CN104227212B - 钢至预涂布的铝的电阻点焊 - Google Patents

Abstract

本发明涉及钢至预涂布的铝的电阻点焊。具体地，通过用更有利于点焊过程的保护涂层替代在铝或铝合金工件的至少配合面上的耐高温的氧化铝基的层可帮助将钢工件电阻点焊到铝或铝合金工件。保护涂层可以是金属涂层或金属氧化物转化涂层。在优选实施例中，保护涂层是锌涂层、锡涂层或钛、锆、铬或硅的氧化物的涂层。

Description

钢至预涂布的铝的电阻点焊

本申请要求2013年6月7日提交的美国临时专利申请No. 61/832,482的权益，该美国临时专利申请的全部内容通过引用合并于此。

技术领域

本发明的技术领域总体涉及电阻点焊，更具体地，涉及将钢工件电阻点焊到铝或铝合金工件。

背景技术

电阻点焊是许多行业用于将两个或多个金属工件接合在一起的方法。例如，汽车行业在制造车门、引擎盖、后备箱盖或升降门等期间经常使用电阻点焊将预制的金属工件接合在一起。通常沿金属工件的周缘或一些其它结合区域形成许多焊点，以确保构件结构上可靠。尽管通常实施点焊来将某些类似组成的金属工件诸如钢至钢和铝合金至铝合金接合在一起，但将较轻重量的材料加入车身结构中的期望引起对通过电阻点焊将钢工件接合到铝或铝合金（为了简洁起见，在下文中总称为“铝”）工件的兴趣。

一般而言，电阻点焊依赖于对通过接触金属工件和横跨它们的配合界面的电流流动的阻碍来产生热量。为了执行这种焊接过程，一对相对的点焊电极通常被夹持在预定焊接位置处的工件的相对侧上的沿直径对齐的点处。于是电流通过金属工件从一个电极到达另一个电极。对此电流流动的阻碍在金属工件内和它们的配合界面处产生热量。当被焊接的金属工件是钢工件和铝工件时，在配合界面处产生的热量开始在铝合金工件中形成熔化的熔池。此熔化的铝合金熔池浸润钢工件的相邻表面，并且在停止电流流动时，固化为焊缝。在完成点焊过程之后，从焊接电极各自的工件表面缩回焊接电极，并且在另一焊接位置重复点焊过程。

将钢工件点焊到铝工件存在一些挑战。这两种类型的金属具有倾向于破坏焊接过程的若干显著的差异。其中一个差异是钢具有相对高的熔点（~1500°C）和相对高的电阻率，而铝具有相对低的熔点（~600°C）和相对低的电阻率。由于这些物理差别，在电流流动期间铝比钢熔化的更快并且在低很多的温度下熔化。在电流流动已经终止之后，铝还比钢更快地冷却。因此，在焊接电流停止之后立即发生下述情况，即，热量保持在钢工件中并最终朝向铝工件侧上的电极传导通过铝工件。钢工件中保持的高温和两个工件之间产生的陡峭的热梯度有利于在配合界面处生长脆弱的Fe-Al金属间化合物。如果Fe-Al金属间化合物的生长过度，则它们继而可降低焊缝的强度和延展性。

这两种金属之间的另一个显著差异是铝在其表面上包含在磨压操作（例如，退火、溶体处理、铸造等）和环境暴露期间产生的一个或多个耐高温氧化物层（为简洁起见，在下文中总称为单个氧化物层）。主要由氧化铝构成的该氧化物层是电绝缘的、机械坚固的和在空气中自我修复的。这些特征不利于将钢工件点焊到铝工件的运作方式。具体地，表面氧化物层升高铝工件（即，在其配合表面和电极/工件接触界面处）的电接触电阻，由此导致在那些界面处产生过多的热量，使得难以将热量有效地集中在铝工件内。表面氧化物层的机械坚固性也阻止浸润钢工件。此外，铝工件表面上的耐高温氧化物层所导致的问题由于氧化物层在存在氧被损坏时可自我修复或再生的事实而变得更加复杂。

发明内容

通过用不同的保护涂层替代铝工件的配合面上的至少耐高温氧化铝基层增强了电阻点焊钢工件和铝工件的能力。替代的保护涂层可以是熔点比铝（金属）的熔点低的金属涂层，或者可以是金属氧化物转化涂层。可用于制成金属涂层的金属的例子是锌和锡。可出现在金属氧化物转化涂层中的金属氧化物的例子是钛、锆、铬或硅的氧化物。根据涂层的类型，保护涂层的各处可以为约1nm至约10μm厚。

保护涂层防止基础的铝与空气中的氧反应以再生其自然形成的耐高温的氧化铝基的层。它也比它所替代的基于氧化铝的层对点焊过程的破坏小，这促进在工件之间形成更牢固的焊接。具体地，与耐高温的氧化铝基的层相比，保护涂层导电性更好并且在点焊过程所施加的热和机械应力下更容易熔化或破碎。保护涂层的这些性质使得熔化的铝合金熔池更容易直接接触和浸润钢工件的相邻部分。

通过电阻点焊将钢工件接合到铝工件的优选方法开始于用保护涂层替代在铝工件的配合面处的至少标准的基于氧化铝的层，焊接电流将通过该配合面。这可通过致使形成期望的特定保护涂层（例如，金属或金属氧化物转化）的任何合适的技术完成。然后，钢工件和铝工件被组装为工件层叠结构并相对于带有一对相对的点焊电极的焊枪安置。接着，点焊电极抵靠层叠结构的相反侧按压，一个抵靠钢工件，一个抵靠铝工件，并且焊接电流在其间通过。

在电流流动期间，铝工件的配合面处的保护涂层熔化或破裂以允许熔化的铝合金熔池直接接触焊接位置处的钢。在焊接电流停止流动之后，形成将钢工件和铝工件冶金接合在一起的的焊缝。焊缝包括延伸到铝工件中的铝合金焊核和在铝合金焊核和钢工件之间的金属间层。金属间层包括铁铝（“Fe-Al”）金属间层，并且足够薄至保持两个工件之间的高焊接强度。至少部分地由于保护涂层在铝工件的配合面上的存在和由此缺少否则将存在的耐高温的氧化铝基的层，具有保持这种薄金属间层的能力。

本发明还提供如下方案：

1. 一种通过电阻点焊将钢工件接合到铝或铝合金工件的方法，所述方法包括：

提供铝或铝合金工件，其包括配合面和电极接触面，其中，至少配合面具有覆盖在主体铝或铝合金基础衬底上的一个或多个基于氧化铝的层；

用保护涂层替代铝或铝合金工件的配合面处的基于氧化铝的层的至少一部分，所述保护涂层是（1）熔点比铝的熔点低的金属涂层或（2）金属氧化物转化涂层；

使铝或铝合金工件的配合面与钢工件的配合面重叠，以在工件之间形成配合界面，其中，铝或铝合金工件的配合面的保护涂层存在于焊接位置处；

使电流通过工件并在焊接位置处跨越配合界面以在铝或铝合金工件内开始形成和生长浸润钢工件的相邻表面的熔化熔池；以及

允许铝或铝合金工件内的熔化熔池固化为焊缝。

2. 根据方案1所述的方法，其特征在于，保护涂层是锡涂层。

3. 根据方案2所述的方法，其特征在于，用锡涂层替代基于氧化铝的层的至少一部分包括：

将铝或铝合金工件浸入包括锡酸钠的碱性溶液中。

4. 根据方案1所述的方法，其特征在于，保护涂层是锌涂层。

5. 根据方案4所述的方法，其特征在于，用锌涂层替代基于氧化铝的层的至少一部分包括：

将铝或铝合金工件浸入包括锌酸钠的碱性溶液中。

6. 根据方案1所述的方法，其特征在于，保护涂层是包括钛、锆、铬或硅的氧化物的金属氧化物转化涂层。

7. 根据方案6所述的方法，其特征在于，用氧化钛转化涂层替代基于氧化铝的层的至少一部分包括：

将铝或铝合金工件浸入溶解基于氧化铝的层的溶液中；

将铝或铝合金工件浸入包括反应性有机金属钛化合物的溶液中；以及

从包括反应性有机金属钛化合物的溶液中去除铝或铝合金工件并将工件暴露于空气。

8. 根据方案6所述的方法，其特征在于，用氧化锆转化涂层替代基于氧化铝的层的至少一部分包括：

将铝或铝合金工件浸入溶解基于氧化铝的层的溶液中；

将铝或铝合金工件浸入包括反应性有机金属锆化合物的溶液中；以及

从包括反应性有机金属锆化合物的溶液中去除铝或铝合金工件并将工件暴露于空气。

9. 根据方案6所述的方法，其特征在于，用氧化铬转化涂层替代基于氧化铝的层的至少一部分包括：

将铝或铝合金工件浸入溶解基于氧化铝的层的溶液中；以及

将铝或铝合金工件浸入包括反应性有机金属铬化合物的溶液中。

10. 根据方案1所述的方法，其特征在于，用氧化硅转化涂层替代基于氧化铝的层的至少一部分包括：

将铝或铝合金工件浸入溶解基于氧化铝的层的溶液中；以及

将铝或铝合金工件浸入包括反应性二氧化硅化合物的溶液中。

11. 根据方案1所述的方法，其特征在于，钢工件是电镀钢工件。

12. 一种通过电阻点焊将钢工件接合到铝或铝合金工件的方法，所述方法包括：

提供包括钢工件和铝或铝合金工件的工件层叠结构，工件层叠结构具有在钢工件和铝或铝合金工件之间在焊接位置处的配合界面，铝或铝合金工件包括在配合界面处的保护涂层，保护涂层是（1）熔点比铝的熔点低的金属涂层或（2）金属氧化物转化涂层；

使电流通过工件层叠结构并在焊接位置处跨越配合界面以在铝或铝合金工件内开始形成和生长浸润钢工件的相邻表面的熔化熔池；以及

允许铝或铝合金工件内的熔化熔池固化为焊缝。

13. 根据方案12所述的方法，其特征在于，保护涂层替代覆盖在主体铝或铝合金基础衬底上的一个或多个基于氧化铝的层。

14. 根据方案12所述的方法，其特征在于，保护涂层是锌涂层或锡涂层。

15. 根据方案12所述的方法，其特征在于，保护涂层是包括钛、锆、铬或硅的氧化物的金属氧化物转化涂层。

16. 根据方案12所述的方法，其特征在于，钢工件是电镀钢工件。

17. 一种通过电阻点焊将钢工件接合到铝合金工件的方法，所述方法包括：

提供包括主体铝合金基础衬底和覆盖主体铝合金基础衬底的一个或多个基于氧化铝的层的铝合金工件；

用保护涂层替代基于氧化铝的层的至少一部分，保护涂层是（1）熔点比铝的熔点低的金属涂层或（2）金属氧化物转化涂层；

将铝合金工件和钢工件组装为工件层叠结构，其中，铝合金工件和钢工件重叠以在焊接位置处形成配合界面，当被组装到工件层叠结构中时铝合金工件具有电极接触面和配合面，并且其中，铝合金工件的保护涂层存在并覆盖在焊接位置处的电极接触面和配合面中每个处的主体铝合金基础衬底；以及

在焊接位置点焊工件层叠结构以在铝合金和钢工件的配合界面处形成焊缝。

18. 根据方案17所述的方法，其特征在于，保护涂层是锌涂层或锡涂层。

19. 根据方案17所述的方法，其特征在于，保护涂层是包括钛、锆、铬或硅的氧化物的金属氧化物转化涂层。

20. 根据方案17所述的方法，其特征在于，焊缝包括铝合金焊核和位于铝合金焊核和钢工件的钢基础衬底之间的Fe-Al金属间层，Fe-Al金属间层具有在0.1μm至5μm范围内的厚度。

附图说明

图1是包括钢工件和铝工件并且位于一对相对的点焊电极之间的工件层叠结构的侧面立视图；

图2是图1所示的工件层叠结构和相对的点焊电极的分解图；

图3是图2所描绘的铝工件的取自圈3的局部放大图；

图4是用于将存在于铝工件表面上的耐高温的氧化铝基的层替代为保护层的过程的一个实施例的示意图；

图5是用于将存在于铝工件表面上的耐高温的氧化铝基的层替代为保护层的过程的另一个实施例的示意图；

图6是用于将存在于铝工件表面上的耐高温的氧化铝基的层替代为保护层的过程的又一个实施例的示意图；

图7是包括钢工件和铝工件的工件层叠结构在点焊这两个工件期间的剖视图；

图8是包括主体和在主体一端处的焊接面的点焊电极的侧面立视图；以及

图9是已被焊接在一起的钢工件和铝工件的剖视图。

具体实施方式

图1-3大体描绘被组装以便在预定焊接位置14处进行电阻点焊的钢工件10和铝工件12。钢工件10优选是电镀的或镀锌的低碳钢。当然可以使用其它类型的钢工件，包括例如，低碳钢或电镀的先进高强度钢（AHSS）。在钢工件10中可使用的一些特定类型的钢是无间隙（IF）钢、双相（DP）钢、相变诱导塑性（TRIP）钢和加压硬化钢（PHS）。至于铝工件12，其可包括铝镁合金、铝硅合金、铝镁硅合金、铝锌合金或铝金属。在铝工件12中可使用的一些特定的铝合金是AA5754铝镁合金、AA6022铝镁硅合金和AA7003铝锌合金。术语“工件”及其钢和铝的变更在本发明中广泛地用于指钢金属层、铸件、压制件或可电阻点焊的任何其它构件，包括任何表面层或涂层（如果存在的话）。

当层叠以便进行点焊时，钢工件10包括配合面16和电极接触面18。类似地，铝工件12包括配合面20和电极接触面22。两个工件10、12的配合面16、20重叠并彼此面对，并优选直接接触，以在焊接位置14处提供配合界面24。钢工件10和铝工件12的电极接触面18、22大体上沿相反方向彼此背离，从而使得一对相对的点焊电极26可以接近它们。在焊接位置14处，钢工件10和铝工件12中的每个优选具有在约0.3mm至约6.0mm且更优选在约0.5mm至约4.0mm的范围内的厚度100、120。在点焊期间，如下文将进一步描述的，将钢工件10和铝工件12冶金接合在一起的焊缝92（图9）形成在配合界面24处。

通过至少在配合面20处（在图3中最佳示出）将铝工件的标准的耐高温的氧化铝基的层替换为另一种不同的保护涂层28来准备用于点焊的铝工件12，其中，在点焊期间电流将通过配合面20。保护涂层28可以是比铝具有更低熔点的金属涂层。可用于制成这种涂层的金属的一些明显的例子是锌和锡。保护涂层28还可以是金属氧化物转化涂层。在这种涂层中可出现的金属氧化物的一些明显的例子是钛、锆、铬或硅的氧化物。根据涂层类型，保护涂层28的厚度280可在各处在约1nm至约10μm的范围内。例如，金属涂层的可接受厚度为约10nm至约10μm，并且金属氧化物转化涂层的可接受厚度为约1nm至约100nm。

保护涂层28防止主体基础的铝基础衬底30与氧反应从而再生其标准的耐高温的氧化铝基的层。与通常出现在铝表面上的耐高温的氧化铝基的层相比，保护涂层28导电性更好并且在点焊过程所施加的热和机械应力下更容易熔化或破裂，因此允许在焊接位置14处更容易接近在点焊期间形成在铝基础衬底30中的熔化的铝合金熔池。例如，如果保护涂层28是锌或锡金属涂层，则保护涂层28将在焊接进度的早期熔化。在另一方面，如果保护涂层28是金属氧化物转化涂层，则它将也在焊接进度的早期在与点焊过程相关的热和机械应力下断裂或分解。此外，一旦在点焊期间去除保护涂层28，它就不会再生，因为它不像它所替代的自然形成的氧化铝基的层那样具有自我修复的能力。尽管刚刚已经描述了保护涂层28存在于铝工件12的配合面20处，但是应该明白，类似构造的保护涂层32也可存在于，并且实际上优选存在于，电极接合发生的电极接触面22处。

保护涂层28在配合面20处的存在促进铝直接暴露于点焊期间电流流过的区域中和附近的钢。由于若干原因，钢和铝之间的这种亲近的暴露被认为在两个工件10、12之间产生牢固的焊缝92。第一，耐高温的氧化铝基的层的缺少允许通过熔化的铝更快速和完全地浸润钢。并且当钢工件10是电镀钢工件时，保护涂层28熔化或分解的容易性允许钢工件10上的镀锌涂层易于被在铝工件12中开始形成的熔化铝合金熔池吸收和与其形成合金，这进一步促进浸润。第二，更好地浸润钢工件10的能力允许使用较短的焊接进程。第三，缺少耐高温的氧化铝基的层减少了配合界面24处的热量产生，这有助于通过限制Fe-Al金属间化合物的形成和生长提高焊缝强度。最后，较短的焊接进程和配合界面24处减少的热量产生的组合限制了钢工件中的热量积累，意味着焊接位置14以较快的速率冷却并且最小化了对热影响区内的周围金属的损坏。

保护涂层28可用任何合适的方式替代标准的耐高温的氧化铝基的层。例如，为了采用锌涂层作为保护涂层28，可进行镀锌过程。为了示范此过程，现在参照图4，包括主体铝基础衬底36和覆盖在铝基础衬底36上的耐高温的氧化铝基的层38的铝工件34优选被浸入包括锌酸钠的碱性溶液40中。耐高温的氧化铝基的层38不稳定并溶解在这种溶液中，留下铝基础衬底36的反应表面42，反应表面42是无覆盖物的或仅包括不能防止铝基础衬底36被进一步氧化或发生其它化学反应的很薄的耐高温的氧化铝基的层38。此反应铝表面42被快速镀以锌涂层44，其具有约10nm至约2μm的优选厚度，并且根据以下反应来自于存在于碱性溶液40中的锌酸盐阴离子 ：

。

保护涂层28可按类似方式形成为锡涂层。具体地，并仍参照图4，优选同样将铝工件34浸入碱性溶液40，在此情况下其包括锡酸钠。并且同前，耐高温氧化物层38不稳定并溶解到碱性溶液40中，留下铝基础衬底36的反应表面42。然后，反应铝表面42被快速镀以锡涂层46，其具有约10nm至约2μm的优选厚度，并且根据以下反应来自于存在于碱性溶液40中的六价锡酸盐阴离子：

。

可通过稍微不同的过程将保护涂层28形成为氧化钛涂层（也常被称作钛酸盐），如图5大体示出的。为了形成这种涂层，优选首先将铝工件34浸入可使耐高温的氧化铝基的层38变薄或将其完全去除的溶液48中。例如，氢氧化钠或氢氟酸之一可溶解耐高温氧化物层38并留下铝基础衬底36的反应表面42，反应表面42可是无覆盖物的铝或包括不能防止铝基础衬底36被进一步氧化或发生其它化学反应的很薄的耐高温的氧化铝基的层。接着，将铝工件34浸入包括反应性有机金属钛化合物的溶液50中。例如，反应性有机金属钛化合物可以是异丙氧基钛或乙氧基钛，各自优选在诸如正己烷的低沸点有机溶剂中溶解，以将钛化合物与空气中的湿气隔离。当从溶液50中取出铝工件34时，低沸点有机溶剂蒸发并且反应性有机金属钛化合物与空气中的湿气（即，水）反应，以在铝基础36的表面42上形成一致的氧化钛涂层52。氧化钛涂层52具有约1nm至约50nm更优选地为约1nm至约20nm的优选厚度。以下反应提供如何形成氧化钛涂层52的其它细节，其中，“R”表示反应性有机金属钛化合物的有机基团（例如，异丙氧基或乙氧基，等）：

。

氧化锆涂层也优选用与氧化钛涂层大体相同的方式形成。就是说，首先将铝工件34浸入溶液48中，以使耐高温的氧化铝基的层38变薄或将其完全去除，之后，浸入溶液50，在本实施例中，溶液50包括反应性有机金属锆化合物。这里，溶液50优选包括溶解在诸如正己烷的低沸点有机溶剂中的乙氧基锆（IV）和/或异丙氧基锆（IV）。当从溶液50中去除铝工件34时，低沸点有机溶剂蒸发并且反应性有机金属锆化合物与空气中的湿气（即，水）反应，以在主体铝基础衬底36的表面42上形成一致的氧化锆涂层54。氧化锆涂层54具有约1nm至约50nm更优选地为约1nm至约20nm的优选厚度。

保护涂层28可通过与由氧化钛或氧化锆形成的保护涂层稍微不同的方式由氧化铬或氧化硅形成。为了形成氧化铬涂层，例如，如图6所示，如上，优选首先将铝工件34浸入溶液48中，以使耐高温的氧化铝基的层38变薄或将其完全去除。然后，将铝工件34浸入溶液50，在本实施例中，溶液50包括反应性有机金属铬化合物。若干合适的反应性铬化合物包括铬酸或铬盐，分别包括铬酸盐和/或重铬酸盐，诸如，铬酸钾或重铬酸钾。与之前的氧化钛和氧化锆稍微不同，当铝工件34浸在溶液50中时，不可溶氧化铬涂层56沉淀在反应性铝表面42上。氧化铬涂层56具有约1nm至约50nm更优选地为约1nm至约20nm的优选厚度。

氧化硅涂层优选用与氧化铬涂层大体相同的方式形成。首先，仍参照图6，将铝工件34浸入溶液48中，以使耐高温的氧化铝基的层38变薄或将其完全去除。然后，将铝工件34浸入溶液50，在本实施例中，溶液50现包括反应性氧化硅化合物。反应性氧化硅化合物优选是含水二氧化硅微粒。可通过使诸如正硅酸乙酯（TEOS）的有机硅化合物溶解在有助于TEOS水解为含水二氧化硅的溶剂中在溶液50中获得这些微粒。可水解TEOS的一种溶剂是盐酸。当干净的铝工件34被浸入溶液50中时，含水二氧化硅微粒直接地和/或通过替代包含仍残留的任意残留量的氧化铝层38中的铝沉积到反应铝表面42上。所得到的氧化硅涂层58具有约1nm至约50nm更优选地为约1nm至约20nm的优选厚度。

示出了对于图7-9总体示出的层叠结构60的根据以上论述的点焊过程的优选实施例。这里，钢工件10是低碳电镀钢工件，并且铝工件12是铝合金工件。电镀钢工件10包括主体低碳钢基础衬底62，其内侧64和外侧66上覆盖有锌涂层68、70。低碳钢基础衬底62具有约0.5mm至约3.0mm的厚度620，并且每个锌涂层68、70为约2μm至约16μm厚。钢工件10被点焊到的铝工件12包括主体铝合金基础衬底72和在内侧74和外侧76中每个上的上述保护涂层28、32。铝合金基础衬底72具有约0.5mm至约4.0mm的厚度720。并且每个保护涂层28、32对于金属涂层优选为约10nm至约2μm厚，或者对于金属氧化物转化涂层为约1nm至约20nm厚。

因此，层叠结构60的剖视图包括以下部件，从电镀钢工件10的电极接触面18开始到铝工件12的电极接触面22结束：覆盖在钢基础衬底62的外侧66上的锌涂层70、钢基础衬底62、覆盖在钢基础衬底62的内侧64上的锌涂层68、覆盖在铝合金基础衬底72的内侧74上的保护涂层28、铝合金基础衬底72和覆盖在铝合金基础衬底72的外侧76上的保护涂层32。这里，覆盖在钢基础衬底62的内侧64上的锌涂层68和覆盖在铝合金基础衬底72上的保护涂层28在开始焊接之前在两个工件10、12之间建立配合界面24。并且如以上解释的，保护涂层28在配合界面24处的存在相比其所替代的电绝缘、机械坚固的耐高温的氧化铝基的层更有利于点焊。

可根据常规点焊实践将钢工件10和铝工件12点焊在一起。焊枪（示出局部）提供将钢工件10点焊到铝工件12所需的电流。这里，示出了构成焊枪的一部分的第一枪臂78和第二枪臂80的端部。第一枪臂78带有第一焊接电极82，并且第二枪臂80带有第二焊接电极84，它们各自具有合适的机械和电特性。枪臂78、80可以是静止的（台座式焊机）或可通过机器人移动的，如本领域常见的，并且在点焊期间被操作以相对于钢工件10和铝工件12的在焊接位置14处沿直径彼此对齐的背对的电极接触面18、22按压焊接电极82、84。枪臂78、80确定的夹持力帮助在焊接电极82、84以及它们各自的电极接触面18、22之间建立良好的机械和电接触。

第一焊接电极82和第二焊接电极84优选是包括主体86和在主体86一端处的焊接面88的水冷式铜合金焊接电极，如图8所示。焊接面88是电极82、84的一部分，其与其指定的工件10、12的电极接触面18、22接触。在每个焊接电极82、84上可采用任何合适的焊接面设计。例如，与铝工件12接合的焊接电极84优选包括半球形焊接面，如图8具体示出的，并且可以是平滑的、有纹理的或具有诸如突起的环脊的表面特征。在美国专利No.6861609、8222560和8274010、8436269和8525066以及美国专利申请公开No.2009/0255908中描述了这些类型的铜合金焊接电极的一些例子。与钢工件10接合的焊接电极82优选包括平坦的或半球形的焊接面，其具有平滑表面，如在本领域中被充分理解的。

电阻点焊过程开始于将层叠结构60安置在第一焊接电极82和第二焊接电极84之间，使得焊接位置14与相对的焊接面88大体对齐。工件层叠结构60被带至这样的位置，这在枪臂78、80是静止的台座式焊机的一部分或者枪臂78、80可通过机器人移动以相对于焊接位置14安置电极82、84时是通常的情形。一旦合适地安置层叠结构60，第一枪臂78和第二枪臂80就靠拢以相对于焊接位置14处的钢工件10和铝工件12的背对的电极接触面18、22按压第一焊接电极82和第二焊接电极84的焊接面88，如图7所示。

然后，焊接电流，通常是约5kA至约50kA之间的直流电流，在第一焊接电极82和第二焊接电极84之间流过，并在焊接位置14处通过层叠结构60。对通过工件10、12的焊接电流流动的阻碍开始导致钢基础衬底62比铝合金基础衬底72更快地升温，因为它具有更高的电阻率。这种热量不平衡导致从钢基础衬底62到铝合金基础衬底72产生温度梯度。热沿温度梯度的流动，连同由于对流过配合界面24的焊接电流的阻碍而产生的热量，最终熔化锌涂层68（锌具有约420℃的熔点）。保护涂层28，如果由锌或锡（锡具有约232℃的熔点）组成，也将在此时刻左右熔化。然而，如果保护涂层28由任何上述金属氧化物组成，则由于这些氧化物的相对高的熔点而不一定熔化。反而，由于其相对薄的特征和不可自我修复的性质，保护涂层28将在电极82、84的夹持压力和焊接电流所施加的机械和热应力下破裂和分解。

最后，当焊接电流继续通过时，铝合金基础衬底72在焊接位置14处熔化，以形成熔化的铝合金熔池90。在铝合金基础衬底72上的保护涂层28的之前和/或同时的熔化（如果是锌或锡涂层的话）或在铝合金基础衬底72上的保护涂层28的破裂（如果是金属氧化物转化涂层的话）允许熔化的铝合金熔池90吸收来自钢工件10的熔化的锌并且直接接触钢基础衬底62的内侧64。这类直接接触有助于用熔化的铝合金熔池90直接浸润钢基础衬底62。用熔化的铝合金熔池90直接浸润钢基础衬底62被认为是提高最终形成在两个工件10、12之间的焊缝的强度的因素，如已经解释的。

随着点焊过程进行，之前存在的锌涂层68和保护涂层28的残留物可与熔化的铝合金熔池90形成合金或被其占据（engrossed）和/或沿配合界面24从焊接位置14被径向挤压出去。例如，锌或铁（从钢基础衬底62扩散出的铁）将溶解在熔化的铝合金熔池90中。锡基本上不会。可出现在保护涂层28中的金属氧化物还可被并入熔化的铝合金熔池90中，作为微粒包含物。可出现在熔化的铝金属熔池90中的这些成分变化不会对焊缝92的强度和完整性有明显害处。

当停止焊接电流时，熔化的铝金属熔池固化以形成焊缝92，如图9总体示出的。焊缝92可包括铝合金焊核94和Fe-Al金属间层96。铝合金焊核94在铝合金基础衬底72中延伸至优选在铝合金基础衬底72的厚度720的约20%至约80%范围内的距离。Fe-Al金属间层96位于铝合金焊核94和钢基础衬底62之间。当沿焊接电流流动方向测量时，Fe-Al金属间层96为约0.1μm至约5μm厚，并且优选约1μm至约2μm厚，这足够小至保持两个工件10、12之间的高焊接强度。

在停止焊接电流之后不久，第一焊接电极78和第二焊接电极80从它们接合的工件表面18、22缩回，分别在钢工件10和铝工件12的电极接触面18、22上留下附加的接触印迹98、99。然后，层叠结构60被重新安置在另一焊接位置14处的第一焊接电极82和第二焊接电极84之间，或移开，从而可安置用于点焊的另一层叠结构60。然后以相同方式形成更多焊点。

优选的示例性实施例和相关例子的以上描述在本质上仅是描述性的，它们并非意在限制下述权利要求的范围。在所附权利要求中使用的每个术语具有其常见和惯用的意义，除非在说明书中具体和明确地陈述。

Claims (19)

1.一种通过电阻点焊将钢工件接合到铝或铝合金工件的方法，所述方法包括：

提供铝或铝合金工件，其包括配合面和电极接触面，其中，至少配合面具有覆盖在主体铝或铝合金基础衬底上的一个或多个基于氧化铝的层；

用保护涂层替代铝或铝合金工件的配合面处的基于氧化铝的层的至少一部分以变薄或完全去除基于氧化铝的层，所述保护涂层是（1）熔点比铝的熔点低的金属涂层或（2）金属氧化物转化涂层；

使铝或铝合金工件的配合面与钢工件的配合面重叠，以在工件之间形成配合界面，其中，铝或铝合金工件的配合面的保护涂层存在于焊接位置处；

使电流通过工件并在焊接位置处跨越配合界面以在铝或铝合金工件内开始形成和生长浸润钢工件的相邻表面的熔化熔池；以及

允许铝或铝合金工件内的熔化熔池固化为焊缝。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，保护涂层是锡涂层。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，用锡涂层替代基于氧化铝的层的至少一部分包括：

将铝或铝合金工件浸入包括锡酸钠的碱性溶液中。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，保护涂层是锌涂层。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，用锌涂层替代基于氧化铝的层的至少一部分包括：

将铝或铝合金工件浸入包括锌酸钠的碱性溶液中。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，保护涂层是包括钛、锆、铬或硅的氧化物的金属氧化物转化涂层。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，用氧化钛转化涂层替代基于氧化铝的层的至少一部分包括：

将铝或铝合金工件浸入溶解基于氧化铝的层的溶液中；

将铝或铝合金工件浸入包括反应性有机金属钛化合物的溶液中；以及

从包括反应性有机金属钛化合物的溶液中取出 铝或铝合金工件并将工件暴露于空气。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，用氧化锆转化涂层替代基于氧化铝的层的至少一部分包括：

将铝或铝合金工件浸入溶解基于氧化铝的层的溶液中；

将铝或铝合金工件浸入包括反应性有机金属锆化合物的溶液中；以及

从包括反应性有机金属锆化合物的溶液中取出 铝或铝合金工件并将工件暴露于空气。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，用氧化铬转化涂层替代基于氧化铝的层的至少一部分包括：

将铝或铝合金工件浸入溶解基于氧化铝的层的溶液中；以及

将铝或铝合金工件浸入包括反应性有机金属铬化合物的溶液中。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，用氧化硅转化涂层替代基于氧化铝的层的至少一部分包括：

将铝或铝合金工件浸入溶解基于氧化铝的层的溶液中；以及

将铝或铝合金工件浸入包括反应性二氧化硅化合物的溶液中。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，钢工件是电镀钢工件。

12.一种通过电阻点焊将钢工件接合到铝或铝合金工件的方法，所述方法包括：

提供包括钢工件和铝或铝合金工件的工件层叠结构，工件层叠结构具有在钢工件和铝或铝合金工件之间在焊接位置处的配合界面，铝或铝合金工件包括在配合界面处的保护涂层，保护涂层是（1）熔点比铝的熔点低的金属涂层或（2）金属氧化物转化涂层，所述保护涂层替代覆盖在主体铝或铝合金基础衬底上的一个或多个基于氧化铝的层的至少一部分以变薄或完全去除基于氧化铝的层；

使电流通过工件层叠结构并在焊接位置处跨越配合界面以在铝或铝合金工件内开始形成和生长浸润钢工件的相邻表面的熔化熔池；以及

允许铝或铝合金工件内的熔化熔池固化为焊缝。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，保护涂层是锌涂层或锡涂层。

14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，保护涂层是包括钛、锆、铬或硅的氧化物的金属氧化物转化涂层。

15.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，钢工件是电镀钢工件。

16.一种通过电阻点焊将钢工件接合到铝合金工件的方法，所述方法包括：

提供包括主体铝合金基础衬底和覆盖主体铝合金基础衬底的一个或多个基于氧化铝的层的铝合金工件；

用保护涂层替代基于氧化铝的层的至少一部分以变薄或完全去除基于氧化铝的层，保护涂层是（1）熔点比铝的熔点低的金属涂层或（2）金属氧化物转化涂层；

将铝合金工件和钢工件组装为工件层叠结构，其中，铝合金工件和钢工件重叠以在焊接位置处形成配合界面，当被组装到工件层叠结构中时铝合金工件具有电极接触面和配合面，并且其中，铝合金工件的保护涂层存在并覆盖在焊接位置处的电极接触面和配合面中每个处的主体铝合金基础衬底；以及

在焊接位置点焊工件层叠结构以在铝合金和钢工件的配合界面处形成焊缝。

17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，保护涂层是锌涂层或锡涂层。

18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，保护涂层是包括钛、锆、铬或硅的氧化物的金属氧化物转化涂层。

19.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，焊缝包括铝合金焊核和位于铝合金焊核和钢工件的钢基础衬底之间的Fe-Al金属间层，Fe-Al金属间层具有在0.1μm至5μm范围内的厚度。