铝合金到钢的焊接工艺的制作方法
【专利说明】铝合金到钢的焊接工艺
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2013年10月4日提交的美国临时专利申请N0.61/886，752的权益，其整个内容通过引用结合到本文。
技术领域
[0003]本公开的技术领域总地涉及电阻点焊，并且更具体的，涉及电阻点焊钢工件到铝
I=IO
【背景技术】
[0004]电阻点焊是由许多行业使用的工艺，以将两个或多更多金属工件结合到一起。例如，汽车行业，在车门、机罩、后备箱封盖或提升门以及其它的制造过程中，通常使用电阻点焊以将预制金属工件结合到一起。多个点焊点通常沿着金属工件的外围区域或一些其他结合区域形成以确保该部件在结构上是良好的。虽然点焊通常被实践来将特定的相似组分金属工件结合到一起一一例如钢-钢和铝合金-铝合金一一将较轻材料纳入到车身结构中的期望对通过电阻点焊结合钢工件到铝合金工件产生了兴趣。此外，使用一件设备电阻电焊包括不同工件组合(例如铝合金/铝合金，钢/钢，和铝合金/钢)的工件层叠的能力会提高生产灵活性和降低生产成本。
[0005]通常，电阻点焊依靠电流穿过叠加金属工件并且跨过它们的结合界面的流动的电阻产生热量。为了实施这种焊接工艺，通常一对相对的点焊电极在预定焊接位置在直径对齐的点处夹在工件的相反侧上。电流随后从一个焊接电极穿过金属工件到另一个电极。电流流动的电阻在金属工件中并在它们的结合界面处产生热量。当被点焊接到一起的金属工件是钢工件和铝合金工件时，在结合界面处产生的热量产生从结合界面延伸到铝合金工件中的熔化焊池。该熔化铝合金焊池润湿钢工件的相邻表面，并且在停止电流流动时，凝固成为焊接熔核，该焊接熔核在两个工件之间形成全部或部分焊接接头。
[0006]然而，实际上，点焊钢工件到铝合金工件是有挑战的，因为这两种金属的许多特性会有害的影响焊接接头的强度一一最主要的是剥离强度。举例来说，铝合金工件通常包括在其表面上的一个或多个耐高温氧化层(下文简称“氧化层”)。氧化层，其主要由氧化铝组成，但也可以包括其他氧化物，例如氧化镁，是电绝缘的和在机械上是坚硬的。表面氧化层因此提高了铝合金工件的电接触电阻一一即，在其结合面处和在其电极接触点处一一使得在铝合金工件内难以有效控制和集中热量，并且具有阻碍熔化焊池润湿钢工件的能力的趋向。虽然过去已经做出努力在点焊之前从铝合金工件上试图和移除氧化层，但是由于氧气的存在氧化层具有再生的能力，这种实践可能是不切实际的，特别是应用来自点焊应用的热量的情况下。
[0007]钢工件和铝合金工件还具有趋向使点焊工艺复杂化的不同性能。特别地，钢具有相对高的熔点(?1500°C )和相对高的热阻和电阻，而铝合金具有相对低的熔点(?600°C)和相对低的热阻和电阻。这些物理差异的结果是，在电流流动期间大部分的热量在钢工件中产生。这种热量不平衡在钢工件(较高温度)和铝合金工件(较低温度)之间建立温度梯度，其产生铝合金工件的迅速熔化。电流流动期间产生的温度梯度和铝合金工件的高热导性结合意味着，电流停止之后立即发生的情况是热量没有从焊接位置对称地散布。相反，从更热的钢工件传导而来的热量经过铝合金工件朝向接触该铝合金工件的焊接电极，其在这个方向上产生陡的温度梯度。
[0008]在钢工件和接触铝合金工件的焊接电极之间陡的温度梯度的发展被相信以两种主要方式削弱所产生的焊接接头的完整性。首先，因为在电流停止之后钢工件比铝合金工件保持热量更长持续时间，所以已经在铝合金工件中产生和生长的熔化焊池定向凝固，从最靠近与铝合金工件关联的较冷的焊接电极(通常是水冷)的区域开始并且朝向结合界面传播。这种类型的凝固前锋趋向席卷或驱动缺陷一一例如气孔、缩孔、微裂纹、和氧化物残渣一一在铝合金焊接熔核内朝着并且沿着结合界面。第二，钢工件中持续升高的温度促进脆性Fe-Al金属间化合物在结合界面处并沿着结合界面生长。金属间化合物趋向于在铝合金焊接熔核和钢工件之间形成薄的反应层。这些金属间层通常被看做是焊接接头的部分，如果存在，除了焊接熔核之外。沿着结合界面具有焊接熔核缺点的弥散和Fe-Al金属间化合物过度生长被认为降低了最终焊接接头的剥离强度。
[0009]鉴于上述挑战，对点焊钢工件和铝合金工件的以前努力已经使用焊接计划，其规定更高的焊接电流、更长的焊接时间，或两者(相比于焊接钢到钢)，为了尝试和获得合理的焊接结合区域。这样的努力在生产环境中很大程度是不成功的，并且具有破坏焊接电极的倾向。假定先前点焊的努力没有取得特别的成功，替代地，主要地使用例如自我刺穿铆钉和流钻螺钉的机械工艺。与点焊相比，自我刺穿铆钉和流钻螺钉两者都相当的慢并且存在高消耗成本。它们也增加重量到车身结构，其在某种点上开始抵消通过在第一位置使用铝合金工件获得的重量节约。会使该工艺更加能够结合钢和铝合金工件的点焊的进步因此对于本领域是受欢迎的补充。
【发明内容】
[0010]一种电阻点焊包括钢工件和铝合金工件的叠层的方法，包括使用相对焊接电极在预定焊接位置接触叠层的相反侧。一个焊接电极接触并被按压抵靠钢工件并且另一个焊接电极接触并被按压抵靠铝合金工件。电流随后经过焊接之间穿过叠层以在铝合金工件内和工件的结合界面处产生和生长熔化铝合金焊池。焊接电极在它们的各自工件中形成接触印迹，并且在电流流动停止以后，在铝合金工件处形成的接触印迹表面积比在钢工件处形成的接触印迹大。接触印迹尺寸的不同导致电流以比铝合金工件中大的电流密度穿过钢工件。
[0011 ] 钢和铝合金工件之间电流密度的差异(钢工件内的电流密度更大)，与铝合金工件相比在钢工件内集中热量在更小的区域内。如果需要，焊接电流计划甚至可以调节，以除了在铝合金工件和结合界面处产生熔化铝焊池之外在钢工件内产生熔化焊池。在钢工件中更小的区域内集中热量的行为一一可能达到产生熔化钢焊池的程度一一改变了温度梯度，并且因此，改变了熔化铝合金焊池的凝固行为。相信这些热感应效果能够导致在结合界面处的焊接接头具有增强的剥离强度和更好的整体结构完整性。
[0012]特别地，相比于铝合金工件在钢工件内集中热量在更小的区域，导致在熔化铝合金焊池内并围绕熔化铝合金焊池形成温度梯度，允许焊池从其外周朝向其中心凝固。凝固前锋从焊池外周朝向焊池中心向内移动，进而驱使焊接缺陷朝向它们更不易影响焊接接头的机械性能的焊接接头中心。集中热量以使钢焊池形成能够通过导致钢工件朝向结合界面变厚进一步帮助驱动缺陷进入焊接接头的中心。钢工件的这种变厚帮助熔化铝合金焊池的中心保持被加热以使得它最后凝固。通过钢工件的变厚产生的非平面的结合界面也可以帮助在最终形成焊接接头中抵制裂纹生长。
[0013]有多种焊接电极的构造和组合能够用于点焊叠层的钢和铝合金工件以使得与铝合金工件相比在钢工件中实现更大电流密度。例如，在钢侧上的焊接电极能够具有带小直径的平面的或相对平面的焊接面，而在铝合金侧上的焊接电极能够具有带更大直径的平面的或更加切成圆弧的焊接面。两个焊接电极还能够是相似构造的多功能电极，其被设计为在钢和铝合金工件处形成具有非对称表面积的接触印迹。这样的焊接电极，除了使钢工件和铝合金工件更加可点焊之外，也能够用于点焊钢工件的叠层和铝合金工件的叠层，如果期望点焊工艺灵活性的话。
[0014]本申请还提供以下解决方案:
[0015]1、一种点焊钢工件到铝合金工件的方法，所述方法包括:
[0016]提供包括钢工件和铝合金工件的叠层，所述钢工件和铝合金工件叠加以提供结合界面；
[0017]用钢焊接电极接触所述钢工件的电极接触表面；
[0018]用铝合金焊接电极接触所述铝合金工件的电极接触表面；
[0019]使电流在所述钢焊接电极和铝合金焊接电极之间通过并且穿过所述叠层以在所述铝合金工件内并在所述结合界面处产生熔化铝合金焊池，所述电流在所述钢工件内比在所述铝合金工件内具有更大的电流密度；和
[0020]停止电流通过，这时由所述铝合金焊接电极在所述铝合金工件的电极接触表面处形成的接触印迹表面积比由所述钢焊接电极在所述钢工件的电极接触表面处形成的接触印迹大，由所述铝合金焊接电极形成的接触印迹具有的表面积比由所述钢焊接电极形成的接触印迹大的比率为1.5:1至16:1。
[0021]2、如方案I所述的方法，其中，由所述铝合金焊接电极形成的接触印迹具有的表面积比由所述钢焊接电极形成的接触印迹大的比率为2:1至6:1。
[0022]3、如方案I所述的方法，其中，所述铝合金焊接电极包括的焊接面具有在6mm与20mm之间的直径和在15mm与平面之间的弯曲半径，以及其中，所述钢焊接电极包括的焊接面具有在4mm与16mm之间的直径和20mm或更大的弯曲半径。
[0023]4、如方案I所述的方法，其中，所述铝合金焊接电极或所述钢焊接电极中的至少一个具有焊接面和围绕所述焊接面的中心轴线上升的圆形突起，所述焊接面具有6mm到12mm的直径和20mm到10mm的弯曲半径，并且所述圆形突起在所述焊接面处具有3mm到7mm的直径和5mm到20mm的弯曲半径。
[0024]5、如方案I所述的方法，其中，所述铝合金焊接电极或钢焊