利用在铝工件处的热焊接电极电阻点焊钢和铝工件的制作方法

利用在铝工件处的热焊接电极电阻点焊钢和铝工件的制作方法
【专利摘要】本发明公开了利用在铝工件处的热焊接电极电阻点焊钢和铝工件。一种将钢工件电阻点焊至铝或铝合金工件的方法被公开。所公开方法中的第一步骤涉及提供包括钢工件和铝工件的工件叠堆。另一步骤涉及预加热焊接电极，该焊接电极应该接触铝或铝合金工件。所公开方法的又一步骤涉及按压预加热的焊接电极和另一个焊接电极抵靠工件叠堆的相对侧，该预加热的焊接电极邻接铝或铝合金工件，并且在焊接点在两个焊接电极之间传送电流以在铝或铝合金工件内开始和生长熔融焊池。
【专利说明】利用在铝工件处的热焊接电极电阻点焊钢和铝工件
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2013年9月20日提交的申请号为61/880，564的美国临时专利的权益，其全部内容在此通过引用结合到本文。

【技术领域】
[0003]本发明的【技术领域】总体上涉及电阻点焊，且更特别地，涉及将钢工件电阻点焊至招或招合金工件。

【背景技术】
[0004]电阻点焊用在很多产业中来将两个或更多金属工件结合到一起。例如汽车工业在制造除了其它汽车配件以外的车门、护罩、后备箱盖、或者提升式门期间，经常使用电阻点焊以将预制的金属工件结合到一起。多个单独的电阻点焊点典型地沿着金属工件的外围区域或在一些其他连接区域形成，以保证汽车配件结构良好。尽管点焊典型地已被执行来将一些组成类似的金属工件——如钢与钢和铝合金与铝合金——结合到一起，但是将重量更轻的材料引入汽车平台的愿望已经产生了通过电阻点焊将钢工件结合到铝或铝合金(简便起见此后统称“铝”)工件的兴趣。
[0005]通常，电阻点焊依赖于对电流流动通过接触的金属工件和跨过其结合界面的阻力以产生热量。为执行这种电阻焊工艺，一对相对的焊接电极通常在预定焊接位置被夹持在工件的相对侧上的对齐点上。瞬时电流随后被传送通过工件从一个焊接电极流向另一个焊接电极。该电流流动的电阻在工件内和其结合界面处产生热量。当待焊金属工件是钢工件和铝工件时，在结合界面处产生的热量在铝工件中开始熔融焊池。该熔融铝焊池润湿钢工件的相邻表面，并且由于电流流动的中断，凝固成铝焊点熔核，期在两个金属工件之间形成全部的或部分的焊接接头。
[0006]将钢工件电阻点焊到铝工件上产生一些挑战。一个是，钢具有相对高的熔点和相对高的热阻率和电阻率，而铝具有相对低的熔点和相对低的热阻率和电阻率。这些差别的结果是，在电流流动期间，铝比钢熔化更快、并且熔化温度较低。在电流流动停止后铝也比钢冷却的更快。控制两种金属之间的热平衡以使得熔化的铝焊池可迅速开始并凝固在铝工件中因此能够成为挑战。例如，已经发现在使用标准行业惯例的快速冷却时，熔融铝焊池中的缺陷，如缩孔、气孔、氧化物残留和微裂纹被朝着结合界面拉动并聚集在结合界面处。另夕卜，电阻点焊期间延长的加热——更具体地是由于钢工件的相对更高的电阻的原因在钢工件中具有升高的温度——对在熔融铝焊池和钢工件之间的结合界面处的脆性Fe-Al金属间化合物层的生长是有益的。这两种条件已经显示会降低剥离强度和削弱最终形成的焊接接头的总体完整性。


【发明内容】

[0007]公开了一种电阻点焊工件叠堆的方法，工件叠堆包括钢工件和铝或铝合金工件(再次地，本发明中简便起见共同地用“铝”指代)。该方法包括预加热将与铝工件接触的焊接电极。预加热指的是，采取主动措施增加焊接电极的温度，这是在该焊接电极在预定焊接点被压靠工件叠堆并与位于工件叠堆的相对侧上的另一焊接电极结合使用来在钢和铝工件之间形成焊接接头之前。在被预加热后，并且仍然是热的时候，被预加热的焊接电极被压靠铝工件，而另一相对的焊接电极被压靠钢工件，并且在焊接位置在电极之间传送电流以在工件之间最终形成焊接接头。
[0008]公开了两种预加热铝侧焊接电极的示例方法，但是其他的预加热方法实际上也是可能的。一种方法涉及将焊接电极放到一起，它们的焊接面彼此直接接触，并且然后在焊接电极之间传送电流，同时限制或完全停止结合到铝侧焊接电极中的冷却机构(通常为水冷)。另一种方法涉及在板之上夹持焊接电极，其可从工件叠堆分离或与其成整体，并且然后在焊接电极之间传送电流并通过板，同时与之前类似，限制或完全停止结合到铝侧焊接电极中的冷却机构。当执行这些和他预加热方法时，有可能将铝侧焊接电极加热至高于200°C的温度，并且优选为200°C与900°C之间，其帮助促进随后的点焊工艺。
[0009]在工件叠堆的电阻点焊期间，与其它情况下会提供的热量相比，对最终邻接铝工件的焊接电极预加热提供更多热量给铝工件。特别地，除了由于钢的更高的热阻率和电阻率(与铝相比)导致的在钢工件中发展的热量外并从该热量的相反方向，被加热的焊接电极将热量引入铝工件。该额外的热量被相信改变在铝工件中产生的熔融铝焊池的凝固行为，其排除了在工件叠堆的结合界面处并沿着该结合界面的缺陷的有害聚集。它也能减小需要产生在钢工件内的热量，其结果是抑制结合界面处的脆的Fe-Al金属间化合物层的生长。通过使用所公开的方法，工件之间构建的焊接接头的总体强度和完整性因此能被改善。
[0010]方案1.一种将钢工件和铝或铝合金工件电阻点焊到一起的方法，所述方法包括:
[0011]提供工件叠堆，其包括钢工件和铝或铝合金工件；
[0012]提供用于接触钢工件的第一焊接电极和用于接触铝或铝合金工件的第二焊接电极；
[0013]通过在第一和第二焊接电极之间传送电流以在第二焊接电极中产生热量来预加热第二焊接电极，同时第二焊接电极的冷却被限制或停止；
[0014]在预加热后，在焊接点处，按压第一和第二焊接电极抵靠工件叠堆的相对侧，第一焊接电极邻接钢工件并且第二焊接电极邻接铝或铝合金工件；以及
[0015]在第一和第二焊接电极之间传送电流并在焊接点处通过工件叠堆，以在铝或铝合金工件内开始焊池并使之生长。
[0016]方案2.根据方案I所述的方法，其中，第二焊接电极由具有国际退火铜标准(IACS)的60%或更低的导电率的材料构造成。
[0017]方案3.根据方案I所述的方法，其中，第二焊接电极包括嵌片，所述嵌片由电阻率高于第二焊接电极的材料的电阻率的金属材料制成。
[0018]方案4.根据方案I所述的方法，其中，嵌片由不锈钢、铜钨合金或钥制成。
[0019]方案5.根据方案I所述的方法，其中，在电流通行期间，预加热第二焊接电极包括限制第二焊接电极的冷却操作至全容量下的冷却操作的50%或更少。
[0020]方案6.根据方案I所述的方法，其中，在电流通行期间，预加热第二焊接电极包括完全停止第二焊接电极的冷却操作。
[0021]方案7.根据方案I所述的方法，其中，预加热使第二焊接电极达到在200°C与900°C之间的温度。
[0022]方案8.根据方案7所述的方法，其中，在预加热期间和通过铝或铝合金工件内焊池的开始和生长，第二焊接电极被维持在位于200°C与900°C之间的温度下。
[0023]方案9.根据方案I所述的方法，还包括:
[0024]在熔融焊池已经开始和生长后，停止电流在第一和第二焊接电极之间并通过工件叠堆的通行；和
[0025]保持第一和第二焊接电极压靠工件叠堆，直至在铝或铝合金工件内开始和生长的熔融焊池已经凝固成焊点熔核。
[0026]方案10.根据方案I所述的方法，其中，热电偶装置或光学红外温度测量装置至少在第二焊接电极的预加热期间测量第二焊接电极的温度。
[0027]方案11.根据方案I所述的方法，其中，第二焊接电极的本体比第一焊接电极大。
[0028]方案12.根据方案I所述的方法，其中，预加热第二焊接电极包括:
[0029]将第一和第二焊接电极放到一起，使得第一焊接电极的第一焊接面与第二焊接电极的第二焊接面直接接触；
[0030]在第一和第二焊接电极之间传送电流，同时第一和第二焊接面处于接触中。
[0031]方案13.根据方案I所述的方法，其中，预加热第二焊接电极包括:
[0032]按压第一和第二焊接电极对齐地抵靠板的相对侧，所述板由具有比第二焊接电极的电阻率大的电阻率的金属材料制成；
[0033]在第一和第二焊接电极之间传送电流并穿过所述板。
[0034]方案14.根据方案13所述的方法，其中，所述板是钢工件的暴露区，其不是工件叠堆的一部分。
[0035]方案15.—种将钢工件和铝或铝合金工件电阻点焊到一起的方法，所述方法包括:
[0036]提供工件叠堆，其包括钢工件和铝或铝合金工件；
[0037]将第一焊接电极和第二焊接电极放到一起，使得第一焊接电极的第一焊接面与第二焊接电极的第二焊接面直接接触；
[0038]在第一和第二焊接电极之间传送电流，同时第一和第二焊接电极的焊接面直接接触，并且同时第二焊接电极的冷却被限制或停止以将第二焊接电极预加热至在200°C与900°C之间的温度；
[0039]将第一焊接电极和第二焊接电极彼此分离；
[0040]按压第一和第二焊接电极抵靠工件叠堆的相对侧，第一焊接电极邻接钢工件，并且第二焊接电极邻接铝或铝合金工件；
[0041]在第一和第二焊接电极与在焊接点处的工件叠堆之间传送电流，以在铝或铝合金工件内开始并生长熔融焊池；和
[0042]在从工件叠堆缩回第一和第二焊接电极之前，停止电流在第一和第二焊接电极之间的通行，并且允许熔融焊池凝固成焊点熔核。
[0043]方案16.根据权利要求15所述的方法，其中，当第一和第二焊接电极的焊接面直接接触时，通过限制第二焊接电极的冷却操作至在全容量下的冷却操作的50%或更少，来限制第二焊接电极的冷却。
[0044]方案17.根据方案15所述的方法，其中，当第一和第二焊接电极的焊接面直接接触时，第二焊接电极的冷却被停止。
[0045]方案18.根据方案15所述的方法，其中，在第一和第二焊接电极之间传送来预加热第二焊接电极的电流包括在1kA与50kA之间的范围内变化的电流水平。
[0046]方案19.根据方案18所述的方法，其中，在第一和第二焊接电极之间传送电流在10ms 至 5000ms 之间。
[0047]方案20.根据方案15所述的方法，其中，在熔融焊池凝固期间，第二焊接电极被保持在200°C与900°C之间的温度下。

【专利附图】

【附图说明】
[0048]图1是电阻点焊组件的侧视图；
[0049]图2是不使用下面说明书中详细描述的方法或焊接电极经由电阻点焊工艺形成的焊点熔核的微观结构；
[0050]图3是一对放在一起的焊接电极的侧视图；
[0051]图4是图3的焊接电极压靠包括钢工件和铝工件的工件叠堆相对侧的侧视图；
[0052]图5是图4的焊接电极和工件叠堆的侧视图，焊接电极从工件叠堆缩回；
[0053]图6是具有嵌片的焊接电极侧视图；
[0054]图7是使用在下面说明书中详细描述的方法和/或焊接电极的一种或多种经由电阻点焊工艺形成的焊点熔核的微观结构；和
[0055]图8是图3的焊接电极压靠板的相对侧的侧视图。

【具体实施方式】
[0056]在这说明书中详细描述的方法和焊接电极，解决了电阻点焊包括铝工件和钢工件的工件叠堆时遇到的一些挑战。尽管在下面进行更详细描述，但总体而言所描述的方法和焊接电极可以改变产生的熔融铝熔池的凝固行为，并因此限制或完全排除在铝和钢工件结合界面处的缺陷聚集。该方法和焊接电极也可最小化在结合界面处形成的Fe-Al金属间化合物层的尺寸和厚度。当然，其他改进是可能的。全部或单独地，这些措施有助于保持铝和钢工件之间形成的焊接接头的合适剥离强度，并有助于保证接头的总体强度和完整性。并且尽管在下面是在汽车车身面板的背景中描述该方法和焊接电极，但是有经验的技术人员将知晓并理解这样的方法和焊接电极可以用在其他背景中，如工业设备应用。
[0057]图1显示了电阻点焊组件10的一个示例，其可用于电阻点焊工件叠堆12，工件叠堆12包括重叠在彼此之上的钢工件14和铝工件16。尽管图1中未显示，但工件叠堆12可包括附加工件，如单个铝工件和两个钢工件，组成总共三个工件的叠堆。钢和铝工件14、16的每一个可具有的厚度范围在约0.3mm与6.0mm之间,在约0.5mm与4.0mm之间，以及更窄地在约0.6mm与2.5mm之间；其他厚度尺寸也是可能的。术语“工件”及其钢与铝的变体在本说明书中广泛被使用以指片金属层、铸件、挤压件或任何其他可电阻点焊的零件。
[0058]钢构件14可以是镀锌低碳钢、镀锌先进高强钢(AHSS)、镀铝钢、低碳钢、裸钢或其他类型的钢。一些特殊种类的钢可用在钢工件14中，包括但不限于，无间隙原子钢(IF)、双相钢(DP)、相变诱发塑性钢(TRIP)和压力淬火钢(PHS)。另一方面，铝工件16可以是铝、铝镁合金、铝硅合金、铝镁硅合金、铝锌合金或者其他类型铝基合金。一些更特殊种类的铝合金可以用在铝工件16中，包括但不限于，5754铝镁合金、6022铝镁硅合金、7003铝锌合金、以及Al-1OS1-Mg压铸铝合金。另外，这些和其他合适的铝合金(以及铝)可镀锌或转换涂层(convers1n coating),其通常用来提高粘接性能。可选地,可以存在通常用在电阻点焊操作中的可焊透(weld-through)粘结剂或密封剂。
[0059]仍参考图1，点焊组件10典型地是更大的自动焊接操作的一部分，其包括第一焊枪臂18和第二焊枪臂20，他们在机械上和电上配置成重复执行点焊，正如本领域所公知的。第一焊枪臂18具有第一电极夹22，其固定第一焊接电极24，并且同样地，第二焊枪臂20具有第二电极夹26，其固定第二焊接电极28。当从事电阻点焊时，焊枪臂18、20按压它们各自的焊接电极24、28在焊接点30处抵着重叠工件14、16的相对侧和外表面，伴随电极24,28的焊接面一直彼此对齐。结合界面32位于钢和铝工件14、16之间在工件14、16的面对面且邻接的内表面处。
[0060]图2示出了经由不使用下面详细描述的方法和焊接电极的电阻点焊工艺形成的铝焊点熔核34的微观结构。尽管在一些情况下不使用下面的方法和电极可以形成合适的焊点熔核，但是在这个示例中，在结合界面32处并沿结合界面32已经发现缺陷D。除了其它的可能性以外，缺陷D可包括缩孔、气孔、氧化物残留和微裂纹。当沿着结合界面32出现并积聚时，已经发现缺陷D可能降低在钢和铝工件14、16之间建立的焊接接头的剥离强度一招焊点熔核34是焊接接头的一部分一并可能产生负面影响，以及削弱焊接接头的总的完整性。而且，除缺陷D外，一个或多个Fe-Al金属间化合物层(未显示)，其也被认为是焊接接头的部分，可在结合界面32处在钢和铝工件14、16之间生长。Fe-Al金属间化合物层可包括FeAl3、Fe2Al5W及其他化合物，并且在他们存在时通常是又硬又脆。同样地，在这里，如果被允许大面积地生长，Fe-Al金属间化合物层能对焊接接头的总体完整性具有负面影响。
[0061]尽管无意于限制在诱发性的特定理论，但目前相信，缺陷D在结合界面32处并沿结合界面32聚集是由于当其转变为铝焊点熔核34时熔融铝焊池的凝固行为引起的。也就是，在热得多的钢工件14和铝工件16之间能够产生热量不平衡，这是由于两种金属不同的物理特性一即，钢的热阻和电阻大得多。因此，钢成为热源，而铝成为热导体，意味着铝工件16内形成的熔融铝焊池冷却，并从其外周朝着结合界面32凝固，因为来自焊池的热量通过与铝工件接触的水冷焊接电极被定向地抽走。凝固前沿的路径和方向在图2大致由虚线箭头P表示，并且铝焊点熔核34的边界大致由虚线B表示。路径P指向结合界面32，而更倾斜的边界B(与图7中所示的相比)是熔融铝焊池朝向结合界面32凝固的结果。以这种方式定向，焊池缺陷D随着凝固前沿沿路径P推进而被朝向结合界面32拉动或扫过，并可沿结合界面32分散地结束。而且，目前相信，Fe-Al金属间化合物层的生长至少部分是由于电阻点焊工艺期间钢工件14经受的升高温度引起的。
[0062]现在参考图3-6，几种方法和焊接电极将被描述，其限制并在一些情况下完全阻止缺陷D在铝焊点熔核34内在结合界面32处并沿着结合界面32分散，并使得Fe-Al金属间化合物层的尺寸和厚度在其处最小化。通常，并且如下更详细地描述的，所述方法和焊接电极在焊接电极处产生相对增加量的热量，焊接电极被意图与铝工件16接触并被按压抵靠它(在这示例中，是第二焊接电极28)。这通过预加热第二焊接电极28获得，是在按压第二焊接电极28在焊接点30处抵靠工件叠堆12和电阻点焊叠堆12以形成工件14、16之间的焊接接头之前。加热的第二焊接电极28，进而比其他情况为铝工件16提供相对增加量的热量。这种额外热量输入——除了钢工件14中发展的热量之外并在其相反方向上，额外的热量输入在焊接点30处从第二焊接电极28引入——影响熔融铝焊池在其冷却并凝固成铝焊点熔核34时的凝固行为，其被相信提高剥离强度并帮助确保工件14、16之间建立的焊接接头的总体强度和完整性。
[0063]例如，在在图3中所示的实施例中，第一和第二焊接电极24、28，最初被放到一起，第一焊接电极24的第一焊接面42和第二焊接电极28的第二焊接面44彼此直接接触。随后在焊接面42、44接触时电流穿过第一和第二焊接电极24、28。经过的电流可以持续例如10ms至5000ms或更窄地从200ms至2000ms的持续时间；当然，其他持续时间也是可能的。在这个步骤中，电流水平在不同实施例中可变，但一些示例包括的电流水平为在1kA和50kA之间或更窄地在20kA与40kA之间。直接在第一和第二焊接电极24、28之间的电流通路在他们的焊接面42、44处以及在它们的电极体内产生热量。
[0064]第二焊接电极28中热量的累积优选通过限制或完全停止电极冷却操作辅助进行，电极冷却操作典型地以其他方式实施。结合到第二焊接电极28中的冷却操作和系统可具有不同的设计、结构以及部件，除了其他的可能性以外，这取决于点焊组件10的设计和结构及焊接电极28本身的设计和结构。在图3的示例中，冷却操作通过冷却系统36完成，该系统包括位于第二焊接电极28中的冷却剂腔38和与该冷却剂腔38连通的冷却剂管40。这种设计和结构是有点普通的，并且尽管在附图中示意性地描述，但是对于本领域技术人员来说是公知的。在这个示例中，通过管40并在腔38中循环的冷却剂可以是水。同样的冷却操作也可以在第一焊接电极24上执行，如图所示。
[0065]限制或停止第二焊接电极28中的冷却操作可被控制以保证电极28被预加热到所需程度。限制冷却操作，如这里使用的，意味着电极冷却操作被限制到低于正常执行冷却操作的某种程度上；例如，被限制的冷却操作可以为这样的操作:其在全容量冷却操作的50%或更低下运行，并且因此允许电极温度增加比它如果经受全容量冷却将会增加的要多。在另一方面，停止，如这里使用的，意味着对于第二焊接电极28电极冷却操作完全不执行或关闭。
[0066]如果在第二电极28而不是第一电极24中实行限制或完全停止电极冷却操作，会有助于限制第一和第二焊接电极24、28的焊接面42、44之间的接触面积，以便保证第一焊接电极24中的冷却操作不会从第二焊接电极28抽走太多的热量，并且本质上排除预加热。特别地，焊接面42、44的接触面积足够大以传递电流并因此产生热量，但不会太大，产生的热量在冷却进行时容易传导回到较冷的第一电极24中。例如焊接电极24、28可设计成使得焊接面42、44之间的接触面积在预加热期间具有的直径最小为2mm，或更优选地为3mm。这种接触程度使得足够电流在焊接电极24、28之间流动而不会导致它们焊接在一起。然而，焊接面42、44之间的接触面积不应大到使被冷却的第一焊接电极24从预加热的第二焊接电极28抽走太多热量。为防止这种情况的发生，例如焊接电极24、28可设计成使得焊接面42、44之间的接触面积直径为15mm或更小，或更优选地，为1mm或更小。
[0067]一旦第二焊接电极28被充分地预加热，电流的通行就被中断，并且焊接电极24、28彼此分开(即缩回)并被迅速操纵和移动到工件叠堆12的焊接点30。在焊接点30处，第一和第二焊接电极24、28被闭合并以适当的力向下压到重叠的钢和铝工件14、16上。这在图4中所示。当被夹住时，瞬时电流通过焊接点30被传送穿过工件14、16。由电流的通行产生的热量开始熔融铝焊池并使其生长，熔融铝焊池在电流停止时凝固成铝焊点熔核34。在铝焊点熔核34形成之后，焊接电极24、28被打开且从工件14、16缩回并离开，如在图5中所示。如果需要，在焊枪臂18、20定位在下一个焊接点之前，焊接面42、44可随后被拉回到一起，并且电流可再次被在它们之间传送以预加热第二焊接电极28，而不会给该工艺增加明显的时间。
[0068]如前所述，在上述利用附图3-5描述的步骤期间第二焊接电极28的冷却操作被限制或完全停止某个持续时间。以这种方式，等到第二焊接电极28被向下压到工件14、16上准备电阻点焊时(图4)，第二焊接电极比它使用常规冷却时的通常情况要热。在附图的示例中，在电流被传送通过第一和第二焊接电极24、28之前，同时焊接面42、44处于接触中，立即限制或完全停止冷却剂管40和设置在第二焊接电极28中的冷却剂腔38中的冷却剂流(图3)。冷却剂流可保持被限制或完全停止，直到焊接电极24、28被从工件14、16缩回(图5)后，并且如果需要然后可重新开始。在其他实施例中，冷却操作可被限制或停止一段时间，该时间超过执行单个电阻点焊活动所需时间，并且相反地，可被限制或停止执行一系列电阻点焊活动所必需的一段时间。
[0069]由于在这个时间内冷却没有实施到其正常足量程度，因此热量被产生并且大部分被维持在第二焊接电极28内，这是由于电流流过焊接电极24、28导致的，同时焊接面42、44处于接触中并且发生第二焊接电极28的预加热(图3)。在示例中，第二焊接电极28可被加热到在2000C与9000C之间的温度，或在400°C至700°C之间的温度，但是其他温度值是可能的，并且达到的精确温度除了其它因素之外将取决于电流水平和其施加的持续时间以及第二焊接电流28的材料。在被预加热后，第二焊接电极28被维持在升高的温度，同时它正被用来点焊钢和铝工件14、16，在这些其涉及将焊接电极24、28保持就位，并且不将它们从工件14、16缩回，直到焊点熔核凝固发生。保持夹持并等待焊池凝固，可对凝固行为产生期望的影响，这在下面被更详细的描述。在这个实施例中，只有第二焊接电极28的冷却操作被限制或停止，而第一焊接电极24的冷却操作可保持。
[0070]为帮助监控和控制第二焊接电极28的温度，电极28可配备有热电偶装置，以在如上所述的预加热和电阻点焊步骤期间在不同时间测量其温度。代替热电偶装置或除了热电偶装置之外，也可使用光学红外温度测量装置(IR计量器)来测量第二焊接电极28的温度。获知的温度然后可用来帮助管理第二焊接电极28的升高的温度。例如，在某些情况下会期望将第二焊接电极28的温度保持在一定范围内，该范围被发现生成合适质量的焊接接头，或用于焊接一致性目的。如果温度低于该范围，热量可被产生在焊接电极28内。反之，如果温度高于该范围，焊接电极28可被允许冷却或冷却操作甚至可被短暂重新开始。在一些示例中，热电偶装置可被附接到第二焊接电极28的侧表面，或可被埋入电极28体内。如果使用光学红外装置，其可被简单放置成在需要时具有到第二焊接电极28的视线通道。
[0071]在到此为止描述的实施例中，第一焊接电极24、第二焊接电极28或两个电极可用通常用于焊接电极的铜合金材料制造，如铜锆合金，其通常用符号C15000表示。或者，第二焊接电极28可用铜合金材料制造，该材料比工业上使用的典型铜锆合金具有更高的电阻率。这样的更高电阻率铜合金在电流被传送通过其时比典型铜合金材料产生更多热量。具有比典型更高的电阻率的铜合金材料的示例是这些材料:具有60 %的导电率，并且低于国际退火铜标准(IACS)。与IACS (有时称作100% IACS)有关的导电率是商业上纯退火铜在20°C时的导电率，其被定义为5.8X107S/m。这些较高电阻率铜合金的具体示例包括Cu-Cr-N1-Si合金，其通常用符号C18000表示。而且，第二焊接电极28可用一些其他高温金属或合金制造，如之前，其也具有60%的导电率并低于国际退火铜标准(IACS)。这种高温金属的示例包括钥(Mo)和钨铜合金(如W-45CU)。这些类型的金属可以展现的优点是在升高的温度下较少与铝反应。
[0072]第二焊接电极28还可配备有嵌片，其比第二焊接电极28的周围材料具有更大的电阻率，以从电流的通行产生更多热量。现在参考图6，嵌片46被埋入第二焊接电极28的体内。在这个示例中，嵌片46偏离焊接面44，并与第二焊接电极的截头圆锥体部段48隔开。在一些情况下这个位置会是更可取的，在这些情况下，焊接面44处集中的热量是不期望的，因为它能导致过多的电极损耗或甚至能在邻接表面处熔化铝工件16，或会具有其他不利的结果。然而，在其他实施例(其在附图中未显示)中，嵌片46可安装在圆柱状凹槽中，其开口并定中在焊接面44处，并轴向延伸到进入到焊接电极28体内的深度。在特定的示例中，圆柱凹槽可具有1mm直径。无论在何种实施例中，嵌片46可由钢材料如不锈钢或裸低碳钢构成，或者可由铜合金材料之一构成，具有上文所述的较高电阻率。嵌片46还可由难熔金属构成，如钥或铜钨合金材料。
[0073]另外，经受预加热的焊接电极(在这种情况下为第二焊接电极28)，可被设计并构造成比典型使用的或比单独电流传递所需的具有更大体积的本体。更大体积的本体可比第一焊接电极24具有更大的直径。较大直径可设在本体处，远离第二焊接面44，并且无需修改第二焊接面44的尺寸。在预加热期间，通过传送电流通过该更大体积的焊接电极，生成的总热量增加超过标准尺寸焊接电极产生的总热量，并且因此当焊接电极24、28被放到一起并且电流被在他们之间传送时，可用于加热叠堆12的铝工件16(图3)。该更大体积焊接电极中增加的材料提供与上述电阻嵌片类似的功能。
[0074]上述的方法和焊接电极改变熔融铝焊池的凝固行为，并由此限制或完全阻止缺陷D在结合界面32处在铝焊点熔核34内积聚。因为在电阻点焊执行之前热量产生在第二焊接电极28内，所以与使用先前已知的方法和焊接电极产生的典型情况相比，更大量的热量被提供给铝工件16的外表面。当融融铝焊池凝固变成铝工件16内的铝焊点熔核34时，改进的热量平衡和更均匀的热量分布改变熔融铝焊池的冷却行为。
[0075]现在参考图7的微观结构，取代如图2中所展示的并在上面描述的凝固前沿朝着结合界面32推进，熔融铝焊池冷却并从其外周向内凝固。凝固前沿的路径和方向在图7大体用虚线箭头P表示，而铝焊点熔核34的边界用虚线B表示。路径P指向焊点熔核34的中心区域，而由于改变的凝固路径的结果，边界B相对于结合界面32更垂直(与图2中所示的比较)。出现在熔融铝焊池中的缺陷D，因此被朝向焊池的中心区域扫过或拉动，并且最终焊点熔核34定位大大远离结合界面32，如图所描绘的。通过在熔融铝焊池凝固期间保持第二焊接电极28与铝工件16邻接，这会更容易并被增强。第二焊接电极28由于其更热，从铝工件16没有吸走与它在相反情况下将会吸走的热量相同的热量，或者根本没有吸走热量。相反，热量横向分散给铝工件16的较冷部分。所有这一切的结果是，适当的剥离强度被保持，并且工件14、16之间建立的焊接接头的总体强度和完整性得以保证。
[0076]而且，如果需要，通过降低电阻点焊期间在焊接电极24、28之间和通过工件叠堆12流动的电流水平，改进的热平衡还意味着工件叠堆12的钢侧上的热量可被降低，这些降低最小化了 Fe和Al之间的反应，并由此最小化可形成在结合界面32处的Fe-Al金属间化合物层的伴随尺寸和厚度。已经确定，Fe-Al金属间化合物层的尺寸和厚度越大，这些层越脆。最小化这些层有助于维持合适的剥离强度和有助于保证焊接接头的总体强度和完整性。
[0077]进行用于执行迄今为止详细描述的方法之一的模拟。在该模拟中，与钢工件接触的焊接电极(即对应于第一焊接电极24)是被冷却系统主动冷却的ZrCuC15000电极，而与铝工件接触的焊接电极(即对应于第二焊接电极28)是展示53% IACS的W-45CU电极。两个焊接电极被放到一起，它们的焊接面彼此直接接触并被预加热。在这些情况下，可以发现，用于预加热焊接电极的适宜条件是在200°C至900°C之间，并且更优选地是在400°C与700 V之间，包括传送处于1kA与50kA之间并且更优选地20kA与40kA之间的水平的电流，持续时间在10ms与5000ms之间，并且更优选地在200ms与2000ms之间。通过这种方式预加热焊接电极显示出维持合适的剥离强度并有助于保证已建立的接头的总体强度和完整性。
[0078]现在参考图8，显示了另一种用于预加热第二焊接电极28的技术。此处，第一和第二焊接电极24、28被压对齐地抵靠板50的相对侧，并且电流被传送在第一和第二焊接电极24,28之间，并穿过板50，同时限制或完全停止结合在第二焊接电极28中的冷却操作(如先前已经描述的)。电流被传送小于100ms、并且处于小于1kA的水平。如以前一样，这些参数可将第二焊接电极28加热至在200°C到900°C之间的温度，或更窄地在400°C与700°C之间。板50可由金属材料制造，其电阻率大于第二焊接电极28材料的电阻率。通过这种方式，板50在第二焊接电极28内产生的热量多于第二焊接电极28在相反情况下在其自身上会产生的热量，因此在更少时间内加热第二焊接电极28，并且加快整个预加热过程。用于板50的适宜金属材料的示例包括钢材料,如不锈钢或钥或铜鹤合金材料。在更大组件中，板50可被安装至一夹具或其某种其他结构上，其位于工件叠堆12附近或其可被携带在工件叠堆12上。钢工件14的暴露区不是叠堆12的一部分一即，其不是以与铝工件16重叠的方式布置——也可被用作该板，其会简化加工并帮助降低费用。
[0079]最后，作为选择，焊接电极24、28中的一者或两者可在他们的焊接面42、44上配备有构造，用于穿透会出现在铝工件外表面上的氧化层。例如，如需要，焊接面可以为有纹理、粗糙的或具有一系列凸环。这些示例在美国专利N0.6，861，609,8, 222，560,8, 274，010、8，436，269和8，525，066、以及美国专利申请公开N0.2009/0255908中描述。
[0080]优选示例性实施例和相关示例的上述描述本质上仅是说明性的；他们无意限制随后权利要求的范围。在所附权利要求中使用的术语的每一个应被给予其通常且惯例的含义，除非在说明书中有相反的具体且明确的陈述。
【权利要求】
1.一种将钢工件和铝或铝合金工件电阻点焊到一起的方法，所述方法包括: 提供工件叠堆，其包括钢工件和铝或铝合金工件； 提供用于接触钢工件的第一焊接电极和用于接触铝或铝合金工件的第二焊接电极； 通过在第一和第二焊接电极之间传送电流以在第二焊接电极中产生热量来预加热第二焊接电极，同时第二焊接电极的冷却被限制或停止； 在预加热后，在焊接点处，按压第一和第二焊接电极抵靠工件叠堆的相对侧，第一焊接电极邻接钢工件，并且第二焊接电极邻接铝或铝合金工件；和 在第一和第二焊接电极之间传送电流并在焊接点处通过工件叠堆，以在铝或铝合金工件内开始并生长焊池。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，第二焊接电极由具有国际退火铜标准(IACS)的60%或更低的导电率的材料构造成。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，第二焊接电极包括嵌片，所述嵌片由电阻率高于第二焊接电极的材料的电阻率的金属材料制成。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，在电流通行期间，预加热第二焊接电极包括限制第二焊接电极的冷却操作至全容量下的冷却操作的50 %或更少。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，在电流通行期间，预加热第二焊接电极包括完全停止第二焊接电极的冷却操作。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，预加热使第二焊接电极达到在200°C与900°C之间的温度。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，在预加热期间和通过铝或铝合金工件内焊池的开始和生长，第二焊接电极被维持在位于200°C与900°C之间的温度下。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括: 在熔融焊池已经开始和生长后，停止电流在第一和第二焊接电极之间并通过工件叠堆的通行；和 保持第一和第二焊接电极压靠工件叠堆，直至在铝或铝合金工件内开始和生长的熔融焊池已经凝固成焊点熔核。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，预加热第二焊接电极包括: 将第一和第二焊接电极放到一起，使得第一焊接电极的第一焊接面与第二焊接电极的第二焊接面直接接触； 在第一和第二焊接电极之间传送电流，同时第一和第二焊接面处于接触中。
10.根据权利要求1所述的方法，其中预加热第二焊接电极包括: 按压第一和第二焊接电极对齐地抵靠板的相对侧，所述板由具有比第二焊接电极的电阻率大的电阻率的金属材料制成； 在第一和第二焊接电极之间传送电流并穿过所述板。
【文档编号】B23K103/10GK104511687SQ201410719554
【公开日】2015年4月15日 申请日期:2014年9月20日 优先权日:2013年9月20日
【发明者】J·G·施罗思, D·R·西勒, T·A·佩里 申请人:通用汽车环球科技运作有限责任公司