金属板的凸焊的制作方法
【专利摘要】本发明涉及在第一金属板(50)上方凸焊第二金属板，其中第一金属板是非铁金属或主要成分为铝或镁的金属合金，其中第一金属板包括局部地延伸在第一金属板的主要上表面上方的细长的凸出部以便与第二金属板的主要下表面接触，其中凸出部包括上表面，上表面具有第一半径(R1)的凸状第一段(65)以及第二半径(R2)的凸状第二段(64)，该凸状第一段在其中间限定上表面相对于第一金属板的主要上表面的顶部高度，凸状第二段沿着并入第一段的两个细长侧，其中第一半径比第二半径大。
【专利说明】
金属板的凸焊
技术领域
[0001]本发明涉及金属板的凸焊。
【背景技术】
[0002]凸焊长久以来被熟知用于在彼此上方焊接薄铁板，例如用于将门的法兰焊接在一起的汽车制造工业中。在执行焊接之前，通过将凸模和凹模压靠在板材上而在下铁板中形成中空的凸出部。板材随后被压在焊枪的两个焊接电极之间。在焊接期间，凸出部逐步地塌陷并且在凸出部的位置形成牢固的结构焊接。
[0003]特别是在汽车工业中，对由非铁金属板，特别是由铝或镁以及它们的合金的板材制成的部件的需求在增长。这些重量轻的部件具有同样好的机械属性。然而，当已知的用于铁板的凸焊工艺应用在这些金属上时，没有获得牢固的结构焊接。相反，凸出部在开始形成焊缝之前已经开始塌陷。
[0004]在公开的专利申请中描述了现有的对凸焊铝板的尝试。然而，这些初始尝试还没有得到成功的实施，因为
【申请人】现在发现获得牢固的结构焊接的关键工艺参数还不知道。通常，所描述的凸焊铝板的发展仅是轻微修改了用于铁板的工艺，而现在发现为了获得好的结果所必需的是完全不同的方法。在下文中概括了在公开的专利申请中的发展。
[0005]以Newcor公司名义的WO99/03634公开了铝板的凸焊，其中在下板材中的凸出部具有圆顶的形式。凸出部的高度大约为板材厚度的四倍，凭此，凸出部是非常薄壁的并且在下板材的主要上表面上方是中空的。这种结构薄弱的凸出部将导致大的初始压痕或甚至会在施加压力后立即塌陷，凭此初始焊接接触区域未限定。焊接电流直接从传统的单相、460伏特、60Hz的交流电源获得，电源的形式基本上是正弦的，其中通过打破它的半周期波来产生焊接脉冲。由于在未限定的初始焊接接触处施加了连续交替的焊接脉冲，所引入的焊接能量的量，特别是在焊接周期的开始时引入的焊接能量的量不受控制或太低，凭此获得了薄弱焊接。
[0006]以Newcor公司名义的WO01/00363公开了如在前文描述的工艺的进一步发展。环形凸出部包括具有曲率的中空直立壁。凸出部界定了盲开口，该盲开口不可避免地围住了一定量的空气，这些空气在焊接周期期间快速地膨胀。这引起了起源于所围住空气的裂缝、夹杂物和污染物，导致薄弱焊接。
[0007]EP 0102927公开了一种凸焊工艺，其中两个铝板都设有细长的凸出部，其以交叉取向彼此邻接。由于存在两个邻接的凸出部，在产品的两侧都可看到焊点。这种技术只能应用在低成本的公共事业产品中，诸如所公开的管。凸出部的上表面具有曲率，其中在相交的凸出部之间的初始小的焊接接触使初始焊接电流保持很低。在凸出部的塌陷期间，焊接电流逐步地增加。这意味着电流仅依赖于熔化的横截面，使得对焊接周期的控制相当低。
[0008]US 4495397公开了具有环形凸出部的铝板的凸焊，其在焊接中引起起源于围住的空气的裂缝、夹杂物和污染物。凸出部在具有彼此成一角度的直的冷锻面的凸模和凹模之间形成。凸出部具有由凹模强加的良好界定的直的侧表面，而顶面和它的曲率留作无界定。这是用于焊接钢板的凸模和凹模的直接应用，但其对于铝不起作用。在焊接周期期间，施加了引起8%的永久冷变形的第一压力。紧接着焊接电流达到峰值之后第一压力随后增加。从而通过改变作为主导参数的压力来控制焊接电流。这已经指示了焊接电流本身并没有很好地处于控制之下。此外，因为压力是由机械慢系统所施加的，所以实际上不可能在短的焊接周期上以这样的方式控制压力。看起来压力在焊接周期期间被改变以便以某种方式补偿其它不足。
[0009]JP 2002-103056公开了类似于US 4495397的焊接工艺的用于铝的凸焊工艺，其使用在焊接中引起裂缝、夹杂物和污染物的环形凸出部。该焊接工艺应用于厚的铝部件，而不用于薄板。
[0010]DE 3024333公开了一种用于焊接铝部件的锥形凸出部，其衍生于以如前文所述的直接方式相同的方式对钢板的焊接。
[0011]DE 10029352描述了具有与在WO 99/03634中公开的凸出部类似的凸出部的铝板的凸焊。该凸出部的高度大约为该板材厚度的两倍，凭此，凸出部为非常薄壁的并且在下板材的主要上表面上方是中空的。这种凸出部将遭受初始压痕或甚至在施加压力后立即塌陷。凸出部的顶部具有恒定的半径以及直的侧表面。这种形状直接来自于对钢板的凸焊。由于这些原因，这对于铝将会失败。
[0012]在已知的技术中，待焊接的物体的任何氧化都需要在焊接前被移除。在这点上，JP06-170549公开了一种工艺，其中待焊接的铝物体在环形凸出部的地方处被往复移动并旋转以在焊接之前局部移除氧化物。然而，当凸焊相继在同样的物体之间进行时这不能被应用，因为较早的焊接会将物体互相固定。
[0013]本发明的一个目的是提供用于焊接金属板的凸出部和凸焊方法，其中的至少一个金属板是非铁金属板。
【发明内容】
[0014]根据第一方面，本发明提供了一种第一金属板和第二金属板的组合，所述第二金属板借助于凸焊要焊接在所述第一金属板上方，其中第一金属板是非铁金属或主要成分为铝或镁的金属合金，其中所述第一金属板包括局部地延伸在第一金属板的主要上表面上方的细长的凸出部以便与第二金属板的主要下表面接触，其中凸出部包括上表面，上表面具有第一半径的凸状第一段、第二半径的凸状第二段以及第三段，所述凸状第一段在其中间限定上表面相对于所述第一金属板的主要上表面的顶部高度，所述凸状第二段沿着并入所述第一段的两个细长侧，所述第三段沿着并入所述第二段并且并入所述第一金属板的主要上表面的两个细长侧，其中所述凸状第一段进入所述第二凸状段的第一过渡限定上表面的第一宽度，以及其中所述凸状第二段进入所述第三段的第二过渡限定所述上表面的第二宽度，以及其中所述第三段进入所述第一金属板的主要上表面的过渡限定所述上表面的第三宽度，其中所述第一半径大于所述第二半径。
[0015]第二板材可以由铁制成，或者第二金属板可以由类似于第一板材的非铁金属或主要成分为镁铝的金属合金制成。在焊接期间，焊接电极在凸出部的位置处向板材施加压力。下非铁金属板的凸出部根据本发明包括上表面，上表面在顶部具有第一半径的凸状第一段，凸状第一段并入第二半径的凸状第二段，其中第一半径比第二半径大。以这样的方式，凸出部具有相对宽的凸状第一段，其在顶部引起由于板材材料的局部弹性和塑性凹陷带来的逐渐增加的初始接触表面。当凸出部本身能够承受并抵消在焊接期间施加的形成牢固的结构焊接的这样程度的压力时，焊接电流将经由该初始接触表面局部传导得非常好。在焊接金属板期间，凸出部不会过早塌陷。这种凸出部允许直接焊接板材，而不用在先移除氧化物。
[0016]在一个量化的实施方案中，第一半径/第二半径的比值至少为4。
[0017]特别地，第一半径/第二半径的比值为4到5。
[0018]更特别地，第一半径/第二半径的比值为4.5。
[0019]在附加的量化的实施方案中，第一宽度/第二宽度的比值为0.60到0.90。
[0020]特别地，第一宽度/第二宽度的比值为0.70到0.80。
[0021]更特别地，第一宽度/第二宽度的比值为0.75。
[0022]在一个实施方案中，所述第三段是具有第三半径的凹状第三段，其中所述第三半径等于第二半径。以这种方式，上表面逐步并入第一金属板的主要上表面，凭此提高了在焊接过程期间对凸出部过早塌陷的抵抗力。
[0023]在一个实施方案中，所述凸出部在所述第一金属板的主要上表面的上方完全是第一金属板的金属。在主要上表面上方的该部分金属提供了形成焊接的材料并且其提高了在焊接过程期间对凸出部过早塌陷的抵抗力。
[0024]在一个实施方案中，所述凸出部包括在所述第一金属板的下主要表面中的凹痕。形成该凹痕以提供在主要上表面上方锻造的凸出部的材料部分。
[0025]在其一个实施方案中，所述凹痕的最深的点位于所述第一金属板的主要上表面的下方。
[0026]在一个量化的实施方案中，凸出部在其上表面和其凹痕之间具有至少0.3毫米的材料厚度。
[0027]在一个量化的实施方案中，第三宽度为I到4毫米。
[0028]特别地，第三宽度为1.8毫米。
[0029]在一个量化的实施方案中，凸出部在与第一金属板的主要上表面的过渡之间的长度为2到12毫米。
[0030]特别地，凸出部在第一金属板的主要上表面的过渡之间的长度为6毫米。
[0031 ]在一个实施方案中，第二金属板是非铁金属或主要成分为铝或镁的金属合金。
[0032]根据第二方面，本发明提供了一种用于借助于使用凸焊设备的凸焊在第一金属板上方凸焊第二金属板的方法，其中所述第一金属板是非铁金属或主要成分为铝或镁的金属合金，其中所述第一金属板包括局部地延伸在所述第一金属板的主要上表面上方的细长的凸出部以便与所述第二金属板的主要下表面接触，其中所述凸焊设备包括第一焊接电极和第二焊接电极，第一焊接电极和第二焊接电极在凸出部的位置处接合到第一金属板和第二金属板上以便在金属板上施加压力并且随后通过所述金属板供给电流，其中所述方法包括根据脉冲通过焊接电极供给焊接电流，其中所述脉冲按顺序包括在第一时间间隔上的第一轨迹、在第二时间间隔上的第二轨迹、在第三时间间隔上的第三轨迹以及在第四时间间隔上的第四轨迹，其中电流在第一时间间隔中从零上升到最大电流，在第二时间间隔中存在最大电流，所述电流在第三时间间隔上逐步地降低回零，焊接电流在第四时间间隔上保持为零而压力仍被施加。
[0033]该方法特别涉及一种双侧单焊接构造，其中在两个焊接电极之间进行一个凸焊。第二板材可以由铁制成，或者第二金属板可以由类似于第一板材的非铁金属或主要成分为镁铝的金属合金制成。脉冲按顺序包括第二轨迹，其中存在最大的焊接电流，后面是第三轨迹，其中焊接电流逐步地降低回零。发现这是借助于凸焊在这些金属板中获得牢固的结构焊接所必须的。在焊接期间，凸出部塑性塌陷，这是热锻过程而不是熔化过程，其中焊接电流的逐步降低回零提高了热锻接头的属性。
[0034]在一个实施方案中，焊接电流供给为一个单个脉冲，凭此必要量的能量被有效的施加到金属板在凸出部的位置处的区域。
[0035]在一个实施方案中，焊接电流是直流电，其具有高的能量密度并且其能够在与凸出部的接触的线处破坏在金属板外面上的氧化层。
[0036]在一个量化的实施方案中，第一间隔最大是10毫秒。
[0037]特别地，第一间隔最大是5毫秒。
[0038]更特别地，第一间隔最大是I毫秒。
[0039]通过保持第一间隔相对短，剩余了更多时间来为后面的热锻过程施加最大焊接电流。
[0040]在一个量化的实施方案中，第二时间间隔是10到20毫秒，在该第二时间间隔内凸出部被热锻平坦化。
[0041 ]特别地，第二时间间隔是15毫秒。
[0042]在一个量化的实施方案中，第三时间间隔至少是5毫秒，凭此获得了热锻接头以及从而获得牢固的结构焊接而没有或有可接受的最小量的收缩裂缝或夹杂物。
[0043]在其一个实施方案中，第三时间间隔最大是第二时间间隔的持续时间。
[0044]在一个实施方案中，第四时间间隔至少与第一时间间隔、第二时间间隔和第三时间间隔的总和一样长，凭此获得了牢固的结构焊接而没有或有可接受的最小量的收缩裂缝或夹杂物。
[0045]在其一个量化的实施方案中，第四时间间隔至少是100毫秒。
[0046]特别地，第四时间间隔至少是300毫秒。
[0047]在一个量化的实施方案中，凸出部的在垂直于第一金属板的主要表面的投影中的压力是每平方毫米70-280牛顿。当与铁板的凸焊相比时该压力大体上更高。
[0048]特别地，凸出部的在垂直于第一金属板的主要表面的投影中的压力是每平方毫米160牛顿。
[0049]在一个量化的实施方案中，凸出部的在垂直于第一金属板的主要表面的投影中的最大焊接电流是每平方毫米2.5到5千安培。当与铁板的凸焊相比时该焊接电流大体上更尚O
[0050]特别地，凸出部的在垂直于第一金属板的主要表面的投影中的最大焊接电流是每平方毫米4千安培。
[0051]在一个实施方案中，第二金属板是非铁金属或主要成分为镁铝的金属合金。
[0052]根据第三方面，本发明提供一种用于通过使用凸焊设备的凸焊在第一金属板上方凸焊第二金属板的方法，其中所述第一金属板是非铁金属或主要成分为铝或镁的金属合金，其中所述第一金属板包括局部地延伸在所述第一金属板的主要上表面上方的多个细长的凸出部以便与所述第二金属板的主要下表面接触，其中所述凸焊设备包括第一焊接电极和第二焊接电极，第一焊接电极和第二焊接电极在两个凸出部的位置处同时接合到第二金属板上以便在金属板上施加压力并且随后通过所述金属板供给电流，其中所述方法包括根据脉冲通过焊接电极供给焊接电流，其中所述脉冲按顺序包括在第一时间间隔上的第一轨迹、在第二时间间隔上的第二轨迹、在第三时间间隔上的第三轨迹以及在第四时间间隔上的第四轨迹，其中电流在第一时间间隔中从零上升到最大电流，在第二时间间隔中存在最大电流，所述电流在第三时间间隔上逐步地降低回零，焊接电流在第四时间间隔上保持为零而压力仍被施加。
[0053]该方法涉及单侧连续焊接构造，其中由在工件同侧的焊接电极同时进行两个凸焊。第二板材可由铁制成，或者第二金属板可以由类似于第一板材的非铁金属或主要成分为镁铝的金属合金制成。该方法具有与如前所述的双侧单焊接构造相同的属性和优势，因此在本文中不再重复。
[0054]在该单侧连续焊接构造的一个量化的实施方案中，第二时间间隔是20到40毫秒。
[0055]特别地，第二时间间隔是30毫秒。
[0056]在说明书中描述和示出的各个方面和特征在任何可能的情况下可以被单独地应用。这些单独的方面，特别是在所附的从属权利要求中描述的方面和特征，可以作为分案专利申请的主题。
【附图说明】
[0057]本发明将基于在附图中示出的示例性实施方案加以阐明，其中:
[0058]图1A-1C是根据本发明的用于在双侧单焊接构造中凸焊根据本发明的铝板的凸焊设备的等距视图、侧视图以及详图；
[0059]图1D是如图1A所示的带有凸出部的下铝板的等距视图；
[0060]图2A-2C是根据本发明的用于在单侧连续焊接构造中凸焊根据本发明的铝板的凸焊设备的等距视图、侧视图以及详图；
[0061 ] 图3A和3B示出在图1A-1C、2A-2C的铝板之一中形成凸出部；
[0062]图4A和4B示出形成图3A和3B的凸出部的详图；
[0063]图5A和5B示出在比图1A-1C、2A-2C的铝板厚的铝板中形成凸出部的详图；
[0064]图6A和6B示出了在图1C的铝板中的凸出部的上面的横截面和等距视图；
[0065]图7示出了由凸焊设备在焊接期间施加的焊接电流的图表;以及
[0066]图8A和SB分别是当凸出部参数和焊接参数都应用在根据本发明的特定的范围内时，以及当这些参数中的一些应用在这些范围外时得到的焊接处的横截面显微视图。
【具体实施方式】
[0067]图1A-1C是根据本发明用于在双侧单焊接构造中焊接的凸焊设备I的等距视图、侧视图和详图。凸焊设备I被构造成用于凸焊根据本发明的非铁金属板，特别是用于凸焊铝或镁板和它们的合金板，该合金板具有重量上至少为80%的优选为90%的铝或镁作为主要成分，且附加部分或掺杂物为铜、锰、硅、锌或它们的组合物。铝合金具有四个字母的国际编码，通常指示为]^11、2111、3111、4111、5111、6111、7111和8111，其中具体的示例为招合金1050、1080、1200、2017、2024、3003、3004、3103、4043、5000、5005、5052、5082、5083、5086、5180、5240、5251、5356、5454、5556、6005、6060、6061、6063、6082、6111、6161、6262、7020以及7075。镁合金具有通常指示为XX yy的编码，其中yy指示XX的以整数表示的重量百分比，XX指示附加部分或掺杂物，其中A是铝，C是铜，E是稀土元素，H是钍，K是锆，L是锂，M是锰，Q是银，S是硅，W是钇以及Z是锌。具体的实例是镁合金AZ 31、AZ 61、AZ 80,AZ 80,ZK 60以及ZM 21。优选的类型为5xxx、6xxx以及AZ yy的这种板材能够用于汽车工业以制造重量轻的车辆主体部件以及重量轻的车辆悬挂部件二者，诸如门和挡泥板。这些部件能够完全由这些板材制成，但是也存在结合了这些板材与铁板的车辆部件的需求。它们的示例是铁的车辆主体与铝板的车顶。板材的厚度在0.5毫米和5毫米之间，典型大约为0.8-2毫米。
[0068]在下文描述的示例性实施方案中，凸焊设备I被描述为用于将这些类型的非铁金属板彼此凸焊或凸焊到铁板上，其中给出了用于焊接6XXX系列的两个铝合金板的示例。
[0069]如图1A-1C中示出的凸焊设备I包括焊接单元或焊枪2，其被携带在机器人臂上以沿着待焊接的工件被操纵，机器人臂没有被进一步示出。可替代地，焊枪2被固定安装并且工件由机器人臂相对于焊枪2操纵。作为进一步替代，焊枪2被固定安装并且工件被夹持在固定件上。焊枪2包括具有钳口形状的安装在机器人臂上的导电框架3，以及相对于框架3可动的导电压力头15。框架3和压力头由铜或铝制成。压力头15包括第一保持件16，具有平的下焊接表面21的可替换的第一焊接电极20安装在第一保持件16中。框架3包括在其下侧的第二保持件4，具有平的上焊接表面11的可替换的第二焊接电极10安装在第二保持件4中。第一焊接电极20和第二焊接电极10由被优化以用于长使用寿命的铜合金制成。凸焊设备I用于在两个叠加的金属板之间进行凸焊，其中与第一焊接电极20接触的表面保持无瑕疵。板材的这一侧准备用镀膜来饰面，而不用诸如点修和磨抛的中间处理。
[0070]第一焊接电极20和第二焊接电极10互相对齐，其中上焊接表面11面对底焊接表面
21。压力头15被沿着框架3可滑动地引导以在方向A上相对于框架3直线运动。该冲程借助于气动驱动供以动力。气动驱动按顺序包括气缸、弹簧和驱动杆14，驱动杆仅端部被示出，其经由压力传感器17连接到压力头15。气缸将驱动杆14朝着工件向下移动。当上焊接电极20接触工件时，气缸将压缩弹簧至预设的压力F。压缩的弹簧使得能够在焊接期间快速跟上第一焊接电极20的小的位移。在压力头15和框架3上提供了两个合作锚25、26，它们彼此接合以保持焊接电极10、20在压力F施加到工件上时对齐。焊接电极10、20可以形成冷却水回路的一部分以在短周期焊接时冷却焊接电极10、20。压力传感器17监视压力F和它的变化以确保如下文所述的合适的焊接工艺。
[0071]焊接电极10、20连接到在图1B中示意性示出的电源电路30中。电源电路30包括将其输入32连接到传统的电源的逆变器31，该传统的电源在该实例中是三相230/400V、50Hz的电源。逆变器31被配置成将三相电源转换成具有大约IkHz的高频的单相交流电输出。逆变器31的输出被连接到安装在框架3上接近焊接电极10、20的变压器33。变压器33将来自逆变器31的高压高频交流电转换成低压、高电流、同样高频的输出。变压器33的输出连接到整流器34，整流器34将交流电转换为直流电。整流器34的两个输出35、36与两个焊接电极10、20连接。逆变器31的电压和电流随时间被精确控制，这带来特定的焊接电流通过焊接电极
10、20，焊接电流具有下文描述的参数的特征。可以理解，对于其中一个设有凸出部60的两个板材50、51，“上”和“下”，以及“第一”和“第二”为非限制性的、相对的术语。板材50、51在相继的凸出部60之间具有恒定的厚度。除了在凸出部60实际存在的地方以外，板材50、51可以跨整个主要平面具有恒定的厚度。板材50、51可在正对的外表面处具有外氧化层。
[0072]如图1A-1C示出的，待焊接在一起的两个铝板50、51在焊接电极10、20之间叠加放置。下铝板50也在图1D中单独示出。如图1C和ID示出的，下铝板50包括朝向上铝板51的下表面突出的多个凸出部60。如将在下文所述的，凸出部60在较早阶段形成在铝板50中。
[0073]图2A-2C示出了用于单侧连续焊接的构造。在该可替代的构造中，下铝板51设有卷边部分52，该卷边部分52向后弯曲以围住设有凸出部60的被围住的招板50的边缘。在该构造中，凸焊设备I包括两个同时起作用的焊枪2。焊枪2各自包括在第一保持件16中的焊接电极10、20，并且非导电引脚12安装在第二保持件4中。可替代地，第二保持件4由用于工件的在焊接期间保持板材50、51互相定位的支撑构架替换。整流器34的两个输出35、36与两个焊接电极10、20连接。如图2A-2C示出的凸焊设备I的构造也能用于如图1A-1C示出的工件的单侧连续焊接。
[0074]对于所有的构造，在(一个或多个)上保持件16中的(一个或多个)焊接电极20(10)在方向A上降低以邻接上铝板51或在凸出部60位置处的卷边部分52。在焊接过程期间，施加了特定的压力F和根据随时间的特定特征的焊接电流，凭此通过热锻凸出部60完全塌陷并且变成牢固的结构焊接，具有如将在下文描述的最优的材料属性。在焊接后，上板材51的下表面或卷边部分52与塌陷的凸出部60周围的表面紧密邻接。对于所有的构造，对于每个焊点仅有一个形成板材50、51之间的焊接的凸出部60。换句话说，在凸出部60的整个长度的正上方，面对凸出部60的上铝板51的下表面是直的并且平行于上铝板51的主要平面延伸。在根据图1A-1C的第一构造中，焊接电流主要通过限定在焊接电极10、20之间的凸出部60。在根据图2A-2C的第二构造中，焊接电流经由上板材50通过串联的两个凸出部60，但是大部分的电流还直接通过与其平行的卷边部分52。这在如下文描述的电流特征中被补偿。
[0075]在所有的构造中，工件具有宽度B的法兰，法兰包括分散的结构焊接，其中在本领域中存在将法兰的宽度B保持尽可能小的需求。在所有构造中的凸焊设备I都适于焊接具有宽度为4到10毫米，优选地为6到8毫米的法兰。
[0076]如图3A和3B示出的，凸出部60在较早阶段通过在硬化钢的第一成型块80和第二成型块90之间压制铝板50形成。第一成型块80包括具有细长浅凹82的平的底表面81。第二成型块90包括平的顶表面91和具有直立的三角形横截面以及尖锐但是修圆的顶边的与浅凹82对齐的伸出的凸模92。在本领域中，有时整个第一成型块80被称为“凹模”，且整个第二成型块90被称为“凸模”。在形成凸出部60时，招板50抵靠第一成型块80的平的底表面81放置，而第二成型块90被移动并在方向K上抵靠铝板50压制，直到平的顶表面91紧密地邻接铝板50的底表面为止。在这个成型冲程中，凸模92戳入铝板50并且使该材料局部塑性变形或冷锻该材料以完全填充浅凹82内部的空间，凭此，凸出部60的上表面的形状与浅凹82的内表面完全互补。因此在本领域中，凸出部60的上表面有时被称为“浅凹”。在戳入期间和之后的情况在图4A和5A中详细示出。
[0077]图5A和5B示出了根据本发明在铝板50a中的凸出部60的形成，该铝板具有不同的厚度，在这个示例中为较大的厚度。在形成凸出部60时，使用了具有相同浅凹82的相同的第一成型块80，但是使用了具有相同的上表面91以及具有直立的三角形横截面和尖锐但是修圆的顶边的可替代的凸模92a的可替代的第二成型块90a。凸模90a比用于更薄铝板的凸模90更高并且基部比凸模90更宽。在该成型冲程中，凸模92a戳入铝板50并且使该材料局部塑性变形以完全填充浅凹82内部的空间，凭此，凸出部60的上表面的形状再一次与浅凹82的内表面互补。
[0078]浅凹82具有对于所有板材厚度都相同的特定的几何形状，其互补地转移到如所形成的凸出部60的上表面。凸出部60的几何参数在图6A和6B中详细示出。如在图6B中示出的，细长的凸出部在它的纵向方向上大体上是直的或直线的。如也在图6A中示出的，凸出部60具有延伸在铝板50的主要上表面53上方的上表面61。上表面61包括细长的、棱柱的中间部分62以及两个端部部分63，该中间部分62的恒定的横截面在图6A中示出，在两个端部部分63处中间部分62的端部对称地并入铝板50的主要上表面53中。
[0079]如图6A所示，上表面61的中间部分62包括具有不是无限的第一半径Rl的凸状第一段65。凸状第一段65在其中间限定了上表面61相对于铝板50的主要上表面53的顶部高度Hl。对于所有的板材厚度，顶部高度在0.35毫米和0.55毫米之间，优选地大约为0.45毫米。凸状第一段65在两侧对称地并入具有较小的第二半径R2的凸状第二段64。这些自第一凸状段65进入第二凸状段64的过渡Tl是光滑的。在数学术语中，并入段64、65的切线在第一过渡Tl处重合。凹状第一段65在第一过渡Tl之间具有第一宽度Wl。
[0080]凸状第二段64对称地并入具有第三半径R3的凹状第三段63。这些自凸状第二段65进入凹状第三段64的第二过渡T2是光滑的。在数学术语中，并入段64、65的切线在第二过渡T2处重合并且改变切线的方向。在第二过渡T2之间凸状第一段65和凸状第二段64具有总的第二宽度W2。凹状第三段63对称地并入铝板50的主要上表面53。这些自凹状第三段63进入直的主要上表面53的第三过渡T3是光滑的。在数学术语中，并入段63和直的主要上表面的切线在第三过渡T3处重合。在第三过渡T3之间上表面61具有总的第三宽度W3，其为在铝板50的主要上表面53上方的凸出部60的总的宽度。
[0081]上述的过渡Tl、T2、T3是如在图6A示出的在横截面中的假想点和平行于铝板50的主要上表面53延伸的假想线。第三过渡Τ3形成了沿着凸出部60的长侧的上表面61的基线。两个端部部分63在纵截面中且取自中间部分62的外轮廓具有与中间部分62的横截面相同的外轮廓。凸出部60的上表面61具有总的长度LI。如在图6Α中示出的，凸出部60具有取自上表面61和凹陷66的表面之间的最小材料厚度Qο凸出部60在板材材料中形成了局部狭窄。
[0082]对于上述几何参数具体数值和比值适用于:
[0083]第一半径Rl/第二半径R2的比值至少为4。优选地，第一半径Rl/第二半径R2的比值为4到5。更优选地，第一半径Rl/第二半径R2的比值大约为4.5。第一宽度Wl/第二宽度W2的比值在0.60到0.90之间。优选地，第一宽度Wl/第二宽度W2的比值大约为0.70和0.80。更优选地，第一宽度Wl/第二宽度W2的比值大约为0.75。这些几何参数上的比值使得上表面61在顶部具有相对宽的凸状第一段65，但仍然仅在其中间具有最大高度Hl，这形成了与待焊接到具有凸出部60的板材50的铝板51的下表面或卷边部分52初始的接触线，并因此形成了用于初始焊接电流的通道。当压力F已经施加时，宽的凸状第一段65在顶部引起由于冷材料的局部弹性和塑性凹陷带来的逐渐增长的初始接触表面。焊接电流将仅经由这个接触表面就局部传导得非常好。
[0084]第三宽度W3在I到4毫米之间。优选地第三宽度W3大约为1.8毫米。长度LI在2到12_米之间。优选地长度LI为6晕米。
[0085]最小材料厚度Q大于0.3毫米。优选地最小材料厚度Q大于0.45毫米。这已经适用于厚度为0.8到I毫米的板材。由凸模92留下的凹痕66的顶部67总是位于铝板50的主要上表面53下方，该主要上表面在图4B和5B中由假想线C指示，凭此在铝板50的主要上表面上方延伸的该部分凸出部60完全都是金属。从而获得的最小材料厚度确保凸出部60能承受冷材料的初始局部凹陷。当使得焊接电极10、20与工件接触时，随时间监视第二保持件16相对于第一保持件4的压力F以核实凸出部60的结构完整性。当压力F和其变化随时间并没有在给定极限内时，得出结论凸出部60不能用于无瑕疵焊接。于是不施加焊接电流。能够这样做是因为凸出部60已经塌陷了或凸出部根本不存在。
[0086]图7示出了在焊接期间通过凸焊设备I的焊接电极10、20供给的焊接电流的图。对于随时间t的焊接电流I，焊接电流被施加为具有特定参数的单极直流电的一个单个或连续脉冲。在施加了恒定的压力F并且确定了凸出部60的结构完整性后开始电流脉冲。在初始施加恒定的压力F的时刻，由于冷材料局部弹性和塑性凹陷引起的顶部高度的减少被限制为2%。这由凸出部60的特定的形成特性获得，特别是所应用的第一半径Rl和第二半径R2以及它们之间的比值，以及由于在第一铝板50的主要上表面53上方的凸出部60是实心的。由于在施加的压力F下对凹陷的极好的抵抗力，在接触表面之间的任何氧化物都被打破了。因此不再需要如在本领域中已知的移除氧化物的预先步骤。
[0087]电流脉冲按顺序包括第一轨迹PI，其中焊接电流(安培)在时间间隔11上快速地从O安培增大到最大电流Imax，第二轨迹P2，其中焊接电流在第二时间间隔t2上是大致恒定的或恒定的，第三轨迹P3，其中焊接电流在时间间隔t3上从最大电流Imax成比例地(根据图中具有线性标度的直线)降低到O安培。第四轨迹P4紧随此后，其中在剩余时间间隔t4上焊接电流保持在O安培而压力F仍由焊接电极10、20施加。在该第四轨迹P4后，焊接电极10、20收回并且被定位在下一个焊接位置上。对于上述脉冲参数具体值和比值适用于:
[0088]第一轨迹Pl具有极短的上升时间或最大10毫秒的第一时间间隔tl。优选地，第一时间间隔tl最大为5毫秒。更优选地，第一时间间隔tl最大为I毫秒。
[0089]对于双侧单焊接构造，具有恒定电流的第二轨迹P2具有在10到20毫秒之间的第二时间间隔t2。优选地，第二时间间隔t2大约为15毫秒。对于如参照图2A-2C描述的单侧连续焊接构造，具有恒定电流的第二轨迹P2具有在20到40毫秒之间的第二时间间隔t2。优选地，第二时间间隔t2大约为30毫秒。
[0090]成比例降低的第三轨迹P3具有至少为5毫秒的第三时间间隔t3。优选地，第三时间间隔t3最大等于第二时间间隔t2。
[0091 ]第一轨迹Pl和第三轨迹P3形成了不对称的梯形，其中第一时间间隔tl比第三时间间隔t3短。优选地，第一时间间隔11比第三时间间隔t3的一半短。
[0092]第四轨迹P4具有第四时间间隔t4，其至少与供给电流的第一时间间隔tl、第二时间间隔t2和第三时间间隔t3的总和一样长。优选地，第四时间间隔t4至少为100毫秒。更优选地，第四时间间隔t4大约为300毫秒。
[0093]这些特定的脉冲参数确保在结束时在凸出部60的早先位置处获得具有极好的材料属性的结构焊接。凸出部60本身引起焊接电流在凸出部60的位置处通过，而不在具有凸出部60的板材50的邻近区域通过。第一轨迹Pl的相对短的初始第一时间间隔tl确保第二时间间隔t2的长度在供给焊接电流并从而向焊接处供给电能的第一时间间隔tl、第二时间间隔t2和第三时间间隔t3的总和内能够是最优的。这个短的第一持续期tl由在施加压力F后在宽的凸状第一段65处的相对大的初始接触表面确保，其中相对大的初始接触表面形成了传导焊接电流的主要表面。在第一轨迹Pl中焊接电流的急剧上升由焊接电极10、20之间大约为25到40伏特的相对高的焊接电压以及如在下文中指定的相对高的压力F引起。与在本领域中已知的凸焊两个铁板相比，该焊接电压、焊接电流和压力都较高。在第一持续期tl结束时，被加热的凸出部60开始塑性塌陷。塌陷是由施加在第二轨迹P2上的电焊能量引起的。在第二轨迹P2结束时，凸出部60完全塌陷并且第二铝板51的下表面完全邻接第一铝板50的上表面53。被加热的凸出部60的塌陷发生在一个单个连续冲程中，在该冲程中电焊能量被连续供给到焊接处。凸出部60的逐步塌陷并不是熔化过程而是被良好地控制的热锻过程，其中凸出部60维持了足够的强度以抵抗其强加的塌陷，凭此材料被焊接在一起。在接下来的第三轨迹P3期间，电流成比例地减小，凭此供给至焊接处的能量的量也被逐步减少以提高该热锻的接头。
[0094]在第四轨迹P4期间，不再供给电焊能量，同时焊接电极10、20冷却焊接处并继续施加压力F。在第四轨迹P4中，焊接能量在第四时间间隔t4上被以加速但受控制的方式收回，该第四时间间隔t4大约是与之前施加电焊电流的持续时间相同的持续时间。以这种方式，以最小的收缩缺陷获得了具有高质量的结构焊接。
[0095]用于在基部处具有6毫米的长度LI以及1.8毫米的宽度W3的优选的凸出部60的焊接电流的绝对值在30kA到50kA之间。基部的大小限定凸出部60的上表面61在铝板50的主要上表面30的平面中的投影区域。当对于投影区域来说时，焊接电流在投影区域为每平方毫米2.5kA到5kA之间，优选地，大约为每平方毫米4kA。当与单焊接构造相比时，连续焊接构造中的第二轨迹P2的长度约为单焊接构造中的二倍，从而允许相同量的能量被引入到凸出部
60 ο
[0096]用于在基部处具有6毫米的长度LI以及1.8毫米的宽度W3的优选的凸出部60的压力F的绝对值在800Ν到3000Ν之间，优选地，大约为1750Ν。当对于投影区域来说时，压力F在投影区域为每平方毫米70Ν到280Ν之间，优选地，大约为每平方毫米160Ν。在焊接周期期间，即在第一轨迹Pl、第二轨迹Ρ2、第三轨迹Ρ3以及第四轨迹Ρ4上或期间，所施加的压力F是恒定的或大致恒定的。
[0097]图8Α是当焊接参数应用在如前文所述的范围内时的结构焊接的显微视图。焊接处无裂缝，并且示出为黑点101的夹杂物和多孔部分的量是最小的。这是具有高的结构完整性的焊接处。这个焊接处甚至比铝板50、51本身的材料结实。
[0098]图SB是当焊接参数中的一些应用在如前文所述的范围外时的焊接处的显微视图。特别地，在这个实例中，将第二持续时间t2和第三持续时间t3选择为远在指定的范围外。结果是改变了材料的完整性，其中焊接处包括示出为黑线100的分散的、细长的收缩裂缝，以及示出为黑点101的大量的夹杂物和多孔部分。裂缝和夹杂物导致了不能承受工业中所要求的机械载荷的薄弱焊接。
[0099]应当理解，列入上述说明是为了例证优选实施方案的操作，并不意味着限制本发明的范围。根据上述讨论，许多变体对于本领域的技术人员而言是清楚的，它们也被包括在本发明的精神和范围中。
【主权项】
1.一种第一金属板和第二金属板的组合，所述第二金属板借助于凸焊要焊接在所述第一金属板上方，其中第一金属板是非铁金属或主要成分为铝或镁的金属合金，其中所述第一金属板包括局部地延伸在第一金属板的主要上表面上方的细长的凸出部以便与第二金属板的主要下表面接触，其中凸出部包括上表面，上表面具有第一半径的凸状第一段、第二半径的凸状第二段以及第三段，所述凸状第一段在其中间限定上表面相对于所述第一金属板的主要上表面的顶部高度，所述凸状第二段沿着并入所述第一段的两个细长侧，所述第三段沿着并入所述第二段并且并入所述第一金属板的主要上表面的两个细长侧，其中所述凸状第一段进入所述第二凸状段的第一过渡限定上表面的第一宽度，以及其中所述凸状第二段进入所述第三段的第二过渡限定所述上表面的第二宽度，以及其中所述第三段进入所述第一金属板的主要上表面的过渡限定所述上表面的第三宽度，其中所述第一半径大于所述第二半径。2.根据权利要求1所述的组合，其中第一半径/第二半径的比值至少为4。3.根据权利要求1或2所述的组合，其中第一半径/第二半径的比值为4到5。4.根据前述权利要求中任意一个所述的组合，其中第一半径/第二半径的比值为4.5。5.根据前述权利要求中任意一个所述的组合，其中第一宽度/第二宽度的比值为0.60至Ij0.90。6.根据前述权利要求中任意一个所述的组合，其中第一宽度/第二宽度的比值为0.70至Ij0.80。7.根据前述权利要求中任意一个所述的组合，其中第一宽度/第二宽度的比值为0.75。8.根据前述权利要求中任意一个所述的组合，其中所述第三段是具有第三半径的凹状第三段，其中所述第三半径等于第二半径。9.根据前述权利要求中任意一个所述的组合，其中所述凸出部在所述第一金属板的主要上表面的上方完全是第一金属板的金属。10.根据前述权利要求中任意一个所述的组合，其中所述凸出部包括在所述第一金属板的下主要表面中的凹痕。11.根据权利要求10所述的组合，其中所述凹痕的最深的点位于所述第一金属板的主要上表面的下方。12.根据权利要求10或11所述的组合，其中所述凸出部在其上表面和其凹痕之间具有至少0.3毫米的材料厚度。13.根据前述权利要求中任意一个所述的组合，其中所述第三宽度为I到4毫米。14.根据前述权利要求中任意一个所述的组合，其中所述第三宽度为1.8毫米。15.根据前述权利要求中任意一个所述的组合，其中凸出部在与所述第一金属板的主要上表面的过渡之间的长度为2到12毫米。16.根据前述权利要求中任意一个所述的组合，其中凸出部在与所述第一金属板的主要上表面的过渡之间的长度为6毫米。17.根据前述权利要求中任意一个所述的组合，其中第二金属板是非铁金属或主要成分为铝或镁的金属合金。18.—种用于借助于使用凸焊设备的凸焊在第一金属板上方凸焊第二金属板的方法，其中所述第一金属板是非铁金属或主要成分为铝或镁的金属合金，其中所述第一金属板包括局部地延伸在所述第一金属板的主要上表面上方的细长的凸出部以便与所述第二金属板的主要下表面接触，其中所述凸焊设备包括第一焊接电极和第二焊接电极，第一焊接电极和第二焊接电极在凸出部的位置处接合到第一金属板和第二金属板上以便在金属板上施加压力并且随后通过所述金属板供给电流，其中所述方法包括根据脉冲通过焊接电极供给焊接电流，其中所述脉冲按顺序包括在第一时间间隔上的第一轨迹、在第二时间间隔上的第二轨迹、在第三时间间隔上的第三轨迹以及在第四时间间隔上的第四轨迹，其中电流在第一时间间隔中从零上升到最大电流，在第二时间间隔中存在最大电流，所述电流在第三时间间隔上逐步地降低回零，焊接电流在第四时间间隔上保持为零而压力仍被施加。19.根据权利要求18所述的方法，其中所述焊接电流供给为一个单个脉冲。20.根据权利要求18或19所述的方法，其中焊接电流是直流电。21.根据权利要求18-20中任意一个所述的方法，其中所述第一时间间隔比所述第三时间间隔短，优选地比所述第三时间间隔的一半短。22.根据权利要求18-21中任意一个所述的方法，其中所述第一间隔最大是10毫秒，其中所述第一间隔优选地最大是5毫秒。23.根据权利要求18-22中任意一个所述的方法，其中所述第一间隔最大是I毫秒。24.根据权利要求18-23中任意一个所述的方法，其中所述第二时间间隔是10到20毫秒。25.根据权利要求18-24中任意一个所述的方法，其中所述第二时间间隔是15毫秒。26.根据权利要求18-25中任意一个所述的方法，其中所述第三时间间隔至少是5毫秒。27.根据权利要求18-26中任意一个所述的方法，其中所述第三时间间隔最大是所述第二时间间隔的持续时间。28.根据权利要求18-27中任意一个所述的方法，其中所述第四时间间隔至少与所述第一时间间隔、所述第二时间间隔和所述第三时间间隔的总和一样长。29.根据权利要求18-28中任意一个所述的方法，其中所述第四时间间隔至少是100毫秒。30.根据权利要求18-29中任意一个所述的方法，其中所述第四时间间隔至少是300毫秒。31.根据权利要求18-30中任意一个所述的方法，其中凸出部的在垂直于第一金属板的主要表面的投影中的压力是每平方毫米70-280牛顿。32.根据权利要求18-31中任意一个所述的方法，其中凸出部的在垂直于第一金属板的主要表面的投影中的压力是每平方毫米160牛顿。33.根据权利要求18-32中任意一个所述的方法，其中凸出部的在垂直于第一金属板的主要表面的投影中的最大焊接电流是每平方毫米2.5到5千安培。34.根据权利要求18-33中任意一个所述的方法，其中凸出部的在垂直于第一金属板的主要表面的投影中的最大焊接电流是每平方毫米4千安培。35.根据权利要求18-34中任意一个所述的方法，其中所述第二金属板是非铁金属或主要成分为铝或镁的金属合金。36.—种用于通过使用凸焊设备的凸焊在第一金属板上方凸焊第二金属板的方法，其中所述第一金属板是非铁金属或主要成分为铝或镁的金属合金，其中所述第一金属板包括局部地延伸在所述第一金属板的主要上表面上方的多个细长的凸出部以便与所述第二金属板的主要下表面接触，其中所述凸焊设备包括第一焊接电极和第二焊接电极，第一焊接电极和第二焊接电极在两个凸出部的位置处同时接合到第二金属板上以便在金属板上施加压力并且随后通过所述金属板供给电流，其中所述方法包括根据脉冲通过焊接电极供给焊接电流，其中所述脉冲按顺序包括在第一时间间隔上的第一轨迹、在第二时间间隔上的第二轨迹、在第三时间间隔上的第三轨迹以及在第四时间间隔上的第四轨迹，其中电流在第一时间间隔中从零上升到最大电流，在第二时间间隔中存在最大电流，所述电流在第三时间间隔上逐步地降低回零，焊接电流在第四时间间隔上保持为零而压力仍被施加。37.根据权利要求36所述的方法，其中所述焊接电流供给为一个单个脉冲。38.根据权利要求36或37所述的方法，其中焊接电流是直流电。39.根据权利要求36-38中任意一个所述的方法，其中所述第一时间间隔比所述第三时间间隔短，优选地比所述第三时间间隔的一半短。40.根据权利要求36-39中任意一个所述的方法，其中所述第一间隔最大是10毫秒，其中所述第一间隔优选地最大是5毫秒。41.根据权利要求36-40中任意一个所述的方法，其中所述第一间隔最大是I毫秒。42.根据权利要求36-41中任意一个所述的方法，其中所述第二时间间隔是20到40毫秒。43.根据权利要求36-42中任意一个所述的方法，其中所述第二时间间隔是30毫秒。44.根据权利要求36-43中任意一个所述的方法，其中所述第三时间间隔至少是5毫秒。45.根据权利要求36-44中任意一个所述的方法，其中所述第三时间间隔最大是所述第二时间间隔的持续时间。46.根据权利要求36-45中任意一个所述的方法，其中所述第四时间间隔至少与所述第一时间间隔、所述第二时间间隔和所述第三时间间隔的总和一样长。47.根据权利要求36-46中任意一个所述的方法，其中所述第四时间间隔至少是100毫秒。48.根据权利要求36-47中任意一个所述的方法，其中所述第四时间间隔至少是300毫秒。49.根据权利要求36-48中任意一个所述的方法，其中凸出部的在垂直于第一金属板的主要表面的投影中的压力是每平方毫米70-280牛顿。50.根据权利要求36-49中任意一个所述的方法，其中凸出部的在垂直于第一金属板的主要表面的投影中的压力是每平方毫米160牛顿。51.根据权利要求36-50中任意一个所述的方法，其中凸出部的在垂直于第一金属板的主要表面的投影中的最大焊接电流是每平方毫米2.5到5千安培。52.根据权利要求36-51中任意一个所述的方法，其中凸出部的在垂直于第一金属板的主要表面的投影中的最大焊接电流是每平方毫米4千安培。53.根据权利要求36-52中任意一个所述的方法，其中所述第二金属板是非铁金属或主要成分为镁铝的金属合金。
【文档编号】B23K11/18GK105829009SQ201480050919
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2014年9月10日
【发明人】K·皮特曼
【申请人】Al-S科技公司