点焊金属塑料复合材料|

金属塑性复合材料(MPCs)在制造轻量化结构方面有许多优点。它们比钢轻，却很结实。它们可以使用标准的冷成型工艺进行成型。而且，它们比铝合金便宜。

阻碍这些材料广泛应用的一个问题是缺乏将mpc相互连接以及与其他材料(如钢和铝)连接的技术。由于聚合物层的存在，传统的热连接技术，如电弧焊或激光焊接都不适用。其他替代技术，如铆接或盲铆接，不能创造高质量的接头。

目前，mpc由机械紧固件连接，如自穿铆钉;成型:成型，如围边和缝合;和粘合剂。然而，这些方法有一些缺点。机械紧固件在加工过程中会产生应力集中和分层。成型过程是复杂和昂贵的，他们不能创造搭接。胶粘剂结合需要广泛的表面准备和长时间的固化时间。

由于mpc热连接的局限性，研究人员尝试了一些新的方法来连接这些材料。例如，一种技术涉及到使用机械块在mpc中产生搭接。该过程包括钻一个盲孔，并拆除上部金属盖板和聚合物芯。然后，MPC片可以通过压缩放置在中间的金属插入连接在一起。其他研究人员已经测试了搅拌摩擦焊接和混合接头涉及到固定和粘合剂。

电阻点焊(RSW)是一种快速成熟的钣金连接方法。然而，到目前为止，由于非导电聚合物层的存在，使用该技术连接mpc一直具有挑战性。先前的研究表明，如果不修改接头——通过去除少量聚合物来实现两个金属层之间的电接触，或在基体中引入额外的加热元件——点焊mpc是不可能的。

例如，在一个实验中，研究人员在碳纤维增强聚醚酰亚胺和铝板之间的界面放置了一个不锈钢网。当采用电阻焊接连接组合材料时，接头的搭接剪切强度大于20兆帕。另一方面，对关节施加的大量热量引起纤维的显著运动和解固。随后的研究表明，可以通过修改铝的表面或在不锈钢网上添加硅烷涂层来提高接头强度。

我们决定进一步探索点焊连接mpc到钢的可行性。具体来说，我们研究了三种技术:分流电流辅助的RSW，感应加热辅助的RSW和超声辅助的RSW。

材料和设备

在我们的实验中，我们使用RSW连接Litecor和DP600钢板。

Litecor是蒂森克虏伯欧洲钢铁公司生产的夹层材料。Litecor是钢和铝在重量和经济性方面的折中。抗拉强度190 ~ 240 MPa，屈服点120 ~ 180 MPa。它由三层通过热滚粘接工艺创建。外层由HX220YD钢制成，厚0.2至0.5毫米，有一层防腐蚀的锌涂层。内层是聚酰胺和聚乙烯的混合物，0.3到1毫米厚。它的熔化温度为220℃，凝固温度为192℃，分解温度在300℃以上。

DP600薄板厚度为0.8毫米。DP600是一种两相钢，含有柔软的铁素体，成型性好，硬质马氏体，强度高。它是一种具有可成形性的冷轧钢，这使它适合于深拉构件。具有良好的焊接性，适用于汽车安全部件。

mpc点焊的最大限制是存在一个不导电的核心，它限制(甚至阻止)电流通过材料。为了确保电流通过外部金属片，在工艺的第一阶段必须去除不导电聚合物。

在分流电流辅助的RSW中，电流流过电阻较低的电路(由铝制成的分流元件)，并绕过聚合物层。在分流元件中产生的热量被转移到MPC的外部金属包层，进而加热聚合物芯。来自电极的压力将熔化的聚合物推到一边，使金属片相互接触，从而产生点焊。分流元件是一根3毫米厚、180度角弯曲的铝制扁条。

在感应加热辅助点焊中，点焊枪的底部电极与感应线圈重叠。焊接过程分为两个阶段。感应器首先接通。线圈产生的磁场导致涡流流过底部电极和DP600钢。钢中产生的热量被转移到MPC中。在设定的时间后，电感关闭，电阻焊接发生。线圈产生的热量熔化聚合物，聚合物在电极的压力下从关节处挤压出来。因此，电流能够流动和点焊可以形成。感应加热采用大功率电感(40千瓦，22.5千赫兹)。线圈由三匝铜管组成，直径5毫米。 Each coil has an internal diameter 45 millimeters.

超声辅助RSW结合了两种物理上不同的加热材料的方式。在第一阶段，聚合物芯被高强度超声波加热，熔化的聚合物在电极压力的作用下被迫离开接头。在第二阶段，焊接电流接通，点焊正常形成。在这种方法中，较低的电极具有双重功能，具有一个电极和一个频率为20千赫兹和最大功率为3千瓦的声纳电极。

在这三个过程中，电阻焊接都是由1万赫兹电阻点焊枪完成的，其功率为40千伏安，力范围为0.8至4.5千牛顿。

我们使用有限元模型(FEM)来确定每个焊接过程的各种参数。

为了评估焊缝，我们对焊缝块的横截面进行了微观检查，观察形貌、热影响区和焊缝的整体质量。

Shunt-Current-Assisted RSW

我们的有限元分析表明，材料加热过快导致金属覆盖板的严重退化。上部MPC外层过热变形，整个MPC分层。这是因为聚合物的电阻高，导热系数低，且不能迅速将热量散发出焊接区域。此外，一个脉冲的高焊接电流导致覆盖材料的强烈降解，而聚合物层没有达到适当的温度从焊接区去除。

在实践中，我们通过使用多脉冲焊接程序解决了过热问题，该程序由5到10个小电流(3到4千安)的预热脉冲组成。然后，在形成聚合物芯后，施加最后一个高强度电流脉冲(6千安)。这保证了较长的加热时间，但更均匀的温度分布在焊接区。通过这种方法，可以防止MPC的热降解，并获得高质量的焊缝。整个过程大约需要5秒。

焊缝的直径约为3.9毫米。接头的外层金属层没有出现裂纹或可见的聚合物排出。对焊缝截面的检查显示了一个正确建立的核，它包括三层金属板，没有被聚合物芯污染。

然而，也观察到不同的不合格和缺陷。当工艺参数设置不合理时，点焊表面出现了外金属片开裂和聚合物大量排出现象。当设定的分流电流加热过长或过强时，通常会观察到这种情况。在某些情况下，这甚至会导致聚合物层的燃烧和形成不良的焊核。

Shunt-Current-Assisted RSW

我们的有限元研究表明，电感器最好位于接头的固体钢一侧，而不是MPC一侧，因为钢板充当热缓冲。

将电感定位在MPC侧可以快速加热。加热20秒后，最上面的薄片达到约1500摄氏度，而聚合物达到塑料状态。这足以让聚合物从焊接区自由流动。然而，值得注意的是，聚合物在薄片边缘达到了近1221摄氏度。这导致了MPC材料的炭化、燃烧、解体和整体不可避免的降解。当然，用于加热的功率可以减少，但这样会延长加热时间。

当感应器位于实心钢侧时，MPC的盖板不会过热，加热20秒后达到650℃左右的温度。焊接区聚合物的温度达到203℃，足以进行进一步的加工。薄片边缘的聚合物也没有过热，温度达到约439摄氏度。这并没有导致聚合物或MPC整体的降解。

焊接过程分两个阶段进行。在第一阶段，材料通过感应预热。电感电流为468安培，加热时间为30秒。接下来，立即用2千牛顿的力按压焊接电极，并打开焊接电流。焊接电流5.5千安，焊接时间150毫秒。

该工艺产生了令人满意的焊缝。关节的平均直径为4.7毫米。双侧压痕深度较低，无表面断裂裂纹。然而，一个相当广泛的热影响区是可见的，从聚合物核心流出。焊缝核形成良好，包括所有金属层。由于在去除聚合物层的初始阶段有很高的热输入，熔块由比其他概念产生的熔块粗得多的颗粒组成。另一方面，当焊接参数被过高估计时，每条焊缝的质量会急剧下降。外部钢盖板变形甚至破损。在某些情况下，由于MPC覆盖层在熔化的聚合物芯上滑动，接头的几何形状完全被扰乱。

最终，这种方法是有潜力的。然而，对于预热过程还需要更广泛的研究。

超声波协助RSW

通过缩短预热时间，克服了其他两种方法的局限性;减少MPC盖板材料的降解;增加电极与材料的电接触的质量。有限元计算的目的是选择正确的振动(纵向或横向)用于预热过程。

有限元分析表明，最有效的加热方法是纵向振动加热。与横向振动相比，焊接区温度更集中。此外，这种类型的振动确保最短的加热时间，没有不必要的加热钢盖层。但是，在设置工艺参数时，应注意聚合物的玻璃化转变温度和塑化温度。

与其他两种RSW方法不同，超声辅助RSW在聚合物层内部产生热能。因此，聚合物导热系数低的问题并不明显，加热时间也不必延长。这为从焊接区域去除聚合物层提供了明显更有利的条件。

在这种方法中，重要的是要设置超声波参数，以确保聚合物从焊缝中被置换，允许电流流动焊接。如果不这样做，可能会发生以下两种情况之一。一、不会有焊接电流，不会形成接头。或者，如果一些焊接接头已经做了，可能会发生分流效应:整个焊接电流将流过MPC涂层。这是一个非常不利和危险的局面。它会导致过热、分层、变形甚至完全丧失材料的连续性和膨胀。保护涂层也会被损坏。

因此，监测聚合物去除过程和电接触时刻是必要的。这可以通过测量超声加热过程中的动态电阻来实现。焊接电流的小脉冲是监测所必需的。也可以向超声波发生器反馈，控制预热过程何时完成，电阻焊接过程何时开始。

在我们的实验中，我们测试了三次加热时间(150毫秒、250毫秒和1秒)和超声换能器的五个电压振幅等级(10%、20%、30%、40%和50%)。我们还研究了放置超声换能器的最佳位置:固体材料侧或MPC侧。

电阻焊接过程采用双脉冲焊接程序。第一个脉冲的目的是去除锌涂层从表面连接。它还允许我们测量动态电阻值，以确保焊接过程能够安全、正确地进行。第二个脉冲被用来制造焊缝。通过参数的设置，获得焊接时间最短、缺陷量最少的焊缝块的最大直径。

关节的平均直径为5.3毫米。焊缝熔核形成正确，并覆盖所有三片钢板。热影响区非常狭窄，比其他两个概念要小得多。同样，熔核中心的晶粒较小。聚合物芯被很好地去除并局部加热，因此围绕点焊的芯层没有气孔和不连续。然而，这也造成了MPC盖板外层的一些不规则变形。缺陷发生很少。最常见的是所有金属层之间缺乏熔合或在焊核中心观察到的小收缩腔。