0.5mm，上、下垫片都为矩形，垫片的长度和宽度分别为焊头长度和宽度的三倍,即长21mm,宽15mm。

未放置垫片时，在以上设定的焊接参数下，在焊接过程中，焊头易嵌入上母板中(铝薄板)，即嵌入上金属板材中，使上金属板材易发生开裂，剪切抗拉强度最大不超过3KN，且铝材粘附在焊头和工作台上，造成焊头和工作台被污染。

放置上、下垫片后，未发生焊头嵌入上铝板现象，上铝板未发生开裂也未粘附焊头，下铝板也未粘附在工作台上，焊点力学性能大幅提升，焊件焊点的剪切抗拉力达到6.6KN。

此时焊接时间仅需1.5秒，焊接所消耗能量为3000J左右,是目前已知焊接能量最低，耗时最少的铝薄板焊接方法。与氩弧焊相比，此工艺耗能降低80％，且力学性能更好，可以极大提升焊接效率，减少能量损耗。

可见，不放置金属垫片时，在超声焊接过程中，母材会因为高温而软化，焊头在下压力作用下会嵌入焊件母材中。此时母材由于软化，强度大幅降低，而焊头仍在不停振动，嵌入母材并不断振动的焊头会使母材开裂，导致焊点的力学性能大幅下降。放置垫片可防止焊头嵌入焊件母材中，保护母材不会被焊头嵌入而导致开裂。

本发明的总体要求基本如下：

A)垫片必须是金属材料：

焊点处上金属垫片温度较高，最高可达到500-600度，在此高温下，上金属垫片的需要具有一定的强度，以防被焊头完全嵌入而触及母材，下金属垫片的温度也高达400-500度，上、下金属垫片在此高温下都需要具有一定的强度，因此只能使用金属材料做垫片；

B)金属垫片材质不能过软：

金属垫片材料塑性越好，超声波振幅经过垫片后衰减越大，过多能量消散在垫片材料中，导致焊点处所获得能量减少，焊点力学性能下降；

C)金属垫片要有一定的厚度：

金属垫片不可过薄，也不可过厚，金属垫片过薄易导致焊头刺穿垫片，嵌入母板中，起不到保护上母板的作用；金属垫片过厚会使垫片本身吸收过多超声波能量，导致焊接界面处所能获得的能量减少，使焊点力学性能下降；

D)金属垫片尺寸不能过大：

尺寸过大时，金属垫片内部的位错、空位等各种晶格缺陷会吸收大量超声波能量，减少焊接界面处的吸收能量，使力学性能下降。金属垫片为矩形时，长度和宽度分别取焊头长度或宽度的两倍到三倍；金属垫片为椭圆形时，椭圆的长轴和短轴分别取焊头长度和宽度的三倍。

如上所述，便可较好地实现本发明。

本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。