用于对包括铝工件和钢工件的工件堆叠进行电阻点焊的焊接电极的制作方法

本发明的技术领域总体上涉及电阻点焊，更具体而言，涉及对铝工件和相邻的重叠钢工件的电阻点焊。

背景技术：

电阻点焊是许多工业用于将两个或更多个金属工件结合在一起的工艺。例如，汽车工业通常在车门、发动机罩、行李箱盖、升降门和/或诸如车身侧面和横梁等车身结构的制造中使用电阻点焊将金属工件结合在一起。许多焊点通常在金属工件的边缘周围或一些其它结合区域周围的各个点处形成，以确保部件结构牢固。虽然点焊通常用于将某些组成类似的金属工件(例如钢-钢和铝-铝)结合在一起，但将较轻重量的材料结合到车身结构中的需求，使得人们已经对通过电阻点焊将钢工件与铝工件结合产生了兴趣。上述对电阻点焊异种金属工件的需求不是汽车工业所特有的；实际上，它延伸到可以采用点焊作为连接方法的其他工业，包括航空、海运、铁路和建筑行业。

电阻点焊一般依靠电流流过重叠的金属工件来产生熔融焊接所需的热量。为了实施这种焊接方法，将一组相对的点焊电极在工件堆叠相对侧上的对准点处夹紧，该工件堆叠通常包括在预定焊接位置处以重叠构造布置的两个或三个金属工件。然后，电流从一个焊接电极流经金属工件到达另一个焊接电极。电流流动阻力在金属工件内及其结合界面处产生热量。当工件堆叠包括铝工件和相邻重叠的钢工件时，在结合界面处及那些异种金属工件的主体材料内产生的热量引发并生长成熔融铝焊池，该熔融铝焊池从结合界面处延伸到铝工件中。该熔融铝焊池浸湿了相邻的钢工件结合表面，并且在电流停止时固化成将两个工件结合在一起的焊接接头。

然而，在实践中，将铝工件点焊到钢工件是有挑战性的，因为这两种金属的许多特性会不利地影响焊接接头的强度-影响最显著的是剥离强度。首先，铝工件通常在其表面上包含一个或多个机械韧性高，电绝缘和自修复的耐火氧化物层。氧化物层通常包括氧化铝，但当铝工件包括含镁铝合金时，氧化物层也可包括氧化镁在内的其它金属氧化物。由于它们的物理性质，耐火氧化物层具有在结合界面处保持完整的趋向，在该结合界面处，耐火氧化物层可以阻碍熔融铝焊池浸湿钢工件的能力，并且还提供生长中的焊池内的近界面缺陷源。表面氧化物层的绝缘性还提高了铝工件(即铝工件的结合表面处和其电极接触点处)的电接触电阻，这使得有效地控制和集中铝工件内的热变得困难。过去，已经做了在点焊之前从铝工件上去除氧化物层的努力。然而，这种去除的做法是不切实际的，因为氧化物层具有在有氧的存在下再生的能力，特别是在施加来自点焊操作的热量的情况下。

除了包含在铝工件表面上的一个或多个氧化物层提出的挑战之外，铝工件和钢工件还具有不同性质，这些不同性质导致点焊过程复杂化。具体地说，铝具有相对低的熔点(～600℃)和相对低的电阻率和热阻率，而钢具有相对高的熔点(～1500℃)和相对高的电阻率和热阻率。由于这些物理差异，大多数热量在电流流动期间在钢工件内产生。这种热不平衡在钢工件(更高的温度)和铝工件(更低的温度)之间形成温度梯度，该温度梯度引发了铝工件的快速熔化。电流流动期间产生的温度梯度和铝工件的高热导率的组合意味着，在电流停止后立即出现热量不从焊接位置对称地散布的情况。相反，热量从较热的钢工件通过铝工件传导到铝工件另一侧上的焊接电极，这在该方向上产生陡峭的热梯度。

据信，钢工件与铝工件另一侧上的焊接电极之间的陡峭的热梯度的形成在两个主要方面削弱了所生成的焊接接头的完整性。首先，因为钢工件在电流停止之后比铝工件保持热量时间更久，所以熔融铝焊池从最靠近与铝工件相连的较冷焊接电极(通常为水冷却)的区域开始，朝结合界面传播，进行定向固化。这种固化前沿倾向于朝着和沿着焊接接头的结合界面移动或驱赶诸如气孔、收缩空隙、微裂纹和表面氧化残余物的缺陷。第二，钢工件中持续升高的温度促进了脆性Fe-Al金属间化合物在结合界面处和沿着结合界面的生长。分散的焊接缺陷以及Fe-Al金属间化合物沿着结合界面的过度生长导致焊接接头剥离强度降低。

鉴于前述挑战，先前尝试在铝工件和钢工件的点焊中采用规定了更高电流，更长焊接时间或两者均有(与钢-钢点焊相比)的焊接排程，以试图获得合理的焊接面积。这样的尝试在制造生产中是极不成功的，并且易于损坏焊接电极。假定以前的点焊尝试没有取得特别的成功，而主要使用包括自穿孔铆钉和流钻螺钉的机械紧固件将铝和钢工件紧固在一起。然而，与点焊相比，机械紧固件需要更长的时间来放置并且具有高消耗成本。它们还增加了车身结构的重量(当通过点焊方式完成结合时，该重量可以避免)，该重量首先抵消了通过使用铝工件所获得的节省下来的一些重量。因此，对点焊进行改进从而更容易地连接铝工件和钢工件，这在本领域是受欢迎的。

技术实现要素：

本发明公开了适用于电阻点焊应用的焊接电极，其包括第一部分、第二部分和在第一部分和第二部分之间延伸并连接第一部分和第二部分的直径减小部分。所述第一部分包括焊接面，且所述第二部分包括向具有冷却腔的内凹槽开口的安装基座。所述直径减小部分在所述第一部分的后表面与所述第二部分的前表面之间延伸，使得间隙将所述后表面与所述前表面的外围边缘部分彼此分开。并且，为了有助于确保电流和热量主要通过直径减小部分在第一部分和第二部分之间传导，间隙可以是空的(即，空气间隙)或填充有低传导率材料，该低传导率材料的电导率和热导率小于焊接电极的第一部分、第二部分和直径减小部分中每一个的电导率和热导率。

焊接电极可以与另一个焊接电极组合使用以对包括至少一个铝工件和一个相邻的重叠钢工件的工件堆叠进行电阻点焊。工件堆叠还可以包括附加工件，例如另一铝工件或另一钢工件，只要具有相同基体金属组合物的两个工件彼此相邻设置即可。在点焊过程中，所公开的焊接电极的第一部分的焊接面被压靠在紧邻铝工件(该铝工件与钢工件相邻)的工件堆叠的第一侧上，并且另一焊接电极被压靠在紧邻钢工件的工件堆叠的相对的第二侧上。然后，电流在焊接电极之间通过并穿过工件堆叠，以在邻近钢工件的铝工件内产生熔融铝焊池。通过工件堆叠的电流流通最终停止，这使得熔融铝焊池固化成焊接接头，将相邻的铝工件和钢工件结合在一起。

据信，所述公开的焊接电极的使用对形成于相邻和重叠的铝工件和钢工件之间的焊接接头的强度-最显著的是剥离强度，产生积极的作用。可以肯定的是，在电流停止时，由于铝工件的高热导率，在焊接电极的第一部分内产生的热量以及从钢工件和熔融铝焊池散布的热量朝着焊接电极的第二部分传播。并且由于热量大部分不能穿过将焊接电极第一部分的后表面和第二部分的前表面分隔的间隙，所以其主要通过传导的方式从第一部分通过直径减小部分传递到第二部分。引导传导热流以这种方式通过直径减小部分会影响熔融铝焊池转化为焊接接头时的固化行为，并且导致焊接缺陷朝焊接接头中心偏移，这些缺陷在焊接接头中心更不易于对焊接接头的强度产生不利影响。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的适合于电阻点焊操作的焊接电极的横截面图；

图2是图1所示焊接电极的一部分的放大横截面图；

图3是可以与图1所示的焊接电极一起使用的一个实施例的焊接面结构的放大横截面图；

图4是根据本公开的另一实施例的适合于电阻点焊操作的焊接电极的横截面图；

图5是工件堆叠的总剖视图，其包括通过重叠方式组装并且位于本发明公开的焊接电极和另一个用于电阻点焊的焊接电极之间的铝工件和相邻的钢工件；

图6是根据本发明的一个实施例的工件堆叠的总剖视图，其包括通过重叠方式组装并且位于本发明公开的焊接电极和另一个用于电阻点焊的焊接电极之间的铝工件和相邻的钢工件，然而这里工件堆叠包括附加的铝工件(即，两个铝工件和一个钢工件)；

图7是根据本发明的一个实施例的工件堆叠的总剖视图，其包括通过重叠方式组装并且位于本发明公开的焊接电极和另一个用于电阻点焊的焊接电极之间的铝工件和相邻的钢工件，然而这里的工件堆叠包括附加的钢工件(即，一个铝工件和两个钢工件)；

图8是图5所示的焊接电极的总体透视图，其可以与第一焊接电极(例如，图1所示的焊接电极)组合使用来电阻点焊工件堆叠；

图9是电流在焊接电极之间流通并穿过工件堆叠期间图5所示的工件堆叠和焊接电极的总体横截面图，其中电流的流通已经引起与所述钢工件相邻的铝工件的融化并且在所述铝工件内产生熔融铝焊池；

图10是在焊接电极之间并通过工件堆叠的电流流通已经停止以使得熔融铝焊池固化成将相邻的铝工件和钢工件结合在一起的焊接接头之后，图5所示的工件堆叠和焊接电极的总体横截面图；

图11示出了熔融铝焊池中的固化前沿的方向，其从最靠近紧邻铝工件的较冷焊接电极的点朝向结合界面固化，这在常规点焊实践中是常见的；以及

图12示出了由于使用本公开的焊接电极，在熔融铝焊池中从其外周边朝向其中心固化的固化前沿的方向。

具体实施方式

用于电阻点焊应用的焊接电极在图中用参考数字10来表示。具体地，焊接电极10可以用于对包括至少一件铝工件和一件重叠相邻的钢工件的工件堆叠进行点焊，这将在下面通过参考图5-图12进行更详细的描述。例如，焊接电极10可用于点焊仅包括相邻且重叠的一个铝工件和一个钢工件(称为一对)的“2T”工件堆叠(图5)。其他工件堆叠结构当然可以采用类似的方式进行点焊。实际上，焊接电极10还可用于点焊“3T”工件堆叠(图6-图7)，其包括相邻且重叠的铝工件和钢工件对，加上附加的铝工件或附加的钢工件，只要具有相同基体金属组成的两个工件，即铝或钢，在工件堆叠中彼此相邻(铝铝-钢或铝钢-钢)即可。

现在参考图1，焊接电极10包括第一部分12、第二部分14和在第一部分12和第二部分14之间延伸并连接第一部分12和第二部分14的直径减小部分16。焊接电极10的这些部分12、14、16可以一体形成并且不能彼此无损地分离。然而，在其它实施例中，焊接电极10的这些部分12、14、16不是一体形成的，相反地，这些部分12、14、16的一些或全部是不同的构件，它们通过过盈配合、激光焊接或一些其他适用于连接单独制造的物品的连接机构来连接。此外，为了在电阻点焊中充分传导电流和热量，第一部分12、第二部分14和直径减小部分16中的每一个均由具有电导率为45％-100％IACS(100％IACS等于5.80×10⁷S/m)，优选80％-95％IACS，并且热导率至少为180W/mK的材料构造而成。

焊接电极10的第一部分12包括主体18和焊接面20。主体18包括前端22和与前端22相对的后表面24，并且优选为圆柱形。前端22设有具有直径222的圆周部220，同样，后表面24设有具有直径242的圆周部240。前端22的直径222和后表面24的直径242中的每一个优选地为12mm-22mm，或者范围更小地，为16mm-20mm。在本实施例中，由于主体18呈圆柱形，因此前端22的直径222和后表面24的直径242(由此，与它们相关的圆周部220和圆周部240也是相同的)是相同的。然而，在其它实施例中，例如当主体18不是圆柱形时，前端22的直径222和后表面24的直径242可以不同。

焊接面20设置在主体18的前端22上，并且是焊接电极10的一部分，其在点焊期间在压力下接触工件堆叠的一侧。焊接面20设有具有直径202的圆周部200，并且以轴线26(在本发明中也称为“焊接面轴线”)为中心。焊接面20的直径202优选地在6mm至20mm的范围内，或者范围更小地在8mm至12mm的范围内。关于焊接面20的相对位置，存在多种方法用于将焊接面20设置在主体18的前端22上。例如，焊接面20可以直接从前端22过渡，使得焊接面20的圆周部200与主体18的前端22的圆周部220(称为“全工作面电极”)重合。作为另一个例子，通过优选截头圆锥形或截头球形的过渡端部28，焊接面20可以从主体18的前端22向上移位。如果存在过渡端部28，则主体18的前端22的圆周部220和焊接面20的圆周部200可以是平行的(如图1所示)，或者它们可以是成角度的，这样，焊接面20的圆周部200相对于前端22的圆周部220倾斜。

可以对焊接电极10进行宽范围的电极焊接面设计。例如，焊接面20包括基础焊接面表面30，其可以为标称平面或球面圆顶。如果是球面圆顶，则基础焊接面表面30从焊接面20的圆周部200上升，并且具有截头球形轮廓，该截头球形轮廓的曲率半径优选在15mm至300mm的范围内，或者范围更小地在范围20mm至50mm内。此外，不管其是标称平面或是球面圆顶，基础焊接面表面30可以是平滑的或粗糙的。焊接面20还可以包括围绕其轴线26的中心凸起，例如凸起的平台或球形端部凸起。更进一步地，焊接面20可以包括从基础焊接面表面30向外凸出的一系列直立的同心环脊，例如在以下专利号的美国专利中所公开的脊：8,222,560；8,436,269；8,927,894；或者在以下美国专利公开文件中公开的脊：2013/0200048。

在焊接电极10的优选实施方案中，焊接面20包括多个直立的圆形脊32，它们以焊接面20的轴线26为中心并围绕焊接面20的轴线26，如图3所示。基础焊接面表面30占焊接面20的表面积的50％以上，优选为50％-80％。焊接面20的剩余表面积归因于多个直立的圆形脊32的存在，其优选地包括因2-10个脊32，或范围更小地3-5个脊32的存在而剩余的表面积。几个直立的脊32在基础焊接面表面30上彼此径向间隔开，因此当从紧密围绕焊接面20的轴线26的最内部直立脊321移动到最接近焊接面20的圆周200的最外部直立脊322时，直立脊32的直径变大。

直立的圆形脊32的尺寸和形状被设计为能提高机械稳定性并降低电极/工件接合处的电接触和热接触电阻，同时易于重新调整。在一个实施例中，如图所示，每个直立的圆形脊32都具有封闭的圆周部，这意味着脊32的圆周部不会被明显的分离物所中断，每个直立的圆形脊32具有缺少尖角的横截面轮廓并且具有弯曲的(如图3所示)或平顶表面。每个圆形脊32还具有在脊32的中点处获取的脊高度320，通过观察横截面可知，该高度向上延伸并且从基础焊接面表面30正向偏移。每个脊32的脊高度320优选在20μm至400μm，或范围更小地在50μm至300μm的范围内。并且在脊32的中心之间测量的脊32的间距优选在50μm至1800μm的范围内，或范围更小地在80μm至1500μm的范围内。

焊接电极10的第二部分14包括主体34，主体34具有设置在后端38处的安装基座36和与后端38相对的前表面40。并且，像第一部分12的主体18一样，第二部分14的主体34优选为圆柱形。后端38设有具有直径382的圆周部380，前表面40设有具有直径402的圆周部400。后端38的直径382和前表面40的直径402中的每一个优选地位于12mm至22mm的范围内，或范围更小地在16mm至20mm的范围内。在本实施例中由于本体34为圆柱形，因此后端38的直径382和前表面40的直径402相同(以及因此与它们相关的圆周部380、400也相同)。然而，在其它实施例中，例如当主体34不是圆柱形时，后端38的直径382和前表面40的直径402可以不同。

第二部分14后端38处的安装基座36在将焊接电极10安装到焊枪时起支撑作用。在一个优选实施例中，于图1中最清楚地示出，安装基座36限定进入内凹槽44的开口42，该内凹槽44由主体34的外周壁46包围。开口42具有优选范围在10mm到20mm(范围更小地在14mm到18mm)的直径。内凹槽44由一个或多个内侧壁48限定，该一个或多个内侧壁48从开口42延伸到一个或多个底壁50，该一个或多个底壁50确定内凹槽44的深度52。一个或多个内侧壁48使内凹槽44具有位于主体44内部的直径440，其可在内侧壁48朝内凹槽44的深度52延伸时保持不变或有变化。例如，在此如图1中所示，一个或多个内侧壁48朝内逐渐变细，使得内凹槽44在一个或多个内侧壁48与一个或多个底壁50的过渡段处的直径440的值小于开口42的直径的值，其小于范围可为1％到3％之间的任意值。

将内凹槽44接近第二部分14主体34的前表面40的部分用作焊接电极10的冷却腔54。冷却腔54在焊接操作期间容纳冷却流体流(通常是水)，以便将热量从焊接面20吸取排出。将热量从焊接面20吸取排出的能力有助于防止可能在点焊期间出现在焊接面20处的退化机制(例如，污染积累和塑性变形)，因此可保持焊接电极10的使用寿命，并减少对焊接面20进行再修复的需要。图1中在此示出的冷却腔54由一个或多个底壁50和一个或多个内侧壁48的一部分限定而成，一个或多个内侧壁48的一部分为从底壁50延伸到内凹槽44开口42的路径的一部分。此外，本实施方式中的一个或多个底壁50从一个或多个内侧壁48朝内向下逐渐变细直到内凹槽44的深度52，从而限定锥形杯56。锥形杯56构成冷却腔54最靠近主体34前表面40的区域。

为了将焊接电极10安装到焊枪上，可将第二部分14的安装基座36固定到由焊枪臂携带的柄转接器58上(图1中以虚线示出)。如图所示，柄转接器58包括外壳60，其具有与内凹槽44一个或多个内侧壁48的向内锥形相匹配的向内锥形。外壳60与内凹槽44相互匹配的特性，使得外壳60通过开口42被接收，且外壳60与一个或多个内侧壁48摩擦接合。压迫外壳60和一个或多个内侧壁48在相反方向相互滑动，可将外壳60的前端62进给到内凹槽44内并朝向其深度52。对外壳60进行这种压迫摩擦进给，可形成过盈配合，其可在点焊应用期间防止柄转接器58与内凹槽44之间发生轴向运动和旋转运动。当然，可采用将柄转接器58固定到内凹槽44内的其他技术作为上述过盈配合的补充或代替上述过盈配合。

如上所述，冷却腔54由一个或多个底壁50以及一个或多个内侧壁48的一部分限定而成，一个或多个内侧壁48的一部分为从底壁50延伸到内凹槽44开口42的路径的一部分。一旦柄转接器58插入到内凹槽44并固定到安装基座36后，冷却腔54还可由柄转接器58的前端62横切内凹槽44而形成。这样，可通过冷却流体供给管66将冷却流体流64导入冷却腔54，该冷却流体供给管66位于由柄转接器58的外壳60形成的内孔道68的内部。内孔道68的环形空间70与冷却腔54流体相通并围绕冷却流体供给管66，被用作流体返回通道；即，当冷却流体流64进入冷却腔54时，冷却流体外流72被迫从冷却腔流出，进入流体返回通道，其(连同任何所获得的热量)在此处从焊接电极10被带走。

直径减小部分16在第一部分12的后表面24与第二部分14的前表面40之间延伸，以将第一部分12和第二部分14连接在一起。直径减小部分16具有直径160，其分别小于第一部分12后表面24的直径242和第二部分14前表面40的直径402中的每一个，且直径减小部分16优选在后表面24的中心和前表面40的中心之间延伸。因此，第一部分12后表面24的外围边缘部分74和第二部分14前表面40的外围边缘部分76通过间隙78彼此分隔开。而且，为了有助于确保电流和热量主要通过直径减小部分16在第一部分12和第二部分14之间传导，间隙78可以是空的(即空气间隙)，或者可填充低传导率材料80(图4)，该材料80的电导率和热导率小于焊接电极10的第一部分12、第二部分14和直径减小部分16中的每一个的电导率和导热率。另外，为了最好地影响焊池固化，这在下文将会进行更详细的描述，选择直径减小部分16的直径160以提供横截面积小于后表面24的横截面积和前表面40的横截面积两者中较大者的80％(优选50％)的直径减小部分16。

直径减小部分16可采用多种结构，因此可对后表面24的外围边缘部分74与前表面40的外围边缘部分76之间的间隙78的形状和对称性产生影响。在一个优选实施例中，如图1所述，直径减小部分16为圆柱形并且沿着后表面24中心和前表面40中心之间的焊接面轴线26纵向延伸。当以这种方式构造直径减小部分16时，第一部分12的后表面24和第二部分14的前表面40面对面对齐，这意味着，后表面24的外围边缘部分76和前表面40的外围边缘部分沿着焊接面轴线26隔离开，将它们分隔的间隙78为环形间隙。外围边缘部分74、76可沿着焊接面轴线26以一定距离隔开，该距离优选范围在0.1mm到10mm之间或者范围更小地在1mm到5mm之间。如图所示，后表面24的直径242和前表面40的直径402还可彼此相等，且这些表面24、40相对应的圆周部240、400可径向对齐。

第一部分12、第二部分14和直径减小部分16可由具有至少45％IACS的电导率和至少180W/mK的导热率的多种材料制成。符合这个标准的一些材料种类包括铜合金和耐火材料，该耐火材料包括至少35wt％(优选至少50wt％)的耐火金属单质。合适的材料的具体实例包括：铜锆合金、铜-铬合金、铜-铬-锆合金以及包含钼或钨颗粒相的耐火金属组合物。一些具体且优选的材料包括：锆-铜合金(ZrCu)，其含有0.10wt％到0.20wt％的锆和余量的铜；以及钨铜金属组合物，其含有50wt％到90wt％之间的分散在铜基质中的钨颗粒相，该铜基质作为该组合物的余量(在50wt％到10wt％之间)。当然，也可使用符合适用电导率和导热率标准的，但没有明确在此列出的其他材料。

现在参照图4，其示出了焊接电极10的一个实施方案，其中，将第一部分12后表面24的外围边缘部分74与第二部分14前表面40的外围边缘部分76分隔开的间隙78内填充有低传导率材料80。如前所述，低传导率材料80的电导率和导热率小于焊接电极10的第一部分12、第二部分14和直径减小部分16中的每一个的电导率和导热率。这有助于确保主要通过直径减小部分16在焊接电极10的第一部分12和第二部分14之间传导热量和电流。有许多材料可用作低传导率材料80。一些值得注意的实例包括：例如低碳钢、工具钢、不锈钢、白钢金属、金属、金属、钛这些低电导率/导热率金属。其他合适的实例包括：如氧化铝、熔融二氧化硅、堇青石、瓷和聚四氟乙烯(如，(铁氟龙))这些电绝缘体。

现在参照图5-图12，焊接电极10可用于对工件堆叠90进行电阻点焊，该工件堆叠90包含在焊接位置96处的重叠并彼此相邻的至少一个铝工件92和一个钢工件94。事实上，如将在下文所作的更详细的描述，本发明点焊方法可广泛应用于多种工件堆叠构造，包括相邻成对的铝工件92和钢工件94。例如，工件堆叠90可仅仅包括铝工件92和钢工件94，或者可以包括一个附加铝工件(铝-铝-钢)或一个附加钢工件(铝-钢-钢)，只要具有相同基体金属组成(即，铝或钢)的两个工件在工件堆叠90中设置为彼此相邻即可。基于要制造的零件以及该特定零件的整个制造过程的特定情况，钢工件92和铝工件94可在组装为工件堆叠90之前或之后进行加工或变形。

在图5中对工件堆叠90连同上述的焊接电极10(为区分，下文称为第一焊接电极)和第二焊接电极进行说明，两个焊接电极以机械和电气方式配置在焊枪上(部分示出)。工件堆叠90具有可通过焊接位置96处的焊接电极组10、98触及的第一侧100和第二侧102。在此，在本实施例中(其中，工件堆叠90仅仅包括两个工件92、94)，铝工件92提供了工件堆叠90的第一侧100，而钢工件94提供了第二侧102。下面结合图6-图7描述这些实施方案，这些实施方案中，工件堆叠90包括附加的第三工件(铝或钢)。虽然在图中仅仅描述了一个焊接位置96，但是本领域技术人员可意识到，可根据本公开方法在同样的工件堆叠90的多个不同焊接位置处实施点焊。

铝工件92包括有涂层的或没有涂层(即，裸的)的铝基板。铝基板可包括单质铝，或包括至少85wt％的铝的铝合金。一些值得注意的铝合金(其可包括有涂层的或没有涂层的铝基板)为铝-镁合金、铝硅合金、铝镁-硅合金或铝锌合金。如果是有涂层的，则铝基板优选包括具有天然耐火氧化物层的表面层，或者作为选择，铝基板可包括锌、锡表面层，或如US2014/0360986中所述，包括具有包含钛、锆、铬或硅氧化物的金属氧化物转化涂层的表面层。考虑到铝基板的厚度以及任何可存在的可选涂层，铝工件92至少在焊接位置96处具有范围在0.3mm到约6.0mm(或范围更小地在0.5mm到3.0mm)之间的厚度920。

铝工件92的铝基板可提供为锻造或铸造形式。例如，铝基板可包括4xxx、5xxx、6xxx或7xxx系列的锻造铝合金薄板层、挤压件、锻件或其他加工制品。或者，铝基板可包括4xx.x、5xx.x、6xx.x或7xx.x系列的铝合金铸件。一些更具体类型的铝合金(其可构成铝基板)包括但不限于：AA5754铝镁合金、AA6022铝镁-硅合金、AA7003铝-锌合金和Al-10Si-Mg铝压铸合金。如果需要，铝基板可进一步使用于多种回火处理中，包括：退火态(O)、应变硬化态(H)和溶热处理态(T)。因此，术语“铝工件”包含有涂层或没有涂层的、具有不同的可点焊形式的单质铝和多种铝合金基板，其包括：锻造薄板层、挤出件、锻件等以及铸件，该铝工件进一步包括那些进行了退火、应力硬化和溶热处理等焊前处理的部件。

钢工件94包括钢基板，其可以是有涂层的或没涂层的(即，裸的)。有涂层的或没涂层的钢基板可以是经热轧过或冷轧过的，可包括任何各种钢，包括：软钢、无缝钢、烘烤硬化钢、高强度低合金(HSLA)钢、双相(DP)钢、复相(CP)钢、马氏体(MART)钢、相变诱发塑性(TRIP)钢、孪晶诱发塑性(TWIP)钢和压力硬化钢(PHS)。并且，如果是有涂层的，则钢基板优选包括锌、锌-铁(合金化热镀锌)、锌-镍合金、镍、铝，或铝硅合金表面层。因此，术语“钢工件”包含有涂层的或没有涂层的，具有不同级别和强度的各种钢基板，并且进一步包括例如压淬钢的生产中而进行了退火、淬火和/或回火等焊前处理的钢工件。考虑到钢基板的厚度以及任何可存在的可选涂层，钢工件94至少在焊接位置96处具有范围在0.3mm到6.0mm(或范围更小地在0.6mm到2.5mm)之间的厚度940。

如图5中所最清楚地示出，在当前实施例的情况下，当两个工件92、94被堆叠进行点焊时，铝工件92包括结合表面104和外表面106，同样地，钢工件94包括结合表面108和外表面110。两个工件92、94的结合表面104、108彼此互相堆叠并接触，以便形成延伸穿过焊接位置96的结合界面112。另一方面，铝、钢工件92、94的外表面106、110一般在焊接位置96处在相反方向上彼此远离，并且包括工件堆叠90的第一侧100和第二侧102。铝工件92的结合表面104与其外表面106之间的距离和钢工件94的结合表面108与其外表面110之间的距离分别限定出工件92、94的厚度920、940。

术语“结合界面112”广泛地使用于本发明中，并且旨在包含工件92、94的结合表面104、108之间的直接和间接接触的情况。当结合表面104、108之间物理邻接且没有被离散介质材料层分隔开时，它们彼此直接接触。当结合表面104、108被离散介质材料层分隔开(因此并没有经历直接接触中的界面物理邻接)但彼此足够接近，使得可实施电阻点焊时，它们彼此间接接触。在形成工件堆叠90中将工件92、94相对于彼此重叠之前，当采用选择的中间材料层(未示出)应用于结合表面104、108之间时，通常会在铝工件92的结合界面104与钢工件94的结合界面108之间发生间接接触。

可存在于铝工件92的结合表面104和钢工件94的结合表面108之间的中间材料层为未固化但可热固化的结构粘合剂。这种中间材料层通常具有0.1mm到2.0mm的厚度，其使得点焊穿过中间层不会有太大困难。结构粘合剂可设置在铝工件92的结合表面104和钢工件994的结合表面108之间，这样，在点焊之后，可在ELPO烘烤炉或其他装置中加热工件堆叠90以使粘合剂固化并在工件92、94之间提供附加粘接。合适的可热固化的结构粘合剂的具体实例为：可热固化环氧树脂，其可包括诸如二氧化硅颗粒的填料颗粒，用以改进粘合剂在固化时的粘度或其他机械性能。可通过商业购买获得多种可热固化环氧树脂，包括：DOW Betamate 1486、Henkel 5089和Uniseal 2343。当然，其他类型的材料可代替可热固化结构粘合剂而构成中间材料层。

当然，如图6-图7中所示，工件堆叠90不限于仅仅包括：铝工件92和相邻的钢工件94。除了相邻的钢和铝工件92、94外，工件堆叠90还可包括附加铝工件或附加钢工件，只要附加工件设置为邻近于具有相同基体金属构成的工件92、94即可；即，任何附加铝工件设置为邻近于铝工件92，任何附加钢工件设置为邻近于钢工件94。就附加工件的特性而言，以上关于铝工件92和钢工件94的说明适用于任何可包括在工件堆叠90中的附加钢或铝工件。然而，应当注意的是，虽然采用相同的一般描述，但是不要求三工件堆叠中的两个铝工件或两个钢工件在组成、厚度或形式(例如，锻造或铸造)方面相同。

例如，如图6所示，工件堆叠90如上所述的可包括相邻的铝工件92和钢工件94及一个附加铝工件114。在此，如图所示，附加铝工件114重叠在邻近的铝工件92和钢工件94上并设置为邻近于铝工件92。当这样设置附加铝工件114时，如前所述，钢工件94的外表面110提供并界定工件堆叠90的第二侧102，同时，此刻邻近于钢工件94的铝工件92包括一对相对的结合表面104、116。如前所述，与相邻的钢工件94的结合表面108相对接触(直接地或间接地)的铝工件92的结合表面104在两个工件92、94之间形成结合界面112。铝工件92的另一的结合表面116与附加铝工件114的结合表面118相对并与其重叠接触(直接地或间接地)。这样，在重叠工件92、94、114的这种特定布置中，附加铝工件114的外表面120现在提供并界定工件堆叠90的第一侧100。

在另一个实例中，图7所示的是，工件堆叠90如前所述的可包括相邻铝工件92和钢工件94及附加钢工件122。在此，如图所示，附加钢工件122重叠在邻近的铝、钢工件92、94上并设置为邻近于钢工件94。当这样设置附加钢工件122时，如前所述，铝工件92的外表面106提供并界定工件堆叠90的第一侧100，同时，此刻邻近于铝工件92的钢工件94包括一对相对的结合表面108、124。如前所述，与相邻的铝工件94的结合表面104相对接触(直接地或间接地)的钢工件92的结合表面108在两个工件92、94之间形成结合界面112。钢工件94的另一的结合表面124与附加钢工件122的结合表面126相对并与其重叠接触(直接地或间接地)。这样，在重叠工件92、94、122的这种特定布置中，现在附加钢工件122的外表面128提供并界定工件堆叠90的第二侧102。

现在回到图5，不管是否存在附加工件114、122，第一焊接电极10和第二焊接电极98被用于将电流传递通过工件堆叠90并穿过在焊接位置96处的相邻的铝工件92和钢工件94的结合界面112。焊接电极10、98中的每一者都由任何传统类型的焊枪(部分示出)携带，包括C型或X型焊枪。点焊操作可以根据需要要求将焊枪安装到能够使焊枪围绕工件堆叠90移动的机器人，或者，可以要求将焊枪构造为固定座式，其中工件堆叠90相对于焊枪进行操作和移动。另外，如图所示，焊枪可与提供电流的电源130和与电源130联接的焊接控制器132相连，以根据编排的焊接排程控制电流的特征。焊枪还可装有冷却剂管道及其相关控制设备，以将水等冷却剂流体输送到焊接电极10、98中的每一个。

焊枪包括第一焊枪臂134和第二焊枪臂136。第一焊枪臂134设有固定和保持第一焊接电极10的柄138，且第二焊枪臂136设有固定和保持第二焊接电极98的柄140。焊接电极10、98在它们相应的柄138、140上的固定保持可以通过柄转接器实现，如图1所示及描述，柄转接器位于柄138、140的轴向自由端并被焊接电极10、98接收。在它们相对工件堆叠90的位置方面，第一焊接电极10被设置成与工件堆叠90中紧邻铝工件92的第一侧100电连通，因此，第二焊接电极98被设置成与工件堆叠90中紧邻钢工件94的第二侧102电连通。一旦电极10、98与它们相应的工件堆叠侧100、102电连通，第一焊枪臂134和第二焊枪臂136可操作用于将焊接电极10、98朝着彼此聚集或夹紧，以及用于在焊接位置96处在工件堆叠90上施加夹紧力。

与第一焊接电极10相对的第二焊接电极98可以是多种电极设计中的任意一种。通常，如图8中最佳示出的，第二焊接电极98包括电极本体142和焊接面144。电极本体142优选是圆柱形并且包括可进入的内凹槽146(与第一焊接电极10相似)，用于与第二焊枪臂136相关联的柄140的柄转接器(未示出)的嵌入以及与该柄转接器联接。电极本体142的前端148具有圆周部1480，圆周部1480的直径1482在12mm～22mm范围内或者更窄地在16mm～22mm范围内。还有，跟前述类似，焊接面144设置在电极本体142的前端148上并具有圆周部1440，圆周部1440与电极本体142前端148的圆周部1480重合(“全工作面电极”)，或者通过过渡端部150向上偏离前端148。如果存在过渡端部150，则两个圆周部1480、1440可以如图1所示是平行的，或者它们可以偏移使得焊接面144的圆周部1440相对电极本体142前端148的圆周部1480倾斜。

焊接面144是第二焊接电极98的与紧邻钢工件94的工件堆叠90第二侧102建立电连通的部分。焊接面144优选具有在其圆周部1440测得的直径1442，直径1442在4mm-16mm或者更窄地在8mm-12mm范围内。就其外形而言，焊接面144包括可以为标称平面或球面圆顶的基础焊接面表面152。如果是球面圆顶，则基础焊接面表面152从焊接面144的圆周部1440上升，其具有曲率半径优选在20mm-300mm或者更窄地在20mm-150mm范围内的截头球形轮廓。此外，焊接面144还可以包括但非必需包括表面凸出的特征，诸如在基础焊接面表面152上方围绕焊接面144的中心正向偏移的平台表面、在基础焊接面表面152围绕焊接面144中心升高的圆形凸起(例如，球形端部电极)、多个与上述那些脊相似的直立圆形脊，或者一些其他凸出的特征。

第二焊接电极98可以由适用于点焊应用的任何导电和导热的材料构造而成。例如，第二焊接电极98可以由铜合金制成，该铜合金具有至少80％IACS或者更优选至少90％IACS的电导率，以及至少300W/mK或者更优选至少350W/mK的热导率。一个可用于第二焊接电极98的铜合金的具体实例是含有大约0.10wt％至大约0.20wt％的锆和余量为铜的铜锆合金(CuZr)。通常优选满足此成分组成并表示为C15000的铜合金。也可以采用本文未明确列举的、拥有适合的机械性能以及电热导性能的其他铜合金组成以及其他金属组成。

现在将参考图5和图9-图12对电阻点焊方法进行说明，图5和图9图12仅示出了重叠并彼此相邻以形成结合界面112的铝工件92和钢工件94。工件堆叠90中附加铝工件114或钢工件122的存在不影响如何实施点焊方法，或对在相邻铝工件92和钢工件94的结合界面112处发生的结合机制不具有任何实质性影响。由于该原因，在下文对点焊方法进行更加详细的说明时，为了简单起见，只示出相邻的铝工件92和钢工件94。下文更加详细的讨论同样适用于工件堆叠90包括附加铝工件114或钢工件122(图6和图7)的情况，但是事实上附图中已省略任何此种附加工件114、122。

在图5所示电阻点焊方法开始时，工件堆叠90位于第一焊接电极10与相对的第二焊接电极98之间，第一侧100和第二侧102分别设置为紧邻第一焊接电极10和第二焊接电极98。然后，操作焊枪将第一焊接电极10和第二焊接电极98相对于彼此聚集，以使得它们的焊接面20、144在焊接位置96处分别被压靠在工件堆叠90的相对的第一侧100和第二侧102上。焊接面20、144在施加于工件堆叠90上的夹紧力作用下通常在焊接位置96处彼此面对面地对齐。所施加的夹紧力优选为400lb-2000lb或者为更窄的600lb-1300lb。

在第一焊接电极10的焊接面20和第二焊接电极98的焊接面144就位并分别与工件堆叠90的第一侧100和第二侧102建立了电连通之后，通过面对面对齐焊接面20、144的方式，使电流在第一焊接电极10与第二焊接电极98之间流通。在第一焊接电极10与第二焊接电极98之间互通的电流通过工件堆叠90并穿过形成于相邻铝工件92与钢工件94之间的结合界面112。这种电流流动阻力产生热量，相比铝工件92，最先更快地加热更加阻电和阻热的钢工件94。电阻产生的热量最终熔融铝工件92并产生熔融铝焊池154，如图9所示。熔融铝焊池154润湿相邻的钢工件94的结合表面108并从结合界面112延伸到铝工件92。熔融铝焊池154可以在焊接位置96渗入至铝工件92内一段距离，该距离为铝工件92厚度920的20％-100％。还有，在组成方面，熔融铝焊池154主要包括来源于铝工件92的铝材料，因为钢工件94在电流流动过程中通常不熔融，但可以一定程度上溶解铁并将铁引入熔融铝焊池154中。

在第一焊接电极10与第二焊接电极98之间通过并穿过工件堆叠90的电流优选是DC(直流)电流。DC电流可以由如图5所示被置于与第一焊接电极10和第二焊接电极98电连通的电源130提供。电源130优选是包括逆变器和中频直流(MFDC)变压器的MFDC逆变电源，但是当然可以用其他类型的电源。电源130的精确操作受到焊接控制器132的控制。为了保险起见，焊接控制器132通过基于包括规定的焊接排程在内的编程指令，支配DC电流在第一焊接电极10与第二焊接电极98之间互通的方式来控制电源130。DC电流的编程特性可以命令DC电流具有恒定的电流电平或者是随时间脉冲，或者是两者的某些组合，通常需要电流电平从开始至停止基本上保持在5kA与50kA之间并持续40ms-2,500ms的持续时间，以产生所需尺寸的熔融铝焊池154。

电流在第一焊接电极10的焊接面20与第二焊接电极98的焊接面144之间的通过停止之后，熔融铝焊池154固化成将铝工件92与钢工件94在焊接位置96处结合在一起的焊接接头156，如图10所示。焊接接头156包括铝焊接熔核158，铝焊接熔核158包括铝工件92的再固化材料，焊接接头156还可以包括一个或多个Fe-Al金属间化合物反应层160。铝焊接熔核158延伸进入铝工件92至通常为焊接位置96处铝工件92厚度920的20％-100％(100％为穿过整个铝工件92)的距离，正如先前存在的熔融铝焊池154一样。一个或多个Fe-Al金属间化合物反应层160位于铝焊接熔核158与钢工件94的结合表面108之间，本文示出的该反应层160是作为单个的理想化反应层。Fe-Al金属间化合物是由于在点焊温度下熔融铝焊池154与钢工件94之间的反应而在结合界面112处的层中产生的。一个或多个Fe-Al金属间化合物反应层160可以包括FeAl₃化合物、Fe₂Al₅化合物，并可能包括其他的金属间化合物，且通常具有1μm-5μm的组合总厚度。

与根据常规的点焊操作形成的焊接接头相比，焊接接头156预计具有增强的强度，尤其是增强的剥离强度。增强的强度可以归因于第一焊接电极10的结构，和减少焊接接头156内的有害焊接缺陷在结合界面112以及沿结合界面112处分散的能力。具体地，第一焊接电极10的结构改变了熔融铝焊池154的固化行为，因为其以如下方式转变成焊接接头156：使焊接缺陷朝着焊接接头156的中心偏移并远离焊接接头156的外部边缘。据信，将焊接缺陷引导至焊接接头156的中心对剥离强度具有有利的影响，因为焊接缺陷存在于焊接接头156的中心与存在于焊接接头156的外部边缘相比更不会产生妨害，该焊接接头156的外部边缘与结合界面112相近并与包围焊接接头156的受热区相邻。

第一焊接电极10的结构对熔融铝焊池154的固化行为所产生的影响大体示于图11-图12中。为了给说明提供一些背景，图11示出了在重叠以建立结合界面266的铝工件262与钢工件264之间形成的焊接接头260。此处所示的焊接接头260代表不使用上述第一焊接电极10的采用常规电阻点焊工艺形成的焊接接头。可以看出，焊接缺陷268在焊接接头260内在工件262、264的结合界面266处以及沿结合界面266分散。这些焊接缺陷268可以包括收缩空隙、气孔、表面氧化残余物以及微裂纹等等。当焊接缺陷268沿结合界面266存在并分布时，焊接缺陷268可能会降低焊接接头260的剥离强度，更通常地，可能会不利地影响并削弱焊接接头260的整体完整性。

不受理论的约束，据信，焊接缺陷268在结合界面266处以及沿结合界面266的分散至少部分地是由于先前存在的熔融铝合金熔池在其转化成焊接接头260时的固化行为造成的。具体而言，由于钢和铝这两种材料不同的物理性质，即钢具有大得多的热阻率和电阻率，因此，在热得多的钢工件264与铝工件262之间形成热不平衡。钢工件264因此作为热源，而铝工件262作为热导体，在垂直方向上产生强烈的温度梯度，使熔融铝焊池从靠近与铝工件262紧邻的更冷的(例如，水冷却的)焊接电极的区域朝着结合界面266冷却和固化。固化前沿的路径和方向在图11中由箭头270表示。随着固化前沿沿路径270前进，焊接缺陷268朝着结合界面266偏移并且最终在焊接接头260内沿着结合界面266分散。

第一焊接电极10的结构可以避免图11中所示的固化行为及其导致的焊接缺陷的扩散。现在参照图12，其示出了根据上述点焊方法形成的焊接接头156的放大图示。可以看出，此焊接接头156中的焊接缺陷162聚集在焊接接头156的中心附近，而不是如图11所示更多地沿结合界面112分散。焊接缺陷162朝着焊接接头156的中心偏移，由于第一焊接电极10的结构使得熔融铝焊池154从其外周164朝着其中心固化。固化前沿的路径和方向在图12中由箭头166表示。此处，路径166可以将焊接缺陷162偏移到焊接接头156的中心，在结合界面112上或偏离结合界面112，并能进一步将焊接缺陷162固化成更大尺寸的缺陷。

第一焊接电极10的结构通过引导热量流动经过直径减小部分16来诱发图12中所示的固化前沿166。具体地，点焊过程中焊接电极10的第一部分12内生成的热量以及从钢工件94和熔融铝焊池154散发的热量被吸入到焊接电极10的第二部分14，并通过流经冷却腔54的冷却流体被吸取排出。该热量主要通过直径减小部分16被传导至第二部分14，因为将第一部分12的后表面24与后面部分14的前表面40分开的间隙78中含有的空气或者低传导率材料80更不能导热。因此，当经过工件堆叠90的电流流动停止时，热量开始流向第一部分12的中心并朝着第二部分14向上进入直径减小部分16。因此，在焊接面20圆周部200附近更冷的焊接面20的外周与更热的焊接面20的中心之间形成温度梯度。所形成的温度梯度将热量保持在熔融铝焊池154的中心，一旦电流流动停止则使得熔融铝焊池154的该区域最后固化。因此，焊接缺陷诸如收缩空隙、气孔、氧化膜残余物被驱赶至焊接接头156的中心并保持在焊接接头156的中心。

回到图10，第一焊接电极10和第二焊接电极98继续在工件堆叠90上施加夹紧力直至熔融铝焊池154完全固化成了焊接接头156。一旦形成焊接接头156，则施加在工件堆叠90上的夹紧力减小，第一焊接电极10和第二焊接电极98从它们相应的工件堆叠90的侧100、102缩回。工件堆叠90现在可以相对焊枪移动，使得第一焊接电极10和第二焊接电极98被设置成在进行重复点焊的另一个焊接位置96处面对面对齐。或者，可以将工件堆叠52从焊枪移离以便为另一相似的工件堆叠90腾出空间，而不是在不同的焊接位置96进行点焊。因此，在点焊循环次数和产品通过量是获得重点关注的指标的制造环境中，可以在不同的焊接位置96在相同或不同工件堆叠上多次实施该点焊方法。

上述对优选示例性实施方案和具体实例的说明本质上仅仅是说明性的，它们并非意图限制随后的权利要求的保护范围。除非在说明书中特别和明确地指明，否则所附权利要求中所使用的每个术语应当取其普通和习惯的含义。