CN104842058A - 用于不同金属的电阻点焊的电极 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于不同金属的电阻点焊的电极。一种点焊包括钢工件和铝合金工件的工件叠堆方法包括使电流传递通过工件以及在构造成影响电流的电流密度的焊接电极之间传递。更具体地，焊接电极构造成致使电流密度在钢工件中比在铝合金工件中大。这种电流密度差别能够通过使电流至少初始地在与钢工件接触的焊接电极的焊接面和与铝合金工件接触的焊接电极的焊接面的周围区域之间传递而实现。

Description

用于不同金属的电阻点焊的电极

技术领域

本公开的技术领域大体涉及电阻点焊，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

电阻点焊是由许多工业使用以将两个或更多个金属工件结合在一起的工艺。例如，汽车工业在制造用于除了其它部件以外的车门、引擎罩、行李箱盖或提升门的车辆车身面板期间通常使用电阻点焊将预制板金属层结合在一起。许多点焊点典型地沿着板金属层或一些其他焊接区域的外周边缘形成以确保车身面板在结构上是可靠的。尽管典型地已经实施点焊以将某些组成类似的金属工件——诸如钢对钢以及铝合金对铝合金——结合在一起，但是将较轻重量的材料合并到车辆平台中的渴望已经对通过电阻点焊将钢工件结合至铝合金工件产生兴趣。

电阻点焊通常依赖于电流通过接触的金属工件以及跨过它们的接合界面（也即金属工件的接触界面）的流动的电阻以产生热量。为了执行这样一种焊接工艺，一对相对的点焊电极在预定的焊点位置处典型地被夹在位于工件的相对侧面上的完全对准的点处。电流随后从一个电极流过金属工件至另一个电极。该电流流动的电阻在金属工件内以及在它们的接合界面处产生热量。当正被焊接的金属工件是钢工件和铝合金工件时，在接合界面处产生的热量在铝合金工件中引发熔化的焊池。该熔化的铝合金焊池润湿钢工件的相邻表面，并且在电流流动停止的情况下，固化为焊点接头。在点焊工艺已经完成之后，焊接电极从它们各自的工件表面缩回，并且在另一焊点位置处重复该点焊工艺。

将钢工件点焊至铝合金工件造成一些挑战。这两种类型金属具有倾向于中断焊接工艺的数个相当大的不同特性。具体地，钢具有相对高的熔点（～1500℃）和相对高的电阻率，而铝合金具有相对低的熔点（～600℃）和相对低的电阻率。作为这些物理差别的结果，铝合金在电流流动期间以比钢更快速且在低得多的温度下熔化。铝合金在电流流动已经终止之后也比钢更快速地冷却下来。因此，在焊接电流停止之后，立即发生这样的情形，其中热量不是对称地从焊点位置散布，而是相反地从更热的钢工件传导通过铝合金工件朝向铝合金侧上的电极。

在钢工件与铝合金侧焊接电极之间的陡峭热梯度的发展被相信以两个主要方式弱化了得到的焊点接头的完整性。首先，因为钢工件在焊接电流已经停止之后比铝合金工件保留热量更长的持续时间，所述熔化的铝合金焊池定向地固化，从最靠近与铝合金工件相关联的较冷焊接电极的区域开始并且朝向接合界面传播。这种类型的固化路径倾向于迫使缺陷——诸如气孔、收缩、微裂缝和氧化物残留物——在焊点接头内朝向并且沿着接合界面。其次，钢工件中持续升高的温度在接合界面处并且沿着接合界面引起脆性Fe-Al金属间化合物的生长。沿着接合界面具有熔核缺陷的分散连同过量Fe-Al金属间化合物倾向于降低在工件之间建立的焊点接头的剥离强度。

在两种金属之间的另一显著不同点在于，铝合金在其表面上包含在研磨操作（例如退火、溶剂处理、铸造等等）和环境暴露期间产生的一个或多个难熔氧化物层（下文中共同地称作“氧化物层”）。主要由氧化铝构成的该氧化物层是电绝缘的、机械强韧的和在空气中自我恢复的。这样的特性对将钢工件点焊至铝合金工件的机械学没有益处。特别地，表面氧化物层增大了铝合金工件的电接触电阻——也即在其接合界面处以及在其电极接触点处——使其难以有效地控制和集中在铝合金工件内的热量。表面氧化物层的机械强韧性也阻碍了钢工件的润湿。由铝合金工件表面上的难熔氧化物层导致的问题由氧化物层能够自我恢复或存在氧气时如果破裂就会再生的事实而进一步变得复杂。

此外，为了在钢工件与铝合金工件之间获得合理的焊点接合面积，通常需要采用与钢至钢的点焊相比指定更高电流、更长焊接时间或两者（这些会损伤焊接电极）的焊接程序表。例如，如果将涂覆了锌的钢工件在这些更加侵蚀性的焊接程序表下正被点焊至铝合金工件，那么与钢工件接触的焊接电极具有与锌涂层反应以形成黄铜层的趋势。如果施加的焊接电流太高，则在钢工件与接触的焊接电极的界面处也会发生表面喷溅。对于与铝合金工件接触的焊接电极，当使用延长的焊接时间时，熔化铝合金焊池的过度渗透会引起电极上的蚀损和磨损。

发明内容

公开了一种用于电阻点焊包括钢工件和铝合金工件的叠堆的方法。该方法包括在预定焊点位置处将钢工件的表面和铝合金工件的表面与相对的焊接电极接触。接触钢工件表面的电极通常称作钢焊接电极，以及类似地，接触铝合金工件表面的电极通常称作铝合金焊接电极。足够强度和持续时间（恒定或脉冲）的电流在焊接电极之间穿过叠堆以在铝合金工件内和在工件的接合界面处引发并且生长熔化的铝合金焊池。在该时刻期间，电极压印并且压入它们各自工件表面以形成接触斑点。最终，在电流已经停止之后，熔化的铝合金焊池冷却并且在接合界面处固化成焊点接头。

用于使电流流过叠堆的焊接电极被构造成使得电流的密度在钢工件中比在铝合金工件中大。电流密度的这种差别能够通过以下方式完成：至少初始地使电流在钢焊接电极的焊接面与铝合金焊接电极的焊接面的围绕凹陷的周围区域之间流过，从而使得电流流动通过其的截面面积沿着从接合界面朝向铝合金焊接电极的方向径向膨胀。许多钢和铝合金焊接电极设计能够被采用以实现这样的效果。例如，在一个实施例中，铝合金焊接电极的焊接面的周围区域可以是围绕并且划界凹陷的环形周围基底表面。作为另一示例，铝合金焊接电极的焊接面的周围区域可以是从焊接面的基底表面向上升起的环状突起以在其内部限定凹陷。

当前的点焊方法被相信对焊点接头的强度和完整性具有积极的效果。举例来说，在点焊事件的过程中铝合金焊接电极的焊接面压入铝合金工件中引起了软化的铝合金工件以至少部分地填充了凹陷，这导致在铝合金侧接触斑点中形成凸出部分。围绕凹陷的电极焊接面的周围区域进而增强了铝合金工件的下层部分的塑性形变并且促进了在工件之间在它们接合界面处的相对移动。这些动作帮助使在铝合金工件的表面上位于接合界面处可能存在的复杂表面氧化物层破裂和分解。此外，钢和铝合金工件中经受的不同电流密度（钢工件中电流密度更大）与铝合金工件相比在钢工件中的更小区域内集中热量。在钢工件中的更小区域内集中热量的动作——可能达到引发钢焊池的程度——修改了在两个工件内的径向温度梯度以帮助熔化的铝合金焊池以更希望的方式固化成焊点接头。

方案1. 一种点焊包括钢工件和铝合金工件的工件叠堆的方法，所述方法包括：

提供叠堆，所述叠堆包括重叠以提供接合界面的钢工件和铝合金工件；

将钢焊接电极的焊接面与所述钢工件的表面接触；

将铝合金焊接电极的焊接面与所述铝合金工件的表面接触，所述铝合金焊接电极的焊接面包括凹陷以及围绕所述凹陷的周围区域；以及

使电流在所述钢焊接电极与所述铝合金焊接电极之间传递，所述电流至少初始地流过所述铝合金焊接电极的所述周围区域，以使得所述焊接电流在所述钢工件中具有比在所述铝合金工件中大的电流密度。

方案2. 根据方案1所述的方法，其中，所述铝合金焊接电极的焊接面的周围区域包括围绕并且界定所述凹陷的环形周围基底表面。

方案3. 根据方案2所述的方法，其中，所述凹陷由底部和锥形外围侧壁限定，所述锥形外围侧壁在所述凹陷的开口处将所述底部与所述环形周围基底表面连接。

方案4. 根据方案2所述的方法，其中，所述凹陷由凹入底部限定，所述凹入底部在所述凹陷的开口处与所述环形周围基底表面连接。

方案5. 根据方案2所述的方法，其中，所述凹陷位于所述焊接面的中心轴线周围。

方案6. 根据方案1所述的方法，其中，所述铝合金焊接电极的焊接面的周围区域包括环状突起，其从所述焊接面的基底表面向上升起以在其内侧上限定所述凹陷。

方案7. 根据方案6所述的方法，其中，所述环状突起具有在所述基底表面之上升高的平面表面。

方案8. 根据方案6所述的方法，其中，所述凹陷位于所述焊接面的中心轴线周围。

方案9. 根据方案1所述的方法，其中，因为所述铝合金焊接电极的焊接面挤压进入所述铝合金工件的表面中，使电流在所述焊接电极之间传递导致所述铝合金工件至少部分地填充所述凹陷，。

方案10. 根据方案1所述的方法，其中，使电流在所述焊接电极之间传递在所述铝合金工件内以及在所述接合界面处引发并生长熔化的铝合金焊池。

方案11. 根据方案10所述的方法，进一步包括：

停止所述电流，以使得所述熔化的铝合金焊池在所述钢和铝合金工件的接合界面处固化成焊点接头。

方案12. 根据方案10所述的方法，其中，所述焊点接头包括铝合金焊接熔核以及在所述铝合金焊接熔核与所述钢工件之间的Fe-Al金属间层。

方案13. 根据方案10所述的方法，其中，使电流在所述焊接电极之间传递另外在所述钢工件内引发并生长熔化的钢焊池，以及其中，停止所述焊接电流进一步将所述熔化的钢焊池固化成钢焊接熔核。

方案14. 一种点焊包括钢工件和铝合金工件的工件叠堆的方法，所述方法包括：

将钢工件的表面与钢焊接电极接触；

将铝合金工件的表面与铝合金焊接电极接触；

使电流在所述钢焊接电极与所述铝合金焊接电极之间传递并且跨过所述钢工件与所述铝合金工件的接合界面，以在所述接合界面处引发并生长熔化的铝合金焊池；以及

在所述电流通行期间将所述铝合金焊接电极挤压进入所述铝合金工件的表面中以形成接触斑点，所述接触斑点在所述电流停止之后在其中维持凸出部分。

方案15. 根据方案14所述的方法，其中，所述铝合金焊接电极包括具有围绕凹陷的周围区域的焊接面。

方案16. 根据方案15所述的方法，其中，传递所述电流包括减小在所述铝合金工件内的所述电流的电流密度，这是通过使所述电流传递通过所述铝合金焊接电极的焊接面的周围区域，以便于沿着从所述工件的接合界面至所述铝合金焊接电极的方向扩大所述电流传递通过其的截面面积。

方案17. 根据方案14所述的方法，其中，使电流在所述焊接电极之间传递另外在所述钢工件内引发并生长熔化的钢焊池。

方案18. 一种包括由至少一个焊点接头结合在一起的钢工件和铝合金工件的点焊工件叠堆，所述叠堆包括：

钢工件，其具有在其电极接触表面上的压印的接触斑点；

铝合金工件，其重叠所述钢工件以提供接合界面，所述铝合金工件具有在其电极接触表面中的压印的接触斑点，所述压印的接触斑点延伸进入所述铝合金工件中并且在其中具有凸出部分；

至少一个焊点接头，其位于在所述钢工件上的接触斑点与所述铝合金工件上的接触斑点之间的所述钢和铝合金工件的接合界面处，所述焊点接头将所述钢和铝合金工件冶金地结合在一起。

方案19. 根据方案18所述的点焊工件叠堆，其中，所述焊点接头包括铝合金焊接熔核以及在所述铝合金焊接熔核与所述钢工件之间的Fe-Al金属间层。

方案20. 根据方案18所述的点焊工件叠堆，其中，所述钢工件包括在其中的钢焊接熔核，所述钢焊接熔核没有延伸至所述接合界面。

附图说明

图1是工件叠堆的侧视图，该工件叠堆包括以重叠方式组装的钢工件和铝合金工件用于由焊枪在预定焊点位置处进行电阻点焊；

图2是图1中所描绘的叠堆和相对的焊接电极的局部放大图；

图3是图2中所描绘的叠堆和相对的焊接电极的局部分解侧视图；

图4是根据一个实施例的铝合金焊接电极的剖视侧视图；

图4A是图4中所描绘的铝合金焊接电极的焊接面的局部放大剖视图；

图4B是在图4中所描绘的铝合金焊接电极的焊接面上所包括的凹陷的另一实施例的局部放大剖视图；

图5是根据一个实施例的钢焊接电极的剖视侧视图；

图6是在焊接电流通过之前叠堆的局部剖视图，其中钢焊接电极正接触钢工件的电极接触表面，以及铝合金焊接电极正接触铝合金工件的电极接触表面；

图7是在点焊期间叠堆的局部剖视图，其中在铝合金工件内以及在接合界面处已经引发了熔化的铝合金焊池，并且此外在钢工件内已经引发了熔化的钢焊池；

图8是在焊接电流停止并且焊接电极缩回之后叠堆的局部剖视图，其中焊点接头已经形成在接合界面处并且钢焊点熔核已经形成在钢工件内；

图9是根据另一实施例用于图1－图3所描绘的叠堆的铝合金焊接电极的剖视侧视图；

图10是根据另一实施例用于图1－图3所描绘的叠堆的钢焊接电极的剖视侧视图；

图11是根据另一实施例用于图1－图3所描绘的叠堆的钢焊接电极的剖视侧视图；

图12是已经由一对焊接电极点焊在一起的铝合金工件（顶部）和钢工件（底部）的显微照片，焊接电极使焊接电流以比钢工件低的电流密度流过铝合金工件，如本公开所阐述的；

图13是如本公开所述的已经由一对焊接电极点焊在一起的铝合金工件（顶部）和钢工件（底部）的显微照片，焊接电极传导了比钢工件电流密度更低的流过铝合金工件的焊接电流；

图14是剥离强度测试的结果的照片，该剥离强度测试在借由点焊工艺形成于铝合金工件与热浸镀锌的无间隙钢工件的接合界面处形成的点焊点接头上实施， 该点焊工艺使焊接电流以大致恒定的电流密度流过钢和铝合金工件；以及

图15是剥离强度测试的结果的照片，该剥离强度测试在借由点焊工艺形成于铝合金工件与热浸镀锌的无间隙钢工件的接合界面处形成的点焊点接头上实施，该点焊工艺使焊接电流以比钢工件低的电流密度流过铝合金工件，如本公开所阐述的。

具体实施方式

图1－图3大体描绘了包括钢工件12和铝合金工件14的工件叠堆10。钢工件12优选地是镀锌（涂覆锌）的低碳钢。当然，可以使用其他类型的钢工件，包括例如低碳裸钢或镀锌的先进高强度钢（AHSS）。可以用在钢工件12中的一些特殊类型钢是无间隙（IF）钢、双相（DP）钢、相变诱导的塑性（TRIP）钢、以及压力硬化钢（PHS）。关于铝合金工件14，其可以是铝-镁合金、铝-硅合金、铝-镁-硅合金或铝-锌合金，并且如果需要的话其可以采用锌或转换涂层涂覆以提高粘结性能。可以用在铝合金工件14中的一些特殊铝合金是5754铝-镁合金、6111和6022铝-镁-硅合金、以及7003铝-锌合金。术语“工件”以及其钢和铝变形广泛地用于本公开中以指板金属层、铸造件、挤出件或可电阻点焊的任何其他零件，如果存在的话，包括任何表面层或涂层。

钢和铝合金工件12、14以重叠方式组装用于由焊枪18在预定焊点位置16处电阻点焊。当叠堆用于点焊时，钢工件12包括接合界面20和电极接触表面22。同样地，铝合金工件14包括接合界面24和电极接触表面26。两个工件12、14的接合表面20、24相互重叠以在焊点位置16处提供接合界面28。如在本文中使用的，接合界面28包括在工件12、14的接合表面20、24之间的直接接触的实例，以及接合表面20、24可以不接触、但是相互紧密贴近的实例，诸如当存在粘附剂、密封剂的薄层或一些其他中间材料时。钢和铝合金工件12、14的电极接触表面22、26大体在相反的方向上背对彼此以使得它们能够由一对相对的点焊电极接近。钢和铝合金工件12、14的每一个优选地具有厚度120、140，其范围从约0.3mm至约6.0mm，并且更优选地从约0.5mm至约4.0mm，至少在焊点位置16处。

焊枪18通常是更大的自动焊接操作的一个部件，并且包括在机械上和在电气上配置成根据限定的焊接程序表重复形成点焊点的第一枪臂30和第二枪臂32，其在本领域是熟知的。第一枪臂30具有保持钢焊接电极36的第一电极固定器34，以及第二枪臂32具有保持铝合金焊接电极40的第二电极固定器38。用于采用水冷却电极36、40的机构典型地被结合到枪臂30、32和电极固定器34、38中以管理焊接电极36、40的温度。在点焊期间，操作焊枪臂30、32以夹持它们各自的焊接电极36、40抵靠重叠的钢和铝合金工件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典型地在预期的焊点位置16处被挤压抵靠它们各自的电极接触表面22、26，彼此完全对准。电流随后从与焊枪18电联通的可控电源释放并且在焊接电极36、40之间传递并且流过工件12、14。

钢焊接电极36和铝合金焊接电极40每一个由诸如铜合金的导电材料形成。一个特殊示例是锆铜合金（ZrCu），其包含约0.10wt％至约0.20wt％的锆以及剩余的铜。满足该组成成分并且标明为C15000的铜合金是优选的。此外，如在下面将进一步解释的，两个焊接电极36、40构造成以当电流在点焊期间流过钢和铝合金工件12、14时影响该电流的电流密度。特别地，焊接电极36、40构造成使得钢工件12中的电流密度大于铝合金工件14中的电流密度。该电流密度变化能够通过至少初始地在钢焊接电极12的焊接面与铝合金焊接电极14的焊接面的周围区域之间传递电流而实现——每一个电极正被挤压抵靠工件12、14的它们各自的电极接触表面22、26——使得电流流过的截面面积沿着从接合界面28朝向铝合金焊接电极40的方向在径向上扩大。

钢和铝合金工件12、14内电流密度的差别与铝合金工件14相比在钢工件12中的较小区域内集中了热量。如果需要的话，甚至能够调节焊接程序表，以除了在铝合金工件14内以及在接合界面28处引发熔化的铝合金焊池之外在钢工件12的边界内引发熔化的钢焊池。在钢工件12中的较小区域内集中热量的动作——可能达到引发钢焊池的程度——修改了温度梯度，特别是作用在工件12的平面中的径向温度梯度，以改变位于接合界面28处的铝合金焊池的固化行为，以使得最终形成的焊点接头中的缺陷被推进至更希望的位置。在一些实例中，特别是当在钢工件12中引发钢焊池时，钢工件12中热量的集中以及得到的热梯度能够驱使焊接缺陷聚结在接合界面28处的焊点接头的中心或在该中心附近，这有益于更好的焊点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，其在图4中被最佳地显示。本体42限定了在一端48处的可接近的中空凹陷46，用于以已知方式插入第二电极固定器38并且与其附接。过渡鼻50可以从本体42的相对端52向上延伸至焊接面44，但是并非必须的，因为焊接面44能够从本体42直接延伸以提供一般称作“全面电极”的结构。本体42优选地形状为圆柱形，具有范围从约12mm至约22mm的直径420，更优选地从约16mm至约20mm。过渡鼻50优选地形状为截头圆锥体，但是诸如球形和椭球的其他替代形状也可以是合适的。

焊接面44是铝合金焊接电极40的在点焊期间与铝合金工件14的电极接触表面26接触并且被部分地或全部地挤压进入电极接触表面26的部分。焊接面44具有直径440以及曲率半径，一起足以阻止过度压印进入熔化的铝合金焊池以及围绕了焊池的软化工件区域中。过度的压印典型地被定义为满足或者超过铝合金工件14的厚度140的50％的压印。这样的压印例如能够通过提供具有约6mm至12mm的直径440以及约15mm至约300mm的曲率半径的焊接面44而避免。在优选实施例中，焊接面44的直径440为约8mm至约12mm并且曲率半径为约20mm至约150mm。额外地，如果需要的话，焊接面44能够具有纹理或者具有表面特征，诸如美国专利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中所描述的那些。

焊接面44包括位于焊接面44的中心轴线56周围的凹陷54，如图4－图4A中所示。它也包括环形周围基底表面58，其无中断地围绕并且界定凹陷54的开口60，并且也提供了具有其特定曲率半径的焊接面44。在该特定实施例中，如图所示，凹陷54由底部62以及连续的外围侧壁64所限定，外围侧壁64在开口60处将底部62与环形周围基底表面58连接。底部62能够是、但是并非必需是平坦的，并且被从跨越开口60的假想平面66向下移位以提供具有深度541的凹陷54。凹陷54的宽度543——其在位于凹陷54的顶部处的假想平面66与底部62之间的任何特定深度处在垂直于深度541的跨越凹陷54的最大距离处被测得——由外围侧壁64提供并且沿着深度541可以是恒定或变化的。凹陷54能够由任何合适的技术形成在焊接面44中，具有其深度541和宽度543，所述技术诸如例如使用匹配旋转切割刀片。

修整环形周围基底表面58与凹陷54的尺寸以支持在钢与铝合金工件12、14之间形成坚固和耐久的焊点接头。例如，环形周围基底表面58具有足以在铝合金工件12的电极接触表面26上支撑铝合金焊接电极40的接触面积，从而使得在电流流动开始时焊接面44快速压印进入工件12中被阻止。为了实现电流交换与电极支撑的这种平衡，环形周围基底表面58优选地具有在凹陷54周围均匀地分布的至少28mm²的连续面积，其在电流流动开始时接触铝合金工件12的电极接触表面26。在更优选实施例中，环形周围基底表面58的连续且平均分布的接触面积至少为50mm²。

凹陷54的深度543优选地范围从约0.1mm高达约3.0mm，并且更优选地从约0.3mm至不大于铝合金工件14的厚度140，并且在开口60处其宽度543优选地范围从约2mm至约10mm，并且更优选地从约3mm至约8mm。此外，外围侧壁64优选地朝向底部62逐渐变细成锥形以使得凹陷54的宽度543从开口60至底部62减小以帮助确保易于从铝合金工件14的电极接触表面26释放和缩回铝合金焊接电极14。该锥形具有脱模角度641，其优选地大于约3°并且更优选地大于约10°。如图所示，脱模角641是在外围侧壁64与线条643之间的角度，线条643平行于焊接面44的中心轴线56，并且当在截面中看铝合金焊接电极40的焊接面44时与在开口60处的外围侧壁64遇见环形周围基底表面58的点相交。在一个具体示例中，大体如图4－图4A中所示，凹陷54的截面形状为截头圆锥，并且限定为约0.3mm至约1.5mm的深度541，在开口60处约3mm至约8mm的直径，约10°的外围侧壁64的脱模角度641，以及在底部62处约2.9mm至约7.5mm的直径。

凹陷54的形状能够从图4－图4A中所示的具体实施例变化，而同时仍然实现了如本领域技术人员所知晓的相同目标。例如由附图标记154标识的凹陷能够包括成圆形的底部162以代替外围侧壁64和平坦底部62，如图4B所示。成圆形的底部162在凹陷154的开口60处与环形周围基底表面58连接，并且从跨越开口60的假想平面66向下平移以提供具有可变深度1541和可变宽度1543的凹陷154。深度1541典型地在凹陷154的中心处最大，其通常与焊接面144的中心轴线58共轴，并且宽度1543典型地在凹陷154的开口60处最大。在那些位置处凹陷54的优选最大深度1541和宽度1543与之前的相同（深度：0.1mm至3mm，并且更优选地从0.3mm至不大于铝合金工件14的厚度；宽度：约2mm至10mm，并且更优选地从约3mm至约8mm）。如果是球形凹面，成圆形的的底部162也优选地在其开口60处具有大于凹陷154的宽度1543的约一半（50％）的最小曲率半径。

钢焊接电极36能够是适用于点焊钢的任何电极。现在参照图5，钢焊接电极36的一个特定实施例包括本体68和焊接面70。本体68限定了在一端76处可接近的中空凹陷74，用于以已知方式插入第一电极固定器34并且与其附接。球形的过渡鼻78可以从本体68的相对端部80向上延伸至焊接面70，如果需要的话，以提供通常称作球鼻电极的结构。本体68优选地形状为圆柱形，具有范围从约12mm至约22m的直径680，更优选地从约16mm至约20mm。尽管示出并且描述作为球形，但是过渡鼻78并不受如此限限制，并且能够采取诸如椭圆的或截头圆锥的其他形状。至于焊接面70，其与之前类似是钢焊接电极36的部分，该部分在点焊期间与钢工件12的电极接触表面22接触并且部分地或者完全挤压进入电极接触表面22。钢焊接电极36的焊接面70具有直径700，其范围从约4mm至约12mm，更优选地从约5mm至约9mm，并且为平面的或切成圆弧的。如果为切成圆弧的，焊接面70可以具有约8mm或更大的曲率半径。

图1－图2以及图6－图8示出了点焊工艺，其中叠堆10使用如上面在图4－图4A以及图5中所述的焊接电极36、40而在焊点位置16处被点焊。焊枪18（部分地示出）配置成提供将钢工件12与铝工件14点焊在一起所需的电流和接触压力。焊枪18的枪臂30、32可以是固定的（台座式焊机）或可以是能以机器人方式移动的，其是本领域惯用的，并且在点焊期间操作以在焊接位置16处使焊接电极36、40相互完全对准地接触并挤压抵靠钢和铝工件12、14的相反面向的电极接触表面22、26。由枪臂30、32确定的夹持力有助于在焊接电极36、40与它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。

电阻点焊工艺开始于在钢和铝合金焊接电极36、40之间定位叠堆10，以使得焊点位置16通常与相对的焊接面70、44对准。这示出在图1、图2以及图6中。工件叠堆10可以被带到这样的位置，其通常是当枪臂30、32是固定的台座式焊机的部分时的情形，或者枪臂30、32可以以机器人方式移动以相对于焊点位置16定位电极36、40。一旦叠堆10被合适地定位，第一和第二枪臂30、32相对于彼此会聚以使钢焊接电极36和铝合金焊接电极40的焊接面70、44在焊点位置16处接触并挤压抵靠钢和铝合金工件12、14的相反面向的电极接触表面22、26，如图6中所示。由焊接电极36、40给予的接触压力使得钢焊接电极36的焊接面70开始压印进入钢工件12的电极接触表面22中，并且同样地，铝合金焊接电极40的焊接面44——特别是环形周围基底表面58——开始压印进入铝合金工件14的电极接触表面26中。

根据适当的焊接程序表，电流——典型为在约5kA和约50kA之间的DC电流——然后被在钢和铝合金焊接电极36、40的焊接面70、44之间传递，并且在焊点位置16处通过叠堆10。电流典型地作为恒定电流或者一系列周期约40毫秒至约1000毫秒的电流脉冲被传递。在焊接电流流动期间，铝合金焊接电极40的构造使得电流在铝合金工件14中比在钢工件12中具有更低的电流密度。这种情况发生是因为凹陷54在焊接面44中间处充当电绝缘空隙。与在不存在凹陷54的情况下将会发生的其他情形相比，这种类型的电绝缘空隙使得电流在铝合金工件14内在更宽的截面积之上流过焊接面44的环形周围基底表面58。在另一方面，钢焊接电极36使焊接电流在钢工件12内通过更集中的截面面积，这是其焊接面70的更传统结构的结果。

电流以不同电流密度通过工件12、14的通行被视为至少部分地对协作地改进工件12、14的可点焊性的一系列冶金学事件负责。电流通过工件12、14的通行初始地使得钢工件12比铝合金工件14更迅速地加热，因为其具有更高的电阻率。这种热量不平衡——其由于电流在钢工件12中更集中而被放大——导致温度梯度被建立在钢工件12和铝合金工件14二者中。热量朝向水冷的铝合金焊接电极40沿着温度梯度的流动，与产自电流跨过接合界面28的流动的电阻的所产生热量一道，最终熔化了铝合金工件14并且形成了熔化的铝合金焊池80，如图7所描绘的，其然后润湿了钢工件12的接合表面20。

当熔化的铝合金焊池80正被引发并生长时，在叠堆10内也发生其他冶金学事件。最显著地，在电流流动期间钢工件12中的增大的电流密度导致在钢工件12内更集中的热量区域（与铝合金工件13相比），这能够改进最终焊点接头的完整性和剥离强度，其在下面将被更详细地讨论。集中的热量区域能够——但是并非必需的——在钢工件12的界限内引发并生长熔化的钢焊池82，也如图7中所描绘的。当采用要求更强烈的电流和/或更长焊接时间的焊接程序表时，熔化的钢焊池82更可能被引发并生长。这样的焊接程序表具有更好的机会被在此成功地执行，而不会过分软化铝合金工件14，因为在工件14中经历减小的电流密度。

额外地，在电流流动期间以及之后非常短的时段，钢焊接电极36和铝合金焊接电极40的焊接面70、44继续压印更远地进入它们各自的电极接触表面22、26中。得到的压入的压印84、86已知作为接触斑点。由于铝合金比钢更软并且具有更低熔点的事实，铝合金焊接电极40的焊接面44可以比其钢对应物经受更大的压印。在点焊事件过程上铝合金焊接电极40的焊接面44的压印具有有利的含意：其使得软化的铝合金工件14部分地或者完全地填充凹陷54。这进而增强了铝合金工件14在环形周围基底表面58下面的塑性形变，并且在焊点位置16处促使在工件接合表面20、24之间的相对移动。当塑性形变和相对移动以该方式受影响时，存在于铝合金工件14的接合表面24上的表面氧化物层倾向于破裂和分解，这便于由熔化的铝合金焊池80在钢工件12的接合表面20处润湿钢工件12。

焊接电流刚停止，熔化的铝合金焊池80就固化以在接合界面28处形成焊点接头88，如在图8中大体所示。如果形成的话，钢焊池82同样在此时固化为在钢工件12内的钢焊接熔核90，尽管其优选地并未延伸至接合表面20或者该工件12的电极接触表面22。焊接电极36、40最终从焊点位置16缩回并且重新定位在另一焊点位置处以实施类似的点焊工艺。铝合金焊接电极40的缩回在铝合金工件14的电极接触表面26上凹陷54所在位置留下凸出部分92。凸出部分92因此位于由铝合金焊接电极40的焊接面44所形成的压入接触斑点86内，并且平均截面积大体比焊点接头88小。焊接缺陷倾向于汇集在远离接合界面28的凸出部分92的下面并且位于凸出部分92内。将焊接缺陷引导至这样的位置被相信对焊点接头88的强度具有积极影响。

焊点接头88包括铝合金焊接熔核94，并且典型为Fe-Al金属间层96。铝合金焊接熔核94渗透进入铝合金工件14中至优选地范围从铝合金工件14的厚度140的约20％至约80％的距离，但是在一些情形中其可以渗透工件14的整个厚度140（也即100％）。Fe-Al金属间层96位于铝合金焊接熔核94与钢工件12之间。这个层形成大体是在电流流动期间以及在电流流动之后的短时间段（这时钢工件12仍然是热的）铝从铝合金焊池80扩散进入钢工件12中的结果。它能够包括FeAl₃、Fe₂Al₅、Fe₂Al₇和其他化合物。当沿焊接电流流动方向测量时，Fe-Al金属间层96可以在熔核92下面在焊点接头88的至少中心处约为1μm至约3μm，其大体薄于正常观测到的。

在钢工件12中集中的热量区域的形成——与铝合金工件14相比——被相信以两种方式的至少之一改进焊点接头88的强度和完整性。首先，钢工件12内集中的热量区域通过在工件12的平面内产生径向温度梯度而改变了通过焊点位置16的温度分布，其进而使得熔化的铝合金焊池80从其较冷的外侧周围朝向其中心而固化。这种固化行为驱使焊接缺陷远离熔核周围并且朝向焊点接头88的中心，在这里它们更不易于削弱接头88以及与其结构完整性干涉。其次，在钢焊池82被引发的情形中，钢工件12的接合表面20倾向于扭曲远离电极接触表面22。这样的扭曲能够使得钢工件12在焊点位置16处增厚差不多50％。以这种方式增大钢工件12的厚度有助于在熔化的铝合金焊池80的中心处维持升高的温度——允许其最后冷却和固化——其能够进一步增大径向温度梯度并且驱使焊接缺陷朝向焊点接头88的中心。钢工件12的接合表面20的隆起也能够中断倾向于沿着界面20形成的金属间化合物，并且一旦接头处于使用中，通过沿着非优选路径偏转裂缝而干涉了裂缝沿着接合表面28的生长。

除了如图4－图5中所示的钢和铝合金焊接电极36、40的具体实施例之外，能够使用其他焊接电极构造来以类似方式点焊叠堆10（也即通过减小铝合金工件14内的焊接电流的电流密度，而降低所述电流密度是通过将电流传递通过铝合金焊接电极的焊接面的周围区域以便使电流通过其沿着从接合界面28至铝合金焊接电极40的方向传递的截面积扩大）。由附图标记140标识的、铝合金焊接电极的一个这样的变形示出在图9中。由附图标记136和236标记的钢焊接电极的变形分别示出在图10和图11中。关于什么电极能够一起使用没有限制。任何铝合金焊接电极40、140能够与任何钢焊接电极36、136、236以及在此并未明确描述的其他变形一起使用，来以如上所述方式点焊工件叠堆10。

图9中示出的铝合金焊接电极140构造为与图4中所示电极40一样，焊接面除外，该焊接面在此标识作为附图标记244。焊接面244包括围绕焊接面244的中心轴线256的环状突起31。环状突起31具有直径310，并且从焊接面244的基底表面33向上升起以在其内侧上限定凹陷254。这个凹陷254功能类似于图4－图4A以及图4B中的凹陷54、154，在于在电流流动的至少初始时刻期间充当位于焊接面244的中间处的绝缘空隙。另外，也类似于之前，在电流流动期间焊接面244连续压入电极接触表面26中使得软化的铝合金工件至少部分地填充了凹陷254。铝合金工件14在环状脊背31下面得到的塑性形变的增大以及在焊点位置16处在工件接合表面20、24之间相对移动的促进有助于使存在于铝合金工件14的接合表面24上的表面氧化物层破裂和分解。

焊接面244的基底表面33在环状突起31的内侧和外侧二者上均具有相同的切成圆弧的剖面，并且提供了具有其特定曲率半径（例如在约15mm与约300mm之间）的焊接面244。环状突起31具有顶部平面表面35，其在基底表面33之上抬升至高度311。这个平面表面35与之前一样提供了围绕凹陷54均匀分布的连续面积，其在电流流动开始处接触铝合金工件12的电极接触表面26，以使得焊接面44快速压印进入工件12中被阻止。由平坦表面35在电流流动开始提供的接触面积优选地是至少28mm²，并且更优选地至少50mm²。在一个特定实施例中，例如，环状突起31具有范围从约2mm至约10mm、更优选地从约3mm至约8mm的直径310，和具有范围从约0.1mm至约3mm、更优选地从约0.2mm至铝合金工件14的厚度140的约一半（50％）的高度311。

尽管图9中在此所示凹陷254的形状可以稍微不同于图4－图4A以及图4B中凹陷54、154的形状，但是所有凹陷54、154、254将仍然促进了铝合金工件14的塑性形变并且以有助于使存在于铝合金工件14的接合表面24上的表面氧化物层破裂和分解的方式促进在焊接位置16处在工件接合表面20、24之间的相对移动。在点焊期间，在它们的焊接面44、144、244压印进入电极接触表面26中期间（这时电流正被传递时），凹陷54、154、254的每一个也将变得由被软化的铝合金工件14至少部分地填充，并且经常是完全填充。得到的由焊接面44、144、244形成的凸出部分将对形成在两个工件12、14之间的焊点接头88具有类似的影响，即便其形状可以改变，这种改变是被包括在那些不同接合面44、144、244上的凹陷54、154、254的不同尺寸和形状的结果。

除了两个主要差别之外，如图10所示的焊接电极具有与如图5中所示的钢焊接电极36相同的基本部件。第一，钢焊接电极136包括——但并非必需包括——形状为截头圆锥的过渡鼻150。第二，钢焊接电极136包括焊接面170，其具有基底表面41以及高台43，高台43在基底表面41之上升起并且优选地围绕焊接面170的中心轴线45定中。焊接面170的基底表面41具有约6mm至约12mm的直径410，以及约20mm至约100mm的曲率半径。高台43具有以约0.1mm至约0.5mm从基底表面41正向位移的高台表面47。高台表面47具有约3mm至约7mm的直径450，并且比焊接面170的基底表面41更平坦——高台表面47优选地是平面或者具有约40mm或更大的曲率半径。当替代作为上面所述点焊工艺的部分的如图5中所示的钢焊接电极36时，高台43的高台表面47与钢工件12的电极接触表面22接触并且挤压进入其中。然而，钢工件12的相对硬度大体保持周围的焊接面41不与电极接触表面22接触以及不挤压进入电极接触表面22。

除了一个主要差别之外，如图11中所示的钢焊接电极具有与图10中所示的钢焊接电极136相同的基本部件。也即，在此所示的钢焊接电极236包括切成圆弧的焊接面270，具有基底表面51以及成圆形的突起53，该突起在基底表面51之上升起并且优选地围绕焊接面270的中心轴线55定中。焊接面270的基底表面51具有约6mm至约12mm的直径510，以及约20mm至约100mm的曲率半径。成圆形的突起53优选地是球形的，在基底表面51处具有范围从约3mm至约7mm的直径530，以及范围从约8mm至约20mm的曲率半径。当替代作为上面所述点焊工艺的部分的如图5中所示的钢焊接电极36时，成圆形的突起53压印进入钢工件12的电极接触表面22中以形成较尖锐的接触斑点84。可能的是归因于成圆形的突起53的较尖锐接触斑点84可以增大钢工件12内的电流密度并且相对于之前所述钢焊接电极36的更平坦焊接面70而产生了更陡峭的径向热梯度。

示例

这些示例展示了根据上面公开的点焊钢工件和铝合金工件的方法。在第一示例中，1.2mm厚的6022铝合金工件（顶部）被电阻点焊至1.0mm厚的热浸镀锌低碳钢工件（底部）。在铝合金侧上使用的焊接电极类似于图4中所示的电极，以及在钢侧上使用的焊接电极类似于图5中所示的电极。两个电极被带进与它们各自的相对的工件表面的接触，并且电流在它们之间交换，持续的时间足以以实现在工件的接合界面处的焊点接头。在这种情形下，在约800lb的焊接力之下施加19kA的电流约500ms的时间段。由于在焊点位置处缺乏钢工件的任何显著增厚，在如所展示的这个特定示例中熔化的钢焊池并未在钢工件内被引发和生长。

焊点接头的截面的显微照片被取得并且在图12中示出。作为铝合金焊接电极中的凹陷的结果而形成的凸出部分在铝合金工件上的接触斑点（未部分地示出）内是清晰可见的。在凸出部分下面并且沿着接合界面的是焊点接头。能够看到焊接缺陷的聚结在焊点接头的中心附近并且围绕该中心从接合界面向上延伸。焊接缺陷的聚结被相信是在工件中建立的不同电流密度（在铝合金工件中电流密度较低）以及不同电流密度对熔化的铝合金焊池的固化行为的影响的结果。在一个内部位置中聚结焊接缺陷——与焊接缺陷在接合界面处并沿着接合界面被展开相反——被认为有利地对焊点接头的强度做出贡献。例如，图12中所示的焊点接头的剥离强度被发现是约75lb，其远大于对由传统的焊接电极产生的焊点接头（在类似的钢与铝合金工件之间）观测到的20lb的剥离强度，在传统的焊接电极中，铝合金焊接电极并未包括具有如上所述的围绕凹陷的周围区域的焊接面。

在第二示例中，1mm厚的6111铝合金工件（顶部）被电阻点焊至0.8mm厚的热浸镀锌的无间隙钢工件（底部）。用在铝合金侧上的焊接电极类似于图4中所示电极，并且用在钢侧上的焊接电极类似于图5中所示的电极。两个电极被带进与它们各自的相对的工件表面的接触，并且电流在它们之间交换，持续的时间足以在工件的接合界面处实现焊点接头。在此，在约800lb的焊接力之下施加20kA电流约300ms的时间段。由于在焊点位置处钢工件缺乏任何明显增厚，在如所展示的这个特定示例中在钢工件内没有引发和生长熔化的钢焊池。

焊点接头的截面的显微照片被取得并且在图13中示出。作为铝合金焊接电极中的凹陷的结果而形成的凸出部分在铝合金工件上的接触斑点内是清晰可见的。在凸出部分下面并且沿着接合界面的是焊点接头。在该示例中，在凸出部分下面的Fe-Al金属间层部分被测量并观测为约1μm至约3μm厚，这通常薄于当点焊钢和铝合金工件时正常预期被观测到的厚度。不受理论的约束，相信Fe-Al金属间层的中心部分的减小厚度连同熔化的铝合金焊池的固化行为的变化（这些是由铝合金工件中的较低焊接电流密度引起的），对焊点接头的强度做出贡献。具体地，焊点接头被测试具有546lb的剪切焊接强度。焊点接头的这样的剪切强度明显大于由SAE太空材料规范AMS-W-6858A所规定的用于相同规格的铝合金工件的300lb的最小所需剪切强度。

焊点接头的实际强度展示在图14－图15中。这些附图的每一个示出了剥离强度测试的结果，测试在形成于1mm厚的6111铝合金工件与0.8mm厚的热浸镀锌无间隙钢工件的接合界面处的点焊点接头上实施。在此执行的特别的剥离后强度测试观测需要在将两个已经被点焊的工件剥离分开之后检查在焊点接头中以及在焊点接头周围的面积以获得对焊点接头的强度和完整性的感测。图14中所示的照片来自通过点焊技术形成的焊点接头，在该点焊技术中，流过钢和铝合金工件的电流被维持在大体恒定的电流密度下并且在铝合金侧上的接触斑点内并未形成凸出部分。在那种情形中，剥离强度测试的观测结果是焊点接头的界面损坏。当焊点接头在接合界面处断裂时发生界面损坏并且允许两个工件被容易地拉开。

在另一方面，图15中所示的照片来自根据如上公开形成的焊点接头。在那种情形下，剥离强度测试的结果表明焊点接头比与图14相关联的焊点接头更强。这个结论得到焊点接头没有断裂和经受界面损坏的事实支持；相反地，铝合金工件围绕焊点接头的边缘被撕开，并且铝合金焊接钮借由焊点接头被维持冶金地结合至钢工件的接合表面。换言之，当两个工件拉开时，焊点接头足够强以维持其冶金接合并且撕下一片铝合金工件。确实，在留下的铝合金焊接钮上，由铝合金焊接电极形成在铝合金工件表面上的凸出部分在图15中仍然能够看到。

优选示例性实施例和具体示例的以上描述本质上仅是描述性的；它们没有意图限制以下权利要求的范围。所附权利要求使用的每一个术语应该给予其常规的且惯例的含义，除非在说明书中有相反地具体且明确地声明。

Claims (10)

1.一种点焊包括钢工件和铝合金工件的工件叠堆的方法，所述方法包括：

提供叠堆，所述叠堆包括重叠以提供接合界面的钢工件和铝合金工件；

将钢焊接电极的焊接面与所述钢工件的表面接触；

将铝合金焊接电极的焊接面与所述铝合金工件的表面接触，所述铝合金焊接电极的焊接面包括凹陷以及围绕所述凹陷的周围区域；以及

使电流在所述钢焊接电极与所述铝合金焊接电极之间传递，所述电流至少初始地流过所述铝合金焊接电极的所述周围区域，以使得所述焊接电流在所述钢工件中具有比在所述铝合金工件中大的电流密度。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述铝合金焊接电极的焊接面的周围区域包括围绕并且界定所述凹陷的环形周围基底表面。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述凹陷由底部和锥形外围侧壁限定，所述锥形外围侧壁在所述凹陷的开口处将所述底部与所述环形周围基底表面连接，或者其中，所述凹陷由凹入底部限定，所述凹入底部在所述凹陷的开口处与所述环形周围基底表面连接。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述铝合金焊接电极的焊接面的周围区域包括环状突起，其从所述焊接面的基底表面向上升起以在其内侧上限定所述凹陷。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，因为所述铝合金焊接电极的焊接面挤压进入所述铝合金工件的表面中，使电流在所述焊接电极之间传递导致所述铝合金工件至少部分地填充所述凹陷。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，使电流在所述焊接电极之间传递在所述铝合金工件内以及在所述接合界面处引发并生长熔化的铝合金焊池，进一步包括：

停止所述电流，以使得所述熔化的铝合金焊池在所述钢和铝合金工件的接合界面处固化成焊点接头。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，使电流在所述焊接电极之间传递另外在所述钢工件内引发并生长熔化的钢焊池，以及其中，停止所述焊接电流进一步将所述熔化的钢焊池固化成钢焊接熔核。

8.一种点焊包括钢工件和铝合金工件的工件叠堆的方法，所述方法包括：

将钢工件的表面与钢焊接电极接触；

将铝合金工件的表面与铝合金焊接电极接触；

使电流在所述钢焊接电极与所述铝合金焊接电极之间传递并且跨过所述钢工件与所述铝合金工件的接合界面，以在所述接合界面处引发并生长熔化的铝合金焊池；以及

在所述电流通行期间将所述铝合金焊接电极挤压进入所述铝合金工件的表面中以形成接触斑点，所述接触斑点在所述电流停止之后在其中维持凸出部分。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述铝合金焊接电极包括具有围绕凹陷的周围区域的焊接面。

10.根据权利要求8所述的方法，其中，传递所述电流包括减小在所述铝合金工件内的所述电流的电流密度，这是通过使所述电流传递通过所述铝合金焊接电极的焊接面的周围区域，以便于沿着从所述工件的接合界面至所述铝合金焊接电极的方向扩大所述电流传递通过其的截面面积。