CN104668757B

CN104668757B - 使用可插入封盖电阻点焊钢和铝工件

Info

Publication number: CN104668757B
Application number: CN201410857915.4A
Authority: CN
Inventors: B·E·卡尔逊; D·杨; D·R·西格勒; R·T·齐曼斯基; A·K·萨赫德夫
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2013-10-04
Filing date: 2014-10-04
Publication date: 2017-05-03
Anticipated expiration: 2034-10-04
Also published as: US20150096961A1; US10058949B2; CN104668757A

Abstract

本发明涉及使用可插入封盖电阻点焊钢和铝工件。一种将钢工件和铝或铝合金工件电阻点焊在一起的方法包括一些步骤。一个步骤包括在铝或铝合金工件和相邻焊接电极之间插入封盖。在另一个步骤中，在焊接位置，相邻焊接电极被按压抵靠封盖，并且另一个相对的焊接电极被按压抵靠钢工件。在又一个步骤中，电流在焊接电极之间通过，穿过封盖和穿过工件以在铝或铝合金工件里产生和生长熔化焊池。

Description

使用可插入封盖电阻点焊钢和铝工件

相关申请的交叉引用

本申请要求2013年10月4日提交的申请号为61/886,866的美国临时专利申请的权益，其全部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和铝或铝合金工件在一起。

背景技术

电阻点焊在许多行业中使用以将两个或更多个金属工件结合在一起。例如，汽车行业，是在车门、机罩、后备箱封盖或提升门以及其它车辆部件的制造期间，通常使用电阻点焊以将预制金属工件结合在一起。多个个体点焊点通常沿着工件的外围区域或某种其他结合区域形成以保证车辆部件结构良好。虽然点焊已经通常被执行以将特定相似组成的金属工件结合在一起，例如钢-钢和铝合金-铝合金，但是将较轻重量材料纳入到车身结构中的需求已经产生了对通过电阻点焊将钢工件结合到铝或铝合金(以下简便起见合称为“铝”)工件的兴趣。此外，使用一件设备电阻点焊包括不同工件组合(例如，铝合金/铝合金，钢/钢，以及铝合金/钢)的工件叠层的能力将增加生产灵活性并降低制造成本。

通常，电阻点焊依靠电流通过接触的金属工件并穿过它们的结合界面的流动的电阻产生热量。为了实现这种电阻焊接工艺，通常一对相对的焊接电极在预定的焊点位置夹在工件的相反侧上处于对齐点上。电流随后从一个焊接电极穿过工件到另一个焊接电极。该电流流动的电阻在工件内以及它们的结合界面处产生热量。当待焊接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产生熔化焊池。该熔化铝焊池润湿钢工件的相邻表面，并且在电流流动停止时，凝固成为铝焊接熔核，其形成两个金属工件之间的焊接接头的全部或部分。

电阻点焊钢工件到铝工件存在某些难题。这些金属具有趋向于破坏焊接过程的相当大的差异。举例来说，钢具有相对高的熔点和相对高的热阻和电阻，而铝具有相对低的熔点和相对低的热阻和电阻。这些差异的结果是，在电流流动期间铝比钢在低得多的温度下更快的熔化。在电流流动已经停止后铝还比钢更快的冷却。因此，在两种金属之间控制热平衡以使熔化焊池能够在铝工件中快速产生并且凝固能够成为挑战。例如，已发现，当使用标准工业实践快速冷却时，熔化铝焊池中的缺陷，例如缩孔、气孔、氧化物残渣、和微观裂纹，被朝向结合界面拖曳和在结合界面处聚集。此外，在电阻点焊期间延长加热——尤其是由于钢工件相对更高的电阻引起的钢工件中的升高的温度——有益于在结合界面处在熔化铝焊池与钢工件之间脆性Fe-Al金属间层的生长。这两个条件已经显示出降低最终形成的焊接接头的剥离强度并且减弱该焊接接头的的整体完整性。

发明内容

公开了一种电阻点焊包括钢工件和铝或铝合金(再次地，本公开中简便起见共同的称为“铝”)工件的工件叠层的方法。该方法包括在铝工件和面向铝工件的相邻焊接电极之间插入封盖。该封盖随后夹在铝工件和它对应的焊接电极之间，并接触以上两者。该封盖优选由具有比接触铝工件的焊接电极的电阻大的电阻的金属制成，并且优选具有比铝工件自身电阻大的电阻。具有比铝工件大的电阻的金属材料的例子包括不锈钢、钼或钼基合金、铌或铌基合金、或钨或例如钨-铜合金的钨基合金。

该封盖，当被插入和使用时，在工件叠层的铝侧上，促进至少两个不同效果中的至少一种，在叠层的该侧上的焊接电极被简单带到与铝工件直接接触的相反情况下，这些效果将不会存在。第一，如果封盖具有与相邻铝侧焊接电极的焊接面不同的几何形状——尤其是如果封盖在更大表面积上接触铝工件——相比于钢工件提供的电流密度，封盖会降低在铝工件中的电流密度，这在压力下不会变形以与接触电极焊接面的形状匹配。实际上，当在电流流动期间，切成圆弧的焊接电极被按压抵靠封盖的一侧——取代被按压直接抵靠铝工件——在相对的焊接电极之间通过的电流在铝工件内具有降低密度，这是因为在封盖和铝工件之间建立的更宽的界面接触面积。并且在铝工件中相对于钢工件降低电流密度具有改变围绕在铝工件中产生的熔化焊池的温度梯度的效果，其促进从熔化铝焊池进入工件叠层的侧向热传播。

第二，如果封盖由具有比相邻焊接电极更大的电阻的金属构成，作为电流流过封盖的结果，封盖将产生热量并提供该热量给铝工件，在其它情况下这是不存在的。并且当构造的金属具有比铝工件大的电阻时，封盖将加热达到相对更高的程度，因此在焊接位置引入更多热量到铝合金工件中。在电流流动期间除了在钢工件中发展的热量之外，封盖从与钢工件中发展的热量相反的方向提供额外热量到铝工件的能力具有抑制从熔化铝焊池到铝侧焊接电极的快速定向热传播的效果。与以前一样，这进而通过改变围绕在铝工件中产生的熔化焊池的温度梯度促进从熔化铝焊池进入到工件叠层的侧向热传播。通过设计封盖几何形状与焊接面几何形状相匹配或封盖足够柔韧使得在压力下它将变形以与接触电极焊接面的几何形状相匹配的情况下，封盖的主要作用是提供热量到铝工件而没有必要改变电流密度。

封盖的使用改变了铝工件中的电流密度和/或提供额外热量到铝工件，并且因此促进从熔化铝焊池的侧向热传播，被认为是以在工件叠层的结合界面处并沿着工件叠层的结合界面排除缺陷的不想要的积聚的方式，改变了铝工件中形成的熔化铝焊池的凝固行为。特别是，代替朝向结合界面驱动和扫掠，相信是归功于封盖的电流密度和/或加热效应推动焊接缺陷朝着最终形成的焊接熔核的中心，在焊接熔核的中心，这些缺陷更少可能影响焊接接头的强度。此外，如果由更大电阻的金属制成，封盖也能够减少在钢工件中产生的热量，其因此抑制结合界面处脆性Fe-Al金属间层的生长。在工件之间建立的焊接接头的整体强度和完整性因此能够通过使用公开的封盖和伴随方法被提高。

公开了在铝工件和焊接电极之间插入封盖，并且随后从其缩回封盖的一些方式。一种方式包括在插入位置和移除位置之间枢转的臂。其他方式能够包括导轨、槽、导管、绕轴，或这些项目的结合，以及其他项目。封盖本身能够以不同的形式提供，包括封盖板或封盖带形式。封盖板或封盖带的每一个能够构造成促进单个点焊事件或多个点焊事件。例如，封盖板可以在单个点焊事件期间使用并且随后丢弃或翻新。或者它可以适用于多用途应用，其中由于板的厚度和耐久性，多个焊接接头能够使用相同的封盖板连续形成。在这种情况下，封盖板的操作用途甚至能够通过累积的污染物的间歇清洁而延伸。类似地，封盖带可以适用于单个用途应用，其中形成单个焊接接头，并且封盖带的使用过的部分被丢弃，或者记住它可以被构造成具有相同的带部分的多用途应用。

封盖按照需要被插入和缩回的能力导致点焊工艺和相关设备在制造环境中的灵活性。例如，由于其能够被插入和缩回，封盖提供电阻点焊铝到铝工件叠层、钢到钢工件叠层、和钢到铝工件叠层的能力，而不必要改变设备或做出其他会减缓制造的改变。当点焊铝到钢时封盖能够被插入和使用，并且随后当点焊钢到钢或铝到铝时被缩回和不使用，如此等等基于制造计划。这种能力扩大了生产灵活性和降低了制造成本。

1、一种将钢工件和铝或铝合金工件电阻点焊在一起的方法，所述方法包括：

提供包括钢工件和铝或铝合金工件的工件叠层，并且提供面对所述钢工件的第一焊接电极和面对所述铝或铝合金工件的第二焊接电极；

在所述铝或铝合金工件和第二焊接电极之间插入封盖，所述封盖由金属制成；

在焊接位置按压所述第一焊接电极抵靠所述钢工件并且按压所述第二焊接电极抵靠所述封盖；和

使电流在所述第一和第二焊接电极之间通过，穿过所述工件叠层，并且穿过所述封盖以在所述铝或铝合金工件内产生和生长熔化焊池。

2、如方案1所述的方法，其中，所述第二焊接电极由具有电阻的材料构成，并且其中，所述封盖具有比所述第二焊接电极的电阻大的电阻。

3、如方案2所述的方法，其中，所述封盖由不锈钢、钼或钼基合金、铌或铌基合金、或者钨或钨基合金制成。

4、如方案1所述的方法，其中，所述封盖是封盖板，其与所述铝工件接触的表面积比在没有所述封盖板的相反情况下所述第二焊接电极与所述铝工件接触的表面积大。

5、如方案4所述的方法，其中，所述封盖板由不锈钢、钼或钼基合金、铌或铌基合金、钨或钨基合金、或铜合金制成。

6、如方案1所述的方法，其中，所述封盖是封盖板，其通过连接到所述第二焊接电极的焊枪臂的臂承载。

7、如方案6所述的方法，其中，所述臂枢转连接到所述焊枪臂，并且在所述铝或铝合金工件和所述第二焊接电极之间插入封盖板包括围绕所述臂至所述焊枪臂的枢轴连接在第一位置和第二位置之间旋转所述臂，在所述第一位置中，封盖板被插在所述铝或铝合金工件与所述第二焊接电极之间，在所述第二位置中，封盖板没有被插在所述铝或铝合金工件与所述第二焊接电极之间。

8、如方案6所述的方法，其中，所述封盖板具有位于其本体中的至少一个转弯。

9、如方案6所述的方法，还包括在多个个体焊接接头形成之后使用第二封盖板替换所述封盖板的步骤。

10、如方案6所述的方法，其中，所述臂通过联动装置连接到所述第二焊接电极的焊枪臂。

11、如方案6所述的方法，还包括移除聚集在所述封盖板的外表面上的污染物的步骤。

12、如方案1所述的方法，其中，所述封盖是具有厚度在0.1mm与0.4mm之间的可切断封盖带的一部分。

13、如方案12所述的方法，其中，所述封盖带通过连接到所述第二焊接电极的焊枪臂的臂引导。

14、如方案13所述的方法，其中，所述封盖带从卷筒上解绕。

15、如方案1所述的方法，还包括：

从所述铝或铝合金工件和第二焊接电极之间移除所述封盖；

提供包括第二钢工件和第三钢工件、或包括第二铝或铝合金工件和第三铝或铝合金工件的第二工件叠层；

按压所述第一和第二焊接电极抵靠所述第二工件叠层的相反侧；和

使电流在所述第一和第二焊接电极之间通过并穿过所述第二工件叠层。

16、如方案15所述的方法，还包括：

提供包括第四钢工件和第四铝或铝合金工件的第三工件叠层；

在所述第四铝或铝合金工件和所述第二焊接电极之间插入第二、不同的封盖，所述第二封盖由金属制成；

在焊接位置按压所述第一焊接电极抵靠所述第四钢工件并且按压所述第二焊接电极抵靠所述第二封盖；和

使电流在所述第一和第二焊接电极之间通过，穿过所述第三工件叠层，并且穿过所述第二封盖以在所述第四铝或铝合金工件内产生和生长熔化焊池。

17、如方案15所述的方法，还包括：

在所述第四铝或铝合金工件和所述第二焊接电极之间插入所述封盖；

在焊接位置按压所述第一焊接电极抵靠所述第四钢工件并且按压所述第二焊接电极抵靠所述封盖；和

使电流在所述第一和第二焊接电极之间通过，穿过所述第三工件叠层，并且穿过所述封盖以在所述第四铝或铝合金工件内产生和生长熔化焊池。

18、一种用于将钢工件和铝或铝合金工件电阻点焊在一起的电阻点焊组件，所述焊接电极组件包括：

第一焊接电极；

第二焊接电极；和

可移除地插在所述铝或铝合金工件和所述第二焊接电极之间的封盖，所述封盖由具有比所述铝或铝合金工件的电阻大的电阻的金属制成。

19、如方案18所述的焊接电极组件，还包括枢转连接到承载所述第二焊接电极的焊枪臂的臂，所述封盖是封盖板并且附接到所述臂，其中，在使用中，所述臂在插入位置和移除位置之间移动，在插入位置中，所述封盖板插在所述铝或铝合金工件和所述第二焊接电极之间，在移除位置中，所述封盖板没有插在所述铝或铝合金工件和所述第二焊接电极之间。

20、如方案18所述的焊接电极组件，其中，所述封盖是封盖带，并且进一步包括在所述铝或铝合金工件和所述第二焊接电极之间引导所述封盖带的臂。

附图说明

图1是电阻点焊组件的侧视图；

图2是不使用如以下说明书详述的封盖经由电阻点焊工艺形成的焊接熔核的微观结构；

图3是要插在铝工件和相邻焊接电极之间的封盖的实施方式和关联焊枪臂的实施方式的侧视图；

图4是图3的封盖和焊枪臂的顶视图；

图5是图3的封盖和工件叠层和一对焊接电极全部放在一起实行电阻点焊的放大视图；

图6是要插在铝工件和相邻焊接电极之间的封盖和关联焊枪臂的另一个实施方式的侧视图；

图7是要插在铝工件和相邻焊接电极之间的封盖和关联焊枪臂的又一个实施方式的侧视图；

图8是要插在铝工件和相邻焊接电极之间的封盖和关联焊枪臂的又一个实施方式的侧视图；

图9是将插在铝工件和相邻焊接电极之间的封盖和关联焊枪臂的又一个实施方式的侧视图；

图10是使用如以下说明书详述的封盖经由电阻点焊工艺形成的焊接熔核的微观结构。

具体实施方式

本说明书中详述的方法和组件解决了当电阻点焊包括铝工件和钢工件的工件叠层时遇到的一些挑战。尽管在下面进行了更详细的描述，但是总体上所述方法和组件能够改变生成的熔化铝焊池的凝固行为，并且因此限制或完全排除缺陷在铝和钢工件的结合界面处并沿着该结合界面积聚。该方法和组件也能够最小化形成结合界面Fe-Al金属间层的大小和厚度。当然，其他改进是可能的。一起采用或单独采用，这些措施帮助保持在铝和钢之间形成的焊接接头的适当的剥离强度，并且帮助确保接头的整体强度和完整性。虽然下面在车体部件的背景下描绘该方法和焊接电极，但是本领域技术人员会知晓并理解该方法和焊接电极可以用于其它环境，例如航天、海洋、和工业设备应用。

图1显示电阻点焊组件10的一个示例，该电阻点焊组件10能够用于电阻点焊工件叠层12，该工件叠层12包括叠加在彼此之上的钢工件14和铝工件16。尽管图1中没有示出，工件叠层12能够包括附加工件，例如单个铝工件和一对钢工件以构成总计三工件的层叠，以及其他可能性。钢和铝工件14、16的每一个能够具有厚度，范围在0.3mm与6.0mm之间，在0.5mm与4.0mm之间，并且更窄的在0.6mm与2.5mm之间，尽管其他厚度尺寸是可能的。术语“工件”和其钢和铝变形广泛用在本说明书中，是指金属板层，铸件，压制品，或可电阻点焊的任何其他零件。

钢工件14可以是镀锌低碳钢，镀锌先进高强度钢(AHSS)、铝涂层钢、低碳钢、裸露钢、或另一类型的钢。在钢工件14中能够使用的一些特殊种类的钢包括但不限于，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)。另一方面，铝工件16能够是铝、铝镁合金、铝硅合金、铝镁硅合金、铝锌合金或另一类型的铝。铝工件16中能够使用的一些更特殊种类的铝合金包括但不限于，5754铝镁合金、6022铝镁硅合金、7033铝锌合金、和Al-10Si-Mg铝压铸合金。此外，这些和其他适合的铝合金(以及铝)可以涂有锌或转化涂层，典型用于提高粘接结合性能。可选的，还可以存在通常用于电阻点焊操作的焊穿(weld-through)粘接剂或密封物。

仍然参考图1，电阻点焊组件10通常是更大的自动焊接作业的一部分，自动焊接作业包括第一焊枪臂18和第二焊枪臂20，其在机械和电气上构造成重复形成电阻点焊点。第一焊枪臂18能够具有固定第一焊接电极24的第一电极座22，并且相似地第二焊枪臂20能够具有固定第二焊接电极28的第二电极座26。焊接电极24、28可以由适当的铜合金构成，例如一般按照标号C15000的铜锌合金。当进行电阻点焊时，焊枪臂18、20在焊接位置30按压它们各自的焊接电极24、28抵靠叠加工件14、16的相反侧和外表面，伴随电极的焊接面在彼此之上并对齐。结合界面32位于钢和铝工件14、16之间，位于工件14、16的面对并邻接的内表面处。

图2图示了没有使用如以下详述的封盖由电阻点焊工艺形成的铝焊接熔核34的微观结构。虽然适当的焊接熔核可以不使用封盖在一些情况下形成，但是在这个示例中缺陷D被发现在结合界面32处并沿着结合界面32。除了其他可能性以外，缺陷D可以包括缩孔、气孔、氧化物残渣以及微裂纹。已经发现当沿着结合界面32存在并散布时，缺陷D可以降低钢和铝工件14、16之间建立的焊接接头的剥离强度，并且有害的影响和削弱接头的整体完整性。此外，除了缺陷D之外，一个或多个Fe-Al金属间层(未示出)(其也被认为是焊接接头的部分)，会在钢和铝工件14、16之间在结合界面32处生长。Fe-Al金属间层能够包括FeAl₃和Fe₂Al₅，以及其他化合物，并且当其存在时通常是硬且脆的。另外在这里，如果允许大面积地生长，Fe-Al金属间层能够对接头的整体完整性具有负面影响。

尽管没有意图被束缚于因果关系的特殊理论，但是当前相信的是缺陷D在结合界面32处并沿着结合界面32的积聚是由于熔化铝焊池当其转变为铝焊接熔核34时的凝固行为引起的。也就是，由于两种金属的不同物理属性——即钢大得多的热阻和电阻，热失衡能够在热得多的钢工件14和铝工件16之间发展。钢因此充作热源，而铝充作热导体，意味着在铝工件16内形成的熔化铝焊池从其外周朝向结合界面32冷却和凝固，因为来自焊池的热量被定向地抽出穿过接触铝工件的水冷焊接电极。凝固前锋的路径和方向在图2中大致由虚线箭头P表示，而铝焊接熔核34的边界大致由虚线B表示。路径P指向结合界面32并且更多倾斜边界B(与图10中所示相比)是熔化铝焊池朝向结合界面32凝固的结果。这样指向，随着凝固前锋着路径P前进，焊池的缺陷D被朝向结合界面32拖曳或扫掠，并且可以结束沿着结合界面32分散。此外，目前相信的是Fe-Al金属间层的生长至少部分是由于在电阻点焊工艺期间钢工件14经历的温度升高。

现参照图3-9，为了限制并且在一些情况中完全排除缺陷D沿着结合界面32积聚和分散，封盖36被插在铝工件16和面对铝工件16的相邻焊接电极(在这个示例中，第二焊接电极28)之间。通常，并如以下更详细描述的，封盖36能够穿过铝工件16的电流密度的减小和在铝工件16的与钢工件14相对的侧面上产生热量中的一者或二者，由于第二焊接电极28通常用水迅速冷却的事实，在铝工件16的与钢工件14相对的侧面上正常不会产生热量。在一些情况中，封盖36可以由比第二焊接电极28的电阻大的金属制成，并且优选地，比铝工件16的电阻大，其能够引起封盖36自身也产生热量。归因于封盖36的电流密度的改变和/或额外热量输入——除了在钢工件14中发展的热量之外，并且从在钢工件14中发展的热量的相反方向在焊接位置30该热量被引入铝工件16——当熔化铝焊池冷却和凝固成为铝焊接熔核34时影响熔化铝焊池的凝固行为，这被相信改进在工件14、16之间建立的焊接接头的剥离强度。产生热量的封盖36还能够最小化在结合界面32处可能形成的Fe-Al金属间层的大小和厚度。

如提及的，封盖36可以由具有比第二焊接电极28的电阻大的电阻的金属制成，并且优选由具有比铝工件16的电阻大的电阻的金属制成，从而使得除了在钢工件14中产生热量之外，大体积(bulk)封盖36自身能够产生热量。例如，当第二焊接电极28由铜合金构成时，如下面使用不同实施方式描述的，封盖36能够由钢材料制成，例如不锈钢或裸露低碳钢，或其能够由展示出与铝的有限反应的高熔点金属制成，例如钼或钼基合金，钨或钨基合金，如钨铜合金，或铌或铌基合金，以及其他。

无论其组分，封盖36能够插在铝工件16和第二焊接电极28之间，并且还能够移除和撤回，通过一些不同的机制。在一些情况中，准确的插入和移除机制可以依靠焊枪臂或更大电阻点焊组件10的设计和结构。例如，在图3-5的实施方式中，插入和移除功能通过连接并机械联接到第二焊枪臂20的臂38来实施。这里，臂38在从第二电极座26和第二焊接电极28间隔开的位置枢转连接到第二焊枪臂20。臂38围绕枢转轴和轴线40沿着摆动路径S旋转，摆动路径S在臂的插入位置和状态(图3中所示实线)与臂的移除位置和状态(图3中所示虚线)之间，在臂的插入位置和状态中，封盖36能够放置在铝工件16和第二焊接电极28之间，在臂的移除位置和状态之间，封盖从铝工件16和第二焊接电极28之间缩回。

枢转轴40能够安装并直接轴颈连接到第二焊枪臂20上，如图所示，或者它可以安装和枢轴颈连接到一对支架，该对支架自身附接到第二焊枪臂。当然，提供围绕枢轴轴线的旋转和摆动的其他安装装置也是可能的，尽管这里没有明显的显示和描述。此外，插入和移除位置之间的移动可以由电机自动化，例如伺服旋转致动器或气动致动器，或该移动可以手动控制。在自动的情况中，该移动能够通过控制器调整，该控制器电联接到电机并且被编程以当电阻点焊铝和钢工件14、16时在焊接位置30将封盖36插在铝工件16和相邻第二焊接电极28之间，并且一旦焊接电极24、28之间的电流流动停止并且第二焊接电极28被缩回远离封盖36，就移除封盖36。

在图3-5的实施方式中，封盖36设为封盖板42的形式。封盖板42能够通过不同的附接技术可释放地附接到臂38。尽管是理想的，但是附接足够强大以承受通常是自动化应用的自动焊接操作。这里，封盖板42具有大致长方形的形状，具有可释放地附接到臂38的第一端44和远离该附接悬挂的第二自由端46，并且具有面对铝工件16的第一外表面48和面对第二焊接电极28(图5)的焊接面52的第二外表面。在其端部44、46之间，封盖板42具有足以跨越焊接面52全部区域的纵向长度，从而使得当插入和使用时焊接面52邻接封盖板42并且不是铝工件16。相似地，当封盖板42在焊接位置30插在第二焊接电极28和铝工件16之间时，封盖板42具有足以跨越焊接面52全部区域的横向于其纵向长度的侧向宽度。这里，如图所示，封盖板42的第二外表面50接触铝工件16的表面面积比在不存在封盖板42情况下第二焊接电极28接触铝工件16的表面面积大。

封盖板42能够具有多种构造使其具有比铝工件16更大的电阻。在一个特别示例中，封盖板42由低碳钢制成并且具有厚度420(图5)，其范围在0.1mm与0.4mm之间。封盖板42的该示例可以用于相对有限数量的个体电阻点焊点，例如达到10个，并且随后能够被另一个还没有使用的封盖板42替换。在另一个特别示例中，封盖板42可以由钼或钼基合金、铌或铌基合金、或钨铜合金制成，并且具有的厚度范围在0.5mm与10.0mm之间。封盖板42的该示例比先前的示例更加耐用——基于厚度和材料选择——并且因此用于相对更多数量的个体电阻点焊点，例如一千次或更多。在该示例中，在执行设定数量的焊接之后可能需要周期清洁操作以从封盖板42清除污物——例如，10到1000次焊接——以便延长封盖板42的使用寿命。污物可以导致熔化铝在由封盖板42邻接的铝工件16的外表面处的积累。清洁操作可以使用旋转钢丝轮、毛刷、或其他研磨介质实行。

封盖42还能够由铜合金构成，优选地比用于制作第二焊接电极28的铜合金具有更大电阻的铜合金，例如，通常标号为C18000的Cu-Ni-Cr-Si合金，其具有电导率为大约45％IACS(与IACS关联的电导率(有时称为100％IACS)是在20℃商业上纯的、退火铜的电导率，其定义为5.8×10⁷S/m)。虽然铜合金通常具有比铝工件16更小的电阻，然而由这样合金形成的封盖板42仍然能够有效减小铝工件16内电流的电流密度以及产生一些热量并将这些热量引到铝工件16中。封盖板42，如果由铜合金制成，能够具有的厚度范围在0.5mm与10.0mm之间，使其耐用并且能够参与多电阻点焊事件，特别是当经受周期清洁以清除污物时。

图6描述的实施方式类似于图3-5的实施方式。但是在这个实施方式中，联动装置54装配在臂38和第二焊枪臂20之间。联动装置54能够提供插入和移除位置之间更多的受约束移动，并且能够包括一个或多个枢转联接的连杆56。这些类型的联动装置，以及其他，是本领域技术人员已知的，并且可以包括弹簧部件，阻尼部件，和/或帮助移动的其他部件。

图7描绘类似于图3-5的实施方式的另一个实施方式。在这个实施方式中，臂38相对于其在先前图中的长度缩短了，并且封盖板42具有形成在其本体中的转弯58。转弯58使封盖板42升起远离臂38的顶端，如图7所示。这些措施便于容纳在其工件14、16中具有一个或多个转弯或其他构造的工件叠层12，并且排除臂38、封盖板42、和工件叠层12之间的物理干扰和阻碍。此外，这个实施方式，以及提供的其他实施方式，能够包括用于供应备用封盖板42’的机构，例如装配到第二焊枪臂20或靠近第二焊枪臂20的储存箱60。储存箱60便于封盖板的替换和加载。

图8描绘在某些方面类似于图3-5的实施方式的又一个实施方式。在这个实施方式中，然而，封盖36以封盖带62的形式设置。封盖带62可以优选用于单一用途的应用，其中甚至形成单个点焊点以形成单个焊接接头，经受点焊事件的封盖带62的一部分被切断和丢弃，并且随后封盖带62的未使用部分延伸取代切断的部分，用于实现另一个点焊事件。在切断和丢弃之前封盖带62还可以用于多个用途应用中。封盖带62能够由低碳钢制成并且能够具有的厚度范围在0.1mm与0.4mm之间。臂38能够具有如先前对图3和4实施方式所述的相同的插入和移除功能，或能够具有不同插入和移除功能。为了便于切断和延伸功能，切割机构可以装配到臂38中或与其相邻，并且臂38能够具有导轨或槽64用于供给封盖带62。尽管示意性显示具有锐角，但是由于带的尺寸(例如薄)，封盖带62能够具有更加圆形的物理轮廓。

图9描绘在某些方式上类似于图8的实施方式的又一个实施方式，这里，封盖36也设置为封盖带62的形式并且能够用于单一用途或多个用途应用中。在这个实施方式中，臂38设置为弓形形状导管66的形式，导管66具有中空通道用于延伸封盖带62。导管66的曲率能够大致地匹配封盖带62的延伸轮廓。导管66能够装配到第二焊枪臂20或装配邻近第二焊枪臂20，并且具有开放进口68用于接纳封盖带62和开放出口70用于在铝工件16和第二焊接电极28之间引导封盖带62。封盖带62经由卷轴72供给到导管66中，封盖带62的供应从封盖带62上解绕。当封盖带62的供应耗尽时，卷轴72能够是可替换的。在这个实施方式中，插入和移除功能能够通过从卷轴72施加的解绕力和导致的封盖带62的延伸单独实现，并且没有必要通过类似本说明书中其它地方详述的实施方式的臂38的有意和主动移动，尽管这是有可能性的。实际上，导管66能够是固定结构。

在迄今详述的所有实施方式中，当电阻点焊铝和钢工件14、16时能够插在铝工件16和第二焊接电极28之间的封盖36(板、带、或其他形式)，当点焊钢到钢工件或铝到铝工件时能够被移除，并且能够再次插入用于附加的铝和钢工件。这提供了所需的灵活性并且有时对于在制造环境中电阻点焊车身部件是需要的。在焊接电极24、28也将用于焊接铝到铝工件和/或钢到钢工件的情况下，设计不带有封盖36的焊接电极能够服从这些工艺。例如，对于钢到钢工件，焊接电极能够具有焊接面直径为5mm到10mm，具有弯曲半径在40mm和平直之间。例如，对于铝到铝工件，焊接电极能够具有焊接面直径6mm到20mm，并且更优选8mm到12mm，具有弯曲半径从12mm到150mm，并且更优选20mm到50mm。

此外，对于铝到铝工件电阻点焊，焊接面可以具有穿透形成在铝表面的氧化层的表面特征。例如，如果需要，焊接面能够是有纹理的、粗糙的、或具有一组突出环。这些示例在美国专利号6861609、8222560、8274010、8436269和8525066中和在美国专利申请公开号2009/0255908中描述。在这些表面特征的一些，例如突出环的情况中，封盖36可能需要比以上所述的更厚，以排除在焊接电极24、28向下夹时过度变形。对于点焊铝到铝工件和钢到钢工件，除了上面所讨论的铝到钢工件14、16，已经发现当相应地使用封盖36时具有弯曲半径为20mm到50mm的焊接电极对于所有三种类型的工件都工作良好。

当与点焊组件10一起使用时，封盖36被认为改变围绕熔化铝焊池的温度梯度，并且进而改变熔化铝焊池的凝固行为，并且因此限制或完全排除缺陷D在结合界面32处并全部沿着结合界面32在铝焊接熔核内的积聚和散布。由于封盖36定位靠近铝工件16并且电流穿过它，通常将实现以下效果之一或两者：(1)在铝工件16内电流的电流密度的降低，和(2)与封盖36没有置于铝工件16和第二焊接电极28之间产生的情况相比，在铝工件16的外表面产生和引入额外的热量到铝工件16中。相信这些效果的每一个是改变熔化铝焊池的冷却行为，当熔化铝焊池在铝工件16内凝固以变成铝焊接熔核34时。

现在参照图10的微观结构，取代如图2所示和以上描述的凝固前锋前进朝向结合界面32，封盖36导致熔化铝焊池从其外周向内冷却和凝固。凝固前锋的路径和方向在图10中大致由虚线箭头P表示，并且铝焊接熔核34的边界由虚线B表示。作为改变凝固路线的结果，路径P指向焊接熔核34的中心区域并且边界B相对于结合界面32更加正交(与图2中所示相比)。在熔化铝焊池中存在的任何缺陷D因此被朝向焊池的中心区域以及最终的焊接熔核34扫掠和拖曳，并且大部分位置远离结合界面32，如所描绘的，或主要在结合界面32处的中心位置。改变凝固路线的结果是路径P指向中心区域并且边界B相对于结合界面32更加垂直。图4的凝固中，任何缺陷D在中心区域朝向迁移并且沉降，并且大量位于远离结合界面32，如图所示，或是更大量抵靠焊接接头34的中心和沿着结合界面32更小的扩散。缺陷D沿着结合界面32的这种减少和消除，特别是在焊接接头34的外周，提高了机械性能。因此，保持适当的剥离强度和保证在工件14、16之间建立的焊接接头34的完整性。

封盖36通过电流密度在铝工件内的减小和/或热量从封盖36引入到铝工件中来改变围绕焊池的温度梯度，促进熔化铝焊池的更想要的凝固行为。通过在熔化铝焊池凝固期间保持封盖36与铝工件16邻接，如果想要的话包括在电流在焊接电极24、28之间的通过停止之后持续一些时间，热量从熔化铝焊池通过铝工件16并且进入到第二焊接电极28的快定向传播被减缓。实际上，由于强加障碍给热量流动，封盖36不允许第二焊接电极28从铝工件16提取的热量与如果封盖36不存在并且电极28直接压在铝工件16的表面上时正常会提取的热量那样多。相反，热量侧向向外传播到远离焊接位置30的铝工件16的较冷部分。所有这些的结果是，维持适当的剥离强度并且确保在工件14、16之间建立的焊接接头的整体强度和完整性。

此外，改进的热平衡还意味着在电阻点焊期间能够降低工件叠层12的钢侧上的热量，如果想要的话，通过减小在焊接电极24、28之间流动并且穿过工件叠层12的电流水平。该电流流动的减小能够减少钢工件14中的加热，最小化Fe和Al之间的反应，并且因此最小化可能形成在结合界面32处的任何Fe-Al金属间层的伴随大小和厚度。已经确定的是Fe-Al金属间层的大小和厚度越大，层越脆并且它们越有可能在负载下断裂。最小化层帮助维持适当的剥离强度和帮助保证焊接接头的整体强度和完整性。

优选示例实施方式和相关示例的以上说明本质上仅是描述的；它们没有意图限制以下权利要求的范围。除非在说明书中有特别和清楚的相反声明，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

1.一种将钢工件和铝或铝合金工件电阻点焊在一起的方法，所述方法包括：

使电流在所述第一和第二焊接电极之间通过，穿过所述工件叠层，并且穿过所述封盖以在所述铝或铝合金工件内产生和生长熔化焊池，

其中，所述封盖是封盖板，其通过连接到所述第二焊接电极的焊枪臂的臂承载；以及

其中，所述臂枢转连接到所述焊枪臂，并且在所述铝或铝合金工件和所述第二焊接电极之间插入封盖板包括围绕所述臂至所述焊枪臂的枢轴连接在第一位置和第二位置之间旋转所述臂，在所述第一位置中，封盖板被插在所述铝或铝合金工件与所述第二焊接电极之间，在所述第二位置中，封盖板没有被插在所述铝或铝合金工件与所述第二焊接电极之间。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述第二焊接电极由具有电阻的材料构成，并且其中，所述封盖具有比所述第二焊接电极的电阻大的电阻。

3.如权利要求2所述的方法，其中，所述封盖由不锈钢、钼或钼基合金、铌或铌基合金、或者钨或钨基合金制成。

4.如权利要求1所述的方法，其中，所述封盖是封盖板，其与所述铝工件接触的表面积比在没有所述封盖板的相反情况下所述第二焊接电极与所述铝工件接触的表面积大。

5.如权利要求4所述的方法，其中，所述封盖板由不锈钢、钼或钼基合金、铌或铌基合金、钨或钨基合金、或铜合金制成。

6.如权利要求1所述的方法，其中，所述封盖板具有位于其本体中的至少一个转弯。

7.如权利要求1所述的方法，还包括在多个个体焊接接头形成之后使用第二封盖板替换所述封盖板的步骤。

8.如权利要求1所述的方法，其中，所述臂通过联动装置连接到所述第二焊接电极的焊枪臂。

9.如权利要求1所述的方法，还包括移除聚集在所述封盖板的外表面上的污染物的步骤。

10.如权利要求1所述的方法，其中，所述封盖是具有厚度在0.1mm与0.4mm之间的可切断封盖带的一部分。

11.如权利要求10所述的方法，其中，所述封盖带通过连接到所述第二焊接电极的焊枪臂的臂引导。

12.如权利要求11所述的方法，其中，所述封盖带从卷筒上解绕。

13.如权利要求1所述的方法，还包括：

从所述铝或铝合金工件和第二焊接电极之间移除所述封盖；

14.如权利要求13所述的方法，还包括：

15.如权利要求13所述的方法，还包括：

16.一种用于将钢工件和铝或铝合金工件电阻点焊在一起的电阻点焊组件，所述电阻点焊组件包括：

第一焊接电极；

第二焊接电极；

可移除地插在所述铝或铝合金工件和所述第二焊接电极之间的封盖，所述封盖由具有比所述铝或铝合金工件的电阻大的电阻的金属制成；以及

枢转连接到承载所述第二焊接电极的焊枪臂的臂，所述封盖是封盖板并且附接到所述臂，其中，在使用中，所述臂在插入位置和移除位置之间移动，在插入位置中，所述封盖板插在所述铝或铝合金工件和所述第二焊接电极之间，在移除位置中，所述封盖板没有插在所述铝或铝合金工件和所述第二焊接电极之间。

17.如权利要求16所述的电阻点焊组件，其中，所述封盖是封盖带，并且进一步包括在所述铝或铝合金工件和所述第二焊接电极之间引导所述封盖带的臂。