铝基工件至钢工件的多步双面点焊的制作方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2013年8月23日提交的美国临时申请号61/869, 281的权益。该临 时申请的内容通过引用整体地结合于本文中。
技术领域
[0003] 本公开的技术领域一般涉及电阻点焊，并且更具体而言，涉及电阻点焊一种包括 相对于彼此以重叠方式组装的铝基工件和钢工件的工件层叠结构。
【背景技术】
[0004] 电阻点焊是许多行业用来将两个或更多个金属工件联接在一起的过程。例如，汽 车行业在制造车门、引擎盖、后备箱盖或举升门等期间经常使用电阻点焊将预制的金属工 件联接在一起。通常沿金属工件的周界边缘或某些其它结合区域形成许多焊点，以确保零 件在结构上牢固。虽然通常实施点焊来将某些类似组成的金属工件联接在一起（例如钢至 钢以及铝合金至铝合金），但将较轻重量的材料结合到车身结构中的期望已经产生了对于 通过电阻点焊将钢工件联接至铝基（铝或铝合金）工件的兴趣。特别是利用一件设备来电 阻点焊包含不同工件组合（例如，钢/钢、铝基/钢以及铝基/铝基）的工件层叠结构的能 力将会促进生产灵活性并降低制造成本。
[0005] 一般而言，电阻点焊依靠针对通过重叠的金属工件和穿过它们的接合界面的电流 流动的电阻来产生热。为了实施这样的焊接过程，一对相对的点焊电极典型地被夹持在预 定焊接部位处的工件的相反侧上直径对齐的点处。然后，电流从一个电极通过金属工件被 传送到另一个电极。针对该电流流动的电阻在所述金属工件内和它们的接合界面处产生 热。当被点焊在一起的金属工件是钢工件和铝基工件时，在接合界面处产生的热引发从接 合界面延伸到铝基工件中的焊接熔池。此焊接熔池润湿相邻的钢工件表面，并在电流流动 停止时凝固成形成全部或部分焊接接头的焊核。
[0006] 然而，在实践中，将钢工件点焊至铝基工件是具有挑战性的，这是由于那两种金属 的许多特性可能不利地影响焊接接头的强度，最显著的是焊接接头的剥离强度。举例来说， 铝基工件在其表面上常常包含一层或多层耐高温氧化层。所述氧化层（或多层氧化层）通 常由氧化铝组成，但其它氧化物也可以存在。例如，在含镁的铝合金的情况下，氧化层（或 多层氧化层）通常还包括氧化镁。存在于铝基工件上的氧化层（或多层氧化层）是电绝缘 的，且在机械上是不易处理的。作为这些物理属性的结果，所述氧化层（或多层氧化层）具 有在接合界面处保持完整的趋势，在那里它们能够妨碍焊接熔池润湿钢工件的能力。过去 已尝试了各种努力在点焊之前从铝基工件去除氧化层（或多层氧化层）。但是，由于氧化 层（或多层氧化层）在氧存在时具有自愈或再生的能力，尤其是在施加了来自点焊操作的 热的情况下，因此这样的去除实践可能是不切实际的。
[0007] 钢工件和铝基工件也具备趋于使点焊过程变得复杂的不同属性。具体而言，钢具 有相对较高的熔点（~1500°c)以及相对较高的电阻率和热阻率，而铝基材料具有相对较 低的熔点（~600°C)以及相对较低的电阻率和热阻率。作为这些物理差异的结果，在电 流流动期间大部分的热产生在钢工件中。此热量不平衡在钢工件（较高温度）和铝基工件 (较低温度）之间建立温度梯度，所述温度梯度引发铝基工件的快速熔化。在电流流动期间 创建的温度梯度和铝基工件的高热导率的结合意味着，紧接在电流停止之后，会发生热量 没有从焊接部位对称地散布的状况。相反，热量从更热的钢工件通过铝基工件朝向与铝基 工件接触的焊接电极传导，这在钢工件和焊接电极之间创建了陡峭的热梯度。
[0008] 在钢工件和与铝基工件接触的焊接电极之间的陡峭热梯度的形成发展被认为以 两种主要方式使所产生的焊接接头的完整性变弱。第一，因为在电流已停止之后，与铝基工 件相比，钢工件将热量保留更长的持续时间，所以焊接熔池定向地凝固，从最靠近与铝基工 件相关联的较冷的焊接电极（通常是水冷的）的区域开始，并朝向接合界面传播。此类型 的凝固前沿趋于在焊核内朝向和沿着接合界面扫除或驱除缺陷，例如气孔、缩松、微裂纹以 及表面氧化物残留。第二，钢工件中持续的高温促进脆弱的Fe-Al金属间化合物在接合界 面处和沿所述接合界面的增长。金属间化合物趋于在焊核和钢工件之间形成薄反应层。如 果存在，则这些金属间层一般被认为是除焊核之外的焊接接头的一部分。焊核缺陷的散布 连同Fe-Al金属间化合物沿接合界面的过度增长一起趋于降低最终焊接接头的剥离强度。
[0009] 鉴于前述的挑战，点焊钢工件和铝基工件的先前尝试已采用了指定更高的电流、 更长的焊接时间或二者（与点焊钢至钢相比）的焊接计划，以便尝试和获得合理的焊接熔 合区。这样的努力在制造环境中大部分是不成功的，并具有损坏焊接电极的趋势。如果先 前的点焊努力不是特别地成功，则主要替代地使用例如自冲铆接和自攻螺接之类的机械过 程。与点焊相比，自冲铆接和自攻螺接二者都是显著更慢的，并具有较高的耗材成本。它们 还给车身结构添加了重量，这在某种程度能够开始抵消通过起初使用铝基工件所获得的重 量节省。因此，使点焊过程具有联接钢工件和铝基工件的更强能力的点焊中的进步将会是 对本领域的受欢迎的补充。
【发明内容】
[0010] 至少包括钢工件和铝基工件的工件层叠结构能够通过采用多阶段点焊方法被电 阻点焊，以使焊接接头在钢工件和铝基工件的接合界面处形成。所述多阶段点焊通过控制 在相对的点焊电极之间以及通过工件层叠结构的电流的传送来实行，以实施焊接接头形成 的多个阶段，所述多个阶段包括：（1)焊接熔池增大阶段，其中，焊接熔池在铝基工件内被 引发并增大；(2)焊接熔池凝固阶段，其中，允许焊接熔池冷却并凝固成形成全部或部分的 焊接接头的焊核；（3)焊核再熔化阶段，其中，焊核的至少一部分被再熔化；(4)再熔化焊核 凝固阶段，其中，允许焊核的再熔化部分冷却并凝固；以及可选的（5)金属排除阶段，其中， 焊核的再熔化部分的至少一部分沿工件的接合界面被排出。
[0011] 本发明还包括以下方案。
[0012] 1. 一种对包括铝基工件和钢工件的工件层叠结构进行电阻点焊以在所述铝基工 件和所述钢工件之间形成电阻点焊接头的方法，所述方法包括：
[0013] 使工件层叠结构与一对点焊电极接触，使得所述点焊电极与所述工件层叠结构的 相反侧面接触，所述工件层叠结构包括铝基工件和钢工件，所述铝基工件具有接合表面并 且所述钢工件具有接合表面，并且其中，所述铝基工件和所述钢工件的接合表面重叠并彼 此接触，以在这些工件之间提供接合界面；以及
[0014] 控制在所述点焊电极之间以及通过所述铝基工件和所述钢工件的电流的传送，以 执行焊接接头形成发展的多个阶段，这些阶段包括：
[0015] 使得从所述接合表面延伸到所述铝基工件中的所述铝基工件中的焊接熔池增 大；
[0016] 允许所述焊接熔池冷却并凝固成焊核，所述焊核包括联接至所述钢工件的接合表 面的焊接熔合区；
[0017] 再熔化所述焊核的至少一部分，其中所述焊核的至少一部分包括所述焊核的焊接 熔合区的至少一部分；
[0018] 允许所述焊核的再熔化部分冷却并凝固。
[0019] 2.如方案1所述的方法，其特征在于，电流脉冲形式的电流在所述点焊电极之间 被传送，以再熔化所述焊核的至少一部分。
[0020] 3.如方案1所述的方法，其特征在于，所述焊核从所述接合表面延伸到所述铝基 合金工件中至渗透深度，并且其中，所述焊核的再熔化部分没有延伸至所述焊核的渗透深 度。
[0021] 4.如方案1所述的方法，其特征在于，所述焊核的再熔化部分完全局限在所述焊 接熔合区内。
[0022] 5.如方案1所述的方法，其特征在于，所述焊核的再熔化部分包括高达100%的所 述焊核的焊接熔合区。
[0023] 6.如方案1所述的方法，其特征在于，所述焊核的再熔化部分包括所述焊核的整 个焊接熔合区，并且还与所述焊核的焊接熔合区之外的所述铝基合金工件的熔料相结合， 以建立扩大的焊接熔合区。
[0024] 7.如方案6所述的方法，其特征在于，所述扩大的焊接熔合区比再熔化之前的所 述焊核的焊接熔合区在面积上大了高达50%。
[0025] 8.如方案1所述的方法，其特征在于，所述钢工件是镀锌钢或裸钢。
[0026] 9.如方案1所述的方法，其特征在于，所述铝基工件包括铝镁合金、铝硅合金、铝 镁娃合金或错锌合金。
[0027] 10.如方案1所述的方法，还包括：
[0028] 在所述接合界面处排出所述焊核的再熔化部分的至少一部分。
[0029] 11.如方案10所述的方法，其特征在于，在再熔化所述焊核的至少一部分之前，所 述焊核的焊接熔合区为至少4 ( 31 ) (t)，其中，t是所述铝基工件在所述焊接部位处的厚度。
[0030] 12. -种对包括铝基工件和钢工件的工件层叠结构进行电阻点焊以在所述铝基工 件和所述钢工件之间形成电阻点焊接头的方法，所述方法包括：
[0031] 提供包括铝基工件和钢工件的工件层叠结构，所述铝基工件具有接合表面且所述 钢工件具有接合表面，并且其中，这些工件的接合表面重叠并彼此接触，以在这些工件之间 提供接合界面；
[0032] 传送电流通过所述铝基合金工件和所述钢工件以及穿过所述接合界面并持续第 一时间段，在所述第一时间段期间，引发从所述接合界面延伸到所述铝基工件中的焊接熔 池并使其增大；
[0033] 在电流的传送持续了所述第一时间段后，通过以允许所述焊接熔池凝固的降低水 平来传送电流通过所述工件并持续第二时间段，或者通过停止传送电流通过所述工件并持 续第二时间段，允许所述焊接熔池冷却并凝固成焊核；以及
[0034] 在所述第二时间段期间并且在所述焊核已凝固后，传送电流通过所述铝基合金工 件和所述钢工件并持续第三时间段，在所述第三时间段期间，所述焊核的至少一部分再熔 化。
[0035] 13.如方案12所述的方法，其特征在于，所述焊核延伸到所述铝基工件中至渗透 深度，并且其中，所述焊核的再熔化部分没有