专利名称：用于铝合金工件的电阻点焊的焊接方法
技术领域：
本发明涉及叠层招基合金工件(stack aluminum-base alloy workpieces)中电阻焊点(resistance spot weld)形成方面的改进。更具体而言,本发明提供一种方法,采用在此类电阻点焊中以三个单独的步骤或阶段变动地施加电流值和时间以使得电极的焊接面更好地接合(engage)招工件，以便在贴合面(faying surface)接触区中心更好地引发熔融的点焊熔核(weld nugget)的形成，以便快速实现目标点焊熔核尺寸。发明背景 电阻点焊通常包括将两个相对的高导电性铜电极的圆形焊接面表面(weld facesurface)压在两个或三个交叠的金属片材有时称为“叠层(stackup) ”)的相反侧上(，并在电极之间通电流若干毫秒至几百毫秒穿过该片材以便在片材-片材界面(称为贴合界面)处形成点焊熔核。铝工件(通常为含有85重量％或更多的铝的铝基合金)在大体积下的电阻点焊因几个问题在汽车工业中被认为是非常困难的。该工件常常是轧制的铝合金片材，但是可以是具有适于点焊的互补形状的挤出件或铸件。当互补形状的铝基合金板放置在一起并通过一系列在适当位置的点焊连接时，所述铝工件可以是表面上涂层的、相等或不同的厚度的、相同或不同的招合金，并可以具有沿焊接法兰(weld flange)施加的粘合剂或密封剂。在装配的板之间可以存在小的缝隙，一个或两个相对的焊接电极可以以略微不同于其预期焊接位置的角度放置。主要问题之一是在该铝基板表面上存在坚韧的、粘附的、不导电的氧化物膜。这种氧化物膜会导致在电极/片材界面和片材-片材贴合界面处的过度过热。电极/片材界面过热问题通常的解决方案包括使用设计具有降低电流密度并由此减少这些位置处加热的大而平坦的焊接面的电极。使用大而平坦的电极对制造产生不合意的后果。这些类型的电极I)对工件之间的缝隙敏感，2)对电极定向(electrode orientation)敏感，即相对于工件表面倾斜或离位，和3)在工件上需要大的法兰以配合大的电极体直径和电极上的焊接面。解决这些问题的几种电极设计和修整工艺可以在专利或专利申请中找到，包括本文中发明人的并由本发明的受让人拥有的一个或两个美国专利US 6，861，609(3/1/2005)和以 20100258536、20090302009、20090255908、20090127232、20080078749 公开的美国专利申请。氧化物膜问题和导致的电极/片材过热已经通过安置几何特征，如在焊接面上的微织构(micro texture)或一系列凸纹与凹槽解决,这些几何特征在焊接负荷下穿透铝上的氧化物层以降低该界面处的接触电阻与发热。电极/片材发热减少有两个直接的益处。首先，允许使用具有较小热质量的较小的电极，这降低了法兰要求。其次，允许使用更锋锐的电极焊接面曲率(能够更好地集中焊接电流)。这使得该焊接过程对电极在工件上的定向(即电极相对于工件倾斜)和工件表面之间缝隙的存在远没有那么敏感。
尽管通过解决电极/片材界面处高接触电阻的问题实现了工艺性能方面非常显著的改进，在铝点焊过程被认为对大规模制造足够普适之前仍有问题需要解决。许多这些问题涉及在片材-片材或贴合界面处存在表面氧化物膜，这是不受电机焊接面改良影响的。这些问题部分涉及通常用于汽车用铝焊接的直流焊接工艺(其是所谓的MediumFrequency Direct Current或MFDC)的性质。该方法使用逆变式焊接控制器(invertertype weld control),其接收480伏特rms(在美国)的三相、60Hz交流电势并在大约1000Hz的频率下向MFDC变压器提供更高电压一大约650伏特一的单相方波。该变压器将焊接控制器提供的高电压波形还原成在更高得多的电流下的更低得多的焊接电压(例如，在50:1变压器匝数比下为13伏特)。变压器的低电压方波输出随后用高电流容量二极管整流以提供输送到焊接电极和工件叠层的DC电流。在用于在一系列工件上制造许多同样的焊接的配置过程中，预先确定合适的焊接电流和焊接时间。随后将MFDC焊接控制器编程以便在大约250至300毫秒的焊接周期中将接近恒定的电流(例如，二十五至三十千安培)输送至压向工件的焊接电极。在任何DC过程中，特别是其中将电流编程为接近恒定，如使用MFDC的过程中，当与铝基板接触时一个电极(正极)运行明显比其它电极(负极)更热。 电极的温度偏差会影响点焊熔核形成与生长，尤其对于厚度(即，高厚/薄比)和材料(例如将铝合金5754-0焊接到铝合金6111-T4片上)不对称的片材工件叠层。AA5754-0组成限制为2. 6-3. 6%的Mg、〈0. 4%的Si、〈0. 5%的Μη、〈0· 4%的Fe和<0. 1%的Cu (余量基本上全是铝)，而可时效硬化的ΑΑ-6111-Τ4组成限制为0. 5-1. O的Mg、。· 6-1. 1%的Si、。· 1-0. 45%的Mn、<0. 4%的Fe和0. 5-0. 9%的Cu。这会导致在相对于电极极性的一个方向上叠层焊接比其它方向更好，包括在一个方向上比其它方向上产生更大的焊缝或更大的焊透深度(weldpenetration)，这在生产运行中并不理想。此外，更热的运行的正极更易磨损，由此因需要更频繁的修整而缩短电极寿命。除了极性效果外，已用于铝点焊的生产应用的标准恒定电流焊接方案可以制造其它不合意的问题。这些方案基于在电极对工件表面的恒力下经设定时间(例如200毫秒(ms))施加恒定电流，例如27千安培。已经发现的问题包括电极磨损过度，大厚度叠层的焊缝间距敏感性，首次焊接的不一致的尺寸与品质，导致不合意的焊接断裂模式的焊缝显微结构(weld microstructure)和导致过早喷派并劣化焊接品质的焊缝外观。不合意的断裂模式(其存在剥离或拉伸载荷)包括沿贴合界面的焊接断裂或点焊熔核周边附近的断裂，由此无法形成完全穿过片厚度的球(button)。最后，标准恒定电流焊接方案在密封剂或粘合剂的存在下不那么普适。存在粘合剂或密封剂时，这些方案往往导致具有更多缺陷的熔核，该熔核倾向于以不合意的模式断裂，尤其当施以剥离载荷时。仍然需要铝合金片材金属工件和其它工件型材的电阻点焊的改进实施。发明概述
将使用两个或三个铝基合金片材工件的叠层(组装件)描述本发明的实施。片材工件通常具有大约0. 5至大约4毫米的厚度，用于焊接的叠层可以由相同或不同的铝合金形成和具有不同的厚度。在许多焊接操作中，可以在片材的叠层上同时形成超过一条的焊缝，并且在工作班次过程中使用焊接设备设置装置在许多叠层上形成数百条焊缝。必须管理焊接设备和工艺以可靠和反复地在铝合金工件上制造均一良好的焊缝。本发明的实施方案基于这样的发现通过在各电阻焊点形成过程中在不同的焊接阶段或步骤中改变焊接电流，可以在铝工件上更可靠地形成良好的焊缝。按照本发明的实施方案，焊接电流在每个点焊周期的三个特定步骤过程中以不同水平施加，在各步骤之间具有冷却时间或“休止”时间。将直流电波形输送到焊接电极的设备通常包括具有用于将电流输送至电极的高导电性臂或高导电性电缆的焊枪，MFDC变压器，和逆变式可编程电子控制器。为了提供用于焊接汽车规格的铝工件的适当波形，该焊接系统，即可编程的逆变式焊接控制器、MFDC变压器和焊枪必须能够以焊接工作设置过程中确定的程序化方案提供输送到焊接电极的高电流输出与快速上升时间(rise times)。该焊接系统的此类部件是市售的。电极处测得的电流上升时间应优选为大约大约10毫秒至达到40千安培，或大约4千安培/毫秒。明显更慢的上升时间将不能令人满意地产生所需波形，焊接性能将受损。焊枪系统的每个部分，即控制、变压器和枪，影响最大电流输出和电流上升时间。我们的点焊法的第一阶段被认为是调节阶段或步骤。当两个相对焊接电极已经安置以便以预定的稳定夹紧力咬合例如两个片材工件的叠层的相反两侧时，该步骤开始。运行电子控制以限制通过焊接变压器输送的电压。这可以通过使可编程焊接控制为合适的自动电压补偿模式(AVC)或类似模式来实现。作为电压补偿模式的替代，可以以恒电流模式 以平缓坡度经10毫秒或更久从低电流值(大约3千安培)直至最终所需调节电流来对调节电流进行编程。同样，目的在于在焊接位点处获得一致、稳定的电阻，而不会使该片材在贴合界面处熔融。电流经几毫秒逐步增加至在电极/片材界面和下面的贴合面处将电阻降低至一致的低值的水平。在许多焊接设置中，电流由大约3千安培提高至大约10千安培。通常，优选将电流调节至恰好低于基板开始熔融时电流的水平。调节阶段的电流保持大约20毫秒至大约60毫秒。电流适当地保持一段时间以获得稳定和一致的电流水平。在调节步骤过程中，电极/工件界面被加热；使得电极焊接面的成形特征能够更好地透过氧化物涂层并与金属工件表面接触。电极之间测得的电阻降低，现在更好地准备设置用于熔融的点焊熔核引发与生长。在该点焊过程的下一阶段之前通过焊接控制器切断电流约10毫秒以冷却电极。休止时间的长度使得电流水平衰减至零。可以使用更长的冷却时间，但只会减少焊机的生产量。我们的点焊过程的第二阶段是点焊熔核成形阶段。设计该成形阶段以引发良好、圆形、集中(在相反的电极的轴上)、熔融的点焊熔核的形成，而不考虑焊接电极的极性、或电极对工件略微倾斜的角度定向(alignment)、或工件的不理想的装配、或在贴合面处存在或不存在非金属粘合剂或密封剂。这可以通过令电流以相对高的值(例如20千安培至50千安培)经相对短的时间(例如，大约六至十毫秒和合适地大约六至五十毫秒的最小时间)流动来实现。高目标电流和短时间需要使用合适的焊接系统部件。如前所述，为了经这些短暂时间实现目标成形电流，必须适当地设计逆变式焊接控制器、MFDC变压器和焊枪以能够实现目标电流和电流上升时间。缓慢的上升时间防止在成形步骤的小的时间窗口中达到目标电流，这对该步骤的功能而言是必须的。缓慢的上升时间可以是因为缓慢的焊接控制硬件或软件、不足的MFDC变压器电压、或高焊枪电感。高电流步骤的目的在于尽可能快速地在贴合界面接触区中心引发形成液体(熔融的)点焊熔核。当设法开始形成合适地具有至少大约三毫米直径的点焊熔核时，这个阶段尽量短。电流水平保持足够低以避免电极与工件之间的粘附和避免电极/片材界面处的金属喷溅。焊接用铝工件设置的电流和时间的确定可以通过经验和/或试验确定。会发生贴合界面处的喷溅，但是由于熔融的熔核还没有完全形成，对最终的熔核结构或形式不会造成破坏。如果认为有必要使用大于大约三十毫秒的成形时间，优选使用带有中间冷却或休止时间的两个较短的电流脉冲以减小电流。一旦熔核成形已经完成，通过控制器将电流关闭大约5毫秒以令其衰减。此类电流休止时间的目的是双重的。首先，允许在电极-片材界面处的一定冷却。其次，防止引发的熔融点焊熔核过热。除去这一冷却步骤通常导致在尺寸调节步骤过程中的过热和严重的界面喷溅。令引发的熔核冷却有助于控制该过程。但是，冷却步骤不能过长，因为发生熔核凝固。如果熔核凝固，它将在片材之间造成短路(short)，在尺寸调节过程中的进一步电流将不会获得所需的焊接 尺寸。该焊接过程的第三阶段用于刚引发的点焊熔核的生长和尺寸调节。当熔核仍处于熔融状态时开始该尺寸调节阶段。在尺寸调节阶段使用比熔核成形阶段中更低的焊接电流。例如，大约15至大约40千安培的焊接电流适于此第三阶段。根据两个片材叠层中最薄的片材的厚度和根据三个片材叠层中第二薄的片材的厚度确定尺寸调节时间。对两毫米厚的片材制造适当尺寸，例如直径大约六毫米的点焊熔核。调节电流以获得所需的点焊熔核尺寸。这个阶段的持续时间是整个焊接方案中最长的，通常需要大约二十毫秒至大约两百毫秒。如果焊接电极磨损过度，优选将电流拆分成具有大约十至大约三十毫秒加热持续期(工作时间)以及一毫秒至十毫秒的短暂冷却时间(休止时间)的脉冲。除了点焊阶段之间的短暂冷却时间之外，该焊接过程是连续的，通常需要比铝的常规MFDC或AC点焊更短的总焊接时间(步骤2和步骤3的合并时间)。已经发现，本发明的三阶段焊接方案更可靠地制造良好的焊接，并且在许多焊缝的形成中实现这一结果。此夕卜，消耗较少电能。本发明包括以下方面
I.在铝基合金工件上形成电阻焊点的方法，所述方法包括
形成两个或更多个铝基合金工件的片材的叠层，该叠层的工件在电阻焊接位置具有贴合面和在该焊接位置具有相反的外表面；
将相对的电阻焊接电极的焊接面在该焊接位置处压向该工件的所述外表面；和同时将该焊接面压向该工件，
令第一阶段焊接电流在所述电极之间穿过并在该焊接位置处通过该工件，持续毫秒级的第一时间，将该电流提高至使所述焊接面之间电阻降低至某稳定电阻值的第一阶段电流值，并加热该工件以便与所述焊接面接合，而不会在它们的贴合面处熔融该工件，随后，即刻将电流降低至零，且所述电极仍压向该工件的所述表面；
令第二阶段焊接电流在所述电极之间穿过并在该焊接位置处通过该工件，持续毫秒级的第二时间，将该峰值电流提高至大于第一阶段电流值的第二阶段电流值，用于在该焊接位置的贴合面处引发熔融的点焊熔核形成，并降低电流，且所述电极仍压向该工件的所述表面；
令第三阶段焊接电流在所述电极之间穿过并在该焊接位置处通过该工件，持续毫秒级的第三时间，该电流为小于第二阶段峰值电流值的第三阶段rms电流值，用于在该焊接位置的贴合面处完成熔融的点焊熔核形成，第三阶段比第二阶段更长，并同样停止电流以冷却该焊接位置并使该点焊熔核凝固；和随后
移开所述相对的焊接电极的焊接面，使其不与该工件的所述外表面接触。
2.如方面I所述的在铝基合金工件上形成电阻焊点的方法，其中该焊接电极的焊接面为球形并与具有等截面的凸出的圆形同心环的工件接合。3.如方面I所述的在铝基合金工件上形成电阻焊点的方法，其中该焊接电极的焊接面为球形并与具有粗糙表面的工件接合。4.如方面I所述的在铝基合金工件上形成电阻焊点的方法，其中该第一阶段瞬时焊接电流缓慢升高至大约10千安培的值，并且该第一阶段持续大约20至大约60毫秒。5.如方面I所述的在铝基合金工件上形成电阻焊点的方法，其中该第二阶段峰值焊接电流快速升高至大约20至大约50千安培，并且第二阶段持续大约6至大约50毫秒，第二阶段焊接电流的值和第二阶段时间用于形成直径为至少3毫米且集中在电极面之间的熔融的点焊熔核。·
6.如方面I所述的在铝基合金工件上形成电阻焊点的方法，其中该第三阶段rms焊接电流值为大约15至大约40千安培，并且第三阶段持续大约20至大约200毫秒。7.如方面I所述的在铝基合金工件上形成电阻焊点的方法，其中该第三阶段焊接电流以两个或更多个脉冲形式在所述电极之间穿过，所述脉冲具有10至30毫秒的加热时间和I至10毫秒的冷却时间。8.如方面2所述的在铝基合金工件上形成电阻焊点的方法，其中该第一阶段瞬时焊接电流缓慢升高至大约10千安培的值，并且第一阶段持续大约20至大约60毫秒。9.如方面2所述的在铝基合金工件上形成电阻焊点的方法，其中该第二阶段瞬时焊接电流值快速升高至大约20至大约50千安培，并且第二阶段持续大约6至大约50毫秒，第二阶段焊接电流的值和第二阶段时间用于形成直径为至少3毫米且集中在电极面之间的熔融的点焊熔核。10.如方面2所述的在铝基合金工件上形成电阻焊点的方法，其中该第三阶段rms焊接电流值为大约15至大约40千安培，并且第三阶段持续大约20至大约200毫秒。11.如方面2所述的在铝基合金工件上形成电阻焊点的方法，其中该第三阶段焊接电流以两个或更多个脉冲形式在电极之间穿过，所述脉冲具有10至30毫秒的加热时间和I至10毫秒的冷却时间。12.如方面3所述的在铝基合金工件上形成电阻焊点的方法，其中该第一阶段瞬时焊接电流缓慢升高至大约10千安培的值，并且第一阶段持续大约20至大约60毫秒。13.如方面3所述的在铝基合金工件上形成电阻焊点的方法，其中第二阶段瞬时焊接电流快速升高至大约20至大约50千安培，并且第二阶段持续大约6至大约50毫秒，第二阶段焊接电流的值和第二阶段时间用于形成直径为至少3毫米且集中在电极面之间的熔融的点焊熔核。14.如方面3所述的在铝基合金工件上形成电阻焊点的方法，其中第三阶段rms焊接电流值为大约15至大约40千安培，并且第三阶段持续大约20至大约200毫秒。15.如方面3所述的在铝基合金工件上形成电阻焊点的方法，其中第三阶段焊接电流以两个或更多个脉冲形式在电极之间穿过，所述脉冲具有10至30毫秒的加热时间和I至10毫秒的冷却时间。16.在铝基合金工件上形成电阻焊点的方法，所述方法包括
形成两个或更多个铝基合金工件的叠层，该叠层的工件在电阻焊接位置具有贴合面和在该焊接位置处具有相反的外表面；
将相对的电阻焊接电极的焊接面在焊接位置处压向该工件的所述外表面；和同时将该焊接面压向该工件，
令第一阶段焊接电流在所述电极之间穿过并在该焊接位置处通过该工件，持续毫秒级的第一阶段时间，将该瞬时电流缓慢提高至使所述焊接面之间电阻降低至某稳定电阻值的第一阶段电流值，并加热该工件以便与该焊接面接合，而不会在它们的贴合面处熔融该工件，随后，即刻将电流降低至零，且所述电极仍压向该工件的所述表面；
令第二阶段焊接电流在所述电极之间穿过并在该焊接位置处通过该工件，持续毫秒级的第二阶段时间，将该瞬时电流快速提高至大于第一阶段峰值电流的第二阶段峰值，用于在该焊接位置的贴合面处引发熔融的点焊熔核形成，并降低电流，且所述电极仍压向该工件的所述表面； 令第三阶段焊接电流在所述电极之间穿过并在该焊接位置处通过该工件，持续毫秒级的第三阶段时间，该rms电流为小于第二阶段峰值电流值的第三阶段值，用于在该焊接位置的贴合面处完成熔融的点焊熔核形成，第三阶段时间比第二阶段时间更长，并同样停止电流以冷却该焊接位置并使该点焊熔核凝固；和随后
移开所述相对的焊接电极的焊接面，使其不与该工件的所述外表面接触。17.如方面16所述的在铝基合金工件上形成电阻焊点的方法，其中该焊接电极的焊接面为球形并与具有等截面的凸出的圆形同心环的工件接合。18.如方面16所述的在铝基合金工件上形成电阻焊点的方法，其中该焊接电极的焊接面为球形并与具有粗糙表面的工件接合。19.如方面16所述的在铝基合金工件上形成电阻焊点的方法，其中该第一阶段瞬时焊接电流缓慢升高至大约10千安培的值，并且第一阶段持续大约20至大约60毫秒；其中第二阶段瞬时焊接电流快速升高至大约20至大约50千安培，并且第二阶段时间为大约6至大约50毫秒，第二阶段焊接电流的值和第二阶段时间用于形成直径为至少3毫米且集中在电极面之间的熔融的点焊熔核；并且其中第三阶段rms焊接电流为大约15至大约40千安培，并且第三阶段持续大约20至大约200毫秒。20.如方面19所述的在铝基合金工件上形成电阻焊点的方法，其中该第三阶段焊接电流以两个或更多个脉冲形式在电极之间穿过，所述脉冲具有10至30毫秒的加热时间和I至10毫秒的冷却时间。从说明书中的以下优选实施方案的详细描述，本发明的其它目的与优点将显而易见。将参考说明书以下部分描述的附图
。附图概述
图I是包括焊接电极和两个铝合金片材工件的焊接系统，如可用于实施本发明的焊接方法的系统的示意性侧视图解。图2是对于用常规的连续恒电流电阻点焊方案焊接的2. O毫米厚的AA 5754片材对2. O毫米厚AA 5754片材的叠层的焊接电流(点划线)、电压(短虚线)、功率(点划点线)和电阻(实线)随时间改变的图。图3是显示在三种不同条件下使用连续恒电流方案焊接的2. O毫米5754叠层的焊接尺寸的图。对常规连续恒电流方案来说，焊接尺寸显示随焊接时间改变。显示了三种条件下试样的焊接尺寸，即水平试样或垂直于电极取向的试样(图2中称为“法兰”，具有钻石形数据点)，对电极倾斜6°的试样(三角形数据点)和具有O. 8毫米缝隙的试样(正方形数据点)。空心的符号代表具有不合意的断裂模式的样本，即焊面撕裂或半球(half button)。图4是对于用本发明的调节、成形和尺寸调节(CSS)方案焊接的2. O毫米AA 5754对2. O毫米AA 5754叠层的焊接电流(点划线)、电压(短虚线)、功率(点划点线)和电阻(实线)随时间改变的图。图5是对于调节、成形、尺寸调节焊接方案焊接尺寸随焊接时间改变的图。显示了三种条件下试样的焊接尺寸，即水平试样(法兰，钻石形数据点)，对电极倾斜6°的试样(三角形数据点)和具有O. 8毫米缝隙的试样(正方形数据点)。同样，空心的符号代表具有不合意的断裂模式的样本，即焊面撕裂或半球。优选实施方案描述 本发明的焊接方案可以使用如图I中示意性描述的焊接设备实施。本说明书中的图I在我们的共同待审美国专利申请公开US 2011/0266260中也作为图I呈现，并且也作为如我们的US 6，861，609中的图I呈现，并基本如下所述。在图I中，描述了具有在用于铝基合金工件的点焊设备中使用的相关设备(例如下文所述的项目30、32、34、36、38、40和42)的代表性的点焊枪设备10。在此类焊接操作中，制备待焊接的两个或更多个铝合金片材板12和14的组装件，并通过输送机或其它装置输送到焊枪设备10。该焊枪设备通常安装在机器人上，该机器人沿铝合金片材板12、14的边缘(例如用于焊接的法兰)移动以迅速完成一连串的单个电阻焊点。在图I中，金属板12和14显不悬(poised)在焊枪臂20的一对轴向对齐并相对的电极16和18之间。枪臂20具有C构型，使得相对的电极16和18的焊接面(对电极16为52)能够负载并挤压在铝合金板12和14的相反的侧面上。在显示的布置中，电极16安装在轴部(shank)17上，该轴部插入连接到焊枪臂20的固定臂24上的夹具22中。相对的电极18安装在轴部19上并插入到汽缸或伺服电动机28上携带的另一夹具26中。汽缸或伺服电动机28适于轴向移动电极18至与板14的外表面夹紧啮合。来自远端来源的高压空气源(未显示)经空气管道32输送空气穿过可编程空气调节器30至汽缸28以提供夹紧力。或者，伺服电动机控制器向伺服电动机提供电流和电压以提供夹紧力。在点焊工序期间，汽缸28及时施加的空气压力或伺服电动机的移动推进夹具26，使得电极18朝向固定电极16以大约500至1500磅的力挤压片材12和14。焊枪20 (通常安装在机器人臂的末端)连接到机器人控制器34上。机器人控制器34管理和操纵可编程空气调节器30，还操纵编程的焊接控制器36。焊接控制器36调节一次焊接电流(primary welding current)到焊接变压器的通道,该焊接变压器向电极供给电流。焊接控制器36发出命令时，一次电流经一次电流线路38输送至焊接变压器40。焊接变压器40将一次AC电流转换成更低电压、更高AC电流的二次焊接电流，其随后通过适当的二极管整流成DC电流并经第二电流线路42和电极夹具26以及导电的枪臂20和电极夹具22提供。当为新的铝合金工件的组装件或叠层(如图I中的铝片材12，14)考虑焊接操作时，通常会考虑实测试验(actual testing)或先前的焊接经验来准备焊枪组装件和将相关的机器人焊枪控制器(例如图I中的控制器34)编程，以将焊枪在预定夹紧压力下靠近工件叠层上的焊接位置或一系列焊接位置，并根据依本发明的实践形成的各焊缝的调节、成形和尺寸调节焊接步骤确定用于操作焊接变压器40和用于输送合适的DC焊接电流序列的焊接控制器36的编程。下面给出确定用于调节、成形和尺寸调节步骤的焊接电流的方法。这通常用代表待焊接的金属叠层的试样来实现。使用与焊接控制器分离的仪表监控电极处的电流、电压、功率和电阻。对于调节步骤调节步骤，电流调节至恰好低于基板开始发生熔融时的电流水平。一旦确定该电流水平，调节时间以确保在两个电极之间获得稳定、一致的电阻。在调节厚通常插入短暂的冷却或休止时间以便重置焊接控制软件。对于成形步骤，通过提高电流水平直到形成圆形居中的熔核而不发生基板/电极反应，即电极粘附到电极上或基板表面熔融，由此在最短时间(大约6-10毫秒)下调节电流。如果在成形过程中发生基板/电极反应，以小增量增加成形时间，并同时进行电流调节以便在没有基板/电极反应的情况下引发令人满意的熔核。熔核引发应包括在接近片材贴合界面处形成的接触面中心附近形成直径大于3毫米的熔融区。对于超过大约30毫秒的成形时间，成形电流脉冲应拆分成两个更 短的脉冲并在它们之间具有短暂的冷却。由于在成形步骤中达到的高电流水平，一旦熔核成形，插入大约5毫秒的短暂的冷却或休止时间以便令电极/片材和贴合界面冷却。作为叠层的决定厚度的函数设置尺寸调节时间。对于两片材叠层，最薄的片材是决定厚度。对于三片材叠层，第二薄的片材是决定厚度。尺寸调节时间在对I. O毫米决定厚度为大约30毫秒至对3. O毫米决定厚度为大约100毫秒之间变化。一旦决定尺寸调节时间，调节电流以达到所需的焊接尺寸。如果电极过度磨损，改变尺寸调节连续电流脉冲以包括加热和冷却脉冲，通常为10毫秒至30毫秒的加热与I毫秒至10毫秒的冷却。商业化机器人控制器是可得的，并可以选择该控制器以管理焊接电极相对于工件的开启与关闭。也有可用于实施本发明的三步骤焊接法的商业化可编程焊接控制器。下面是与变压器、电连接和具有焊接电极的焊枪相关的可编程焊接控制器的所需特征。逆变式焊接控制器是可编程的，以便加载用于进行该焊接方案的调节、成形和尺寸调节步骤的预定指令。此外，可编程逆变式焊接控制器需要具有充分的一次电流容量以实现基于变压器匝数比的二次电流。对于50:1的典型变压器匝数比，该逆变式焊接控制器需要至少1000安培，优选1200安培的一次电流容量以实现对最后的铝片材再现这些焊接方案所需的50kA目标二次电流(匝数比乘以最大一次电流)。容易获得具有这些一次电流容量的焊接控制器。该焊接控制器还可以通过控制器所用的硬件或软件影响二次电流上升时间。某些控制器通过设计或简单地因内部处理器或软件缺少速度而限制电流上升速率。假定变压器的典型匝数比为50:1 (40:1至60:1的其它匝数比也可得)，经验表明，焊接控制器一次电流上升时间应为至少80安培/毫秒或10毫秒以实现800安培输出，其对于匝数比为50:1的变压器转换为4千安培/毫秒的上升时间。如上所述，通过外部监控电极处的电流、电压、功率和电阻，开发该调节、成形和尺寸调节焊接方案，焊接控制器通常仅监控电流，通常是一次电流，偶尔为二次电流。焊接控制器不监控电压、电阻和功率。焊接控制的目的在于一旦已经通过上述设置程序建立所需调节、成形和尺寸调节(CSS)波形，则复制该波形。MFDC变压器也应满足最低要求。这包括对所需波形达到目标最大二次电流。对于汽车结构的焊接，目标最大电流通常为大约50千安培，而对于较轻规格的罩板的焊接，该目标通常为35千安培。来自变压器铁心和二极管的输出需要能够实现这些电流水平。例如，在其铁心中具有40:1的匝数比的变压器对于使用1000安培或1200安培逆变式控制器的结构焊接而言无法实现所需的50千安培输出。同样，某些变压器二极管在电流水平方面也有限制，使得该变压器不适用于该CSS三步骤焊接法。假定该焊接控制器产生足够的一次电流与一次电流上升时间供给该变压器和变压器铁心，并且该二极管具有足够的电流容量，那么可以通过两个最终因素控制变压器输出焊枪臂和/或电缆的电阻和电感。当焊接系统的每个方面适于制造所需波形时，如果枪电阻和电感不能令人满意，那么最大电流和电流上升时间会受损。可以在电极与变压器之间沿枪臂合适地测量枪电阻。例如，典型的电阻测量结果为每个臂50微欧姆，两个臂总计 100微欧姆。这种电阻水平将使得1200安培逆变式焊接控制器与50:1匝数比MFDC变压器 一起实现60千安培。更高的电阻将开始降低可实现的最大电流。枪电感影响第二电流上 升时间，所述枪电感与枪臂和/或电缆所形成的回路面积直接相关。大的回路面积会减缓电流上升。对50:1匝数比的变压器而言，回路面积优选应小于大约300平方英寸，例如10英寸乘30英寸。该变压器具有13伏特的最大电压。越大的回路面积将要求变压器具有越高的电压或越低的匝数比，例如40:1匝数比与16. 25伏特。总之，整个焊接系统必须设计以实现所需的焊接电流和上升时间，这需要恰当的焊接控制器、MFDC变压器和焊枪容量。为了在该焊接位置实现所需波形，将相对高的电流(以千安培为单位，kA)在相对低的电压下经毫秒级时间，通常少于200毫秒输送到该电极。该焊接系统能够向电极输送所需电压和电流。通常在焊接位置独立地测量电极处消耗的电流、电压、电阻和功率。该焊接控制器可用于测量一次或二次电流。使用环绕一次或二次电流线路的单匝线圈进行电流测量(独立地测量或通过焊接控制器测量)。通过报道直接到电极的电压来独立地测量电压。由该电流和电压测量值计算电阻(R=V/I)和功率(P=VI)。在焊接设计以代表实际金属叠层的试样过程中进行电流、电压、功率和电阻的测量。按照本发明的优选实施方案，焊接电极的焊接面(例如图I中的52)各自呈现具有同心凸出环的球面以便与片材工件表面上的氧化铝膜接合，尽管具有微纹理焊接面的电极也受益于本发明。在进一步描述本发明的三步骤焊接法之前，描述铝基合金片材工件的电阻焊接中目前使用的恒DC电流实践是有用的。图2显示了用于在1200 Ib电极力下将2. O毫米铝合金5754片材点焊到2. O毫米5754片材上的典型恒定连续电流(CCC)焊接方案。这相当于在没有预先的分路通路情况下在片材材料之间的第一焊接。此类方案用于焊接几年前生产的GM的铝EVl汽车的部件。目前铝协会在他们的参考资料Theoryand Practice中推荐类似的167毫秒的方案。电流曲线(点划线)展示从O毫秒经若干ms(毫秒)上升至焊接电流(27千安培)。电流上升的斜率通常对这些方案来说不重要，因为一旦达到目标电流其会保持相对长的焊接周期时间。电流上升之后保持该电流大约200毫秒。现在切断电流并经若干毫秒降低至零。相应的电阻(实线)和电压(短虚线)曲线均展示高初始峰。电流开始时的高电压峰(大约I. O伏特)导致在电极/片材界面处形成电弧并破坏电极焊接面。在CCC焊接方案的电流开始时，电压输入相当高，但是电流水平低。这种组合在早期不能提供足够的功率(点划点线)以便可靠地引发点焊熔核。点焊熔核可以稍后及时引发，或可以在由封闭的焊接电极建立的贴合界面接触区中的随机区域中引发。
延时的点焊熔核引发可能影响焊接尺寸，和导致在包括高厚度比、不同的合金和可变焊缝间距的条件下观察到的焊接尺寸的大幅变化。其还导致需要更长的焊接时间以确保在各种条件(即在存在缝隙或倾斜下焊接)下将适当地调节该焊缝的尺寸。图3显示了使用恒定连续电流方案在三种不同的条件下焊接的2. O毫米5754叠层的焊接尺寸。注意，对于相对于电极倾斜6°取向的样品，焊接引发被延迟。这需要更长的焊接时间以实现令人满意的性能，即大约6毫米的焊接尺寸。在65毫秒的焊接时间之外发生不合意的断裂模式(空心符号)，大于5毫米的焊接尺寸进一步证明该方案缺乏普适性。
没有集中(focused)并位于贴合界面接触区中心但随机分布在整个贴合界面接触区中的熔核引发会导致不佳的焊透深度，随后导致不合意的焊缝断裂和不佳的焊缝形状，不佳的焊缝形状会导致喷溅和不佳的焊接品质。随机熔核引发还导致存在粘合剂或密封剂的位置的不佳焊接品质，因为在遍布粘合剂或密封剂的几个小位置中的引发最可能夹带更大量的密封剂或粘合剂，从而在焊缝显微结构中产生不合意的孔隙。本发明是采用三个单独步骤的焊接方案，用于在多种多样的条件下制造具有一致的尺寸与形状的高品质焊接。三个不同的步骤包括调节、成形和尺寸调节(CSS)。图4是这种三阶段焊接方案应用于2. O毫米厚AA 5754片材工件对2. O毫米厚AA5754片材的叠层时在电极之间的焊接电流(点划线)、电压(短虚线)、功率(点划点线)和电阻(实线)的图。步骤I-调节一旦电极已经在焊接位置处实现夹紧该叠层的稳定焊接力，该步骤开始。将焊接控制器置入调节或限制通过焊接变压器施加的电压的模式，所述模式称为自动电压补偿(AVC模式)。图4描述了在该调节步骤过程中，电极处的电压从大约O. 5伏特开始，降低至O. 4伏特。令焊接电流逐渐达到使电极/片材和贴合界面处的电阻降低至一致的较低值的水平。该电流通常由大约3，000的较低值提高到5，000至10，000安培。通常，选择精确的电流水平以使其恰好低于在贴合界面处发生熔融的电流水平。同样，电流保持20毫秒至60毫秒。要求最少20毫秒以确保电阻已经击穿并充分稳定。超过大约60毫秒的电流通常不会进一步降低电阻，而是仅仅放慢焊接过程。对于图4中的实施例，对50毫秒实施调节，并达到大约10千安培的电流。作为焊接控制器所用的电压补偿模式的备选方案，可以以恒电流模式对调节电流编程，所述恒电流模式具有从低电流值(大约3千安培)直至最终所需的调节步骤电流的平缓斜率。同样，目的在于在焊接位置获得一致的稳定电阻，而不会令该片材在贴合界面处熔融。在该调节步骤过程中，在焊接位置处产生热，这使得电极的环在电极/片材界面处建立更紧密的接触。改进的接触防止在施加高电流水平的成形步骤过程中发生过度的电极损坏。此外，如在电极之间测得的电阻降低至一致的值。在该实施例中，图4，其为大约O. 04微欧姆。对于给定的叠层，如上文引用的叠层，一致的电阻值应相同，不论焊枪极性如何或是否存在任何添加剂或密封剂。该步骤确保在成形步骤中发生的电流产生一致的焊接尺寸结果。在调节步骤结束时，将电流切断大约10毫秒以便在成形步骤之前冷却该电极。这在图4中显示为在50毫秒处电流与电压的降低。可以使用更长的冷却(或休止)时间，但是这仅仅会放慢焊接过程。取决于焊接控制器操作，该冷却步骤还能使该焊接控制器重置，以便在成形步骤开始时提供最大的功率。步骤2成形设计该步骤以产生一致的熔融点焊熔核引发，优选集中在电极的相对的焊接面之间，而不考虑焊接条件，即枪极性、是否存在粘合剂/密封剂、片材金属工件在它们贴合面处不佳的面对面接合、倾斜的电极等等。通常，迫使电流在极高值下流动以便在贴合界面接触区中心尽可能快速地引发熔融的点焊熔核。短时间内获得极高电流对焊接系统提出了高要求。如前所述，为了在这么短的时间里达到目标成形电流，逆变式焊接控制器、MFDC变压器和焊枪必须适当设计以便能够实现该目标电流和电流上升时间。缓慢的上升时间防止在成形步骤的小的时间窗口中达到目标电流，这对该步骤的功能而言是至关重要的。缓慢的上升时间可以是由缓慢的焊接控制硬件或软件、不足的MFDC变压器电压、或高焊枪电感导致的。图4显示了到35千安培的上升时间仅为6毫米，或5. 8千安培/毫秒，这是非常快的。成形脉冲向该叠层提供非常高功率的脉冲。对图4中的实施例而言，发现功率在大约70毫秒时达到35千瓦的峰值。相比图2中达到的峰值仅为22千瓦。取决于片材叠层，使用6毫秒至50毫秒的成形步骤电流时间，峰值电流值通常为
20千安培至50千安培。假定该焊接系统，即逆变式控制器、MFDC变压器和焊枪可以实现所需的>4千安培/毫秒的电流上升时间，在几条限制内确定成形峰值电流和成形时间。成形·时间保持尽可能短以获得所需起始熔融点焊熔核，其直径通常为至少大约3毫米。由于逆变器设计、变压器电压和焊接机电感影响电流上升时间，其通常花费大约5至12. 5毫秒以达到20千安培至50千安培的目标峰值电流水平。成形时间为至少6毫秒，但通常大于10毫秒。成形应不超过50毫秒。对于如I. O毫米的AA5754-0的薄片材而言，使用可以在短时间，如6毫秒内达到的低成形电流，如24千安培，参见下表。中等规模片材，如2. O毫米的AA5754-0需要20毫秒的成形时间。对于较重的片材，如3. O毫米的AA5754-0，需要更长的成形时间。在这种情况下，使用50毫秒的成形时间。为了防止过度的电极/片材反应，将成形时间拆分成20毫秒的脉冲(a 20 ms pulse)，接着是短暂的冷却时间，随后是30毫秒的脉冲(a 30 ms pulse)。通常，当成形需要需要超过30毫秒以制造令人满意的焊接引发点时，会将成形脉冲拆分中两个并在两个脉冲之间插入短暂的大约3毫秒。峰值电流水平和焊接时间保持低于在片材和电极焊接面之间以粘附形式产生过度反应或导致片材外表面实际溶解的那些。下表I显示了对特定片材I和片材2铝合金组成与厚度对调节、成形和尺寸调节的示例性时间。第4栏描述了对各片材组成的成形峰值RMS电流值。最后一栏显示了铝协会的以毫秒为单位的推荐焊接时间。表I :调节、成形和尺寸调节焊接参数
权利要求
1.在铝基合金工件上形成电阻焊点的方法，所述方法包括 形成两个或更多个铝基合金工件的片材的叠层，该叠层的工件在电阻焊接位置具有贴合面和在该焊接位置具有相反的外表面； 将相对的电阻焊接电极的焊接面在该焊接位置处压向该工件的所述外表面；和同时将该焊接面压向该工件， 令第一阶段焊接电流在所述电极之间穿过并在该焊接位置处通过该工件，持续毫秒级的第一时间，将该电流提高至使所述焊接面之间电阻降低至某稳定电阻值的第一阶段电流值，并加热该工件以便与所述焊接面接合，而不会在它们的贴合面处熔融该工件，随后，即刻将电流降低至零，且所述电极仍压向该工件的所述表面； 令第二阶段焊接电流在所述电极之间穿过并在该焊接位置处通过该工件，持续毫秒级的第二时间，将该峰值电流提高至大于第一阶段电流值的第二阶段电流值，用于在该焊接位置的贴合面处引发熔融的点焊熔核形成，并降低电流，且所述电极仍压向该工件的所述表面； 令第三阶段焊接电流在所述电极之间穿过并在该焊接位置处通过该工件，持续毫秒级的第三时间，该电流为小于第二阶段峰值电流值的第三阶段rms电流值，用于在该焊接位置的贴合面处完成熔融的点焊熔核形成，第三阶段比第二阶段更长，并同样停止电流以冷却该焊接位置并使该点焊熔核凝固；和随后 移开所述相对的焊接电极的焊接面，使其不与该工件的所述外表面接触。
2.如权利要求I所述的在铝基合金工件上形成电阻焊点的方法，其中该焊接电极的焊接面为球形并与具有等截面的凸出的圆形同心环的工件接合。
3.如权利要求I所述的在铝基合金工件上形成电阻焊点的方法，其中该焊接电极的焊接面为球形并与具有粗糙表面的工件接合。
4.如权利要求I所述的在铝基合金工件上形成电阻焊点的方法，其中该第一阶段瞬时焊接电流缓慢升高至大约10千安培的值，并且该第一阶段持续大约20至大约60毫秒； 该第二阶段峰值焊接电流快速升高至大约20至大约50千安培，并且第二阶段持续大约6至大约50毫秒，第二阶段焊接电流的值和第二阶段时间用于形成直径为至少3毫米且集中在电极面之间的熔融的点焊熔核； 该第三阶段rms焊接电流值为大约15至大约40千安培，并且第三阶段持续大约20至大约200毫秒和其中该第三阶段焊接电流以两个或更多个脉冲形式在所述电极之间穿过，所述脉冲具有10至30毫秒的加热时间和I至10毫秒的冷却时间。
5.如权利要求2所述的在铝基合金工件上形成电阻焊点的方法，其中该第一阶段瞬时焊接电流缓慢升高至大约10千安培的值，并且第一阶段持续大约20至大约60毫秒；该第二阶段瞬时焊接电流值快速升高至大约20至大约50千安培，并且第二阶段持续大约6至大约50毫秒，第二阶段焊接电流的值和第二阶段时间用于形成直径为至少3毫米且集中在电极面之间的熔融的点焊熔核；该第三阶段rms焊接电流值为大约15至大约40千安培，并且第三阶段持续大约20至大约200毫秒。
6.如权利要求5所述的在铝基合金工件上形成电阻焊点的方法，其中该第三阶段焊接电流以两个或更多个脉冲形式在电极之间穿过，所述脉冲具有10至30毫秒的加热时间和I至10毫秒的冷却时间。
7.如权利要求3所述的在铝基合金工件上形成电阻焊点的方法，其中该第一阶段瞬时焊接电流缓慢升高至大约10千安培的值，并且第一阶段持续大约20至大约60毫秒； 第二阶段瞬时焊接电流快速升高至大约20至大约50千安培，并且第二阶段持续大约6至大约50毫秒，第二阶段焊接电流的值和第二阶段时间用于形成直径为至少3毫米且集中在电极面之间的熔融的点焊熔核； 第三阶段rms焊接电流值为大约15至大约40千安培，并且第三阶段持续大约20至大约200毫秒。
8.如权利要求7所述的在铝基合金工件上形成电阻焊点的方法，其中第三阶段焊接电流以两个或更多个脉冲形式在电极之间穿过，所述脉冲具有10至30毫秒的加热时间和I至10毫秒的冷却时间。
9.在铝基合金工件上形成电阻焊点的方法，所述方法包括 形成两个或更多个铝基合金工件的叠层，该叠层的工件在电阻焊接位置具有贴合面和在该焊接位置处具有相反的外表面； 将相对的电阻焊接电极的焊接面在焊接位置处压向该工件的所述外表面；和同时将该焊接面压向该工件， 令第一阶段焊接电流在所述电极之间穿过并在该焊接位置处通过该工件，持续毫秒级的第一阶段时间，将该瞬时电流缓慢提高至使所述焊接面之间电阻降低至某稳定电阻值的第一阶段电流值，并加热该工件以便与该焊接面接合，而不会在它们的贴合面处熔融该工件，随后，即刻将电流降低至零，且所述电极仍压向该工件的所述表面； 令第二阶段焊接电流在所述电极之间穿过并在该焊接位置处通过该工件，持续毫秒级的第二阶段时间，将该瞬时电流快速提高至大于第一阶段峰值电流的第二阶段峰值，用于在该焊接位置的贴合面处引发熔融的点焊熔核形成，并降低电流，且所述电极仍压向该工件的所述表面； 令第三阶段焊接电流在所述电极之间穿过并在该焊接位置处通过该工件，持续毫秒级的第三阶段时间，该rms电流为小于第二阶段峰值电流值的第三阶段值，用于在该焊接位置的贴合面处完成熔融的点焊熔核形成，第三阶段时间比第二阶段时间更长，并同样停止电流以冷却该焊接位置并使该点焊熔核凝固；和随后 移开所述相对的焊接电极的焊接面，使其不与该工件的所述外表面接触。
10.如权利要求9所述的在铝基合金工件上形成电阻焊点的方法，其中该第一阶段瞬时焊接电流缓慢升高至大约10千安培的值，并且第一阶段持续大约20至大约60毫秒；其中第二阶段瞬时焊接电流快速升高至大约20至大约50千安培，并且第二阶段时间为大约6至大约50毫秒，第二阶段焊接电流的值和第二阶段时间用于形成直径为至少3毫米且集中在电极面之间的熔融的点焊熔核；并且其中第三阶段rms焊接电流为大约15至大约40千安培，并且第三阶段持续大约20至大约200毫秒和该第三阶段焊接电流以两个或更多个脉冲形式在电极之间穿过，所述脉冲具有10至30毫秒的加热时间和I至10毫秒的冷却时间。
全文摘要
铝基合金工件的表面具有抑制与电阻点焊电极焊接面和例如叠层用于焊接的片材工件的贴合面的良好接触的氧化铝膜。有时，片材的表面还涂有粘合剂或密封剂，这进一步使焊接复杂化。但是按照本发明，相对的圆形的铜焊接电极的焊接面在点焊位置处压向该片材的相反外表面，并按照三阶段焊接方案向电极施加焊接电流以更好地形成各焊缝。该焊接方案包含调节阶段(阶段1)、点焊熔核成形阶段(阶段2)和点焊熔核尺寸调节阶段(阶段3)。
文档编号B23K11/11GK102950373SQ20121030735
公开日2013年3月6日 申请日期2012年8月27日 优先权日2011年8月25日
发明者D.R.西勒, M.J.卡拉古利斯 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司