利于不同金屬點(diǎn)焊的錐形電流的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了利于不同金屬點(diǎn)焊的錐形電流。公開(kāi)了一種電阻點(diǎn)焊工件層疊結(jié)構(gòu)進(jìn)行的方法，所述工件層疊結(jié)構(gòu)包括鋼工件和鋁合金工件，所述鋼工件和所述鋁合金工件彼此重疊和接觸以在焊接點(diǎn)處建立接合界面。所述方法包括：使DC電流在所述焊接點(diǎn)處通過(guò)所述工件層疊結(jié)構(gòu)并且使所述電流呈現(xiàn)錐形流動(dòng)圖案。所述錐形流動(dòng)圖案具有電流流動(dòng)路徑，所述電流流動(dòng)路徑沿從與所述鋼工件電連通的第一焊接電極朝與所述鋁合金工件電連通的第二焊接電極引導(dǎo)的方向擴(kuò)展。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
利于不同金屬點(diǎn)焊的錐形電流
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本公開(kāi)的技術(shù)領(lǐng)域通常涉及電阻點(diǎn)焊，并且更具體地，涉及電阻點(diǎn)焊鋼工件和鋁合金工件。
【背景技術(shù)】
[0002]電阻點(diǎn)焊是許多行業(yè)用來(lái)將兩個(gè)或者更多個(gè)金屬工件連接在一起的過(guò)程。例如，汽車(chē)行業(yè)尤其在制造車(chē)門(mén)、引擎蓋、后備箱蓋或者升降門(mén)期間經(jīng)常使用電阻點(diǎn)焊來(lái)將預(yù)制金屬工件連接在一起。通常沿金屬工件的周邊邊緣或者一些其他結(jié)合區(qū)域形成許多點(diǎn)焊縫以確保該部分在結(jié)構(gòu)上是牢固的。雖然已經(jīng)通常實(shí)行點(diǎn)焊來(lái)將某些相似組成的金屬工件(諸如，鋼-鋼和鋁合金-鋁合金)連接在一起，但是對(duì)將重量較輕的材料合并為車(chē)身結(jié)構(gòu)的需要已經(jīng)引起了對(duì)通過(guò)電阻點(diǎn)焊將鋼工件連接至鋁合金工件的關(guān)注。由于許多汽車(chē)裝配廠(chǎng)在適當(dāng)?shù)奈恢锰幰呀?jīng)具有點(diǎn)焊基礎(chǔ)設(shè)施，因此對(duì)這些不同金屬的工件進(jìn)行電阻點(diǎn)焊的能力將提升生產(chǎn)靈活性并且降低制造成本。對(duì)不同金屬的工件進(jìn)行電阻點(diǎn)焊的上述需要并不是汽車(chē)行業(yè)所獨(dú)有的；的確，其延伸至可以利用點(diǎn)焊作為其中包括航空、海事、鐵路和房屋建筑行業(yè)的連接過(guò)程的其他行業(yè)。
[0003]通常，電阻點(diǎn)焊依賴(lài)于對(duì)通過(guò)重疊的金屬工件并且跨越其接合界面以生成熱量的電流流動(dòng)的電阻。為了執(zhí)行這種焊接過(guò)程，成套的兩個(gè)對(duì)置的點(diǎn)焊電極在工件層疊結(jié)構(gòu)的相對(duì)側(cè)上對(duì)齊，該工件層疊結(jié)構(gòu)通常包括在預(yù)定焊接處以重疊的配置設(shè)置的兩個(gè)或者三個(gè)金屬工件。然后電流從一個(gè)焊接電極通過(guò)金屬工件到達(dá)另一個(gè)焊接電極。該電流流動(dòng)的電阻在金屬工件內(nèi)以及在其接合面處生成熱量。當(dāng)工件層疊結(jié)構(gòu)包括鋼工件和相鄰的鋁合金工件時(shí)，在接合界面處以及在這些不同金屬的工件的成塊材料內(nèi)生成的熱量發(fā)起和生成從接合界面延伸進(jìn)入鋁合金工件的熔融鋁合金焊池。該熔融鋁合金焊池弄濕鋼工件的相鄰接合面，并且在中斷電流時(shí)，凝固成為點(diǎn)焊熔核，該點(diǎn)焊熔核形成使兩個(gè)工件結(jié)合在一起的焊接接頭的全部或者部分。
[0004]然而，事實(shí)上，由于這兩種金屬的許多特性可能會(huì)不利地影響焊接接頭的強(qiáng)度(最顯著的是剝離強(qiáng)度)，因此將鋼工件點(diǎn)焊至鋁合金工件是一個(gè)挑戰(zhàn)。舉例來(lái)說(shuō)，鋁合金工件通常包含在其表面上的一個(gè)或者多個(gè)機(jī)械上牢固的、電絕緣的和自修復(fù)的耐高溫氧化物層。氧化物層通常由氧化鋁組成，但是還可以包括其他金屬氧化物化合物，當(dāng)鋁合金工件由含鎂鋁合金構(gòu)成時(shí)包括鎂氧化物。由于其物理性質(zhì)，耐高溫氧化物層具有這樣一種趨勢(shì)，在它們可能阻礙熔融鋁合金焊池弄濕鋼工件的能力的接合界面處保持完整。過(guò)去在進(jìn)行點(diǎn)焊之前將氧化物層從鋁合金工件去除方面已經(jīng)做出了努力。不過(guò)，這種去除實(shí)踐可能是不切實(shí)際的，因?yàn)檠趸飳泳哂性谘鯕獯嬖诘那闆r下再生的能力，尤其是在應(yīng)用來(lái)自點(diǎn)焊操作的熱量的情況下。
[0005]鋼工件和鋁合金工件也具備傾向于使點(diǎn)焊過(guò)程復(fù)雜化的不同的性質(zhì)。具體地，鋼具有相對(duì)高的熔點(diǎn)(_1500°C)以及相對(duì)高的電阻率和熱阻率，而鋁合金材料具有相對(duì)低的熔點(diǎn)(-600°C)以及相對(duì)低的電阻率和熱阻率。由于這些物理差異，電流流動(dòng)期間會(huì)在鋼工件中生成大部分熱量。該熱量失衡在鋼工件(較高的溫度)和鋁合金工件(較低的溫度)之間建立對(duì)鋁合金工件啟動(dòng)快速熔化的溫度梯度。電流流動(dòng)期間產(chǎn)生的溫度梯度和鋁合金工件的高導(dǎo)熱率的組合意味著就在中斷電流以后，出現(xiàn)熱量不能從焊接點(diǎn)對(duì)稱(chēng)散布的狀況。相反，將熱量從更熱的鋼工件通過(guò)鋁合金工件朝與鋁合金工件接觸的焊接電極傳導(dǎo)，這在鋼工件和該特定的焊接電極之間創(chuàng)建了陡峭的熱梯度。
[0006]相信鋼工件和與鋁合金工件接觸的焊接電極之間的陡峭的熱梯度的形成在兩個(gè)主要方面減弱了所得焊接接頭的完整性。首先，因?yàn)樵谥袛嚯娏髦?，鋼工件與鋁合金工件相比將熱量保留更長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間，所以熔融鋁合金焊池會(huì)定向地凝固，以從最接近與鋁合金工件相關(guān)聯(lián)的冷卻器焊接電極(通常是水冷的)的區(qū)域開(kāi)始并且朝接合界面?zhèn)鞑ァ＿@種凝固前沿傾向于朝點(diǎn)焊熔核內(nèi)的接合界面和沿點(diǎn)焊熔核內(nèi)的接合界面清除或者驅(qū)除缺陷(諸如，氣孔、縮孔、微小破裂和表面氧化物殘留物)。其次，鋼工件中的持續(xù)升高的溫度促使在接合界面處和沿接合界面的易碎的Fe-Al金屬間化合物增長(zhǎng)。金屬間化合物傾向于在點(diǎn)焊熔核與鋼工件之間形成薄反應(yīng)層。如果存在，那么除了點(diǎn)焊熔核之外，通常認(rèn)為這些金屬間化合物層是焊接接頭的一部分。具有點(diǎn)焊熔核缺陷的散布連同F(xiàn)e-Al金屬間化合物沿接合界面的過(guò)度增長(zhǎng)傾向于降低最終焊接接頭的剝離強(qiáng)度。
[0007]考慮到上述挑戰(zhàn)，之前對(duì)點(diǎn)焊鋼工件和基于鋁的工件做出的努力已經(jīng)采用了規(guī)定更高的電流、更長(zhǎng)的焊接時(shí)間或者兩者(與點(diǎn)焊鋼-鋼比較)的焊接方案，以嘗試并且獲得合理的焊接結(jié)合區(qū)域。這種努力在制造背景下很大程度上不成功，并且具有損壞焊接電極的趨勢(shì)。考慮到之前對(duì)點(diǎn)焊做出的努力還沒(méi)有特別成功，已經(jīng)主要使用機(jī)械緊固件(諸如，自沖鉚釘和熱熔自攻螺釘)來(lái)代替。然而，這種機(jī)械緊固件需要花更長(zhǎng)的時(shí)間才能被放到適當(dāng)?shù)奈恢?，并且具有比點(diǎn)焊高的耗材成本。它們也增加了車(chē)輛車(chē)身結(jié)構(gòu)的重量(在通過(guò)點(diǎn)焊的方式來(lái)完成連接時(shí)所避免的重量)，其抵消了通過(guò)首先使用鋁合金工件而獲得的重量減輕中的一些。除了本領(lǐng)域之外，將使過(guò)程更加能夠連接鋼工件和鋁合金工件的點(diǎn)焊中的進(jìn)步因此將變得受歡迎。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]公開(kāi)了一種電阻點(diǎn)焊工件層疊結(jié)構(gòu)的方法，所述工件層疊結(jié)構(gòu)包括重疊并且接觸的鋼工件和鋁合金工件。所公開(kāi)的方法包括:提供層疊結(jié)構(gòu)，從而使鋼的接合面和鋁合金工件的接合面彼此接觸以建立接合界面。然后，在焊接點(diǎn)處，使第一焊接電極與鋼工件形成電連通，并且使第二焊接電極與鋁合金工件形成電連通。第一焊接電極和第二焊接電極在焊接點(diǎn)處彼此面對(duì)。然后使DC電流通過(guò)工件層疊結(jié)構(gòu)并且穿過(guò)第一焊接電極與第二焊接電極之間，以在鋁合金工件內(nèi)發(fā)起和擴(kuò)展熔融鋁合金焊池。最后，中斷通過(guò)第一焊接電極與第二焊接電極之間的DC電流，同時(shí)熔融鋁合金焊池凝固成為焊接接頭，該焊接接頭使鋼工件和鋁合金工件在其接合界面處結(jié)合在一起。
[0009]以許多方法可以使第一焊接電極和第二焊接電極與其相應(yīng)的工件形成電連通。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，可以將第一焊接電極直接按壓在鋼工件的可到達(dá)的外表面上，并且可以將第二焊接電極按壓在鋁合金工件的可到達(dá)的外表面上。作為另一示例，可以將導(dǎo)電中間構(gòu)件設(shè)置在第一焊接電極與鋼工件的可到達(dá)的外表面之間、設(shè)置在第二焊接電極與鋁合金工件的可到達(dá)的外表面之間、或者設(shè)置在兩個(gè)焊接電極與其相應(yīng)的可到達(dá)的工件外表面之間。當(dāng)然，只要電流可以在電極和其相關(guān)聯(lián)的工件之間流動(dòng)，可以采用使第一焊接電極和第二焊接電極中每一個(gè)分別與鋼工件和鋁合金工件形成電連通的其他方式。
[0010]為了提高在鋼工件與鋁合金工件之間形成的焊接接頭的強(qiáng)度(特別是剝離強(qiáng)度)，使得DC電流呈現(xiàn)錐形流動(dòng)圖案，以該錐形流動(dòng)圖案，電流流動(dòng)路徑沿從第一焊接電極朝第二焊接電極引導(dǎo)的方向徑向擴(kuò)展，從而使DC電流的電流密度在工件層疊結(jié)構(gòu)的至少一部分內(nèi)沿橫跨從鋼工件內(nèi)、越過(guò)接合面并進(jìn)入鋁合金工件中的方向減小。錐形流動(dòng)圖案的誘因所觸發(fā)的電流密度中的差異在鋼工件內(nèi)的比鋁合金工件小的區(qū)域內(nèi)聚集熱量。這創(chuàng)建了溫度梯度或者擴(kuò)大了熔融鋁焊池周?chē)脑陔娏髁鲃?dòng)期間已經(jīng)存在的溫度梯度，其接著促進(jìn)焊池以支持更堅(jiān)固的焊接接頭的方式凝固。
【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1是工件層疊結(jié)構(gòu)的一般剖視圖，該工件層疊結(jié)構(gòu)包括鋼工件和鋁合金工件以及使DC電流通過(guò)根據(jù)本公開(kāi)的工件層疊結(jié)構(gòu)的一對(duì)對(duì)置的焊接電極；
圖2是在已經(jīng)中斷DC電流的通過(guò)并且已經(jīng)形成將鋼工件和鋁合金工件結(jié)合在一起的焊接接頭之后的圖1所示的工件層疊結(jié)構(gòu)的一般剖視圖；
圖3是通過(guò)傳統(tǒng)的電阻點(diǎn)焊過(guò)程而在鋼工件(底部工件)與鋁合金工件(頂部工件)之間形成的有代表性的焊接接頭的顯微照片，該傳統(tǒng)的電阻點(diǎn)焊過(guò)程不會(huì)在用于形成焊接接頭的DC電流中引起錐形流動(dòng)圖案；
圖4是在使得用于形成焊接接頭的DC電流呈現(xiàn)錐形流體圖案時(shí)，在鋼工件與鋁合金工件之間形成的焊接接頭的顯微照片；
圖5是工件層疊結(jié)構(gòu)的一般剖視圖，該工件層疊結(jié)構(gòu)包括鋼工件和鋁合金工件以及一對(duì)對(duì)置的焊接電極，該一對(duì)對(duì)置的焊接電極使DC電流通過(guò)根據(jù)本公開(kāi)的工件層疊結(jié)構(gòu)，以除了在鋁合金工件內(nèi)發(fā)起和擴(kuò)展熔融鋁合金焊池之外，還在鋼工件內(nèi)發(fā)起和擴(kuò)展熔融鋼焊池；
圖6是在已經(jīng)中斷DC電流的通過(guò)并且與位于鋼工件內(nèi)的鋼點(diǎn)焊熔核一起形成的將鋼工件和鋁合金工件結(jié)合在一起的焊接接頭之后的圖5所示的工件層疊結(jié)構(gòu)的一般剖視圖；以及
圖7是在使得用于形成焊接接頭的DC電流呈現(xiàn)錐形流體圖案并且在鋼工件內(nèi)發(fā)起和擴(kuò)展熔融鋼焊池時(shí)，在鋼工件與鋁合金工件之間形成的焊接接頭的顯微照片。
【具體實(shí)施方式】
[0012]在圖1至圖2中圖示了一種對(duì)工件層疊結(jié)構(gòu)10進(jìn)行電阻點(diǎn)焊的方法，該工件層疊結(jié)構(gòu)10包括不同金屬的工件。例如，如此處所討論的，工件層疊結(jié)構(gòu)10包括鋼工件12和鋁合金工件14，該鋼工件12和該鋁合金工件14在意圖實(shí)踐點(diǎn)焊的焊接點(diǎn)16處彼此重疊和接觸。鋼工件12和鋁合金工件14分別提供工件層疊結(jié)構(gòu)10的任何合適類(lèi)型的焊槍(未示出)可到達(dá)的第一側(cè)18和第二側(cè)20。而且，盡管在圖1至圖2中未示出，但如果需要，在其他可能性中，工件層疊結(jié)構(gòu)10也可以包括額外的工件，諸如，位于工件12、14之間以制備總共有三個(gè)工件的層疊結(jié)構(gòu)的第二鋼工件。術(shù)語(yǔ)“工件”以及其鋼變例和鋁合金變例廣泛用于參考任何可電阻點(diǎn)焊的材料的此描述中，除了包括可以可選地存在的任何表面層的其他材料之外，該可電阻點(diǎn)焊的材料包括但不限于乳制金屬板層、鑄件或者擠出件。
[0013]例如，鋼工件12包括可以是電鍍(S卩，鍍鋅)、覆鋁或者無(wú)遮蓋(S卩，未涂覆)的鋼基板。涂覆的或者未涂覆的鋼基板可以由各種各樣的鋼組成，該各種各樣的鋼包括低碳鋼(也稱(chēng)為軟鋼)、無(wú)間隙原子(IF)鋼、高強(qiáng)度低合金(HSLA)鋼或者先進(jìn)高強(qiáng)度鋼(AHSS)，諸如，雙相(DP)鋼、相變誘導(dǎo)塑性(TRIP)鋼、孿晶誘導(dǎo)塑性(TWIP)鋼、復(fù)相(CP)鋼、馬氏(MART)鋼、熱壓制(冊(cè))鋼和壓硬(PHS)鋼。鋼工件12至少在焊接點(diǎn)16處具有范圍優(yōu)選為0.3 mm至6.0 mm、0.5 mm至4.0 mm、或者更窄，0.6 mm至2.5 mm的厚度120。
[0014]鋁合金工件14包括可以是涂覆的或者無(wú)遮蓋的(S卩，沒(méi)有自然或者涂覆的表面涂層)鋁合金基板。涂覆的或者未涂覆的鋁合金基板可以由鋁鎂合金、鋁硅合金、鋁鎂硅合金或者招鋅合金構(gòu)成。例如，招合金基板可以由4xxx、5xxx、6xxx或者7xxx系列的鍛造的招合金板層、或者4xxx、5xxx或者7xxx系列的招合金涂層構(gòu)成，或者可以進(jìn)一步用于各種各樣的回火，包括退火(0)、應(yīng)變硬化(H)和固溶熱處理(T)。可以用作鋁合金基板的更多一些的特定種類(lèi)的鋁合金包括但不限于5754鋁鎂合金、6022鋁鎂硅合金、7003鋁鋅合金和Al-1OS1-Mg壓鑄鋁合金。另外，可以為這些和其他合適的鋁合金涂覆其自然的耐高溫氧化物層、鋅或者轉(zhuǎn)化涂層，并且通常用于電阻點(diǎn)焊操作的通過(guò)焊接的粘合劑或者涂封物也是可能存在的。招合金工件14至少在焊接點(diǎn)16處具有范圍優(yōu)選為0.3 mm至約6.0 mm、0.5 mm至4.0 mm、或者更窄，0.5 mm至3.0 mm的厚度140。
[0015]當(dāng)為點(diǎn)焊進(jìn)行重疊時(shí)，鋼工件12包括接合面22和可到達(dá)的外表面24。同樣，鋁合金工件14包括接合面26和可到達(dá)的外表面28。兩個(gè)工件12、14的接合面22、26彼此重疊和接觸以在焊接點(diǎn)16處建立接合界面30。如本文所使用的，接合界面30包含鋼工件12和鋁合金工件14的接合面22、26之間的直接接觸的例子以及間接接觸的例子，在間接接觸的例子中，接合面22、26彼此不接觸，但是彼此足夠近地靠近，諸如，當(dāng)存在粘合劑、涂封物或者一些其他中間材料的薄層時(shí)，仍然可以實(shí)踐電阻點(diǎn)焊。另一方面，鋼工件12和鋁合金工件14的可到達(dá)的外表面24、28在相反的方向上通常彼此背離，并且構(gòu)成工件層疊結(jié)構(gòu)10的第一側(cè)18和第二側(cè)20。
[0016]在對(duì)工件層疊結(jié)構(gòu)10進(jìn)行電阻點(diǎn)焊期間，第一焊接電極32和第二焊接電極34用于使DC電流通過(guò)工件層疊結(jié)構(gòu)10并且跨越在焊接點(diǎn)16處的兩個(gè)工件12、14的接合界面30。第一焊接電極32和第二焊接電極34中的每個(gè)電極由焊槍(諸如，C型或者X型焊槍)的單獨(dú)的焊槍臂(未示出)承載。兩個(gè)焊槍臂可操作以使焊接電極32、34朝彼此可縮回地匯聚或者擠壓，并且當(dāng)電極32、34靠在相對(duì)面上時(shí)，將范圍通常在400 Ib和2000 Ib之間的夾緊力施加在電極32、34上。此外，焊槍通常與電源36相關(guān)聯(lián)，該電源36通常經(jīng)由焊槍臂在第一和第二焊接電極32、34之間提供DC電流通過(guò)。焊接控制器38可以與電源36界面連接以根據(jù)程序化的焊接方案來(lái)控制DC電流的通過(guò)。而且，由于工件層疊結(jié)構(gòu)10與焊接電極32、34之間的電流通過(guò)生成足夠的熱量，因此在點(diǎn)焊事件期間使冷卻劑(諸如，水)循環(huán)通過(guò)第一焊接電極32和第二焊接電極34的冷卻劑線(xiàn)或者導(dǎo)管通常也可以提供在焊槍的焊槍臂上或者由焊槍的焊槍臂提供。
[0017]在電阻點(diǎn)焊方法的開(kāi)始階段，并且通常參照?qǐng)D1，將工件層疊結(jié)構(gòu)10定位在第一焊接電極32與第二焊接電極34之間。通過(guò)操作焊槍來(lái)使第一焊接電極32和第二焊接電極34中的每一個(gè)與其相應(yīng)的工件12、14形成電連通，從而使第一焊接電極32的第一焊接面40與第二焊接電極34的第二焊接面42軸向?qū)R。存在多個(gè)選擇用于實(shí)現(xiàn)每個(gè)焊接電極32、34與其相應(yīng)的工件12、14之間的電連通。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，可以將第一焊接電極32的第一焊接面40直接按壓在鋼工件12的可到達(dá)的外表面24上，并且可以將第二焊接電極34的第二焊接面42直接按壓在鋁合金工件14的可到達(dá)的外表面28上。在其他實(shí)施例中，可以將導(dǎo)電中間構(gòu)件設(shè)置在第一焊接電極32的第一焊接面40與鋼工件12的可到達(dá)的外表面24之間，和/或設(shè)置在第二焊接電極34的第二焊接面42與鋁合金工件14的可到達(dá)的外表面28之間。只要電流可以在電極與其相關(guān)聯(lián)的工件之間流動(dòng)，導(dǎo)電中間構(gòu)件就可以是帶、遮蔽其焊接面的附接至電極的焊接電極蓋、在焊接電極與工件之間夾緊的蓋板、或者其他任何合適的構(gòu)件。
[0018]在第一焊接電極32和第二焊接電極34處于適當(dāng)?shù)奈恢貌⑶乙呀?jīng)分別與鋼工件12和鋁合金工件14建立電連通之后，使DC電流通過(guò)工件層疊結(jié)構(gòu)10并且穿過(guò)焊接電極32、34的面對(duì)的軸向?qū)R的焊接面40、42之間，如圖1所示。DC電流的通過(guò)在有更多電阻抗力和熱阻抗力的鋼工件12內(nèi)并且在接合界面30處快速生成熱量，這導(dǎo)致在鋁合金工件14內(nèi)發(fā)起和擴(kuò)展熔融鋁合金焊池44。熔融鋁合金焊池44弄濕鋼工件12的相鄰的接合面22并且從接合界面30滲透入鋁合金工件14內(nèi)。更具體地，熔融鋁合金焊池44滲透焊接點(diǎn)16處的鋁合金工件14的厚度140的通常在20%至100%( S卩，一直通過(guò)工件14 )范圍的距離。
[0019]可以通過(guò)焊接控制器38所控制的電源36將DC電流輸送通過(guò)焊接電極32、34之間。盡管當(dāng)然可以使用其他類(lèi)型的電源，但是電源36優(yōu)選為中頻直流(MFDC)逆變電源，該MFDC逆變電源輸送DC電流以在第一焊接電極32與第二焊接電極34之間流轉(zhuǎn)。焊接控制器38基于包括規(guī)定的焊接方案的程序化指令，通過(guò)指定DC電流在焊接電極32、34之間流轉(zhuǎn)的方式來(lái)控制電源36 AC電源的程序化特性可以命令DC電流具有恒定的電流電平、或隨著時(shí)間產(chǎn)生脈動(dòng)、或者這兩者的一些組合，并且通常需要從開(kāi)始到中斷主要維持在5 kA與50 kA之間的電流電平并且持續(xù)40 ms至2，500 ms的持續(xù)時(shí)間，以將熔融鋁合金焊池44擴(kuò)展至其需要尺寸。
[0020]在中斷通過(guò)第一焊接電極32的焊接面40與第二焊接電極34的焊接面42之間的DC電流之后，熔融鋁合金焊池44凝固成為在焊接點(diǎn)16處將鋼工件12和鋁合金工件14結(jié)合在一起的焊接接頭46，如圖2所示。焊接接頭46包括鋁合金點(diǎn)焊熔核48以及通常地，一個(gè)或者多個(gè)Fe-Al金屬間層50。鋁合金點(diǎn)焊熔核48延伸進(jìn)入鋁合金工件14內(nèi)一定距離，該距離通常在焊接點(diǎn)16處的鋁合金工件14的厚度140的范圍的20%至100%(S卩，全部滲透)，就像預(yù)先存在的熔融鋁合金焊池44 一樣。一個(gè)或者多個(gè)Fe-Al金屬間層50位于鋁合金點(diǎn)焊熔核48與鋼工件12的在接合界面30處的接合面22之間。由于電流流動(dòng)期間和在鋼工件12仍然是熱的時(shí)已經(jīng)中斷電流流動(dòng)之后的一段短時(shí)間周期內(nèi)熔融鋁合金焊池44與鋼工件12之間的相互作用，通常形成該一個(gè)或多個(gè)層50。一個(gè)或者多個(gè)Fe-Al金屬間層50可以包括FeAl3、Fe2Al5、和其他化合物，并且在與兩個(gè)工件12、14的厚度120、140相同的方向上測(cè)量時(shí)，通常具有約I μπι至約5 Mi的組合厚度(S卩，所有金屬間層的總厚度)。
[0021]為了增加在鋼工件12與鋁合金工件14之間形成的焊接接頭46的強(qiáng)度，使在焊縫16處通過(guò)工件層疊結(jié)構(gòu)10的DC電流呈現(xiàn)錐形流動(dòng)圖案52，如圖1所示。錐形流動(dòng)圖案52具有電流路徑，該電流路徑沿從第一焊接電極32朝第二焊接電極34引導(dǎo)的方向54擴(kuò)展，從而使DC電流的電流密度在工件層疊結(jié)構(gòu)10的至少一部分56內(nèi)沿橫跨從鋼工件12內(nèi)、越過(guò)接合面30并進(jìn)入鋁合金工件14中的方向54減小。事實(shí)上，如此處所示，錐形流動(dòng)圖案52可以從鋼工件12的可到達(dá)的外表面24—直延伸到鋁合金工件14的可到達(dá)的外表面28，從而使其電流流動(dòng)路徑從鋼工件12的可到達(dá)的外表面24徑向擴(kuò)展到鋁合金工件14的可到達(dá)的外表面28。應(yīng)該注意，不管電流是否實(shí)際上從第一電極32(指定的正極性)流動(dòng)到第二電極34(指定的負(fù)極性)或者從第二電極34(指定的正極性)流動(dòng)到第一電極32(指定的負(fù)極性)，上面所涉及的方向54都僅僅指的是電流流動(dòng)路徑的徑向擴(kuò)展方向。
[0022]可以使DC電流以多種方式呈現(xiàn)出錐形流動(dòng)圖案52。可以對(duì)第一焊接電極32和第二焊接電極34的構(gòu)造和材料構(gòu)成和/或第一焊接電極32和第二焊接電極34的焊接面40、42的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整以引起錐形流動(dòng)圖案52。此外，放置在第一焊接電極32與鋼工件12和/或在第二焊接電極34與鋁合金工件14之間的導(dǎo)電中間構(gòu)件也可以獨(dú)自地引起錐形流動(dòng)圖案52或者結(jié)合上面列出的構(gòu)造/構(gòu)成/焊接面幾何結(jié)構(gòu)可能性來(lái)引起該錐形流動(dòng)圖案52。然而，在優(yōu)選實(shí)施例中，引起錐形流動(dòng)圖案時(shí)，DC電流的電流密度從鋼工件12的可到達(dá)的外表面24到鋁合金工件14的可到達(dá)的外表面28減少(S卩，錐形流動(dòng)圖案52—直在這些表面24、28之間延伸并且電流流動(dòng)路徑沿方向54在其間徑向擴(kuò)展)，從而使在鋼工件12的可到達(dá)的外表面24處的電流密度比在鋁合金工件14的可到達(dá)的外表面28處的電流密度大1.5:1至16:1比率，或者更窄的1.5:1至5:1的比率。
[0023]可以用于引起錐形流動(dòng)圖案52的一種特定方式是使第二焊接電極34提供具有在焊接面42的中心處的孔或者凹陷。第一焊接電極32和第二焊接電極34的焊接面的大小和形狀也可以設(shè)計(jì)為使第二焊接電極34的焊接面42在點(diǎn)焊期間于鋁合金工件14的可到達(dá)的外表面28處形成接觸片，該接觸片的表面積比在鋼工件12的可到達(dá)的外表面24處由第一焊接電極32的焊接面40所形成的接觸片的表面積大。這可以在具有在焊接面42的中心處并且與焊接面42齊平的插入件的情況下或者不具有該插入件的情況下完成，該焊接面42的中心處的電阻力比焊接面42的周?chē)沫h(huán)形區(qū)域的電阻力大。更進(jìn)一步地，作為另一種選擇，可以將由導(dǎo)電材料組成的蓋板夾緊在第二焊接電極34與鋁合金工件14之間，并且其大小可以設(shè)計(jì)為與鋁合金工件14的可到達(dá)的外表面28的區(qū)域進(jìn)行接觸，該區(qū)域比第一焊接電極32的焊接面40與鋼工件12之間的接觸區(qū)域大。當(dāng)然可以采用其他機(jī)構(gòu)來(lái)引起錐形流動(dòng)圖案52。的確，在美國(guó)申請(qǐng)?zhí)?4/181，020、14/503，504、14/503，969和14/561，746以及美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?2/010，192、62/010，204和62/139，197中公開(kāi)了使0(:電流呈現(xiàn)錐形流動(dòng)圖案52的方式的一些具體方法示例。這些文件中的每個(gè)文件被轉(zhuǎn)讓給本申請(qǐng)的
【申請(qǐng)人】，并且全部以引用的方式并入本文。
[0024]相信錐形流動(dòng)圖案52的引起所觸發(fā)的在鋼工件12和鋁合金工件14內(nèi)的電流密度的差異通過(guò)最終最小化在工件層疊結(jié)構(gòu)10的接合界面30處并且沿該接合界面30的不想要的焊接積累缺陷，來(lái)提高焊接接頭46的強(qiáng)度，尤其顯著的是剝離強(qiáng)度。為了提供一些背景，圖3示出了通過(guò)傳統(tǒng)的電阻點(diǎn)焊過(guò)程而在鋁合金工件(頂部工件)與鋼工件(底部工件)之間形成的有代表性的焊接接頭70的顯微照片，該傳統(tǒng)的電阻點(diǎn)焊過(guò)程不會(huì)在用于形成焊接接頭70的DC電流中引起錐形流動(dòng)圖案。此處，已經(jīng)在接合界面72處并且沿接合界面72發(fā)現(xiàn)了焊接缺陷D。除了別的之外，這些焊接缺陷D可以包括縮孔、氣孔、氧化物殘留物和微小破裂。當(dāng)沿接合界面72呈現(xiàn)和分配時(shí)，相信焊接缺陷D可能減小焊接接頭70的剝離強(qiáng)度，并且更一般地，可能負(fù)面影響并且減弱接頭70的總體完整性。
[0025]在不受任何理論限制的情況下，相信在接合界面72處和沿接合界面72的焊接缺陷D的積累和分布是至少部分地歸因于預(yù)先存在的熔融鋁合金焊池在其轉(zhuǎn)換為焊接接頭70時(shí)的凝固行為。具體地，由于兩種材料的不同的物理性質(zhì)(即，比鋼更大的熱阻率和電阻率)，熱失衡可以在更加熱的鋼工件(底部工件)與鋁合金工件(頂部工件)之間產(chǎn)生。因此，當(dāng)鋁合金工件用作導(dǎo)熱體時(shí)，鋼工件用作熱源，在豎直方向上產(chǎn)生強(qiáng)烈的溫度梯度，這使熔融鋁合金焊池從接近與鋁合金工件接觸的冷卻器(例如，水冷)焊接電極朝接合界面72冷卻和凝固。凝固前沿的路徑和方向在圖3中通常由箭頭P表示，并且焊接接頭70的邊界由虛線(xiàn)B表示。隨著凝固前沿沿路徑P前進(jìn)時(shí)，朝接合界面72抽除或者掃除焊接缺陷D并且在焊接接頭70內(nèi)的接合界面72處并且沿該接合界面72分散地結(jié)束。
[0026]現(xiàn)在參照?qǐng)D1至圖2和圖4，使DC電流在其穿過(guò)第一焊接電極32與第二焊接電極34之間時(shí)呈現(xiàn)錐形流動(dòng)圖案52，以起到在熔融鋁合金焊接池44凝固期間避免焊接缺陷朝焊接接頭46內(nèi)的接合界面30處并且沿該接合界面30的寬泛地的和不需要地?cái)U(kuò)散的作用。具體地，由于其中DC電流的電流密度沿著從鋼工件12內(nèi)并進(jìn)入鋁合金工件14中的方向54減小的錐形流動(dòng)圖案52，與鋁合金工件14相比較，在鋼工件12中的較小的區(qū)域內(nèi)集中熱量。在鋼工件12中的較小的區(qū)域內(nèi)集中熱量的作用產(chǎn)生了三維徑向溫度梯度和/或擴(kuò)大了作用在兩個(gè)工件12、14的平面內(nèi)以及在熔融鋁合金焊池44周?chē)囊呀?jīng)存在的三維徑向溫度梯度。產(chǎn)生并且/或者擴(kuò)大這種溫度梯度有助于遠(yuǎn)離工件12、14的平面內(nèi)的熔融鋁合金焊池44的側(cè)向熱量散發(fā)(與圖3中的熱量定向提取到鋁合金工件接觸的冷卻器焊接電極中完全相反)。圍繞熔融鋁合金焊池44的所得的增強(qiáng)的溫度分布對(duì)熔融鋁合金焊池44在其凝固成為焊接接頭46時(shí)的冷卻作用產(chǎn)生有利影響，如下面將參照?qǐng)D4而更加詳細(xì)地描述的，因此提高了焊接接頭46的強(qiáng)度，尤其是剝離強(qiáng)度。
[0027]現(xiàn)在參照?qǐng)D4所示的焊接接頭80的時(shí)刻，在熔融鋁焊池周?chē)挠慑F形流動(dòng)圖案52(圖1)所產(chǎn)生和/或擴(kuò)大的三維徑向溫度梯度使焊池在更加側(cè)向的方向(即，從焊接接頭80的外周朝其中央?yún)^(qū)域向內(nèi))上冷卻和凝固，而不是凝固前沿在預(yù)先存在的熔融鋁合金焊池轉(zhuǎn)化成焊接接頭80時(shí)朝接合界面82前進(jìn)，如圖3所示并且如上所描述的。凝固前沿的路徑和方向在圖4中通常由箭頭P表示，并且接頭80的邊界由虛線(xiàn)B表示。路徑P指向焊接接頭80的中央?yún)^(qū)域，并且因此朝焊接接頭80的中心抽除或者掃除焊接缺陷D，其中，使該焊接缺陷D遠(yuǎn)離接合界面82或者主要在接合界面82處聚結(jié)和停留(與沿接合界面82廣泛地分散相反)。僅僅在圖4中描述并且示出的熔融鋁合金焊池的凝固行為可以通過(guò)在中斷DC電流之后使焊接電極32、34保持與其相應(yīng)的工件12、14電連通來(lái)增加。
[0028]另外，通過(guò)引起錐形流動(dòng)圖案52以在鋼工件12中的較小的區(qū)域(與鋁合金工件14比較)內(nèi)集中電流，在與融熔鋁合金焊池44的中心相鄰的鋼工件12內(nèi)基本上產(chǎn)生熱點(diǎn)。而且，因?yàn)殇摴ぜ?2具有比鋁合金工件14高的熱阻率，所以熱點(diǎn)保持完整并且在焊池44的凝固期間實(shí)際上加熱在接合界面30處的熔融鋁合金焊池44的中心，從而有助于焊池44的中心以參照?qǐng)D4的上述方式來(lái)最終凝固。在某些情況下，如圖5所示，在沒(méi)有使鋁合金工件14足夠變?nèi)彳浺允沟诙附与姌O34陷進(jìn)熔融鋁合金焊池44的情況下，可以將DC電流設(shè)置為足夠強(qiáng)以在與融熔鋁合金焊池44相鄰的鋼工件12內(nèi)發(fā)起和擴(kuò)展熔融鋼焊池58。在鋼工件12內(nèi)發(fā)起和擴(kuò)展鋼焊池用于最大化如下“熱點(diǎn)”加熱效果:鋼工件12在焊池44凝固成為焊接接頭46期間已經(jīng)在接合界面處位于熔融鋁合金焊池44的中心上。
[0029]如果發(fā)起并且擴(kuò)展了熔融鋼焊池58，優(yōu)選將其包括在鋼工件12內(nèi)，并且，因此，不會(huì)延伸至鋼工件12的接合面22或者可到達(dá)的外表面24。當(dāng)通過(guò)第一焊接電極32與第二焊接電極34之間的DC電流中斷時(shí)，熔融鋼焊池58最終凝固成為鋼工件12內(nèi)的鋼點(diǎn)焊熔核60，如圖6所示。相信熔融鋼焊池58的產(chǎn)生對(duì)焊接接頭46的強(qiáng)度具有積極的效果。具體地，熔融鋼焊池58的產(chǎn)生傾向于使鋼工件12的接合面22遠(yuǎn)離可到達(dá)的外表面24扭曲。這種扭曲可以使鋼工件12在焊接點(diǎn)16處變厚50%。圖7示出了針對(duì)鋼工件(底部工件)的接合面92而形成的焊接接頭90的顯微照片，該鋼工件(底部工件)已經(jīng)通過(guò)在鋼工件內(nèi)發(fā)起并且擴(kuò)展熔融鋼焊池而變厚。在圖7中，已經(jīng)利用參考符號(hào)94識(shí)別出由熔融鋼焊池產(chǎn)生而得到的鋼點(diǎn)焊熔核。
[0030]獲益于參照?qǐng)D4的上述相同的熔融鋁合金焊池凝固行為的在圖7中所示的焊接接頭90由存在于接頭90的中央?yún)^(qū)域的凝聚的焊接缺陷D指示。認(rèn)為，除了由錐形流動(dòng)圖案所生成和/或擴(kuò)大的三維徑向溫度梯度之外，在焊接點(diǎn)處的鋼工件(底部工件)的厚度的增加還有助于這種凝固行為。當(dāng)然，相信鋼工件的厚度的增加已經(jīng)有助于維持在熔融鋁合金焊池44(圖1)的中心處的升高的溫度，以允許其最終冷卻和凝固，這進(jìn)一步地迫使朝焊接接頭90的中;L.、抽除、掃除和合并焊接缺陷D。
[0031]現(xiàn)在回頭參照?qǐng)D5至圖6，也認(rèn)為，鋼工件12的接合面22的膨脹對(duì)不必與融熔鋁合金焊池44中和其周?chē)臏囟确植加嘘P(guān)的焊接接頭46的強(qiáng)度有其他有益效果。例如，鋼工件12的接合面22的膨脹可以抑制或者破壞易于在接合界面30處形成的一個(gè)或者多個(gè)易碎的Fe-Al金屬間層50 (太小而不能在圖7中看見(jiàn))的形成。更進(jìn)一步地，一旦焊縫接頭46在使用中，鋼工件12的接合面22的膨脹就可以通過(guò)使裂縫沿非優(yōu)選路徑轉(zhuǎn)向來(lái)阻礙焊接接頭46周?chē)牧芽p傳播。
[0032]優(yōu)選示例性實(shí)施例和相關(guān)示例的上述描述本身僅僅是描述性的；其并不意圖限制以下權(quán)利要求書(shū)的范圍。所附權(quán)利要求書(shū)中所使用的術(shù)語(yǔ)中的每個(gè)術(shù)語(yǔ)應(yīng)該給予其普通的和習(xí)慣的含義，除非在說(shuō)明書(shū)中另有具體的和明白的規(guī)定。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種電阻點(diǎn)焊工件層疊結(jié)構(gòu)的方法，所述工件層疊結(jié)構(gòu)包括鋼工件和鋁合金工件；所述方法包括: 提供包括鋼工件和鋁合金工件的工件層疊結(jié)構(gòu)，所述鋼工件具有接合面，所述接合面與所述鋁合金工件的接合面重疊和接觸以在焊接點(diǎn)處建立接合界面； 使第一焊接電極在焊接點(diǎn)處與所述鋼工件形成電連通； 使第二焊接電極在焊接點(diǎn)處與所述鋁合金工件形成電連通； 使DC電流在焊接點(diǎn)處通過(guò)所述工件層疊結(jié)構(gòu)并且在所述第一焊接電極和所述第二焊接電極之間通過(guò)，以在所述鋁合金工件內(nèi)發(fā)起和擴(kuò)展熔融鋁合金焊池，所述DC電流呈現(xiàn)錐形流動(dòng)圖案，以所述錐形流動(dòng)圖案，電流流動(dòng)路徑沿從所述第一焊接電極朝所述第二焊接電極的引導(dǎo)的方向徑向擴(kuò)展，從而使所述DC電流的電流密度在工件層疊結(jié)構(gòu)的至少一部分內(nèi)沿橫跨從鋼工件內(nèi)、越過(guò)接合面并進(jìn)入鋁合金工件中的方向減小。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述鋁合金工件至少在所述焊接點(diǎn)處具有0.5mm至4.0 mm的范圍的厚度，以及其中所述鋼工件至少在所述焊接點(diǎn)處具有0.5 mm至4.0 mm的范圍的厚度。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其進(jìn)一步包括: 使在所述焊接點(diǎn)處通過(guò)所述工件層疊結(jié)構(gòu)的所述DC電流中斷，以允許所述熔融鋁合金焊池凝固成為焊接接頭，所述焊接接頭使所述鋼工件和所述鋁合金工件在其接合界面處結(jié)合在一起，所述焊接接頭包括招合金點(diǎn)焊恪核。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述焊接接頭進(jìn)一步包括在所述鋁合金點(diǎn)焊熔核與所述鋼工件的接合面之間的一個(gè)或者多個(gè)Fe-Al金屬間層。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，通過(guò)將所述第二焊接電極在所述焊接點(diǎn)處直接按壓在所述鋁合金工件上來(lái)使所述第二焊接電極與所述鋁合金工件形成電連通。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述鋼工件包括可到達(dá)的外表面，并且所述鋁合金工件包括可到達(dá)的外表面，以及其中，錐形流動(dòng)圖案的電流流動(dòng)路徑從所述鋼工件的可至_的外表面向所述鋁合金工件的可到達(dá)的外表面徑向擴(kuò)展，從而使所述DC電流的電流密度沿從所述鋼工件的可到達(dá)的外表面到所述鋁合金工件的可到達(dá)的外表面的方向減小。
【文檔編號(hào)】B23K11/11GK106001886SQ201610189975
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年3月30日
【發(fā)明人】D.R.西勒, B.E.卡爾森
【申請(qǐng)人】通用汽車(chē)環(huán)球科技運(yùn)作有限責(zé)任公司