CN104646814A - 铝合金到钢的焊接工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了铝合金到钢的焊接工艺。一种电阻点焊方法可以包括点焊工件叠层，该工件叠层包括彼此叠加以提供结合界面的钢工件和铝合金工件。一对相对焊接电极被按压抵靠工件叠层的相反侧，一个焊接电极接触铝合金工件并且另一个焊接电极接触钢工件。焊接电极构造成使得当电流在电极之间通过并且穿过工件叠层时，电流在钢工件中具有的电流密度比在铝合金工件中大，由此在钢工件中更小的区域内集中热量。在钢工件内更小的区域内集中热量被相信是以期望的方式改变所产生的熔化铝合金焊池的凝固行为。

Description

铝合金到钢的焊接工艺
相关申请的交叉引用
本申请要求2013年10月4日提交的美国临时专利申请No.61/886,752的权益，其整个内容通过引用结合到本文。
技术领域
本公开的技术领域总地涉及电阻点焊，并且更具体的，涉及电阻点焊钢工件到铝合金。
背景技术
电阻点焊是由许多行业使用的工艺，以将两个或多更多金属工件结合到一起。例如，汽车行业，在车门、机罩、后备箱封盖或提升门以及其它的制造过程中，通常使用电阻点焊以将预制金属工件结合到一起。多个点焊点通常沿着金属工件的外围区域或一些其他结合区域形成以确保该部件在结构上是良好的。虽然点焊通常被实践来将特定的相似组分金属工件结合到一起——例如钢-钢和铝合金-铝合金——将较轻材料纳入到车身结构中的期望对通过电阻点焊结合钢工件到铝合金工件产生了兴趣。此外，使用一件设备电阻电焊包括不同工件组合(例如铝合金/铝合金，钢/钢，和铝合金/钢)的工件层叠的能力会提高生产灵活性和降低生产成本。
通常，电阻点焊依靠电流穿过叠加金属工件并且跨过它们的结合界面的流动的电阻产生热量。为了实施这种焊接工艺，通常一对相对的点焊电极在预定焊接位置在直径对齐的点处夹在工件的相反侧上。电流随后从一个焊接电极穿过金属工件到另一个电极。电流流动的电阻在金属工件中并在它们的结合界面处产生热量。当被点焊接到一起的金属工件是钢工件和铝合金工件时，在结合界面处产生的热量产生从结合界面延伸到铝合金工件中的熔化焊池。该熔化铝合金焊池润湿钢工件的相邻表面，并且在停止电流流动时，凝固成为焊接熔核，该焊接熔核在两个工件之间形成全部或部分焊接接头。
然而，实际上，点焊钢工件到铝合金工件是有挑战的，因为这两种金属的许多特性会有害的影响焊接接头的强度——最主要的是剥离强度。举例来说，铝合金工件通常包括在其表面上的一个或多个耐高温氧化层(下文简称“氧化层”)。氧化层，其主要由氧化铝组成，但也可以包括其他氧化物，例如氧化镁，是电绝缘的和在机械上是坚硬的。表面氧化层因此提高了铝合金工件的电接触电阻——即，在其结合面处和在其电极接触点处——使得在铝合金工件内难以有效控制和集中热量，并且具有阻碍熔化焊池润湿钢工件的能力的趋向。虽然过去已经做出努力在点焊之前从铝合金工件上试图和移除氧化层，但是由于氧气的存在氧化层具有再生的能力，这种实践可能是不切实际的，特别是应用来自点焊应用的热量的情况下。
钢工件和铝合金工件还具有趋向使点焊工艺复杂化的不同性能。特别地，钢具有相对高的熔点(～1500℃)和相对高的热阻和电阻，而铝合金具有相对低的熔点(～600℃)和相对低的热阻和电阻。这些物理差异的结果是，在电流流动期间大部分的热量在钢工件中产生。这种热量不平衡在钢工件(较高温度)和铝合金工件(较低温度)之间建立温度梯度，其产生铝合金工件的迅速熔化。电流流动期间产生的温度梯度和铝合金工件的高热导性结合意味着，电流停止之后立即发生的情况是热量没有从焊接位置对称地散布。相反，从更热的钢工件传导而来的热量经过铝合金工件朝向接触该铝合金工件的焊接电极，其在这个方向上产生陡的温度梯度。
在钢工件和接触铝合金工件的焊接电极之间陡的温度梯度的发展被相信以两种主要方式削弱所产生的焊接接头的完整性。首先，因为在电流停止之后钢工件比铝合金工件保持热量更长持续时间，所以已经在铝合金工件中产生和生长的熔化焊池定向凝固，从最靠近与铝合金工件关联的较冷的焊接电极(通常是水冷)的区域开始并且朝向结合界面传播。这种类型的凝固前锋趋向席卷或驱动缺陷——例如气孔、缩孔、微裂纹、和氧化物残渣——在铝合金焊接熔核内朝着并且沿着结合界面。第二，钢工件中持续升高的温度促进脆性Fe-Al金属间化合物在结合界面处并沿着结合界面生长。金属间化合物趋向于在铝合金焊接熔核和钢工件之间形成薄的反应层。这些金属间层通常被看做是焊接接头的部分，如果存在，除了焊接熔核之外。沿着结合界面具有焊接熔核缺点的弥散和Fe-Al金属间化合物过度生长被认为降低了最终焊接接头的剥离强度。
鉴于上述挑战，对点焊钢工件和铝合金工件的以前努力已经使用焊接计划，其规定更高的焊接电流、更长的焊接时间，或两者(相比于焊接钢到钢)，为了尝试和获得合理的焊接结合区域。这样的努力在生产环境中很大程度是不成功的，并且具有破坏焊接电极的倾向。假定先前点焊的努力没有取得特别的成功，替代地，主要地使用例如自我刺穿铆钉和流钻螺钉的机械工艺。与点焊相比，自我刺穿铆钉和流钻螺钉两者都相当的慢并且存在高消耗成本。它们也增加重量到车身结构，其在某种点上开始抵消通过在第一位置使用铝合金工件获得的重量节约。会使该工艺更加能够结合钢和铝合金工件的点焊的进步因此对于本领域是受欢迎的补充。
发明内容
一种电阻点焊包括钢工件和铝合金工件的叠层的方法，包括使用相对焊接电极在预定焊接位置接触叠层的相反侧。一个焊接电极接触并被按压抵靠钢工件并且另一个焊接电极接触并被按压抵靠铝合金工件。电流随后经过焊接之间穿过叠层以在铝合金工件内和工件的结合界面处产生和生长熔化铝合金焊池。焊接电极在它们的各自工件中形成接触印迹，并且在电流流动停止以后，在铝合金工件处形成的接触印迹表面积比在钢工件处形成的接触印迹大。接触印迹尺寸的不同导致电流以比铝合金工件中大的电流密度穿过钢工件。
钢和铝合金工件之间电流密度的差异(钢工件内的电流密度更大)，与铝合金工件相比在钢工件内集中热量在更小的区域内。如果需要，焊接电流计划甚至可以调节，以除了在铝合金工件和结合界面处产生熔化铝焊池之外在钢工件内产生熔化焊池。在钢工件中更小的区域内集中热量的行为——可能达到产生熔化钢焊池的程度——改变了温度梯度，并且因此，改变了熔化铝合金焊池的凝固行为。相信这些热感应效果能够导致在结合界面处的焊接接头具有增强的剥离强度和更好的整体结构完整性。
特别地，相比于铝合金工件在钢工件内集中热量在更小的区域，导致在熔化铝合金焊池内并围绕熔化铝合金焊池形成温度梯度，允许焊池从其外周朝向其中心凝固。凝固前锋从焊池外周朝向焊池中心向内移动，进而驱使焊接缺陷朝向它们更不易影响焊接接头的机械性能的焊接接头中心。集中热量以使钢焊池形成能够通过导致钢工件朝向结合界面变厚进一步帮助驱动缺陷进入焊接接头的中心。钢工件的这种变厚帮助熔化铝合金焊池的中心保持被加热以使得它最后凝固。通过钢工件的变厚产生的非平面的结合界面也可以帮助在最终形成焊接接头中抵制裂纹生长。
有多种焊接电极的构造和组合能够用于点焊叠层的钢和铝合金工件以使得与铝合金工件相比在钢工件中实现更大电流密度。例如，在钢侧上的焊接电极能够具有带小直径的平面的或相对平面的焊接面，而在铝合金侧上的焊接电极能够具有带更大直径的平面的或更加切成圆弧的焊接面。两个焊接电极还能够是相似构造的多功能电极，其被设计为在钢和铝合金工件处形成具有非对称表面积的接触印迹。这样的焊接电极，除了使钢工件和铝合金工件更加可点焊之外，也能够用于点焊钢工件的叠层和铝合金工件的叠层，如果期望点焊工艺灵活性的话。
本申请还提供以下解决方案：
1、一种点焊钢工件到铝合金工件的方法，所述方法包括：
提供包括钢工件和铝合金工件的叠层，所述钢工件和铝合金工件叠加以提供结合界面；
用钢焊接电极接触所述钢工件的电极接触表面；
用铝合金焊接电极接触所述铝合金工件的电极接触表面；
使电流在所述钢焊接电极和铝合金焊接电极之间通过并且穿过所述叠层以在所述铝合金工件内并在所述结合界面处产生熔化铝合金焊池，所述电流在所述钢工件内比在所述铝合金工件内具有更大的电流密度；和
停止电流通过，这时由所述铝合金焊接电极在所述铝合金工件的电极接触表面处形成的接触印迹表面积比由所述钢焊接电极在所述钢工件的电极接触表面处形成的接触印迹大，由所述铝合金焊接电极形成的接触印迹具有的表面积比由所述钢焊接电极形成的接触印迹大的比率为1.5∶1至16∶1。
2、如方案1所述的方法，其中，由所述铝合金焊接电极形成的接触印迹具有的表面积比由所述钢焊接电极形成的接触印迹大的比率为2∶1至6∶1。
3、如方案1所述的方法，其中，所述铝合金焊接电极包括的焊接面具有在6mm与20mm之间的直径和在15mm与平面之间的弯曲半径，以及其中，所述钢焊接电极包括的焊接面具有在4mm与16mm之间的直径和20mm或更大的弯曲半径。
4、如方案1所述的方法，其中，所述铝合金焊接电极或所述钢焊接电极中的至少一个具有焊接面和围绕所述焊接面的中心轴线上升的圆形突起，所述焊接面具有6mm到12mm的直径和20mm到100mm的弯曲半径，并且所述圆形突起在所述焊接面处具有3mm到7mm的直径和5mm到20mm的弯曲半径。
5、如方案1所述的方法，其中，所述铝合金焊接电极或钢焊接电极中的至少一个具有焊接面和从所述焊接面正向移位并且围绕所述焊接面的中心轴线上升的高台。
6、如方案5所述的方法，其中，所述焊接面具有6mm到12mm的直径和20mm到100mm的弯曲半径，以及其中，所述高台在所述焊接面上的高台表面具有3mm到7mm的直径和40mm或更大同时比所述焊接面更平坦的弯曲半径。
7、如方案1所述的方法，其中，使电流在所述钢焊接电极和铝合金焊接电极之间通过并且穿过所述叠层的行为在所述钢工件内产生熔化钢焊池。
8、如方案8所述的方法，其中，所述熔化钢焊池使所述钢工件的结合表面变形远离所述钢工件的电极接触表面以在焊接位置使所述钢工件变厚。
9、如方案7所述的方法，其中，当停止电流通过时，熔化铝合金焊池凝固成为包括铝合金焊接熔核的焊接接头，并且熔化钢焊池凝固成为钢焊接熔核，所述钢焊接熔核没有延伸到所述钢工件的结合表面。
10、如方案1所述的方法，其中，当停止电流通过时，所述熔化铝合金焊池凝固成为包括铝合金焊接熔核和Fe-Al金属间层的焊接接头。
11、一种点焊钢工件到铝合金工件的方法，所述方法包括：
提供包括钢工件和铝合金工件的叠层，所述钢工件和铝合金工件叠加以提供结合界面；
用钢焊接电极接触所述钢工件的电极接触表面；
用铝合金焊接电极接触所述铝合金工件的电极接触表面；
使电流在所述钢焊接电极和铝合金焊接电极之间通过，并且穿过所述叠层，使得在所述钢工件中的通过电流的电流密度比在所述铝合金工件中的大，由此与所述铝合金工件相比，在所述钢工件中将热量集中在更小的区域内；
在所述铝合金工件内和在结合界面处产生熔化铝合金焊池；和
在所述钢工件内产生钢焊池。
12、如方案11所述的方法，其中，熔化钢焊池使所述钢工件的结合表面变形远离所述钢工件的电极接触表面以在所述焊接位置处使所述钢工件变厚。
13、如方案11所述的方法，还包括停止在所述钢焊接电极和铝合金焊接电极之间通过电流和穿过所述叠层，并且其中，当停止电流通过时，熔化铝合金焊池凝固成为包括铝合金焊接熔核的焊接接头，并且所述熔化钢焊池凝固成为钢焊接熔核。
14、如方案13所述的方法，其中，所述钢焊接熔核没有延伸到所述钢工件的结合表面。
15、如方案13所述的方法，其中，所述铝合金焊接电极压入所述铝合金工件以在所述铝合金工件的电极接触表面形成接触印迹，其中，所述钢焊接电极压入所述钢工件以在所述钢工件的电极接触表面处形成接触印迹，并且其中，在已经停止电流通过的时候，由所述铝合金焊接电极形成的接触印迹表面积比由所述钢焊接电极形成的接触印迹大的比率为15∶1到16∶1。
16、如方案15所述的方法，其中，所述铝合金焊接电极包括的焊接面具有在6mm与20mm之间的直径和在15mm与平面之间的弯曲半径，以及其中，所述钢焊接电极包括的焊接面具有在4mm与16mm之间的直径和20mm或更大的弯曲半径。
17、如方案15所述的方法，其中，所述铝合金焊接电极或所述钢焊接电极中的至少一个具有焊接面和围绕所述焊接面的中心轴线上升的圆形突起，所述焊接面具有6mm到12mm的直径和20mm到100mm的弯曲半径，并且所述圆形突起在所述焊接面处具有3mm到7mm的直径和5mm到20mm的弯曲半径。
18、如方案15所述的方法，其中，所述铝合金焊接电极或钢焊接电极中的至少一个具有焊接面和从所述焊接面正向移位并且围绕所述焊接面的中心轴线上升的高台，其中，所述焊接面具有6mm到12mm的直径和20mm到100mm的弯曲半径，并且其中，所述高台在所述焊接面上的高台表面具有3mm到7mm的直径和40mm或更大同时比所述焊接面更平坦的弯曲半径。
19、一种点焊方法，包括：
提供包括钢工件和铝合金工件的第一工件叠层，所述钢工件和铝合金工件叠加以提供结合界面；
用第一焊接电极接触所述钢工件的电极接触表面，和用第二焊接电极接触所述铝合金工件的电极接触表面，所述第一和第二焊接电极在焊接位置被直径对齐地按压抵靠它们各自的工件表面，所述第一和第二焊接电极的每一个具有相同构造；
在所述焊接位置使电流在所述第一和第二焊接电极之间通过，并且穿过所述第一工件叠层，以在所述铝合金工件内产生和生长熔化铝合金焊池，所述熔化铝合金焊池润湿所述钢工件的相邻结合表面，在所述钢工件中的电流比在所述铝合金工件中具有更大的电流密度；
停止电流通过并且从所述钢工件和铝合金工件缩回所述第一和第二焊接电极；
提供第二工件叠层，其包括(1)钢工件和另一个钢工件，其叠加以在所述钢工件之间提供结合界面，或(2)铝合金工件和另一个铝合金工件，其叠加以在所述铝合金工件之间提供结合界面；
用所述第一和第二焊接电极接触所述第二工件叠层的相反侧面，并且使电流在所述第一和第二焊接电极之间通过和穿过所述第二工件叠层，如果所述第二工件叠层包括铝合金工件，所述电流在叠加的所述铝合金工件的结合界面处产生和生长熔化铝合金焊池，或者如果所述工件叠层包括钢工件，所述电流在叠加的所述钢工件的结合界面处产生和生长熔化钢焊池。
20、如方案19中所述的方法，其中，在使电流在第一和第二焊接电极之间通过和穿过所述第一工件叠层期间，所述第一焊接电极被压入所述铝合金工件以在所述铝合金工件的电极接触表面形成接触印迹，并且所述第二焊接电极被压入所述钢工件以在所述钢工件的电极接触表面处形成接触印迹，以及其中，在已经停止电流通过的时候，由所述第一焊接电极形成的接触印迹表面积比由所述第二焊接电极形成的接触印迹大的比率为15∶1到16∶1。
附图说明
图1是以叠加方式组装用于通过焊枪在预定焊接位置电阻点焊的包括钢工件和铝合金工件的工件叠层的侧视图；
图2是图1中所描绘的叠层和相对焊接电极的局部放大图；
图3是图2中所描绘的叠层和相对焊接电极的局部分解侧视图；
图4是图3中所描绘的钢焊接电极的侧视图；
图5是图3中所描绘的铝合金焊接电极的侧视图；
图6是点焊期间叠层的局部剖视图(以截面示出叠层)，其中，钢焊接电极正接触钢工件的电极接触表面并且铝合金焊接电极正接触铝合金工件的电极接触表面；
图7是电流停止以后叠层的局部剖视图(以截面示出叠层)，其中在结合界面已经形成焊接接头并且在钢工件内已经形成钢焊接熔核；
图8是在图1-3中所描绘的叠层的点焊期间能够用做钢焊接电极、铝合金焊接电极、或两种焊接电极的多功能焊接电极的侧视图；
图9是点焊期间叠层的局部剖视图(以截面示出叠层)，其中，图8中所示多功能焊接电极正用作钢焊接电极和铝合金焊接电极两者；
图10是在图1-3中所描绘的叠层的点焊期间能够用做钢焊接电极、铝合金焊接电极、或两种焊接电极的另一个多功能焊接电极的侧视图；
图11是是点焊期间叠层的局部剖视图(以截面示出叠层)，其中图10中所示多功能焊接电极正接触钢工件的电极接触表面并且图5中所示铝合金焊接电极正接触铝合金工件的电极接触表面；
图12是已经由一对焊接电极使电流相比于铝合金工件以更大的电流密度穿过钢工件而被电阻点焊到一起的铝合金工件(上基板)和钢工件(下基板)的显微照片；
图13是图12中所示结构在已经被蚀刻以更好地显示在钢工件中形成的钢焊接熔核之后的显微照片；
图14是已经以常规方式电阻点焊到一起的铝合金工件(上基板)和钢工件(下基板)的显微照片；
图15是叠层的局部剖视图，该叠层包括一对铝合金工件，是在使用图8中所示多功能焊接电极在叠层的每一侧上电阻点焊在一起之后；和
图16是叠层的局部剖视图，叠层包括一对钢工件，是在使用图8中所示多功能焊接电极在叠层的每一侧上电阻点焊在一起之后。
具体实施方式
图1-3大致描述了工件叠层10，工件叠层10包括以叠加方式组装用于使用焊枪18在预定焊接位置16进行电阻点焊的钢工件12和铝合金工件14。钢工件12优选镀锌，或锌涂层，低碳钢。其他类型的钢工件当然可以使用，例如包括，低碳裸露钢或镀锌先进高强度钢(AHSS)。可以用于钢工件12的一些特殊类型的钢材是无间隙原子(IF)钢、双相(DP)钢、转变感生塑性(TRIP)钢、和压力硬化钢(PHS)。关于铝合金工件14，它可以是铝镁合金、铝硅合金、铝镁硅合金、或铝锌合金，并且如果需要，它可以涂覆有锌或常规涂层以提高粘结结合性能。可以用于铝合金工件14中的一些特定铝合金是5754铝镁合金、6022铝镁硅合金、以及7003铝锌合金。术语“工件”和其钢和铝变形广泛用在本说明书中，来提及金属板层，铸件，压制品，或可电阻点焊的其他零件，如果存在，包括任何表面层或涂层。
当叠层用于点焊时，钢工件12包括结合表面20和电极接触表面22。相似的，铝合金工件14包括结合表面24和电极接触表面26。两个工件12、14的结合表面20、24接触彼此以在焊接位置16提供结合界面28。另一方面，钢和铝合金工件12、14的电极接触表面22、26，通常以相反方向背对彼此，以使它们通过一对相对点焊电极可接近。钢和铝合金工件12、14的每一个优选具有厚度120、140，其范围从大约0.3mm至大约6.0mm，并且更优选地从大约0.5mm至大约4.0mm，至少是在焊接位置16处。
焊枪18通常是更大的自动焊接作业的一部分，并且包括第一焊枪臂30和第二焊枪臂32，其在机械和电气上被构造成根据限定的焊接计划重复地形成点焊接点。第一焊枪臂30具有保持钢焊接电极36的第一电极座34，并且第二焊枪臂32具有保持铝合金焊接电极40的第二电极座38。焊枪臂30、32在点焊期间被操作按压它们各自的焊接电极36、40抵靠叠加钢工件和铝合金工件12、14的相反面向的电极接触表面22、26。第一和第二焊接电极36、40一般在预期焊接位置16彼此直径对齐地被按压抵靠它们各自的电极接触表面22、26。
钢焊接电极36和铝合金焊接电极40每一个都由导电材料，例如铜合金制成。两个焊接电极36、40(其在下文将被进一步地解释)构造成当停止电流在电极36、40之间通过时在铝合金工件14的电极接触表面26处提供接触印迹，该接触印迹的表面面积比钢工件12的电极接触表面22处的接触印迹大。铝合金接触印迹优选具有的表面面积比钢接触印迹的表面面积大，比率为大约1.5∶1到大约16∶1，并且更优选的，在那时从大约2∶1到大约6∶1。接触印迹尺寸的差导致电流密度在钢工件12中比在铝合金工件14中大。
电流密度在钢工件和铝合金工件12、14之间的差，相比于铝合金工件14，在钢工件12中的更小的区域内集中热量。如果需要，焊接电流计划甚至能够调节，以除了在铝合金工件14内和结合界面28处形成熔化铝合金焊池之外在钢工件12内产生熔化钢焊池。在钢工件12中更小的区域内集中热量的行为——可能达到产生熔化钢焊池的程度——更改了温度梯度，特别是径向温度梯度，以改变位于结合界面28处的熔化铝合金焊池的凝固行为，从而使得最终形成的焊接接头中的缺陷被驱赶到更期望的位置。在一些情况下，特别是当钢焊池在钢工件12中产生时，热量在钢工件内的集中和导致的热梯度能够驱使焊接缺陷在结合界面28处的焊接接头的中心处或该中心附近聚结，这有益于更好的焊接接头完整性和剥离强度。
铝合金焊接电极40包括本体42和焊接面44。本体42，在图5中得到最佳显示，限定了在一端48的可进入中空凹陷46，用于以已知的方式插入第二电极座38并且与其附接。过渡头50可以从本体42的相反端52延伸直到焊接面44，但不是必须的，因为焊接面44能够从本体42直接延伸以提供通常称为“满面电极”的部分。本体42形状优选是具有范围从大约12mm至大约22mm的直径420的圆柱形，或者更狭窄地从大约16mm至大约20mm。过渡头50形状优选是截头圆锥体，但是其他替代形状，例如球形和椭圆形也可以是适合的。
焊接面44是在点焊期间接触和被压入到铝合金工件14的电极接触表面26以形成接触印迹的铝合金焊接电极40的部分。焊接面44具有直径440和弯曲半径，其一起足以防止过度陷入到熔化铝合金焊池和围绕焊池的软化工件区域。过度陷入一般定义为达到或超过铝合金工件14厚度140的50％的陷入。这种陷入能够避免，例如通过提供具有直径440为大约6mm至大约20mm和曲率半径为大约15mm至平面的焊接面44。在优选实施方式中，焊接面44的直径440为大约8mm至12mm和弯曲半径是大约50mm至大约250mm。此外，如果需要，焊接面44能够是有纹理的或者具有表面特征，例如那些在美国专利No.6,861,609，No.8,222,560，No.8,274,010，No.8,436,269，和No.8,525,066以及美国专利申请公开No.2009/0255908公开的。
钢焊接电极36具有与铝合金焊接电极40相同的基本组件——即，在一端58限定可进入中空凹陷56的本体54，焊接面60，和在相反端65从本体54延伸直到焊接面60的可选的过渡头62，如图4中所示。本体54形状优选为圆柱形，具有直径540范围从大约12mm至大约22mm，或更狭窄的从大约16mm至20mm。过渡头62形状优选是球形，但是其他替代形状，例如椭圆形和截头圆锥体也可以是适合的。虽然铝合金和钢焊接电极40、36的一些或所有部分能够是相同的——但是不必要求这样——它们的焊接面44、60与它们各自电极接触表面26、22的相互作用致使工件12、14内的电流密度不同。
类似之前的，焊接面60是点焊期间接触钢工件12的电极接触表面22并被压入该电极接触表面22以建立接触印迹的钢焊接电极36的部分。这里，焊接面60构造为使得其接触印迹(也就是，在钢工件12的电极接触表面22处建立的接触印迹)比在铝合金工件14的电极接触表面26处由铝合金焊接电极40的焊接面44建立的接触印迹小。在图4这里所示的实施方式中，钢焊接电极36的焊接面60具有的直径600范围从大约4mm至大约16mm，更优选的大约5mm至大约8mm，并且是平面的或具有大于大约20mm的弯曲半径。
图1-3和6-7图示一种点焊工艺，其中，叠层10在焊接位置16使用上述焊接电极36、40被点焊。焊枪18(部分示出)构造成提供点焊钢工件12到铝合金工件14所需的焊接电流和接触压力。焊枪18的焊枪臂30，32可以是固定的(台座式焊机)或可机器人移动的，其在本领域是惯例，并且在点焊期间被操作以在焊接位置16彼此直径对齐地接触和按压焊接电极36、40抵靠钢工件和铝合金工件12、14的相反面向的电极接触表面22、26。由焊枪臂30、32确定的夹紧力帮助在焊接电极36、40与他们各自的电极接触表面22、26之间建立良好的机械和电接触。
电阻点焊工艺通过在钢和铝合金焊接电极36、40之间定位叠层10使得焊接位置16大致与相对的焊接面60、44对齐而开始。工件叠层10可以进入这样的位置，当焊枪臂30、32是固定台座式焊机的部分，或焊枪臂30、32可以被机器人移动以相对于焊接位置16定位电极36、40时，情况通常是这样。一旦叠层10被适当地定位，第一和第二焊枪臂30、32会聚以在焊接位置16接触和按压钢焊接电极36和铝合金焊接电极40的焊接面60、44抵靠钢工件和铝合金工件12、14的相反面向的电极接触表面22、26，如图6所示。由焊接电极36、40施加的接触压力导致钢焊接电极36的焊接面60在钢工件12的电极接触表面22处开始形成接触印迹66，并且相似的，铝合金焊接电极40的焊接面44在铝合金工件14的电极接触表面26处开始形成接触印迹68。
电流——通常在大约5kA与大约50kA之间的直流电流——随后按照适当的焊接计划在钢和铝合金焊接电极36、40的焊接面60、44之间流过并且在焊接位置16处穿过叠层10。由于钢工件具有更高的热阻和电阻，电流穿过工件12、14流动的阻力首先导致钢工件12比铝合金工件14更快地加热。这种热量不平衡导致温度梯度，其实现为从钢工件12到铝合金工件14。沿着温度梯度向下朝向水冷铝合金焊接电极40的热量流动，结合由跨过结合界面28的电流流动的电阻所导致的生成热量，最终熔化铝合金工件14并且形成熔化铝合金焊池70，其随后润湿钢工件12的结合表面20。
在电流通过的时间期间，其可以持续从大约40毫秒到大约1000毫秒，钢接触印迹66增长非常少，而铝合金接触印迹68增长相当大，因为铝合金焊接电极40的焊接面44陷入软化的铝合金工件14中。由于在这个实施方式中铝合金焊接电极40的焊接面44比钢焊接电极36的焊接面60更大，在停止电流通过的时候铝合金接触印迹68的表面面积大于钢接触印迹66。这种接触印迹尺寸的差导致在电流流动期间在钢工件12中存在的电流密度比铝合金工件14中的大。电流流动期间钢工件12中电流密度的增加导致在钢工件12内更加集中的热量区域，其能够提高最终焊接接头的完整性和剥离强度，这将在下面更详细地讨论。集中热量区域能够——但是不是必须的——在钢工件12内产生熔化钢焊池72。
当电流停止时，铝合金焊池70凝固以在结合界面28处形成焊接接头74，这大致如图7所示。钢焊池72，如果形成的话，相似的在这个时间凝固成为钢工件12内的钢焊接熔核76，尽管它优选不延伸到结合表面20或工件12的电极接触表面22。焊接接头74包括铝合金焊接熔核78，以及典型地Fe-Al金属间层80。铝合金焊接熔核78延伸到铝合金工件14中达到的距离通常范围从铝合金工件14的厚度140的大约20％到大约80％，但是有时焊接熔核78可以延伸全程到电极接触表面26(也就是，100％或完全渗透)。Fe-Al金属间层80在结合界面28处位于铝合金焊接熔核78和钢工件12之间。这个层通常是由于在电流流动期间以及在电流流动之后钢工件12仍然是热的短时间段在熔化铝合金焊池70和钢工件12之间的反应形成的。它能够包括FeAl3和Fe2Al5，以及其他的化合物。当在电流流动的方向测量时，Fe-Al金属间层80通常是大约1μm到大约5μm厚。
在钢工件12中集中热量区域的形成——无论是否通过熔化钢焊池72的产生和生长——至少以两种方式提高了焊接接头74的强度和完整性。第一，集中热量通过改变和产生径向温度梯度改变了穿过焊接位置16的温度分布，其进而导致熔化铝合金焊池70从其外周朝向其中心凝固。这种凝固行为驱使焊接缺陷朝向焊接接头74的中心，在中心它们更不易削弱其机械性能。第二，在这些情况下，其中钢焊池72被产生和生长，钢工件12的结合表面20趋向于远离电极接触表面22变形。这种变形能够使钢工件12在焊接位置16更厚，达到50％。以这种方式增加钢工件12的厚度帮助保持熔化铝合金焊池70的中心是热的，从而使得其最后冷却和凝固，这能够进一步提高径向温度梯度并且驱使焊接缺陷聚集在焊接接头74的中心或在该中心附近。钢工件12的结合表面20的膨胀还能眵通过沿着非优选的路径偏转裂纹进入焊接接头74干涉裂纹沿着结合界面28生长。
图12-14显示在钢工件12和铝合金工件14之间形成的焊接接头74上能够产生和生长钢焊池72的影响的示例。首先，图14显示由常规电阻点焊工艺形成的焊接接头82的微观结构，其中在钢工件中(下基板)没有产生集中热量区域。这里，在这个示例中，已经发现缺陷D在结合界面84处并沿着结合界面84。这些缺陷D除了其它的以外可能包括缩孔、气孔、氧化物残渣、和微观裂纹。当沿着结合界面84存在和积聚时，已发现缺陷D可以降低焊接接头82的剥离强度，并且更普遍的，可以不良影响和削弱接头82的整体完整性。此外，除了缺陷D之外，一个或多个Fe-Al金属间层(太小而没有显示)可能在钢(下)和铝合金(上)工件之间并沿着结合界面84生长。
不被理论所束缚，相信缺陷D在结合界面84处并沿着结合界面84的积聚是至少部分由于熔化铝合金焊池的凝固行为。特别的，由于两种材料不同的物理性能——即，钢的大得多的热阻和电阻，热失衡能够在热得多的钢工件(下基板)和铝合金工件(上基板)之间发展。钢工件因此作为热源而铝合金工件作为热量导体，在竖直方向产生巨大的温度梯度，导致熔化铝合金焊池从靠近接触铝合金工件的更冷(例如，水冷)焊接电极的区域朝向结合界面84冷却和凝固。凝固前锋的路径和方向在图14中大致由虚线箭头P表示，并且焊接接头82的边界大致由虚线B表示。当凝固前锋沿着路径P前进时，驱使缺陷D朝向结合界面84并且可能沿着结合界面84终止弥散，如图所示。倾斜边界B是凝固朝向结合界面84的结果。
图12-13显示由电阻点焊工艺形成的焊接接头86的微观结构，其中电流密度在钢工件(下基板)中更大使得在该工件内产生和生长熔化钢焊池。这里，熔化钢焊池的产生和生长被相信是由在比在其他情况下会发生的更小的区域内集中电流而在钢工件内产生额外的热量导致的。由于热量集中在钢工件(下基板)内局部化区域处，在焊接位置提供热耗散的更多途径和更大的径向温度梯度。特别地，来自熔化铝合金焊池的热量能够侧向地耗散进入铝合金工件的相邻更冷的部分。当熔化钢焊池冷却并凝固为钢焊接熔核88(图13)时，来自熔化钢焊池的热量也能够向上迁移进入熔化铝合金焊池并且随后穿过铝合金工件，这帮助保持铝合金焊池的中心更长时段处于升高温度下。
当熔化铝合金焊池在铝合金工件(上基板)内和结合界面90处凝固变成焊接接头86时，在焊接位置处的被改变温度梯度改变了熔化铝合金焊池的冷却行为。代替凝固前锋朝向结合界面90前进，如图14中所示，熔化铝合金焊池径向冷却并且从其外周向其中心凝固。图12中凝固前锋的路径和方向大致由虚线箭头P表示，并且焊接接头86的边界由虚线B表示。作为改变凝固路径的结果，路径P指向中心区域并且边界B相对于结合界面90更垂直(与图14中所示相比)。以这种方式凝固熔化铝合金焊池趋向于朝向接头86的中心推动缺陷D，如图所描绘的。形成在钢工件(下基板)的钢焊接熔核88最佳地显示在图13中(其中拍照材料被蚀刻以显示钢焊接熔核)。
能够看到熔化钢焊池的产生和生长推动钢工件(下基板)的结合表面向外进入铝合金工件(上基板)。钢工件因此在焊接位置变得更厚。钢工件更厚的部分在熔化铝合金焊池处提供更大、更高温度热质量，这帮助保持铝合金焊池的中心是热的使得其最后凝固。结果是，这个示例中焊接缺陷D不仅被驱使到焊接接头的中心，而且还另外地聚集在临近结合界面90的焊接接头86的中心处。相比于如果如图14中所描绘地缺陷沿着结合界面90铺开，将缺陷定位在这里更有益于良好的剥离强度和接头完整性。
回头参照图6-7，在停止电流在焊接电极36、40之间通过之后，钢和铝合金焊接电极36、40立刻从它们的夹紧位置缩回，留下不对称表面积的接触印迹66、68在钢和铝合金工件12、14的电极接触表面22、26。叠层10随后在不同的焊接位置16处在钢和铝合金焊接电极36、40之间重新定位，或者移开以使另一个叠层10可以被定位进行电阻点焊。随后以相同的方式形成更多点焊接点。
图8-9图示另一个点焊工艺，其中叠层10在焊接位置16处被点焊以实际基于与前文相同的效果，但是在这个实施方式中，相似结构的多功能焊接电极104被用于叠层10的每一侧，取代图4和5中所示的焊接电极36、40。如图8中所描绘的，每个焊接电极104具有与图5中所示铝合金焊接电极40相同的基本组件，除了一个主要差别——也就是，每个焊接电极104包括焊接面106和围绕焊接面106的中心轴线110上升的高台108。焊接面106具有直径1060为大约6mm到12mm和弯曲半径为大约20mm到大约100mm。高台108具有从焊接面106以大约0.1mm到大约0.5mm正向移位的高台表面112。高台表面112具有直径1120为大约3mm到大约7mm并且是比焊接面106更平垣——高台表面112优选是平面的或者具有弯曲半径为大约40mm或更大。此外，如果需要，两个焊接电极104的高台表面112和/或焊接面106可以是有纹理的或包括如美国专利No.8,525,066中描述的表面侵入体或突出。
图8中所示焊接电极104作为其能力的结果是多功能的，当接触钢工件12时与当接触铝合金工件14时相比发挥不同作用，如图9中所示。特别的，当用在钢侧的时候，中心定位的高台108的高台表面112接触和压入钢工件12的电极接触表面22。在电流流动期间，钢工件12的相对硬度阻止周围焊接面106接触和压入电极接触表面22到大范围。另一方面，当用在铝合金侧时，整个高台108和周围焊接面106接触和压入软化铝合金工件14的电极接触表面26中。在点焊期间，相同的焊接电极配置因此在铝合金工件14的电极接触表面26中形成接触印迹114的表面积比在钢工件12的电极接触表面22中形成的接触印迹116大。当电流停止时，在铝合金工件14的电极接触表面中形成的接触印迹114，像上文一样，表面积比在钢工件12的电极接触表面22中形成的接触印迹116大，比例为大约1.5∶1到大约16∶1，并且更优选的是大约2∶1到大约6∶1。
由焊接电极104在钢和铝工件12、14的电极接触表面22、26处形成的接触印迹114、116具有与之前相同的效果。也就是，在焊接位置16处电流密度在钢工件12中比在铝合金14中大，这导致相比于铝合金工件14，热量集中在钢工件12中更小的区域内。集中的热量也能够用于在钢工件12内产生和生长熔化钢焊池118。这种集中加热区域进而能够以与已经讨论的相同的方式影响熔化铝合金焊池120。此外，在叠层10的每一侧上使用相似构造的焊接电极104具有另外的优点，即不必定向叠层10以使得工件12、14匹配特定焊接电极。如果需要，多个叠层10因此能眵被连续点焊而不必翻动或重新定向叠层10来实现具体电极/工件配对。
点焊叠层10之后——叠层10包括钢工件12和铝合金工件14——有可能改变进程并使用两个相似构造的焊接电极104以点焊包括两个或更多个铝合金工件132的叠层130，如图15中所示。在点焊工艺期间，焊接电极104在焊接位置136处进入接触相对的电极接触表面134，并且电流在它们之间流过。开始，只有每个焊接电极104的高台表面112接触它对应的电极接触表面134。高台表面112立刻压入电极接触表面134，并且最终，当铝合金工件132软化时周围焊接面106也这样以形成适当相同尺寸和形状的接触印迹138。电流流动穿过工件132和跨过结合界面140的电阻产生热量并且在结合界面140处形成熔化铝合金焊池(图15中未示出)。该焊池渗透进入叠加铝合金工件132并且当电流停止时，冷却和凝固成为铝合金焊接熔核142。
相似的，如图16中所示，有可能使用两个相似构造的焊接电极104来点焊包括两个或更多个钢工件152的叠层150。在点焊工艺期间，焊接电极104在焊接位置156进入接触相对的电极接触表面154。电流随后通过两个电极104之间。这里由于钢的相对硬度，每个焊接电极的高台表面112主要接触和压入其对应的电极接触表面154以形成适当相同尺寸和形状的接触印迹158。电流流动穿过工件152和跨过结合界面160的电阻产生热量并且在结合界面160处产生熔化钢熔池(图16中未示出)。该焊池渗透进入叠加钢工件154，并且当电流停止时，冷却和凝固成为钢焊接熔核162。
图10-11图示另一个点焊工艺，其中叠层10在焊接位置16被点焊以实现基本与前文相同的效果，但与图8所示相比具有不同的多功能焊接电极92。这里使用的多功能点焊电极92在图10中示出，并且具有与图4中所示的钢焊接电极36相同的基本组件，除了一个主要差别。也就是，多功能焊接电极92包括切成圆弧的焊接面94和围绕焊接面94的中心轴线98上升的圆形突出96。焊接面94具有直径940为大约6mm到12mm和弯曲半径为大约20mm到大约100mm。圆形突起96形状优选是球形的，在焊接面94处具有直径范围从大约3mm到大约7mm和弯曲半径范围为大约5mm到大约20mm。
图9中所示焊接电极92，像图8中所示焊接电极104，作为其能力的结果是多功能的，当接触钢工件12时与当接触铝合金工件14发挥不同的功能。出于此原因，多功能焊接电极104能够替代图4、5中所示的焊接电极36、40以与图8中所示的多功能焊接电极104相似的方式用在叠层10的每一侧上。当这里所示的多功能焊接电极92用在工件叠层10的两侧上时，圆形突起96接触和压入钢工件12，并且周围焊接面94总体上不这样做，而圆形突起96和周围焊接面94两者都接触并压入铝合金工件14。相同的焊接电极构造因此在点焊到如先前所述的相同程度期间在铝合金工件14的电极接触表面26中形成接触印迹的表面积比在钢工件12的电极接触表面22中形成的接触印迹大。
图8和10中所描绘的多功能点焊电极104、92不必作为两个焊接电极一起使用在工件叠层10的两侧上。每个多功能焊接电极104、92可以代替图4的钢焊接电极36，并结合图5的铝合金焊接电极40使用。相似的，每个多功能焊接电极104、92可以代替图5的铝合金焊接电极40，并结合图4的钢焊接电极36使用。为了说明，在图11所描绘的实施方式中，图10中所示多功能焊接电极92用在工件叠层10的钢侧上，图5中上述的铝合金焊接电极40用在铝合金侧上。
当替代图4中所示钢焊接电极36作为上述点焊工艺(图1-3和6-7)的部分，圆形突起96陷入钢工件12的电极接触表面22中以形成接触印迹100，这可能比由图4的钢焊接电极36形成的接触印迹66更尖锐。当终止电流通过时，像前文，在铝合金工件14的电极接触表面26中形成的接触印迹68，表面积比在钢工件12的电极接触表面22形成的接触印迹100大，比率为大约1.5∶1到大约16∶1，并且更优选的是大约2∶1到大约6∶1。点焊工艺包括焊接接头的形成和在钢工件12内的集中热量区域是基本相同的。这里，然而，相对于前述钢焊接电极36的更平坦的焊接面60，有可能的是归因于圆形突起96的接触印迹100可以在工件12内增加电流密度并且产生更陡的径向温度梯度。圆形突起和其热量集中效果可以因此在钢工件12内产生更小区域的热量集中，并且因此，如果产生，在第一位置产生更小的熔化钢焊池102。
优选示例实施方式和特别示例的上述说明本质上仅是描述性；它们没有意图限制以下权利要求的范围。除非在说明书中有其它特别和清楚的声明，所附权利要求中使用的每个术语应当赋予其普通和习惯性的含义。

Claims (10)

1.一种点焊钢工件到铝合金工件的方法，所述方法包括：
提供包括钢工件和铝合金工件的叠层，所述钢工件和铝合金工件叠加以提供结合界面；
用钢焊接电极接触所述钢工件的电极接触表面；
用铝合金焊接电极接触所述铝合金工件的电极接触表面；
使电流在所述钢焊接电极和铝合金焊接电极之间通过并且穿过所述叠层以在所述铝合金工件内并在所述结合界面处产生熔化铝合金焊池，所述电流在所述钢工件内比在所述铝合金工件内具有更大的电流密度；和
停止电流通过，这时由所述铝合金焊接电极在所述铝合金工件的电极接触表面处形成的接触印迹表面积比由所述钢焊接电极在所述钢工件的电极接触表面处形成的接触印迹大，由所述铝合金焊接电极形成的接触印迹具有的表面积比由所述钢焊接电极形成的接触印迹大的比率为1.5∶1至16∶1。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述铝合金焊接电极包括的焊接面具有在6mm与20mm之间的直径和在15mm与平面之间的弯曲半径，以及其中，所述钢焊接电极包括的焊接面具有在4mm与16mm之间的直径和20mm或更大的弯曲半径。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述铝合金焊接电极或所述钢焊接电极中的至少一个具有焊接面和围绕所述焊接面的中心轴线上升的圆形突起，所述焊接面具有6mm到12mm的直径和20mm到100mm的弯曲半径，并且所述圆形突起在所述焊接面处具有3mm到7mm的直径和5mm到20mm的弯曲半径。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述铝合金焊接电极或钢焊接电极中的至少一个具有焊接面和从所述焊接面正向移位并且围绕所述焊接面的中心轴线上升的高台，其中，所述焊接面具有6mm到12mm的直径和20mm到100mm的弯曲半径，以及其中，所述高台在所述焊接面上的高台表面具有3mm到7mm的直径和40mm或更大同时比所述焊接面更平坦的弯曲半径。
5.如权利要求1所述的方法，其中，使电流在所述钢焊接电极和铝合金焊接电极之间通过并且穿过所述叠层的行为在所述钢工件内产生熔化钢焊池。
6.如权利要求5所述的方法，其中，所述熔化钢焊池使所述钢工件的结合表面变形远离所述钢工件的电极接触表面以在焊接位置使所述钢工件变厚。
7.如权利要求5所述的方法，其中，当停止电流通过时，熔化铝合金焊池凝固成为包括铝合金焊接熔核的焊接接头，并且熔化钢焊池凝固成为钢焊接熔核，所述钢焊接熔核没有延伸到所述钢工件的结合表面。
8.如权利要求1所述的方法，其中，当停止电流通过时，所述熔化铝合金焊池凝固成为包括铝合金焊接熔核和Fe-Al金属间层的焊接接头。
9.一种点焊方法，包括：
提供包括钢工件和铝合金工件的第一工件叠层，所述钢工件和铝合金工件叠加以提供结合界面；
用第一焊接电极接触所述钢工件的电极接触表面，和用第二焊接电极接触所述铝合金工件的电极接触表面，所述第一和第二焊接电极在焊接位置被直径对齐地按压抵靠它们各自的工件表面，所述第一和第二焊接电极的每一个具有相同构造；
在所述焊接位置使电流在所述第一和第二焊接电极之间通过，并且穿过所述第一工件叠层，以在所述铝合金工件内产生和生长熔化铝合金焊池，所述熔化铝合金焊池润湿所述钢工件的相邻结合表面，在所述钢工件中的电流比在所述铝合金工件中具有更大的电流密度；
停止电流通过并且从所述钢工件和铝合金工件缩回所述第一和第二焊接电极；
提供第二工件叠层，其包括(1)钢工件和另一个钢工件，其叠加以在所述钢工件之间提供结合界面，或(2)铝合金工件和另一个铝合金工件，其叠加以在所述铝合金工件之间提供结合界面；
用所述第一和第二焊接电极接触所述第二工件叠层的相反侧面，并且使电流在所述第一和第二焊接电极之间通过和穿过所述第二工件叠层，如果所述第二工件叠层包括铝合金工件，所述电流在叠加的所述铝合金工件的结合界面处产生和生长熔化铝合金焊池，或者如果所述工件叠层包括钢工件，所述电流在叠加的所述钢工件的结合界面处产生和生长熔化钢焊池。
10.如权利要求9中所述的方法，其中，在使电流在第一和第二焊接电极之间通过和穿过所述第一工件叠层期间，所述第一焊接电极被压入所述铝合金工件以在所述铝合金工件的电极接触表面形成接触印迹，并且所述第二焊接电极被压入所述钢工件以在所述钢工件的电极接触表面处形成接触印迹，以及其中，在己经停止电流通过的时候，由所述第一焊接电极形成的接触印迹表面积比由所述第二焊接电极形成的接触印迹大的比率为15∶1到16∶1。
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