焊接多板组件的制造方法与流程

本公开涉及一种在三层或多金属板层间制造电阻焊点的方法。更具体地，本公开涉及在至少三个金属板层间形成高质量的焊点熔核。

背景技术：

电阻焊过程是压力焊过程，其中强电流短时通过待连接金属的界面区域。传统上焊补材料不作为电阻焊过程的一部分来实施。在局部区域产生足以将金属加热到足够温度的热，因此这些部分能够在压力(或力)下连接。通过电极施加压力(即力/面积)。

所述过程可以采用10000安培、1伏特和0.5秒级的示例性电流。通常在电流流动之前，期间及之后施加力，以避免表面间的电弧作用并在后期加热时锻造焊接金属。取决于待焊接材料及其他焊接条件，示例性压力的范围可为30至150nmm^-2。为获得高质量焊点，这些参数可主要取决于部件的材料、厚度和电极的类型和尺寸进行适当选择。

例如，现有的汽车车辆制造操作包括通过电阻焊连接两个金属板层。通常通过连接由合适的金属合金制成的金属板模压而成的内外面板来组装门、发动机罩、后备箱盖和举升门等车身面板。通常使用铁或铝合金。各金属板层的厚度范围可为小于一毫米至大于四毫米。

电阻点焊常用于连接该内外面板或其他金属部分。例如，外面板的边能够折叠于面板组件中的内面板的相邻边之上，其中面板组件中面板的折边在这些板的边缘。面板组件定位于在从折边连接处移除的区域中焊接。轴向对齐和相对的电极相互挤压向面板组件的相对边。瞬时焊接电流从电极间通过金属层以形成焊点。焊点的特征在于金属的瞬间熔融池和接触板的界面上重新凝固的焊点熔核。电极收缩并移动到另一焊点处。

在电阻点焊中，两金属板通常被夹在电极之间，焊接电流在一定时间内通过电极，并且也通过电极对工件施加力。焊接周期始于上电极移动接触安置在下电极上的工件，所述下电极常为静止的。工件在压力下保持，而强电流仅在在预定时间通过电极之间。由于电流流动通过工件的接触表面，接触的金属区域迅速上升至焊接温度。电极间的压力将热金属挤压在一起从而完成焊接。形成的焊点熔核可在压力下冷却然后释放压力。该总周期被称为电阻点焊周期。然而，当三个工件112、114和116必须焊接在一起，并且相对于其他工件114和116至少一个工件112的厚度较小时，由于焊接过程中不均匀的热分布能够导致薄外板112和相邻较厚金属板114之间界面上的焊点118过小，焊点强度受到损害。

现参照图3a，为电流通过100毫秒后的传统点焊连接处提供热图。如图所示，由于厚金属板层114和116之间的体积电阻率较大并且散失到底电极的热较少(即厚底工件116使焦耳热散失速度下降)，热122开始(并显著增长)于厚金属板层114和116之间的界面124(而非厚薄金属板层-元件112和114之间的界面126)。此外，由于水冷电极128极为贴近界面124，也可能减少界面126上的任何热。现参照图3b，显示电流通过600毫秒后的传统点焊连接处的热图。由于如图3b所示的不对称热分布，导致如图2所示的焊点熔核118过小并且可能大约临近薄外金属板层112。见图2。焊点熔核118不能穿透薄外金属板层112，削弱了薄金属板层112和厚金属板层114之间界面126上的连接处。

因此，希望加强三个或多个可具有不同厚度的金属板层间的电阻焊连接处。

技术实现要素：

本公开提供了一种在至少三个重叠金属板层的组件中制造电阻焊点的方法。所述方法包括：(1)，提供具有第一厚度的第一金属板层；(2)，在第一金属板层上提供具有第二厚度的第二金属板层；(3)，在第二金属板层上提供焊补材料；(4)，在焊补材料和第二金属板层上提供具有第三厚度的第三金属板层，其中第三厚度分别小于第一和第二厚度；(5)，将焊接电极对压在一对相对外表面上，焊补材料设置在所述相对外表面之间；及(6)，电流在电极对之间通过焊补材料和第一、第二和第三金属板层形成透入至少两个金属板层的焊点熔核。

应当理解的是，前述方法还可包括：(7)，通过熔化的焊补材料形成的硬焊连接处将第三金属板层与第二金属板层连接；以及(8)，通过焊点熔核形成的电阻焊点将第二金属板层与第一金属板层连接。或，前述方法还可包括：(7)，将焊补材料与第一、第二和第三金属板层一起加热，因此至少部分第一、第二和第三金属板层与焊补材料在焊点处熔在一起形成有聚合力的焊点熔核。应当理解的是，不管使用前述何种方法，焊补材料被配置为在相对于第一、第二和第三金属板层较低的温度下熔化。

应当理解的是，在上述方法中，由焊接电极对之间的第一、第二和第三金属板层的区域来界定焊点处，并且焊补材料位于焊点处第二金属板层上。焊补材料可选地但非必须是铜合金或铝合金，并且焊补材料还可选地但非必须具有多孔结构。焊补材料和第一、第二和第三金属板层形成三板组件，所述三板组件在一定时间段内被夹在电极对之间，其中电极对施加力于三板组件并通过三板组件传输电流。在该场景下，焊点熔核冷却成为焊点。或，在另一非限定性示例场景下，电极对中的各电极可为滚轴，所述滚轴被配置为在焊点处相对于三板组件移动使焊点熔核冷却成为滚焊缝的一部分。

应当理解的是上述方法还可包括可选的额外的第四步：提供第四金属板层和第二焊补材料，所述第二焊补材料可选地但非必须地位于第四金属板层和相邻层之间。各第一、第二和第三金属板层也可但非必须地由钢或铝合金制成。

在本公开的另一实施例中，一种在重叠金属板层的组件中形成电阻焊点的方法可包括：(1)，提供多个金属板层；(2)，向多个金属板层中的至少两个金属板层之间提供焊补材料形成多层组件；(3)，将一对焊接电极压在多层组件的一对相对外表面上；及(4)，电流在电极对之间通过多层组件从而形成穿透多个金属板层中各金属层的焊点熔核。

应当理解的是，前述方法还可包括：(5)，通过电流加热焊补材料使焊补材料熔化从而由熔化的焊补材料创建硬焊连接处。应当理解的是根据此布置，多层组件的一部分通过硬焊连接处连在一起，而多层组件的另一部分通过焊点熔核连在一起。或，前述方法还可包括：(5)，通过电流加热焊补材料使焊补材料与焊接电极对间设置的多个金属板层的各层的至少一部分一起熔化，从而形成穿透多个金属板层中各金属板层的有聚合力的焊点熔核。

在前述示例性方法中，可由焊接电极对间的多个金属板层的区域来界定焊点处，并且焊补材料可设置在焊点处。此外，焊补材料可选地但非必须是铜合金或铝合金。前述示例性方法还可包括冷却焊点熔核形成焊点。或，前述示例方法还可以包括相对于多层组件移动焊接电极对形成与焊点熔核重叠的相邻重叠焊点熔核，其中焊接电极对是滚轴。在这后一种备选方案中，方法还可包括冷却相邻重叠焊点熔核和焊点熔核形成滚焊缝。

本公开也提供了一种电阻焊多板组件，其包括多个金属板层、焊补材料和被配置为连接多个金属板层的焊点。多个金属板层包括设置在两个外金属板层之间的内金属板层。焊补材料可设置在多个金属板层中的至少两个金属板层之间。焊点延伸经过内金属板层深入各外金属板层厚度的至少10％处。同样地，应当理解的是前述多板组件的焊补材料可但非必须是铜合金或铝合金。

本公开及其具体特征和优点将通过下面参考附图所作的详细描述而更加清晰。

附图说明

通过以下详细说明、最佳方式、权利要求书和附图，本公开的这些及其它特征和优点将是显而易见的：

图1是具有厚度可变的三个金属板层的电阻焊组件的前视示意图；

图2是三个金属板层间传统电阻点焊连接处的剖视图；

图3a是分别使用厚度为0.65毫米、1.6毫米和1.5毫米的板层的传统点焊连接处在电流通过100毫秒后的热图；

图3b是图3b中600毫秒时传统电焊连接处的热图；

图4a是说明本公开的非限制性示例性制造方法的示意图；

图4b是说明本公开的第二非限制性示例性制造方法的示意图；

图5是根据本公开的改进焊点的剖视图；

图6a是分别使用厚度为0.65毫米、1.6毫米和1.5毫米的板层的本公开的示例性点焊连接处在电流通过100毫秒后的热图；及

图6b是分别使用厚度为0.65毫米、1.6毫米和1.5毫米的板层的本公开的示例性点焊连接处在电流通过600毫秒后的热图。

在附图的若干视图中，相同的标号表示相同的零件。

具体实施方式

现在将详细地谈及目前所优选的本公开的组合物、实施方案和方法，其构成了目前为本发明人所知的实施本公开的最佳方式。附图并不是按比例绘制的。然而，应当理解的是所公开的实施例只是对本公开内容的示例，本公开可以用各种和可替代的形式加以实现。因此本文中公开的细节不应被解释为限制性的，而是仅仅作为用于本公开的任何方面的代表性的基础和/或作为用于教导本领域技术人员来不同地使用本公开的代表性的基础。

除了示例中或以其他方式明显指明的地方之外，本说明书中表示物质的量或反应条件和/或用途的所有数量应理解为通过词“约”的修饰来描述本发明最宽泛的范围。通常优选在所述的数值极限内实施。另外，除非另有明确规定：百分比、份数和比例值以重量计；对于与本公开相关的某一特定目的而言适合的或优选的一组或一类材料的描述意味着对于该组或类中任意两种或多种成员的混合物是同样适合的或优先的；首字母缩略词或缩写的第一定义适用于同一缩写在本文中所有后续使用，并将必要的变更施加于最初定义的缩写的正常语法变化上；并且，除非另有明确规定，属性的测量由与之前或之后针对相同属性引用的相同技术来确定。

还应当理解的是，当然因为具体的组分和/或条件可以加以改变，本公开不局限于以下所述的具体实施例和方法。此外，本文中所使用的术语仅仅用于描述本公开的特定实施例，并且不旨在以任何方式加以限制。

还必须注意的是，除非上下文另有明确指示，说明书和所附权利要求中使用的，单数形式“a(一)”、“an(一)”和“the(所述/该)”包括复数对象。例如，以单数提及某组分时意图包括多种组分。

术语“包含”与“包括”、“具有”、“含有”或“其特征在于”同义。这些术语是包容性的和开放式的，并不排除其他未列举的元素或方法步骤。

短语“由...组成”排除任何未在权利要求中指明的元素、步骤或成分。当该短语出现在权利要求的提升主体14的条款中而不是紧跟在前序之后时，其仅限制在该条款中阐述的要素；而其他要素未被排除在作为整体的权利要求之外。

短语“基本上由...组成”将权利要求的范围限制于指定的材料或步骤，以及不会对所要求保护的主题所具有的基本特征和新型特征造成实质影响的那些材料或步骤。

术语“包含”、“由...组成”和“基本上由...组成”可交替使用。在使用这三个术语之一的情况下，当前公开和要求保护的主题可包括使用其他两个术语中的任一个。

术语“上”和“下”可相对于单个部件的区域使用，并旨在广泛地指示相对于彼此的区域，其中“上”区域和“下”区域一起形成单个部件。这些术语不应该被解释为仅指垂直距离/高度。

在本申请中，在引用出版物的情况下，这些出版物的全部公开内容通过引用结合到本申请中，以便更全面地描述本公开涉及的技术状态。

以下详细说明本质上仅是示例性的，并且不旨在限制本公开或本公开的应用和使用。此外，也并不受前述背景或者以下详细说明中所体现的任何理论的限制。

以下详细说明本质上仅是示例性的，并且不旨在限制本发明或本发明的应用和使用。此外，也并不受前述技术领域、背景技术、发明内容或者以下详细说明中提出的任何明确的或暗示的理论的限制。

现参照图4a，本公开提供了一种在至少三个重叠金属板层的组件中制造电阻焊点的方法。所述方法包括：(1)，提供具有第一厚度52的第一金属板层16；(2)，在第一金属板层16上提供具有第二厚度50的第二金属板层14；(3)，在第二金属板层14上提供焊补材料30；(4)，在焊补材料30和第二金属板层14上提供具有第三厚度54的第三金属板层12，其中第三厚度54分别小于第一和第二厚度(分别为元件52和50)；(5)，将焊接电极对28和29压在一对相对外表面56和58上，焊补材料30设置在所述相对外表面56和58之间；以及(6)，电流60在电极对28和29之间通过焊补材料30和第一、第二和第三金属板层(分别为元件16、14和12)形成透入至少第一和第二金属板层14和16的焊点熔核18和19。应当理解的是，本公开的所有实施例中，当各金属板层的厚度介于约0.25毫米和约4.0毫米之间时，焊补材料厚度97可但并非必须介于约0.1毫米和约0.2毫米之间。

应当理解的是，前述方法还可包括：(7)，通过熔化的焊补材料形成的硬焊连接处25将第三金属板层12与第二金属板层14连接；以及(8)，通过焊点熔核形成的电阻焊点21将第二金属板层14与第一金属板层16连接。或，前述方法还可包括：(7)，将焊补材料与第一、第二和第三金属板层一起加热，因此至少部分第一、第二和第三金属板层与焊补材料在焊点处熔在一起形成有聚合力的焊点熔核18。应当理解的是不管使用前述何种方法，焊补材料被配置为在相对于第一、第二和第三金属板层较低的温度下熔化。

应当理解的是，有聚合力的焊点熔核18可但并非必须包括至少一部分最初位于界面26(提供焊补材料处)的焊补材料30，并延伸到界面24之外，这样当施加电流时，焊补材料30与第一、第二和第三层一起熔化。应当理解的是，第一厚度52占第三厚度的传统比例一般可但并非必须不超过1比2。

在上述方法中，如图4a所示，应当理解的是，由设置在焊接电极对28和29之间的第一、第二和第三金属板层(分别为元件16、14和12)的区域来界定焊点处62。应当理解的是，焊补材料30位于焊点处62区域的第二金属板层14上。焊补材料30可选地但非必须是铜合金64或铝合金66，并且焊补材料30还可选地但非必须具有多孔结构68。再如图4a所示，焊补材料30和第一、第二和第三金属板层12、14和16形成三板组件78，所述三板组件78在一定时间段内被夹在电极对28和29之间，因此电极对28和29施加力80于三板组件78并通过三板组件78传输电流60。在该场景下，有聚合力的焊点熔核18形成于三板组件78内，并冷却成为焊点84。如图5所示，焊点84穿透第二金属板层14并深入第一和第三金属板层(分别为元件16和12)。或，在另一非限定性示例场景下，电极对28和29中的各电极可为滚轴82，所述滚轴82被配置为在焊点处62相对于三板组件78移动，使来自有聚合力的焊点熔核18的焊点22冷却成为滚焊缝86的一部分99。滚焊缝99中的各焊点22可以彼此分开或可以彼此重叠。

当根据本公开制造滚焊缝86时，三层(或更多)金属板12、14、16和70(见图4b)可被夹在两滚轮或滚轴电极28、29和82之间，并且如前所述，电流60可通过金属板和电极以获得连续的缝，即焊点熔核18和18’重叠(见图4a和4b)或间歇的缝，即焊点熔核18等距隔开。此外，滚焊时，在如图4b所示焊点处提供焊补材料30和30’。焊接电流60可为连续的或脉冲式的。焊点熔核18和18’的重叠可为相互重叠约10％至约50％。当重叠接近约50％时，可视为连续焊缝。

现参照图4b，应当理解的是，在将多板组件90夹在焊接电极28和29之间之前，上述方法还可包括可选的额外的第四步：提供具有第四厚度73的第四金属板层70和可选的第二焊补材料72，所述第二焊补材料72可选地但非必须地设置于第四金属板层70和相邻层(图4b中元件16)之间。如图4b所示，第四厚度73小于相邻的第一厚度52。因此，在该备选方案中，有聚合力的焊点熔核18穿过各金属板层并冷却，焊点84穿透所有内层(图4b中元件14和16)深入各外层12和70至工件12和70厚度的至少10％的穿透距离71(见图5)。在如图4a-4b所示方法中，金属层90可但非必须由钢(低碳钢到先进的高强度钢)、铝合金-钢或铝合金形成。

在本公开的另一实施例中，也如图4a和4b所示，一种在重叠金属板层的组件中形成电阻焊点的方法可包括：(1)，提供多个金属板层90；(2)，向多个金属板层90中的至少两个金属板层(元件12和14)之间提供焊补材料30形成多层组件91；(3)，将焊接电极对28和29压在多层组件91的一对相对外表面56和58上；以及(4)，电流60在电极对28和29之间通过多层组件91从而形成穿透多金属板层90中至少两个金属板层12、14、16和70的焊点熔核18和19。(见图4a和4b)。应当理解的是，前述方法还可包括：(5)，通过电流60加热焊补材料30使焊补材料30熔化从而由熔化的焊补材料创建硬焊连接处25。应当理解的是根据此布置，多层组件的一部分通过硬焊连接处25连在一起，而多层组件的另一部分通过焊点熔核19连在一起。(见图4a和4b)。或，前述方法还可包括：(5)，通过电流60加热焊补材30料使焊补材料30与焊接电极对28和29间设置的多个金属板层90的各层的至少一部分一起熔化，从而形成穿透多个金属板层90中各金属板层12、14、16和70的有聚合力的焊点熔核18。

在前述示例性方法中，可由焊接电极对28和29间的多个金属板层90的区域来界定焊点处62，并且焊补材料30可设置在焊点处62。此外，焊补材料30可选地但非必须是铜合金64或铝合金66。前述示例性方法还可包括冷却有聚合力的焊点熔核18以形成可穿透各金属板层的焊点84。或，前述示例性方法还可以包括相对于多层组件91移动焊接电极对28和29形成与有聚合力的焊点熔核18重叠的相邻(并可选地重叠)的有聚合力的焊点熔核18’(在图4a和4b中以虚线显示)，其中焊接电极对28和29是滚轴82。在这后一种备选方案中，方法还可包括冷却相邻(并可选地重叠)的有聚合力的焊点熔核18’和有聚合力的焊点熔核18形成滚焊缝86。

现在参照图5，本公开也提供了一种电阻焊多板组件98，其包括多个金属板层90、焊补材料30和被配置为连接多个金属板层90的焊点84和86。多个金属板层90包括设置在两个外金属板层96和98之间的内金属板层94。焊补材料30可设置在多个金属板层90中的至少两个金属板层100之间。焊点84和86延伸经过内金属板层94并深入各外金属板层96和98厚度的至少10％处。同样地，应当理解的是前述多板组件的焊补材料30可但非必须是铜合金64或铝合金66。

现参照图6a，提供了显示100毫秒时本公开的示例性发展中点焊连接处的热图，而图6b是600毫秒时图6a中相同发展中示例性点焊连接处的热图。本公开的各种前述方法实施如(不限于)铜或铝合金等焊补材料的使用。通常该焊补材料的熔点比金属板层低，所述金属板层可但不必须由钢制成。因此，与传统电阻焊过程相比，前述方法和结构使在界面24和界面26的结合更加坚固(和均匀)。因此，有聚合力的焊点熔核18(焊点22、84和86)穿透各内金属板层94并深入各外金属板层96和98。

尽管已经在前面的详细说明中提出了至少一个示例性实施例，但是应当理解还存在该实施例的大量变型。还应当理解的是，一个或多个示例性实施例仅仅是示例，并不旨在以任何方式限制本公开的范围、实用性或配置。而前文的详细说明将为本领域技术人员提供用于实现一个或多个示例性实施例的便利的路线图。应当理解的是，在不脱离所附权利要求及其合法等同物所阐述的本公开的范围的情况下，可以对元件的功能和布置进行各种变化。