改进铝钢点焊的具有侵入结构特征的盖板的制作方法
【专利说明】改进铝钢点焊的具有侵入结构特征的盖板
[0001]相关申请的交叉引用
本申请要求2014年6月10日提交的美国临时申请号62/010，204的权益，所述申请的全部内容以引用方式并入本文。
技术领域
[0002]本公开的技术领域一般涉及电阻点焊，并且更具体来说涉及电阻点焊钢工件和铝合金工件。
【背景技术】
[0003]电阻点焊是许多工业用来将两个或更多个金属工件连结在一起的工艺。例如，汽车工业通常在制造车门、引擎盖、行李箱盖或提升式后栏板等等期间使用电阻点焊来将预制金属工件连结在一起。许多点焊缝通常沿金属工件的周边边缘或一些其它结合区域形成以确保该部分是结构可靠的。虽然通常已经实践点焊以将某些类似组成的金属工件一如钢到钢和铝合金到铝合金一连结在一起，但将较轻量材料并入车体结构中的期望已经对通过电阻点焊将钢工件连结至铝合金工件产生了兴趣。具体地，因为许多车辆组装厂已经具有点焊基础设施就位，所以电阻点焊包含不同工件组合物(例如包括钢/钢、铝合金/钢以及铝合金/铝合金)的工件层叠的能力将促进生产灵活性并降低制造成本。上述电阻点焊相异金属工件的期望不是汽车工业所特有的；实际上，该期望扩展至可利用点焊作为连结工艺的其它工业，包括航空、海事、铁路和建筑构建工业等等。
[0004]一般来说，电阻点焊依赖于对流过重叠金属工件并且穿过它们的紧连界面的电流流动的阻力来产生热量。为执行这种焊接工艺，一组两个相对的点焊电极在预先确定的焊接位点处在工件层叠的相反侧上的对准点处被夹紧，工件层叠通常包括以叠盖构型布置的两个或更多个金属工件。电流随后从一个焊接电极穿过金属工件到达另一个。对此电流流动的阻力在金属工件内和它们的紧连界面处产生热量。当工件层叠包括钢工件和相邻铝合金工件时，在这些相异金属工件的紧连界面处和块体材料内所产生的热量引发从紧连界面延伸至铝合金工件中的熔融铝合金焊池并使其扩大。此熔融铝合金焊池润湿钢工件的相邻紧连界面，并且在中断电流流动之后固化成形成将两个工件结合在一起的焊缝的全部或一部分的焊接熔核。
[0005]然而，在实践中，将钢工件点焊至铝合金工件是具有挑战性的，因为这两种金属的许多特性可能不利地影响焊缝的强度一最显著地是剥离强度。例如，铝合金工件通常在其表面上包括一个或多个机械结实、电绝缘且自愈耐熔的氧化层。氧化层通常由铝氧化物组成，但也可包含其它金属氧化物，包括铝合金工件由含镁铝合金组成时的镁氧化物。由于耐熔氧化层的物理性质，它们倾向于在紧连界面处保持未受损伤，在紧连界面处，耐熔氧化层可能妨碍熔融铝合金焊池润湿钢工件的能力并且还在扩大的焊池内提供近界面缺陷源。表面氧化层的绝缘性质还招致铝合金工件的接触电阻一也就是在其紧连表面和其电极接触点处，从而使得难以有效控制并集中铝合金工件内的热量。在过去已经进行尝试在点焊之前从铝合金工件移除氧化层。但是此类移除实践可能是不切实际的，因为氧化层能够在存在氧的情况下再生，尤其是在因点焊操作而施加热量的情况下。
[0006]钢工件和铝合金工件还拥有趋于使点焊工艺复杂化的不同性质。确切地，钢具有相对高的熔点(~1500° C)和相对高的电阻率和热阻率，而铝合金材料具有相对低的熔点(-600° C)和相对低的电阻率和热阻率。由于这些物理差异，在电流流动期间大部分热量是在钢工件中产生。这种热量不平衡在钢工件(较高温度)与铝合金工件(较低温度)之间建立温度梯度，从而引发铝合金工件的快速熔化。电流流动期间形成的温度梯度和铝合金工件的高导热率的组合意味着:紧接在电流中断之后，出现热量未从焊接位点对称地散布的情况。实际上，热量通过铝合金工件从较热的钢工件朝向铝合金工件另一侧上的焊接电极传导，这在钢工件与那个特定焊接电极之间形成陡峭热梯度。
[0007]钢工件与铝合金工件另一侧上的焊接电极之间的陡峭热梯度的产生被认为会以两种主要方式减弱所得焊缝的完整性。第一，因为钢工件与铝合金工件相比在中断电流之后保持热量持续更长的持续时间，熔融铝合金焊池有方向地固化，即从最接近与铝合金工件相关联的较冷焊接电极(通常是水冷)的区域开始并朝向紧连界面传播。这种固化前沿趋于朝向并沿着紧连界面在焊接熔核内赶走或推动缺陷一诸如气孔、收缩孔隙、微裂纹和表面氧化物残渣。第二，钢工件中的持续的升高温度促进脆弱Fe-Al金属间化合物在紧连界面处或沿着紧连界面生长。金属间化合物趋于在焊接熔核与钢工件之间形成薄反应层。如果存在的话，这些金属间层通常被认为是焊缝的除了焊接熔核之外的部分。焊接熔核缺陷的散布连同Fe-Al金属间化合物沿着紧连界面的过度生长一起趋于降低最终焊缝的剥离强度。
[0008]鉴于前述挑战，先前对点焊钢工件和铝基工件的尝试已经采用指定较高电流、较长焊接时间或两者(与点焊钢到钢相比)的焊接排程，以便试图获得合理的焊接结合区域。此类尝试在制造环境中远远尚未成功并且趋向于损坏焊接电极。考虑到先前点焊尝试尚未特别成功，而替代地已经主要使用机械紧固件，如自冲铆钉和自攻螺丝。然而，此类机械紧固件与点焊相比花费长得多的时间来落实到位并且具有高的耗材成本。它们还增加车体结构的重量一在通过点焊完成连结时所避免的重量一这在一定程度上抵消了起初通过使用铝合金工件所获得的重量减轻。点焊将使得工艺更能够连结钢和铝合金工件的进展因此将是本领域所欢迎的补充。
【发明内容】
[0009]披露一种电阻点焊至少包括钢工件和重叠的相邻铝合金工件的工件层叠的方法。工件层叠还可以包括另外的工件，如另一个钢工件或另一个铝合金工件，只要铝合金工件提供工件层叠的一侧并且钢工件提供层叠的另一侧。因此，工件层叠可包括仅一个钢工件和一个重叠的铝合金工件，或它可包括邻近一个铝合金工件设置的两个相邻钢工件或邻近一个钢工件设置的两个相邻铝合金工件。另外，当工件层叠包括三个工件时，具有类似组成的两个工件可由单独且不同的部分提供，或可替代地，它们可由相同部分提供。
[0010]所披露的方法包括在焊接位点处邻近工件层叠一侧上的铝合金工件定位包括侵入结构特征的盖板。盖板可被构建成与其紧邻定位的铝合金工件相比具有更高热阻率和电阻率，但不一定必须如此。随后使焊接电极在盖板的侵入结构特征上与盖板形成接触并且抵压在盖板上，同时使另一个焊接电极与工件层叠的相反侧形成接触并且抵压在相反侧上。具有足够幅值和持续时间的电流(恒定电流或脉冲电流)在焊接电极之间穿过工件和盖板。电流的穿过在与钢工件邻近定位的铝合金工件内引发熔融铝合金焊池并使其扩大。熔融铝合金焊池润湿钢工件的相邻紧连表面，并且从相邻工件的紧连界面延伸至铝合金工件中并有可能穿过铝合金工件。最后，在中断电流之后，熔融铝合金焊池冷却并固化成将相邻的钢和铝合金工件结合在一起的焊缝。
[0011]点焊方法通过盖板中所限定的侵入结构特征而得到辅助。具体地，在点焊期间，侵入结构特征使得在焊接电极之间交换的电流在电流流动开始时并且在一些情况下对于电流流动的整个持续时间来说，在邻近钢工件定位的铝合金工件内呈现锥形流型。锥形流型导致铝合金工件内的电流密度降低一与相邻钢工件相比一这在熔融铝合金焊池周围形成三维温度梯度，从而帮助焊池以更期望的方式固化成焊缝。当盖板由与邻近钢工件定位的铝合金工件相比具有更大热阻率和电阻率的材料构建时，这种更期望的固化行为得到进一步促进，因为在这种情况下，盖板产生另外的热量并且还在中断电流流动之后与铝合金工件相比保持热量持续更长的持续时间。此外，如果盖板被放置成与邻近钢工件定位的铝合金工件直接接触并且侵入结构特征开向相邻铝合金工件，那么侵入结构特征提供开放空间或容积，其允许熔融铝合金焊池在电流流动期间移动，这帮助打碎并重新分配由紧连界面附近的氧化物残渣所引起的缺陷，从而改进焊缝的机械性质。
[0012]众多焊接电极设计可与盖板结合使用。这促进工艺灵活性。确切地，无需使用满足严苛尺寸和形状要求以便成功点焊包括相邻的钢和铝合金工件的工件层叠的焊接电极。因此，可鉴于其它目的、如点焊钢到钢或铝合金到铝合金来构建焊接电极中的每个。这样，通常用于将铝合金工件点焊至铝合金工件的相同焊接电极也可用于在盖板的辅助下将钢工件点焊至铝合金工件，这意味着:相同焊枪设置可用于点焊两组工件层叠而无需取代焊接电极中的任一个或两个。这同样适用于通常用于点焊钢到钢的焊接电极。事实上，一些焊接电极甚至可用于点焊全部三组层叠，即，钢到钢、铝合金到铝合金以及钢到铝合金(在盖板的辅助下)。
[0013]本发明包括以下方案:
1.一种点焊包括钢工件和相邻铝合金工件的工件层叠的方法，所述方法包括:
提供包括钢工件和铝合金工件的工件层叠，所述铝合金工件与所述钢工件重叠并且邻近定位以在焊接位点处建立紧连界面，所述工件层叠具有第一侧和第二侧，所述工件层叠的所述第一侧接近所述钢工件并且所述工件层叠的所述第二侧接近所述铝合金工件；邻近所述工件层叠的所述第二侧定位盖板，所述盖板具有面对所述工件层叠的所述第二侧的内部表面以及以与所述内部表面相反方向朝向的外部表面，所述盖板进一步包括与所述焊接位点对准的侵入结构特征；
将第一焊接电极的第一焊接面按压抵靠在所述工件层叠的所述第一侧上并且在所述侵入结构特征上方将第二焊接电极的第二焊接面按压抵靠在所述盖板的所述外部表面上，所述第一焊接电极和所述第二焊接电极的所述第一焊接面和所述第二焊接面在所述焊接位点处面对地对准；以及
在所述焊接位点处使电流在所述第一焊接电极与所述第二焊接电极之间流过并穿过所述工件层叠，以在所述铝合金工件内形成熔融铝合金焊池，所述熔融铝合金焊池