铝合金工件中的侵入特征以改善铝钢点焊的制作方法
【专利说明】铝合金工件中的侵入特征以改善铝钢点焊
[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N0.62/010，192的权益，其全部内容由此通过引用并入。
技术领域
[0002]本发明的技术领域总体上涉及电阻点焊，且更具体地涉及对钢工件和铝合金工件进行电阻点焊。
【背景技术】
[0003]电阻点焊是许多工业所使用的用于将两个或更多个金属工件联接在一起的工艺。例如，汽车工业通常在车门、罩、行李箱盖或升降门等的制造过程中使用电阻点焊将预制的金属工件联接在一起。许多点焊通常沿着金属工件的外周边缘或一些其它结合区域形成，以确保部件在结构上是坚固的。尽管通常将点焊实践成将某些相似组成的金属工件例如钢与钢和铝合金与铝合金联接在一起，但是将较轻重量的材料并入到车体结构中的期望在通过电阻点焊将钢工件联接到铝合金工件方面产生兴趣。对将不相似的金属工件进行电阻点焊的前述期望不唯一于汽车工业；事实上，其扩展到可利用点焊作为联接工艺的包括航空、航海、铁路和建筑工业等的其它工业。
[0004]通常，电阻点焊依赖于对通过叠置的金属工件且跨过其接合界面以产生热的电流的流动的阻力。为了实施这种焊接工艺，在预定的焊位处在工件层叠件的相反侧上的对准的点处夹持一组两个相对的点焊电极，其中，工件层叠件通常包括以重叠构造布置的两个或三个金属工件。然后，电流通过金属工件从一个焊接电极传递到另一个焊接电极。对该电流流动的阻力在金属工件内并在它们的接合界面处产生热。当工件层叠件包括钢工件和相邻的铝合金工件时，在接合界面处且在这些不类似的金属工件的块体材料内产生的热引发并发展从接合界面延伸到铝合金工件中的熔化铝合金焊池。该熔化铝合金焊池将钢工件的相邻的接合表面润湿，并且在电流流动中断时凝固成焊核，该焊核形成将这两个工件结合在一起的全部或部分焊接头。
[0005]然而，实际上，因为这两种金属的许多特性会不利地影响焊接头的强度，最显著地影响剥离强度，所以将钢工件点焊到铝合金工件存在挑战。举个例子，铝合金工件通常在其表面上包括一个或多个机械上牢固的、电绝缘的和自愈合的难熔氧化物层。氧化物层通常包括氧化铝，但也可以包括其它金属氧化物化合物，当铝合金工件由含锰的铝合金组成时，氧化物层包括氧化锰。由于其物理性质，难熔氧化物层具有在接合界面处保持完好无损的趋势，在这种情况下，它们会阻碍熔化铝合金焊池将钢工件润湿的能力，并且还在发展的焊池内提供近界面缺陷的源。表面氧化物层的绝缘性质还引起了铝合金工件即在其接合表面处且在其电极接触点处的电接触电阻，从而难以有效地控制并集中铝合金工件内的热。过去已经做出努力以在点焊之前从铝合金工件去除氧化物层。然而，这样的去除实践可能是不切实际的，因为氧化物层在氧的存在下尤其在应用来自点焊操作的热的情况下具有再生的能力。
[0006]钢工件和铝合金工件还具有趋于使点焊工艺复杂化的不同性质。具体地，钢具有相对高的熔点(~1500° C)以及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)以及相对低的电阻率和热阻率。由于这些物理差异，在电流流动期间在钢工件中产生大多数热。这种热不平衡在钢工件(较高的温度)和铝合金工件(较低的温度)之间建立热梯度，从而引发铝合金工件的快速熔化。在电流流动期间产生的温度梯度和铝合金工件的高热导率的组合意味着，紧随着电流中断之后，发生热从焊位不对称地散布的情况。而是，热从较热的钢工件通过铝合金工件朝向位于铝合金工件的另一侧的焊接电极传导，这在钢工件和该特定的焊接电极之间产生陡峭的热梯度。
[0007]钢工件和位于铝合金工件的另一侧的焊接电极之间的陡峭的热梯度的发展被认为以两个主要方式弱化得到的焊接头的完整性。首先，因为在电流流动中断之后与铝合金工件相比钢工件保持更长持续时间的热，所以熔化铝合金焊池从最靠近与铝合金工件相关联的较冷的焊接电极(通常为冷却的水)的区域开始并朝向接合界面传播而定向性地凝固。这种类型的凝固前沿趋于朝向并沿着焊核内的接合界面掠扫或驱使缺陷例如气孔、收缩孔隙、微裂纹和表面氧化物残余。第二，钢工件中的所维持的升高温度促进脆性Fe-Al金属间化合物在接合界面处并沿着接合界面生长。金属间化合物趋于在焊核和钢工件之间形成薄反应层。如果存在的话，则这些金属间层通常被视为除了焊核之外的焊接头的一部分。具有焊核缺陷的散布与Fe-Al金属间化合物沿着接合界面的过度生长一起趋于降低最终的焊接头的剥离强度。
[0008]鉴于上述挑战，将钢工件和铝基工件进行点焊的先前努力采用规定了较高电流、较长焊接时间或二者(与将钢与钢进行点焊相比)的焊接计划，以试图并获得合理的焊接结合区域。这样的努力在制造设置方面在很大程度上是不成功的，并具有损坏焊接电极的趋势。考虑到先前的点焊努力并不特别成功，取而代之的是已经主要使用诸如自冲铆钉和流钻螺钉(flow drill screw)的机械紧固件。然而，与点焊相比，这样的机械紧固件需要更长时间来设置到位，并且具有高消耗成本。它们还向车体结构增加了重量，即当通过点焊来实现联接时所避免的重量，这抵消了通过原先使用铝合金工件所实现的一些重量减轻。因此，点焊的将使工艺更能够将钢和铝合金工件联接的进步对于本领域来说将是受欢迎的另外一点。
【发明内容】
[0009]公开了将至少包括钢工件和相邻的铝合金工件的工件层叠件进行电阻点焊的方法。工件层叠件还可包括额外的工件例如另一钢工件或另一铝合金工件，只要铝合金工件提供工件层叠件的一侧，并且钢工件提供层叠件的另一侧。这样，工件层叠件可以仅包括钢工件和叠置的铝合金工件，或者其可以包括设置为与铝合金工件相邻的两个相邻的钢工件或者设置为与钢工件相邻的两个相邻的铝合金工件。另外，当工件层叠件包括三个工件时，类似组成的两个工件可以由分开的且不同的部件来提供，或者替代地，它们可以由相同的部件来提供。
[0010]所公开的方法包括使工件层叠件的相反侧在焊位处与相对的且面对地对准的焊接电极接触。足够的幅值和持续时间(恒定或脉冲)的电流在焊接电极之间穿过并穿过工件层叠件。电流的穿过在位于与钢工件相邻的铝合金工件内产生熔化铝合金焊池。该熔化铝合金焊池使钢工件的相邻的接合表面润湿，并从相邻的钢工件和铝合金工件的接合界面延伸到铝合金工件中并可能穿过铝合金工件。在存在熔化铝合金焊池的时间期间，焊接电极凹进并压印到其相应的工件表面中，以形成接触印迹。最终，在电流停止之后，熔化铝合金焊池冷却并凝固成将相邻的钢和铝合金工件在它们的接合界面处结合在一起的焊接头。
[0011]通过在工件层叠件的该特定侧上由焊接电极接触的铝合金工件内包括侵入特征来辅助点焊方法。具体地，在点焊期间，焊接电极在侵入特征上方抵靠铝合金工件的表面被按压，电流在层叠件的相反侧上在该电极和另一电极之间交换从而形成焊接头。侵入特征可以是完全地通过铝合金工件延伸的孔，或者替代地，其可以是仅部分地横过铝合金工件的厚度的凹陷。并且一个以上的侵入特征可以被包括在铝合金工件中，从而有助于在多个不同的焊位处在这两个工件之间形成点焊。关于包括侵入特征并由焊接电极接触的铝合金工件，其可以是位于与钢工件相邻的铝合金工件，在两个工件层叠件或包括两个相邻的钢工件的三个工件层叠件中便是这种情况，或者其可以是覆盖在位于与钢工件相邻的铝合金工件上的铝合金工件，在包括钢工件和两个相邻的铝合金工件的三工件层叠件中便是这种情况。
[0012]在侵入特征上方按压焊接电极并通过铝合金工件的该部分交换电流被认为出于至少若干原因而正面地影响焊接头的强度。首先，侵入特征使在焊接电极之间交换的电流在电流流动开始时且在一些情况下在电流流动的整个持续时段内在铝合金工件内呈现围绕侵入特征的锥形流动模式。电流的锥形流动模式导致与钢工件相比至少在位于与钢工件相邻的铝合金工件内的电流密度减小，从而围绕熔化铝合金焊池形成三维温度梯度，从而有助于焊池以更期望的方式凝固成焊接头。第二，铝合金工件的围绕侵入特征的部分的塑性变形被增强，因为软化的或熔化的铝合金开始填充该侵入部。该行为使覆盖位于与钢工件相邻的铝合金工件的接合表面的难熔氧化物层破裂，因此允许熔化铝合金焊池更好地润湿该相邻的钢工件并破坏在发展的焊池内提供近界面缺陷的源的氧化物残余。如果包括侵入特征的铝合金工件还是位于与钢工件相邻的铝合金工件，则此种行为在相邻的钢工件和铝合金工件之间的接合界面处尤其有效。
[0013]此外，如果侵入特征存在于位于与钢工件相邻的铝合金工件中，并且在钢工件处是开放的，则侵入特征提供在电流流动期间允许熔化铝合金焊池移动的开放空间或体积，从而有助于破坏并重新分布由接近于接合界面的氧化物残余导致的缺陷，因此改善焊接头的机械性质。如果侵入特征存在于额外的铝合金工件中并且侵入特征对于位于与钢工件相邻的下方的铝合金工件开放，则也发生这种焊池移动或搅动作用。这尤其当在位于与钢工件相邻的中间铝合金工件内产生完全地穿过的熔化铝合金焊池时如此。
[0014]许多焊接电极设计可以与铝合金工件中的侵入特征结合使用，从而有助于工艺灵活性。具体地，不需要使用满足严格的尺寸和形状要求的焊接电极来成功地对包括相邻的钢工件和铝合金工件的工件层叠件进行点焊。因此，每个焊接电极可以在考虑其它目的例如对钢与钢或铝合金与铝合金进行点焊的情况下进行构造。这样，通常用于将铝合金工件点焊到铝合金工件的相同焊接电极也可以用于在侵入特征的帮助下将钢工件点焊到铝合金工件，从而意味着可以使用相同的焊枪设置来点焊两组工件层叠件而不必替换任一个或两个焊接电极。对于通常用于点焊钢与钢的焊接电极来说，同样也是如此。事实上，甚至可以使用一些焊接电极来点焊所有三组层叠件，即，钢与钢、铝合金与铝合金以及钢与铝合金(利用侵入特征)。
[0015]本发明还提供如下方案:
1、一种对包括钢工件和相邻的铝合金工件的工件层叠件进行点焊的方法，所述方法包括:
提供具有第一侧和相反的第二侧的工件层叠件，所述工件层叠件包括具有提供并描绘出所述工件层叠件的所述第二侧的外表面的铝合金工件，并且还包括钢工件，所述钢工件与提供并描绘出所述工件层叠件的所述第二侧的所述铝合金工件的接合表面或所述工件层叠件内的第二铝合金工件的接合表面叠置、接触并建立接合