利于不同金属点焊的锥形电流的制作方法
【专利摘要】本发明公开了利于不同金属点焊的锥形电流。公开了一种电阻点焊工件层叠结构进行的方法，所述工件层叠结构包括钢工件和铝合金工件，所述钢工件和所述铝合金工件彼此重叠和接触以在焊接点处建立接合界面。所述方法包括：使DC电流在所述焊接点处通过所述工件层叠结构并且使所述电流呈现锥形流动图案。所述锥形流动图案具有电流流动路径，所述电流流动路径沿从与所述钢工件电连通的第一焊接电极朝与所述铝合金工件电连通的第二焊接电极引导的方向扩展。
【专利说明】
利于不同金属点焊的锥形电流
技术领域
[0001]本公开的技术领域通常涉及电阻点焊，并且更具体地，涉及电阻点焊钢工件和铝合金工件。
【背景技术】
[0002]电阻点焊是许多行业用来将两个或者更多个金属工件连接在一起的过程。例如，汽车行业尤其在制造车门、引擎盖、后备箱盖或者升降门期间经常使用电阻点焊来将预制金属工件连接在一起。通常沿金属工件的周边边缘或者一些其他结合区域形成许多点焊缝以确保该部分在结构上是牢固的。虽然已经通常实行点焊来将某些相似组成的金属工件(诸如，钢-钢和铝合金-铝合金)连接在一起，但是对将重量较轻的材料合并为车身结构的需要已经引起了对通过电阻点焊将钢工件连接至铝合金工件的关注。由于许多汽车装配厂在适当的位置处已经具有点焊基础设施，因此对这些不同金属的工件进行电阻点焊的能力将提升生产灵活性并且降低制造成本。对不同金属的工件进行电阻点焊的上述需要并不是汽车行业所独有的；的确，其延伸至可以利用点焊作为其中包括航空、海事、铁路和房屋建筑行业的连接过程的其他行业。
[0003]通常，电阻点焊依赖于对通过重叠的金属工件并且跨越其接合界面以生成热量的电流流动的电阻。为了执行这种焊接过程，成套的两个对置的点焊电极在工件层叠结构的相对侧上对齐，该工件层叠结构通常包括在预定焊接处以重叠的配置设置的两个或者三个金属工件。然后电流从一个焊接电极通过金属工件到达另一个焊接电极。该电流流动的电阻在金属工件内以及在其接合面处生成热量。当工件层叠结构包括钢工件和相邻的铝合金工件时，在接合界面处以及在这些不同金属的工件的成块材料内生成的热量发起和生成从接合界面延伸进入铝合金工件的熔融铝合金焊池。该熔融铝合金焊池弄湿钢工件的相邻接合面，并且在中断电流时，凝固成为点焊熔核，该点焊熔核形成使两个工件结合在一起的焊接接头的全部或者部分。
[0004]然而，事实上，由于这两种金属的许多特性可能会不利地影响焊接接头的强度(最显著的是剥离强度)，因此将钢工件点焊至铝合金工件是一个挑战。举例来说，铝合金工件通常包含在其表面上的一个或者多个机械上牢固的、电绝缘的和自修复的耐高温氧化物层。氧化物层通常由氧化铝组成，但是还可以包括其他金属氧化物化合物，当铝合金工件由含镁铝合金构成时包括镁氧化物。由于其物理性质，耐高温氧化物层具有这样一种趋势，在它们可能阻碍熔融铝合金焊池弄湿钢工件的能力的接合界面处保持完整。过去在进行点焊之前将氧化物层从铝合金工件去除方面已经做出了努力。不过，这种去除实践可能是不切实际的，因为氧化物层具有在氧气存在的情况下再生的能力，尤其是在应用来自点焊操作的热量的情况下。
[0005]钢工件和铝合金工件也具备倾向于使点焊过程复杂化的不同的性质。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，电流流动期间会在钢工件中生成大部分热量。该热量失衡在钢工件(较高的温度)和铝合金工件(较低的温度)之间建立对铝合金工件启动快速熔化的温度梯度。电流流动期间产生的温度梯度和铝合金工件的高导热率的组合意味着就在中断电流以后，出现热量不能从焊接点对称散布的状况。相反，将热量从更热的钢工件通过铝合金工件朝与铝合金工件接触的焊接电极传导，这在钢工件和该特定的焊接电极之间创建了陡峭的热梯度。
[0006]相信钢工件和与铝合金工件接触的焊接电极之间的陡峭的热梯度的形成在两个主要方面减弱了所得焊接接头的完整性。首先，因为在中断电流之后，钢工件与铝合金工件相比将热量保留更长持续时间，所以熔融铝合金焊池会定向地凝固，以从最接近与铝合金工件相关联的冷却器焊接电极(通常是水冷的)的区域开始并且朝接合界面传播。这种凝固前沿倾向于朝点焊熔核内的接合界面和沿点焊熔核内的接合界面清除或者驱除缺陷(诸如，气孔、缩孔、微小破裂和表面氧化物残留物)。其次，钢工件中的持续升高的温度促使在接合界面处和沿接合界面的易碎的Fe-Al金属间化合物增长。金属间化合物倾向于在点焊熔核与钢工件之间形成薄反应层。如果存在，那么除了点焊熔核之外，通常认为这些金属间化合物层是焊接接头的一部分。具有点焊熔核缺陷的散布连同Fe-Al金属间化合物沿接合界面的过度增长倾向于降低最终焊接接头的剥离强度。
[0007]考虑到上述挑战，之前对点焊钢工件和基于铝的工件做出的努力已经采用了规定更高的电流、更长的焊接时间或者两者(与点焊钢-钢比较)的焊接方案，以尝试并且获得合理的焊接结合区域。这种努力在制造背景下很大程度上不成功，并且具有损坏焊接电极的趋势。考虑到之前对点焊做出的努力还没有特别成功，已经主要使用机械紧固件(诸如，自冲铆钉和热熔自攻螺钉)来代替。然而，这种机械紧固件需要花更长的时间才能被放到适当的位置，并且具有比点焊高的耗材成本。它们也增加了车辆车身结构的重量(在通过点焊的方式来完成连接时所避免的重量)，其抵消了通过首先使用铝合金工件而获得的重量减轻中的一些。除了本领域之外，将使过程更加能够连接钢工件和铝合金工件的点焊中的进步因此将变得受欢迎。
【发明内容】
[0008]公开了一种电阻点焊工件层叠结构的方法，所述工件层叠结构包括重叠并且接触的钢工件和铝合金工件。所公开的方法包括:提供层叠结构，从而使钢的接合面和铝合金工件的接合面彼此接触以建立接合界面。然后，在焊接点处，使第一焊接电极与钢工件形成电连通，并且使第二焊接电极与铝合金工件形成电连通。第一焊接电极和第二焊接电极在焊接点处彼此面对。然后使DC电流通过工件层叠结构并且穿过第一焊接电极与第二焊接电极之间，以在铝合金工件内发起和扩展熔融铝合金焊池。最后，中断通过第一焊接电极与第二焊接电极之间的DC电流，同时熔融铝合金焊池凝固成为焊接接头，该焊接接头使钢工件和铝合金工件在其接合界面处结合在一起。
[0009]以许多方法可以使第一焊接电极和第二焊接电极与其相应的工件形成电连通。例如，在一个实施例中，可以将第一焊接电极直接按压在钢工件的可到达的外表面上，并且可以将第二焊接电极按压在铝合金工件的可到达的外表面上。作为另一示例，可以将导电中间构件设置在第一焊接电极与钢工件的可到达的外表面之间、设置在第二焊接电极与铝合金工件的可到达的外表面之间、或者设置在两个焊接电极与其相应的可到达的工件外表面之间。当然，只要电流可以在电极和其相关联的工件之间流动，可以采用使第一焊接电极和第二焊接电极中每一个分别与钢工件和铝合金工件形成电连通的其他方式。
[0010]为了提高在钢工件与铝合金工件之间形成的焊接接头的强度(特别是剥离强度)，使得DC电流呈现锥形流动图案，以该锥形流动图案，电流流动路径沿从第一焊接电极朝第二焊接电极引导的方向径向扩展，从而使DC电流的电流密度在工件层叠结构的至少一部分内沿横跨从钢工件内、越过接合面并进入铝合金工件中的方向减小。锥形流动图案的诱因所触发的电流密度中的差异在钢工件内的比铝合金工件小的区域内聚集热量。这创建了温度梯度或者扩大了熔融铝焊池周围的在电流流动期间已经存在的温度梯度，其接着促进焊池以支持更坚固的焊接接头的方式凝固。
【附图说明】
[0011]图1是工件层叠结构的一般剖视图，该工件层叠结构包括钢工件和铝合金工件以及使DC电流通过根据本公开的工件层叠结构的一对对置的焊接电极；
图2是在已经中断DC电流的通过并且已经形成将钢工件和铝合金工件结合在一起的焊接接头之后的图1所示的工件层叠结构的一般剖视图；
图3是通过传统的电阻点焊过程而在钢工件(底部工件)与铝合金工件(顶部工件)之间形成的有代表性的焊接接头的显微照片，该传统的电阻点焊过程不会在用于形成焊接接头的DC电流中引起锥形流动图案；
图4是在使得用于形成焊接接头的DC电流呈现锥形流体图案时，在钢工件与铝合金工件之间形成的焊接接头的显微照片；
图5是工件层叠结构的一般剖视图，该工件层叠结构包括钢工件和铝合金工件以及一对对置的焊接电极，该一对对置的焊接电极使DC电流通过根据本公开的工件层叠结构，以除了在铝合金工件内发起和扩展熔融铝合金焊池之外，还在钢工件内发起和扩展熔融钢焊池；
图6是在已经中断DC电流的通过并且与位于钢工件内的钢点焊熔核一起形成的将钢工件和铝合金工件结合在一起的焊接接头之后的图5所示的工件层叠结构的一般剖视图；以及
图7是在使得用于形成焊接接头的DC电流呈现锥形流体图案并且在钢工件内发起和扩展熔融钢焊池时，在钢工件与铝合金工件之间形成的焊接接头的显微照片。
【具体实施方式】
[0012]在图1至图2中图示了一种对工件层叠结构10进行电阻点焊的方法，该工件层叠结构10包括不同金属的工件。例如，如此处所讨论的，工件层叠结构10包括钢工件12和铝合金工件14，该钢工件12和该铝合金工件14在意图实践点焊的焊接点16处彼此重叠和接触。钢工件12和铝合金工件14分别提供工件层叠结构10的任何合适类型的焊枪(未示出)可到达的第一侧18和第二侧20。而且，尽管在图1至图2中未示出，但如果需要，在其他可能性中，工件层叠结构10也可以包括额外的工件，诸如，位于工件12、14之间以制备总共有三个工件的层叠结构的第二钢工件。术语“工件”以及其钢变例和铝合金变例广泛用于参考任何可电阻点焊的材料的此描述中，除了包括可以可选地存在的任何表面层的其他材料之外，该可电阻点焊的材料包括但不限于乳制金属板层、铸件或者挤出件。
[0013]例如，钢工件12包括可以是电镀(S卩，镀锌)、覆铝或者无遮盖(S卩，未涂覆)的钢基板。涂覆的或者未涂覆的钢基板可以由各种各样的钢组成，该各种各样的钢包括低碳钢(也称为软钢)、无间隙原子(IF)钢、高强度低合金(HSLA)钢或者先进高强度钢(AHSS)，诸如，双相(DP)钢、相变诱导塑性(TRIP)钢、孪晶诱导塑性(TWIP)钢、复相(CP)钢、马氏(MART)钢、热压制(冊)钢和压硬(PHS)钢。钢工件12至少在焊接点16处具有范围优选为0.3 mm至6.0 mm、0.5 mm至4.0 mm、或者更窄，0.6 mm至2.5 mm的厚度120。
[0014]铝合金工件14包括可以是涂覆的或者无遮盖的(S卩，没有自然或者涂覆的表面涂层)铝合金基板。涂覆的或者未涂覆的铝合金基板可以由铝镁合金、铝硅合金、铝镁硅合金或者招锌合金构成。例如，招合金基板可以由4xxx、5xxx、6xxx或者7xxx系列的锻造的招合金板层、或者4xxx、5xxx或者7xxx系列的招合金涂层构成，或者可以进一步用于各种各样的回火，包括退火(0)、应变硬化(H)和固溶热处理(T)。可以用作铝合金基板的更多一些的特定种类的铝合金包括但不限于5754铝镁合金、6022铝镁硅合金、7003铝锌合金和Al-1OS1-Mg压铸铝合金。另外，可以为这些和其他合适的铝合金涂覆其自然的耐高温氧化物层、锌或者转化涂层，并且通常用于电阻点焊操作的通过焊接的粘合剂或者涂封物也是可能存在的。招合金工件14至少在焊接点16处具有范围优选为0.3 mm至约6.0 mm、0.5 mm至4.0 mm、或者更窄，0.5 mm至3.0 mm的厚度140。
[0015]当为点焊进行重叠时，钢工件12包括接合面22和可到达的外表面24。同样，铝合金工件14包括接合面26和可到达的外表面28。两个工件12、14的接合面22、26彼此重叠和接触以在焊接点16处建立接合界面30。如本文所使用的，接合界面30包含钢工件12和铝合金工件14的接合面22、26之间的直接接触的例子以及间接接触的例子，在间接接触的例子中，接合面22、26彼此不接触，但是彼此足够近地靠近，诸如，当存在粘合剂、涂封物或者一些其他中间材料的薄层时，仍然可以实践电阻点焊。另一方面，钢工件12和铝合金工件14的可到达的外表面24、28在相反的方向上通常彼此背离，并且构成工件层叠结构10的第一侧18和第二侧20。
[0016]在对工件层叠结构10进行电阻点焊期间，第一焊接电极32和第二焊接电极34用于使DC电流通过工件层叠结构10并且跨越在焊接点16处的两个工件12、14的接合界面30。第一焊接电极32和第二焊接电极34中的每个电极由焊枪(诸如，C型或者X型焊枪)的单独的焊枪臂(未示出)承载。两个焊枪臂可操作以使焊接电极32、34朝彼此可缩回地汇聚或者挤压，并且当电极32、34靠在相对面上时，将范围通常在400 Ib和2000 Ib之间的夹紧力施加在电极32、34上。此外，焊枪通常与电源36相关联，该电源36通常经由焊枪臂在第一和第二焊接电极32、34之间提供DC电流通过。焊接控制器38可以与电源36界面连接以根据程序化的焊接方案来控制DC电流的通过。而且，由于工件层叠结构10与焊接电极32、34之间的电流通过生成足够的热量，因此在点焊事件期间使冷却剂(诸如，水)循环通过第一焊接电极32和第二焊接电极34的冷却剂线或者导管通常也可以提供在焊枪的焊枪臂上或者由焊枪的焊枪臂提供。
[0017]在电阻点焊方法的开始阶段，并且通常参照图1，将工件层叠结构10定位在第一焊接电极32与第二焊接电极34之间。通过操作焊枪来使第一焊接电极32和第二焊接电极34中的每一个与其相应的工件12、14形成电连通，从而使第一焊接电极32的第一焊接面40与第二焊接电极34的第二焊接面42轴向对齐。存在多个选择用于实现每个焊接电极32、34与其相应的工件12、14之间的电连通。例如，在一个实施例中，可以将第一焊接电极32的第一焊接面40直接按压在钢工件12的可到达的外表面24上，并且可以将第二焊接电极34的第二焊接面42直接按压在铝合金工件14的可到达的外表面28上。在其他实施例中，可以将导电中间构件设置在第一焊接电极32的第一焊接面40与钢工件12的可到达的外表面24之间，和/或设置在第二焊接电极34的第二焊接面42与铝合金工件14的可到达的外表面28之间。只要电流可以在电极与其相关联的工件之间流动，导电中间构件就可以是带、遮蔽其焊接面的附接至电极的焊接电极盖、在焊接电极与工件之间夹紧的盖板、或者其他任何合适的构件。
[0018]在第一焊接电极32和第二焊接电极34处于适当的位置并且已经分别与钢工件12和铝合金工件14建立电连通之后，使DC电流通过工件层叠结构10并且穿过焊接电极32、34的面对的轴向对齐的焊接面40、42之间，如图1所示。DC电流的通过在有更多电阻抗力和热阻抗力的钢工件12内并且在接合界面30处快速生成热量，这导致在铝合金工件14内发起和扩展熔融铝合金焊池44。熔融铝合金焊池44弄湿钢工件12的相邻的接合面22并且从接合界面30渗透入铝合金工件14内。更具体地，熔融铝合金焊池44渗透焊接点16处的铝合金工件14的厚度140的通常在20%至100%( S卩，一直通过工件14 )范围的距离。
[0019]可以通过焊接控制器38所控制的电源36将DC电流输送通过焊接电极32、34之间。尽管当然可以使用其他类型的电源，但是电源36优选为中频直流(MFDC)逆变电源，该MFDC逆变电源输送DC电流以在第一焊接电极32与第二焊接电极34之间流转。焊接控制器38基于包括规定的焊接方案的程序化指令，通过指定DC电流在焊接电极32、34之间流转的方式来控制电源36 AC电源的程序化特性可以命令DC电流具有恒定的电流电平、或随着时间产生脉动、或者这两者的一些组合，并且通常需要从开始到中断主要维持在5 kA与50 kA之间的电流电平并且持续40 ms至2，500 ms的持续时间，以将熔融铝合金焊池44扩展至其需要尺寸。
[0020]在中断通过第一焊接电极32的焊接面40与第二焊接电极34的焊接面42之间的DC电流之后，熔融铝合金焊池44凝固成为在焊接点16处将钢工件12和铝合金工件14结合在一起的焊接接头46，如图2所示。焊接接头46包括铝合金点焊熔核48以及通常地，一个或者多个Fe-Al金属间层50。铝合金点焊熔核48延伸进入铝合金工件14内一定距离，该距离通常在焊接点16处的铝合金工件14的厚度140的范围的20%至100%(S卩，全部渗透)，就像预先存在的熔融铝合金焊池44 一样。一个或者多个Fe-Al金属间层50位于铝合金点焊熔核48与钢工件12的在接合界面30处的接合面22之间。由于电流流动期间和在钢工件12仍然是热的时已经中断电流流动之后的一段短时间周期内熔融铝合金焊池44与钢工件12之间的相互作用，通常形成该一个或多个层50。一个或者多个Fe-Al金属间层50可以包括FeAl3、Fe2Al5、和其他化合物，并且在与两个工件12、14的厚度120、140相同的方向上测量时，通常具有约I μπι至约5 Mi的组合厚度(S卩，所有金属间层的总厚度)。
[0021]为了增加在钢工件12与铝合金工件14之间形成的焊接接头46的强度，使在焊缝16处通过工件层叠结构10的DC电流呈现锥形流动图案52，如图1所示。锥形流动图案52具有电流路径，该电流路径沿从第一焊接电极32朝第二焊接电极34引导的方向54扩展，从而使DC电流的电流密度在工件层叠结构10的至少一部分56内沿横跨从钢工件12内、越过接合面30并进入铝合金工件14中的方向54减小。事实上，如此处所示，锥形流动图案52可以从钢工件12的可到达的外表面24—直延伸到铝合金工件14的可到达的外表面28，从而使其电流流动路径从钢工件12的可到达的外表面24径向扩展到铝合金工件14的可到达的外表面28。应该注意，不管电流是否实际上从第一电极32(指定的正极性)流动到第二电极34(指定的负极性)或者从第二电极34(指定的正极性)流动到第一电极32(指定的负极性)，上面所涉及的方向54都仅仅指的是电流流动路径的径向扩展方向。
[0022]可以使DC电流以多种方式呈现出锥形流动图案52。可以对第一焊接电极32和第二焊接电极34的构造和材料构成和/或第一焊接电极32和第二焊接电极34的焊接面40、42的几何结构进行调整以引起锥形流动图案52。此外，放置在第一焊接电极32与钢工件12和/或在第二焊接电极34与铝合金工件14之间的导电中间构件也可以独自地引起锥形流动图案52或者结合上面列出的构造/构成/焊接面几何结构可能性来引起该锥形流动图案52。然而，在优选实施例中，引起锥形流动图案时，DC电流的电流密度从钢工件12的可到达的外表面24到铝合金工件14的可到达的外表面28减少(S卩，锥形流动图案52—直在这些表面24、28之间延伸并且电流流动路径沿方向54在其间径向扩展)，从而使在钢工件12的可到达的外表面24处的电流密度比在铝合金工件14的可到达的外表面28处的电流密度大1.5:1至16:1比率，或者更窄的1.5:1至5:1的比率。
[0023]可以用于引起锥形流动图案52的一种特定方式是使第二焊接电极34提供具有在焊接面42的中心处的孔或者凹陷。第一焊接电极32和第二焊接电极34的焊接面的大小和形状也可以设计为使第二焊接电极34的焊接面42在点焊期间于铝合金工件14的可到达的外表面28处形成接触片，该接触片的表面积比在钢工件12的可到达的外表面24处由第一焊接电极32的焊接面40所形成的接触片的表面积大。这可以在具有在焊接面42的中心处并且与焊接面42齐平的插入件的情况下或者不具有该插入件的情况下完成，该焊接面42的中心处的电阻力比焊接面42的周围的环形区域的电阻力大。更进一步地，作为另一种选择，可以将由导电材料组成的盖板夹紧在第二焊接电极34与铝合金工件14之间，并且其大小可以设计为与铝合金工件14的可到达的外表面28的区域进行接触，该区域比第一焊接电极32的焊接面40与钢工件12之间的接触区域大。当然可以采用其他机构来引起锥形流动图案52。的确，在美国申请号14/181，020、14/503，504、14/503，969和14/561，746以及美国临时申请号62/010，192、62/010，204和62/139，197中公开了使0(:电流呈现锥形流动图案52的方式的一些具体方法示例。这些文件中的每个文件被转让给本申请的
【申请人】，并且全部以引用的方式并入本文。
[0024]相信锥形流动图案52的引起所触发的在钢工件12和铝合金工件14内的电流密度的差异通过最终最小化在工件层叠结构10的接合界面30处并且沿该接合界面30的不想要的焊接积累缺陷，来提高焊接接头46的强度，尤其显著的是剥离强度。为了提供一些背景，图3示出了通过传统的电阻点焊过程而在铝合金工件(顶部工件)与钢工件(底部工件)之间形成的有代表性的焊接接头70的显微照片，该传统的电阻点焊过程不会在用于形成焊接接头70的DC电流中引起锥形流动图案。此处，已经在接合界面72处并且沿接合界面72发现了焊接缺陷D。除了别的之外，这些焊接缺陷D可以包括缩孔、气孔、氧化物残留物和微小破裂。当沿接合界面72呈现和分配时，相信焊接缺陷D可能减小焊接接头70的剥离强度，并且更一般地，可能负面影响并且减弱接头70的总体完整性。
[0025]在不受任何理论限制的情况下，相信在接合界面72处和沿接合界面72的焊接缺陷D的积累和分布是至少部分地归因于预先存在的熔融铝合金焊池在其转换为焊接接头70时的凝固行为。具体地，由于两种材料的不同的物理性质(即，比钢更大的热阻率和电阻率)，热失衡可以在更加热的钢工件(底部工件)与铝合金工件(顶部工件)之间产生。因此，当铝合金工件用作导热体时，钢工件用作热源，在竖直方向上产生强烈的温度梯度，这使熔融铝合金焊池从接近与铝合金工件接触的冷却器(例如，水冷)焊接电极朝接合界面72冷却和凝固。凝固前沿的路径和方向在图3中通常由箭头P表示，并且焊接接头70的边界由虚线B表示。随着凝固前沿沿路径P前进时，朝接合界面72抽除或者扫除焊接缺陷D并且在焊接接头70内的接合界面72处并且沿该接合界面72分散地结束。
[0026]现在参照图1至图2和图4，使DC电流在其穿过第一焊接电极32与第二焊接电极34之间时呈现锥形流动图案52，以起到在熔融铝合金焊接池44凝固期间避免焊接缺陷朝焊接接头46内的接合界面30处并且沿该接合界面30的宽泛地的和不需要地扩散的作用。具体地，由于其中DC电流的电流密度沿着从钢工件12内并进入铝合金工件14中的方向54减小的锥形流动图案52，与铝合金工件14相比较，在钢工件12中的较小的区域内集中热量。在钢工件12中的较小的区域内集中热量的作用产生了三维径向温度梯度和/或扩大了作用在两个工件12、14的平面内以及在熔融铝合金焊池44周围的已经存在的三维径向温度梯度。产生并且/或者扩大这种温度梯度有助于远离工件12、14的平面内的熔融铝合金焊池44的侧向热量散发(与图3中的热量定向提取到铝合金工件接触的冷却器焊接电极中完全相反)。围绕熔融铝合金焊池44的所得的增强的温度分布对熔融铝合金焊池44在其凝固成为焊接接头46时的冷却作用产生有利影响，如下面将参照图4而更加详细地描述的，因此提高了焊接接头46的强度，尤其是剥离强度。
[0027]现在参照图4所示的焊接接头80的时刻，在熔融铝焊池周围的由锥形流动图案52(图1)所产生和/或扩大的三维径向温度梯度使焊池在更加侧向的方向(即，从焊接接头80的外周朝其中央区域向内)上冷却和凝固，而不是凝固前沿在预先存在的熔融铝合金焊池转化成焊接接头80时朝接合界面82前进，如图3所示并且如上所描述的。凝固前沿的路径和方向在图4中通常由箭头P表示，并且接头80的边界由虚线B表示。路径P指向焊接接头80的中央区域，并且因此朝焊接接头80的中心抽除或者扫除焊接缺陷D，其中，使该焊接缺陷D远离接合界面82或者主要在接合界面82处聚结和停留(与沿接合界面82广泛地分散相反)。仅仅在图4中描述并且示出的熔融铝合金焊池的凝固行为可以通过在中断DC电流之后使焊接电极32、34保持与其相应的工件12、14电连通来增加。
[0028]另外，通过引起锥形流动图案52以在钢工件12中的较小的区域(与铝合金工件14比较)内集中电流，在与融熔铝合金焊池44的中心相邻的钢工件12内基本上产生热点。而且，因为钢工件12具有比铝合金工件14高的热阻率，所以热点保持完整并且在焊池44的凝固期间实际上加热在接合界面30处的熔融铝合金焊池44的中心，从而有助于焊池44的中心以参照图4的上述方式来最终凝固。在某些情况下，如图5所示，在没有使铝合金工件14足够变柔软以使第二焊接电极34陷进熔融铝合金焊池44的情况下，可以将DC电流设置为足够强以在与融熔铝合金焊池44相邻的钢工件12内发起和扩展熔融钢焊池58。在钢工件12内发起和扩展钢焊池用于最大化如下“热点”加热效果:钢工件12在焊池44凝固成为焊接接头46期间已经在接合界面处位于熔融铝合金焊池44的中心上。
[0029]如果发起并且扩展了熔融钢焊池58，优选将其包括在钢工件12内，并且，因此，不会延伸至钢工件12的接合面22或者可到达的外表面24。当通过第一焊接电极32与第二焊接电极34之间的DC电流中断时，熔融钢焊池58最终凝固成为钢工件12内的钢点焊熔核60，如图6所示。相信熔融钢焊池58的产生对焊接接头46的强度具有积极的效果。具体地，熔融钢焊池58的产生倾向于使钢工件12的接合面22远离可到达的外表面24扭曲。这种扭曲可以使钢工件12在焊接点16处变厚50%。图7示出了针对钢工件(底部工件)的接合面92而形成的焊接接头90的显微照片，该钢工件(底部工件)已经通过在钢工件内发起并且扩展熔融钢焊池而变厚。在图7中，已经利用参考符号94识别出由熔融钢焊池产生而得到的钢点焊熔核。
[0030]获益于参照图4的上述相同的熔融铝合金焊池凝固行为的在图7中所示的焊接接头90由存在于接头90的中央区域的凝聚的焊接缺陷D指示。认为，除了由锥形流动图案所生成和/或扩大的三维径向温度梯度之外，在焊接点处的钢工件(底部工件)的厚度的增加还有助于这种凝固行为。当然，相信钢工件的厚度的增加已经有助于维持在熔融铝合金焊池44(图1)的中心处的升高的温度，以允许其最终冷却和凝固，这进一步地迫使朝焊接接头90的中;L.、抽除、扫除和合并焊接缺陷D。
[0031]现在回头参照图5至图6，也认为，钢工件12的接合面22的膨胀对不必与融熔铝合金焊池44中和其周围的温度分布有关的焊接接头46的强度有其他有益效果。例如，钢工件12的接合面22的膨胀可以抑制或者破坏易于在接合界面30处形成的一个或者多个易碎的Fe-Al金属间层50 (太小而不能在图7中看见)的形成。更进一步地，一旦焊缝接头46在使用中，钢工件12的接合面22的膨胀就可以通过使裂缝沿非优选路径转向来阻碍焊接接头46周围的裂缝传播。
[0032]优选示例性实施例和相关示例的上述描述本身仅仅是描述性的；其并不意图限制以下权利要求书的范围。所附权利要求书中所使用的术语中的每个术语应该给予其普通的和习惯的含义，除非在说明书中另有具体的和明白的规定。
【主权项】
1.一种电阻点焊工件层叠结构的方法，所述工件层叠结构包括钢工件和铝合金工件；所述方法包括: 提供包括钢工件和铝合金工件的工件层叠结构，所述钢工件具有接合面，所述接合面与所述铝合金工件的接合面重叠和接触以在焊接点处建立接合界面； 使第一焊接电极在焊接点处与所述钢工件形成电连通； 使第二焊接电极在焊接点处与所述铝合金工件形成电连通； 使DC电流在焊接点处通过所述工件层叠结构并且在所述第一焊接电极和所述第二焊接电极之间通过，以在所述铝合金工件内发起和扩展熔融铝合金焊池，所述DC电流呈现锥形流动图案，以所述锥形流动图案，电流流动路径沿从所述第一焊接电极朝所述第二焊接电极的引导的方向径向扩展，从而使所述DC电流的电流密度在工件层叠结构的至少一部分内沿横跨从钢工件内、越过接合面并进入铝合金工件中的方向减小。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述铝合金工件至少在所述焊接点处具有0.5mm至4.0 mm的范围的厚度，以及其中所述钢工件至少在所述焊接点处具有0.5 mm至4.0 mm的范围的厚度。3.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括: 使在所述焊接点处通过所述工件层叠结构的所述DC电流中断，以允许所述熔融铝合金焊池凝固成为焊接接头，所述焊接接头使所述钢工件和所述铝合金工件在其接合界面处结合在一起，所述焊接接头包括招合金点焊恪核。4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述焊接接头进一步包括在所述铝合金点焊熔核与所述钢工件的接合面之间的一个或者多个Fe-Al金属间层。5.根据权利要求1所述的方法，其中，通过将所述第二焊接电极在所述焊接点处直接按压在所述铝合金工件上来使所述第二焊接电极与所述铝合金工件形成电连通。6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述钢工件包括可到达的外表面，并且所述铝合金工件包括可到达的外表面，以及其中，锥形流动图案的电流流动路径从所述钢工件的可至_的外表面向所述铝合金工件的可到达的外表面径向扩展，从而使所述DC电流的电流密度沿从所述钢工件的可到达的外表面到所述铝合金工件的可到达的外表面的方向减小。
【文档编号】B23K11/11GK106001886SQ201610189975
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年3月30日
【发明人】D.R.西勒, B.E.卡尔森
【申请人】通用汽车环球科技运作有限责任公司