本发明涉及异种金属连接领域，特别是涉及一种钢铝材料连接件的制作方法及钢铝材料连接件。
背景技术：
车身轻量化已成为汽车制造技术发展的必然趋势，降低汽车质量最直接有效的方法就是在车身制造过程中大量使用轻量化材料，铝合金是最具应用前景的车用轻量化材料之一。同钢铁材料相比，采用铝合金可以使车体质量减轻30％～40％。可是对于铝合金的焊接，特别是钢铝混合材料的连接，存在可焊接性差的重大难题。所以，钢铝混合连接技术一直是汽车轻量化发展中的关注重点之一，是实现铝车身必须克服的技术难点。
在钢铝混合材料连接中主要存在以下问题：
(1)由于钢的熔点比铝的熔点高，在焊接过程中，当铝完全熔化为液态时，钢仍处于固态，而且两者的密度相差很大，当钢完全熔化后，液态铝浮在钢水上面，冷却结晶后焊缝成分不均匀，使得焊接接头的性能降低。
(2)铝及其合金与钢焊接过程中，在铝母材表面形成难熔的氧化膜，这种氧化膜也可以存在于熔池表面，熔池温度越高，表面氧化膜越厚，氧化膜的存在阻碍液态金属的结合，容易使焊缝产生夹渣。
(3)铝及其合金与钢的热导率、线膨胀系数相差很大，焊后焊接接头变形严重，并且有很大的残余应力存在，易产生裂纹。
(4)铁在铝中的固溶度几乎为零，且他们之间可以产生多种硬而脆的金属间化合物，导致钢铝界面处具有极强的脆性而降低了焊接接头的力学性能，无法满足铝车身强度要求。
目前，车辆制造过程中为实现钢铝混合材料的有效连接，主要使用的工艺有自冲铆接和旋转攻丝铆接工艺。另外，现正在进行实验室研究的搅拌摩擦点焊也是可能实现钢铝混合材料的有效连接工艺之一。
由于钢、铝材料的物理化学性能差异，以及钢铝材料界面容易形成金属件化合物，使这两种材料无法通过电阻电焊工艺进行永久连接。前述的常用连接工艺有着明显的、无法避免的诸多缺陷。大致有以下重大缺陷：
(1)成本高昂。由于现有技术方案的设备、系统复杂、占地面积较大，并可能使用特殊的辅助件(铆钉)或易损件(搅拌头)，造成车身焊接成本远超目前常用的电阻点焊工艺成本。
(2)有较为严格结构设计要求及材料匹配原则。现有技术方案对焊接结构设计有明确的技术要求，造成这些技术方案的应用具有较大的局限性，部分结构无法施焊或必须对现有的结构再次进行结构设计。同时，现有技术方案对对材料匹配有严格的匹配原则，进一步限制了现有技术方案的使用范围。
(3)焊接工艺难以实现信息化控制。现有技术方案均只能采用固定的焊接工艺规范，无法采用信息化技术实现实时信息采集、焊接工艺自动优化等功能。
由以上可见，一种简单、高效、可有效避免缺陷的电阻点焊方法是实现钢铝材料高效、快速、稳定、智能化连接的重要途径之一，对于铝合金车身的产业实现具有极为重要的现实意义。
技术实现要素：
本发明的一个目的是提供一种钢铝材料连接件的制作方法，能够实现钢铝材料高效、快速、稳定的连接。
本发明的另一个目的是要节约连接钢铝材料的成本。
本发明的进一步的一个目的是要使得钢铝材料焊接的信息化和自动化易于实现。
特别地，本发明提供了一种钢铝材料连接件的制作方法，用于连接铝材板和钢材板，包括以下步骤：
将所述铝材板堆叠在所述钢材板上；
制备钢制压环，其高度不小于所述铝材板的厚度；
将所述钢制压环放置于所述铝材板的顶面的预设位置处，其中，所述钢制压环的轴线垂直于所述铝材板的表面；
以第一焊接参数在所述钢制压环的顶面和所述钢材板的底面之间施加第一次电阻点焊，使得所述铝材板局部熔融同时所述钢材板和所述钢制压环为固相；
在所述钢制压环压透所述铝材板并与所述钢材板的顶面接触时，以第二焊接参数在所述钢制压环的顶面和所述钢材板的底面之间施加第二次电阻点焊，使得所述铝材板、所述钢制压环和所述钢材板之间形成具有预设力学性能的连接接头。
可选地，所述铝材板由纯铝或铝合金材料制成。
可选地，所述钢制压环由合金钢或不锈钢制成。
可选地，所述钢制压环的高度小于1.5t1及t1 10mm中的较小值，其中t1为所述铝材板的厚度。
可选地，所述钢制压环的厚度为0.5t1-2t1。
可选地，所述钢制压环的屈服强度为250～800mpa、抗拉强度为280～1280mpa、延伸率5～40％，维氏硬度≥150。
可选地，以第一焊接参数在所述钢制压环的顶面和所述钢材板的底面之间施加第一次电阻点焊，包括：
在所述钢制压环的顶面和所述钢材板的底面之间施加焊接压力为0.5-4kn、焊接电流为5-15ka、保持时间为5-3000ms的电阻点焊。
可选地，以第二焊接参数在所述钢制压环的顶面和所述钢材板的底面之间施加第二次电阻点焊，包括：
在所述钢制压环的顶面和所述钢材板的底面之间施加焊接压力为2-10kn、焊接电流为5-15ka、保持时间为10-1000ms的电阻点焊。
可选地，所述预设力学性能包括不小于1.8kn的拉伸强度、不小于2.5kn的剪切强度以及不小于6n*m的最大扭矩。
特别地，本发明还提供了一种钢铝材料连接件，所述钢铝材料连接件通过上述任一项所述的制作方法制得。
本发明巧妙的采用钢铝两种金属材料的熔点温度差异及物理化学性能差异，在熔池半固态时实现焊接，即在两种金属分别为固相和液相(固液两相共存状态)时压入钢制压环。再通过钢制压环和钢材板的电阻点焊接合，形成类似于铆接的作用，将铝材板固定于钢材板上，间接实现钢铝异种材料的连接。这种采用外加连接件的方式实现了钢铝材料快速、高效、稳定连接。
进一步地，由于车身焊接常用的电阻点焊工艺应用成熟，目前车身焊接结构设计均以电阻点焊工艺为基础。本发明创造性的采用新的外加连接件，将电阻点焊工艺移植至钢铝异种材料的连接中，使目前常用的电阻点焊设备进行钢铝异种材料的连接成为现实。而且外加连接件(钢制压环)成本低廉，结构简单，没有巨大的成本增加，相比旋转攻丝铆接和自冲铆接等工艺，有较强的成本优势。并且电阻点焊的方式易于实现电气控制，易于实现焊接的信息和自动化。
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1是根据本发明一个实施例的钢铝材料连接件的制作方法的流程图；
图2是根据本发明一个实施例的钢铝材料连接件的制作方法的工艺流程示意图。
具体实施方式
图1是根据本发明一个实施例的钢铝材料连接件的制作方法的流程图。本发明提供了一种钢铝材料连接件的制作方法，用于连接铝材板10和钢材板20。如图1所示，一个实施例中，该制作方法一般性地可以包括以下步骤：
s10：将铝材板10堆叠在钢材板20上。即铝材板10的底面与钢材板20的顶面接触，铝材板10和钢材板20都为平板，两者无间隙的贴合。
s20：制备钢制压环30，其高度不小于铝材板10的厚度。
s30：将钢制压环30放置于铝材板10的顶面的预设位置处，其中，钢制压环30的轴线垂直于铝材板10的表面。这里的预设位置是铝材板10和钢材板20的待焊接位置。
s40：以第一焊接参数在钢制压环30的顶面和钢材板20的底面之间施加第一次电阻点焊，使得铝材板10局部熔融同时钢材板20和钢制压环30为固相。此过程中，焊接熔池为固液相共存的状态，施加在钢制压环30顶面的压力使得钢制压环30慢慢穿透熔融的铝材板10。
s50：在钢制压环压透铝材板10并与钢材板20的顶面接触时，以第二焊接参数在钢制压环30的顶面和钢材板20的底面之间施加第二次电阻点焊，使得铝材板10、钢制压环30和钢材板20之间形成具有预设力学性能的连接接头。可选地，预设力学性能包括不小于1.8kn的拉伸强度、不小于2.5kn的剪切强度以及不小于6n*m的最大扭矩。
本实施例巧妙的采用钢铝两种金属材料的熔点温度差异及物理化学性能差异，在熔池半固态时实现焊接，即在两种金属分别为固相和液相(固液两相共存状态)时压入钢制压环30。再通过钢制压环30和钢材板20的电阻点焊接合，形成类似于铆接的作用，将铝材板10固定于钢材板20上，间接实现钢铝异种材料的连接。这种采用外加连接件的方式实现了钢铝材料快速、高效、稳定连接。
进一步地，由于车身焊接常用的电阻点焊工艺应用成熟，目前车身焊接结构设计均以电阻点焊工艺为基础。本发明创造性的采用新的外加连接件，将电阻点焊工艺移植至钢铝异种材料的连接中，使目前常用的电阻点焊设备进行钢铝异种材料的连接成为现实。而且外加连接件(钢制压环30)成本低廉，结构简单，没有巨大的成本增加，相比旋转攻丝铆接和自冲铆接等工艺，有较强的成本优势。并且电阻点焊的方式易于实现电气控制，易于实现焊接的信息和自动化。
一个实施例中，铝材板10由纯铝或铝合金材料制成。还可以是铸铝件。
一个实施例中，钢制压环30由合金钢或不锈钢制成。
在选用钢制压环30的材料时，首先考虑的是钢制压环30的强韧性优于铝合金，且固液相转变温度高于铝合金，其次考虑钢制压环30需要与钢材板20通过电阻点焊实现原子间结合，另外该材料还必须容易获得且易于加工。综合以上考虑，优选合金钢或不锈钢用于制备钢制压环30。一个实施例中，钢制压环30化学成分及重量百分比为c：0.03～0.60％，mn：0.15～2.00％，si：0.15～1.0％，s：≤0.04％，p：≤0.04％，b≤0.005％，ni：≤25％，cr：≤20％，nb：≤0.5％，mo：≤0.5％，al：0.05～0.6％，余量为fe。
可选地，钢制压环30的屈服强度为250～800mpa、抗拉强度为280～1280mpa、延伸率5～40％，维氏硬度≥150。
一个实施例中，钢制压环30的高度小于1.5t1及t1 10mm中的较小值，其中t1为铝材板10的厚度。根据铝材板10和钢材板20的厚度，确定钢制压环30的高度。首先必须确保钢制压环30的高度大于铝材板10的厚度，而且能够在钢制压环30压下后能够与下层钢材板20的有效接触并形成冶金结合，所以本发明确定的钢制压环30最低高度为铝合金板的厚度t1。钢制压环30的高度过大地超过铝材板10厚度会造成焊点表面严重凸出，表面成型不良。根据相关实验结果分析，本发明确定的钢制压环30高度不应超过铝材板10厚度的1.5倍，且不超过t1 10mm。
另一个实施例中，钢制压环30还满足其厚度为0.5t1-2t1。
钢制压环30的内外径根据焊点的力学性能要求、电阻点焊设备性能、电极帽尺寸等因素共同确定。为保证焊接接头的力学性能，钢制压环30的内径为3-38mm，即可以为3mm、4mm、10mm或38mm。钢制压环30壁厚不小于0.5mmm，例如0.5mm或1mm。钢制压环30的外径为4-40mm，例如4mm、10mm或40mm。
图2是根据本发明一个实施例的钢铝材料连接件的制作方法的工艺流程示意图。如图2所示的另一个实施例中，图2中忽略了s10，在s10后，包括以下步骤：
s21：制备圆筒形的钢制压环30(图2中的step1)。
s31：将钢制压环30放置于铝材板10的顶面的预设位置处，使得钢制压环30的中心与焊点的中心重合(图2中的step2)。
s41：在钢制压环30的顶面和钢材板20的底面之间施加焊接压力f1为0.5-4kn、焊接电流i1为5-15ka、保持时间为5-3000ms的电阻点焊(图2中的step3)，此过程中铝材板10形成图2中s所示的局部熔融区域。
s51：在钢制压环压透铝材板10并与钢材板20的顶面接触时，在钢制压环30的顶面和钢材板20的底面之间施加焊接压力f2为2-10kn、焊接电流i2为5-15ka、保持时间为10-1000ms的电阻点焊(图2中的step4)。冷却后钢制压环30和底层钢材板20形成冶金结合。
s41过程中，使得钢制压环30中心线、焊点位置中心和电极帽中心线重合，在第一次焊接未开始时，电阻点焊设备的上电极高于钢制压环30的高度的2-50mm，以便钢制压环30的置入。
可选地，电阻点焊过程中均采用平底型电极帽，从而使得电极与试样的接触面为完整平面，保证焊接质量。
由于焊接工艺参数影响焊接接头的热循环过程，从而对焊接接头的组织和力学性能带来影响。从焊接施工效率方面考虑，科学合理的焊接工艺规范可以提高焊接施工效率。同时合理的焊接工艺参数对于避免由于气孔、夹渣等焊接缺陷引起的焊接接头加速腐蚀有极为重要的影响。根据相关试验分析，确定前述焊接工艺参数。具体的焊接工艺参数可根据实际的焊接设备及现场生产情况变更。
本发明还提供了一种通过上述任一种的制作方法制得钢铝材料连接件，使得该钢铝材料连接件的连接接头处具有良好的力学性能，例如不小于1.8kn的拉伸强度、不小于2.5kn的剪切强度以及不小于6n*m的最大扭矩。该钢铝材料连接件的各个部件的尺寸、材料、性能以及连接形式等参照前面实施例，在此不再赘述。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。
1.一种钢铝材料连接件的制作方法，用于连接铝材板和钢材板，其特征在于，包括以下步骤：
将所述铝材板堆叠在所述钢材板上；
制备钢制压环，其高度不小于所述铝材板的厚度；
将所述钢制压环放置于所述铝材板的顶面的预设位置处，其中，所述钢制压环的轴线垂直于所述铝材板的表面；
以第一焊接参数在所述钢制压环的顶面和所述钢材板的底面之间施加第一次电阻点焊，使得所述铝材板局部熔融同时所述钢材板和所述钢制压环为固相；
在所述钢制压环压透所述铝材板并与所述钢材板的顶面接触时，以第二焊接参数在所述钢制压环的顶面和所述钢材板的底面之间施加第二次电阻点焊，使得所述铝材板、所述钢制压环和所述钢材板之间形成具有预设力学性能的连接接头。
2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，
所述铝材板由纯铝或铝合金材料制成。
3.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，
所述钢制压环由合金钢或不锈钢制成。
4.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，
所述钢制压环的高度小于1.5t1及t1 10mm中的较小值，其中t1为所述铝材板的厚度。
5.根据权利要求4所述的制作方法，其特征在于，
所述钢制压环的厚度为0.5t1-2t1。
6.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，
所述钢制压环的屈服强度为250～800mpa、抗拉强度为280～1280mpa、延伸率5～40％，维氏硬度≥150。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的制作方法，其特征在于，以第一焊接参数在所述钢制压环的顶面和所述钢材板的底面之间施加第一次电阻点焊，包括：
在所述钢制压环的顶面和所述钢材板的底面之间施加焊接压力为0.5-4kn、焊接电流为5-15ka、保持时间为5-3000ms的电阻点焊。
8.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，以第二焊接参数在所述钢制压环的顶面和所述钢材板的底面之间施加第二次电阻点焊，包括：
在所述钢制压环的顶面和所述钢材板的底面之间施加焊接压力为2-10kn、焊接电流为5-15ka、保持时间为10-1000ms的电阻点焊。
9.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，
所述预设力学性能包括不小于1.8kn的拉伸强度、不小于2.5kn的剪切强度以及不小于6n*m的最大扭矩。
10.一种钢铝材料连接件，其特征在于，所述钢铝材料连接件通过权利要求1-9中任一项所述的制作方法制得。
技术总结