CN105665908B

CN105665908B - 采用电极插件的电阻点焊钢和铝工件

Info

Publication number: CN105665908B
Application number: CN201510878326.9A
Authority: CN
Inventors: P-C.王; D.R.西勒; B.E.卡尔森
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2014-12-05
Filing date: 2015-12-04
Publication date: 2019-04-02
Anticipated expiration: 2035-12-04
Also published as: US20160158874A1; US9999939B2; DE102015120816A1; CN105665908A

Abstract

本发明涉及采用电极插件的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几个步骤。在一个步骤中，提供工件叠层。所述工件叠层包括钢工件和铝或铝合金工件。另一步骤包括：提供面对铝工件的第一焊接电极；以及提供面对钢工件的第二焊接电极。第一焊接电极具有电极本体和插件，所述插件作用来限制或消除进入到所述电极本体中的热通量。所述方法的其它步骤包括：使第一和第二焊接电极接触工件叠层的相对侧；以及电阻点焊所述叠层。

Description

采用电极插件的电阻点焊钢和铝工件

技术领域

本公开的技术领域大体涉及电阻点焊，以及更确切地涉及电阻点焊钢工件和铝或铝合金工件。

背景技术

电阻点焊是许多行业中用来将两个或两个以上金属工件接合在一起的工艺。例如，汽车产业常常在制造车门、引擎盖、后备箱盖或升降门以及其它车辆部件期间使用电阻点焊来将金属工件接合在一起。通常沿金属工件的外围或在一些其它位置处进行多次电阻点焊。虽然通常已执行点焊以将一些成分类似的金属层（例如，钢-钢和铝合金-铝合金）接合在一起，但是将更轻质材料并入至车辆平台中的需要已对通过电阻点焊来将钢工件接合到铝或铝合金（为了简洁性，下文统称为“铝”）工件产生了兴趣。此外，使用一件设备来电阻点焊含有不同工件组合（例如，铝/铝、钢/钢以及铝/钢）的工件叠层的能力将提高生产灵活性且降低制造成本。

一般来说，电阻点焊依赖于对经过相接触的金属工件和穿过其接合界面以产生热量的电流流动的阻力。为实施电阻焊接工艺，在焊接部位处将一对相对的焊接电极夹持在位于金属工件的相对侧上的对准点处。然后使电流从一个焊接电极穿过工件到另一焊接电极。对电流流动的阻力在金属工件内以及在其接合界面处产生热量。当正进行点焊的工件是钢工件和铝工件时，在接合界面处产生的热量通常引起从接合界面渗透到铝工件中的焊接熔池。焊接熔池使钢工件的邻近表面变湿，且在电流流动停止之后即刻固化成焊核，所述焊核形成焊接接头的全部或一部分。在完成了点焊工艺之后，将焊接电极从工件表面收回，并且在另一焊接部位处重复点焊工艺。

然而，电阻点焊钢和铝工件会是一项挑战，因为这两种金属具有往往使焊接工艺变复杂的不同性质。具体地，钢具有相对高的熔点（~1500℃）以及相对高的电阻率和热阻率，而铝具有相对低的熔点（~600℃）以及相对低的电阻率和热阻率。结果，在电流流动期间，大多数热量在钢工件中产生。这种热量不平衡在钢工件（更高温度）和铝工件（更低温度）之间产生引起铝工件快速熔化的温度梯度。在电流流动期间所产生的温度梯度与铝工件的高热导率的组合意味着：在电流已停止之后立即出现热量并未从焊接部位对称地散布的情形。相反，热量从更热的钢工件传导穿过铝工件朝向接触铝工件的焊接电极，从而在那个方向上产生相对急剧变化的热梯度。

据信，在钢工件和接触铝工件的焊接电极之间的急剧变化的热梯度的形成以两种主要方式弱化所产生焊接接头的完整性。第一，由于在电流已停止之后钢工件保存热量所持续的时间长于铝工件，所以在铝工件中已引发且生长的焊接熔池定向固化，其从距与铝工件相关联的较冷焊接电极（常常水冷却）最近的区域开始且朝向接合界面传播。此类固化前沿往往在铝焊核内朝向接合界面以及沿着接合界面清除或驱赶缺陷，例如，气孔、收缩空隙、微裂纹和氧化物残渣。第二，钢工件中所维持的升高温度促进脆性的Fe-Al金属间化合物在接合界面处以及沿着其生长。金属间化合物趋向于在铝焊核和钢工件之间形成薄反应层。如果存在，则这些金属间层一般被认为是焊接接头以及焊核的一部分。使焊核缺陷分散以及使Fe-Al金属间化合物沿着接合界面的过度生长被认为会减小最终焊接接头的剥离强度。

发明内容

公开了电阻点焊工件叠层的方法，所述工件叠层包括钢工件和铝或铝合金工件（再次说明，为了简洁性，在本公开中统称为“铝”）。所述方法涉及使用嵌在暴露在电极焊接面处的焊接电极的本体内的插件，使得该插件在电阻点焊期间与铝工件接触。插件作用来限制或消除进入到电极本体中的热通量。它这样做是通过使至少外围部分邻近于周围电极本体，其展现出小于或等于如由国际退火铜标准（IACS）所定义的市售退火纯铜的电导率的接近20%的电导率，以及小于或等于市售退火纯铜的热导率的接近20%的热导率。

插件能够具有满足上述电导率和热导率参数的多种构造。例如，在一个实施例中，插件能够完全由低电/热导率材料（即，电导率和热导率分别小于市售退火纯铜的电导率和热导率的20%）构成，例如低碳钢、工具钢、不锈钢、白铜金属、Hastelloy®金属、Inconel®金属、钛以及其它金属。列举另一示例，插件能够是缺乏传导电流能力的电绝缘体。电绝缘体材料的示例包括氧化铝、熔融石英、堇青石和一些低压陶瓷及高压陶瓷。更进一步地，插件能够包括绝缘的或低电/热导率的壳体以及位于壳体内的内部件，该内部件可具有远超过市售退火纯铜的电导率和热导率的20%的电导率和热导率，但并非必须的。内部件能够具有相对高的电导率和热导率，因为最终壳体用作屏障，以明显地最小化或消除从插件进入到周围电极本体中的热通量。在一个特定实施例中，壳体能够由例如Teflon®（PTFE）或高温环氧树脂粘附剂的材料构成，以及内部件能够由耐火金属构成，例如，钼、钼合金、钨或钨合金。

由于插件相对于其所嵌入的周围电极本体具有更低的电导率和热导率，所以其以两种方式中的至少一种方式改变铝焊接熔池周围的温度梯度。第一，插件中所含有的任何热量（由电阻加热产生或者通过从铝焊接熔池传导所产生，或通过两者而产生）不容易传输到周围电极本体。因此，插件将热量保持在位于下面并且接触插件的铝工件内，否则在没有插件的情况下其将不存在。第二，插件的外围部分的高电阻率使电流在焊接电极之间传递，以在铝工件内和插件周围呈现锥形流型。这两个效应以单独或者一起的方式能够有益地使铝焊接熔池周围的温度梯度变化。特别地，据信变化的温度梯度改变了铝焊接熔池的固化行为，以阻止在工件叠层的接合界面处及沿着其的缺陷的不期望的积聚。此外，如果插件产生足够热量，则能够减少需要在钢工件中产生的热量，因此抑制脆性的Fe-Al金属间层在接合界面处的生长。

根据本发明，其还存在以下技术方案：

1. 一种电阻点焊钢工件和铝或铝合金工件的方法，所述方法包括：

提供工件叠层，所述工件叠层包括钢工件和铝或铝合金工件；

提供大体面对所述铝或铝合金工件的第一焊接电极以及大体面对所述钢工件的第二焊接电极，所述第一焊接电极具有电极本体和位于所述第一焊接电极的焊接面处或与其邻近的插件，所述插件具有邻近所述周围电极本体的至少外围部分，其具有的电导率小于或等于如由IACS定义的市售退火纯铜的电导率的接近20%，以及其具有的热导率小于或等于市售退火纯铜的热导率的接近20%；

使所述第一焊接电极和所述第二焊接电极接触所述工件叠层的相对侧，其中所述第一焊接电极接触所述铝或铝合金工件且所述第二焊接电极接触所述钢工件；以及

将所述铝或铝合金工件与所述钢工件电阻点焊在一起。

2. 根据技术方案1所述的方法，其中，所述插件的材料是低碳钢、工具钢、不锈钢、白铜金属、Hastelloy®金属、Inconel®金属、钛、铌、钽或钒。

3. 根据技术方案1所述的方法，其中，所述插件是电绝缘体。

4. 根据技术方案3所述的方法，其中，所述插件的材料是氧化铝、熔融石英、堇青石或陶瓷。

5. 根据技术方案1所述的方法，其中，当所述第一焊接电极和所述第二焊接电极达到接触所述工件叠层的相对侧时，所述电极本体的第一区域以表面对表面的方式接触所述铝或铝合金工件，且所述插件的第二区域以表面对表面的方式接触所述铝或铝合金工件，所述第一区域是所述第二区域的75%到2500%。

6. 根据技术方案5所述的方法，其中，在所述钢工件和铝或铝合金工件的电阻点焊期间电流在所述第一焊接电极和所述第二焊接电极之间传递，与所述插件的表面对表面接触相比，所述电流更容易流动通过所述电极本体的表面对表面接触，使得所述电流在所述铝或铝合金工件中呈现锥形流型。

7. 根据技术方案1所述的方法，其中，所述插件包括壳体和内部件，所述壳体至少部分或完全地包封所述内部件以使所述内部件与所述电极本体物理上隔离开，并且其中，所述壳体具有的电导率小于或等于如由IACS定义的市售退火纯铜的电导率的接近20%，以及其热导率小于或等于市售退火纯铜的热导率的接近20%。

8. 根据技术方案7所述的方法，其中，所述壳体是还将所述内部件附接到所述周围电极本体的粘附材料。

9. 根据技术方案7所述的方法，其中，所述壳体由PTFE构成。

10. 一种电阻点焊和工件叠层组件，所述组件包括：

铝或铝合金工件；

钢工件，所述钢工件和铝或铝合金工件重叠彼此以提供接合界面；

第一焊接电极，其大体面对所述铝或铝合金工件，所述第一焊接电极具有电极本体和嵌在所述电极本体内的插件，所述电极本体和所述插件中的每者在所述第一焊接电极被按压以接触所述铝或铝合金工件时以表面对表面的方式接触所述铝或铝合金工件；以及

第二焊接电极，其大体面对所述钢工件；

其中，所述电极本体和所述插件由多种材料构造成，使得当将所述铝或铝合金工件和所述钢工件电阻点焊在一起时，与所述插件和所述铝或铝合金工件之间的表面对表面接触相比，电流更容易流动通过所述电极本体和所述铝或铝合金工件之间的表面对表面接触，使得所述电流在所述铝或铝合金工件中呈现锥形流型。

11. 根据技术方案10所述的电阻点焊和工件叠层组件，其中，所述插件至少具有邻近所述周围电极本体的外围部分，其具有的电导率小于或等于如由IACS定义的市售退火纯铜的电导率的接近20%，以及其具有的热导率小于或等于市售退火纯铜的热导率的接近20%。

12. 根据技术方案10所述的电阻点焊电极和工件叠层组件，其中，所述电极本体由铜合金构成，且所述插件由低碳钢、工具钢、不锈钢、白铜金属、Hastelloy®金属、Inconel®金属、钛、铌、钽或钒构成。

13. 根据技术方案10所述的电阻点焊和工件叠层组件，其中，所述插件是电绝缘体。

14. 根据技术方案13所述的电阻点焊和工件叠层组件，其中，所述插件的材料是氧化铝、熔融石英、堇青石或陶瓷。

15. 根据技术方案10所述的电阻点焊和工件叠层组件，其中，所述电极本体的第一区域以表面对表面的方式接触所述铝或铝合金工件，且所述插件的第二区域以表面对表面的方式接触所述铝或铝合金工件，所述第一区域是所述第二区域的75%到2500%。

16. 根据技术方案15所述的电阻点焊和工件叠层组件，其中，表面对表面接触的所述第一区域包围表面对表面接触的所述第二区域。

17. 根据技术方案10所述的电阻点焊和工件叠层组件，其中，所述插件包括壳体和内部件，所述壳体至少部分或完全地包封所述内部件以使所述内部件与所述电极本体物理上隔离开，并且其中，所述壳体具有的电导率小于或等于如由IACS定义的市售退火纯铜的电导率的接近20%，以及其热导率小于或等于市售退火纯铜的热导率的接近20%。

18. 根据技术方案17所述的电阻点焊和工件叠层组件，其中，所述壳体是还将所述内部件附接到所述周围电极本体的粘附材料。

19. 根据技术方案17所述的电阻点焊和工件叠层组件，其中，所述壳体由PTFE构成。

附图说明

图1是电阻点焊组件的侧视图；

图2是由不使用如以下描述中所详述的那些插件的电阻点焊工艺所形成的焊核的微结构；

图3图示执行电阻点焊及所产生铝焊核的伴随的固化行为的顺序，附图示出位于工件叠层上面的一对焊接电极的侧视图，所述焊接电极中的一个具有插件的实施例；

图4是由使用如以下描述中所详述的那些插件的实施例的电阻点焊工艺所形成的焊核的微结构；以及

图5是位于工件叠层上面的一对焊接电极的侧视图，其中所述焊接电极中的一个具有插件的另一实施例。

具体实施方式

此说明书中详述的方法和组件解决了在电阻点焊包括铝工件和钢工件的工件叠层时所遇到的几个难题。虽然下文进行了更详细地描述，但一般来说，所描述的方法和组件能够更改铝工件内所产生的铝焊接熔池的固化行为，以便限制或完全阻止缺陷在钢工件和铝工件之间的接合界面处的积聚和散布。所述方法和组件还能够最小化形成在接合界面处的任何Fe-Al金属间层的尺寸和厚度。这些措施一起或单独地有助于确保铝工件和钢工件之间所建立的焊接接头的足够强度（特别是足够的剥离强度）。而且，虽然下文在车辆本体部分的背景下描述了所述方法和组件，但所属领域的技术人员将知道并了解到，可在其它背景下（例如，航空航天、航海和工业设备应用中）使用此类方法和组件。

图1示出能够用来电阻点焊包括重叠于彼此之上的钢工件14和铝工件16的工件叠层12的电阻点焊组件10的一个示例。虽然图1中未示出，但工件叠层12能够在需要时包括额外的工件，例如单个铝工件和一对钢工件以构成总计三个单独工件的叠层以及其它可能性。钢工件14和铝工件16中的每者能够具有范围在0.3 mm和6.0 mm之间、在0.5 mm和4.0mm之间以及更窄地在0.6 mm和2.5 mm之间的厚度，不过其它厚度尺寸也是可能的。术语“工件”及其钢和铝变型在此描述中广泛用于指代可进行电阻点焊的钣金层、铸件、挤出物或任何其它件。

钢工件14能够是镀锌低碳钢、镀锌先进高强度钢（AHSS）、铝涂布钢、低碳钢、裸钢或另外类型的钢。能够用于钢工件14中的一些更具体的钢种类包括但不限于无间隙（IF）钢、双相（DP）钢、相变诱导塑性（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、铝锌合金或另外类型的铝。能够用于铝工件16中的一些更具体的铝合金种类包括但不限于5754铝镁合金、6022铝镁硅合金、7003铝锌合金和Al-10Si-Mg铝压铸合金。另外，这些和其它合适的铝合金（以及铝）可涂布有通常用于改进粘结性能的锌或转化涂层。可选地，可存在通常用于电阻点焊操作中的焊接通过粘附剂或密封剂。

仍参照图1，电阻点焊组件10通常是更大的自动化焊接操作的一部分，其包括以机械和电气方式配置来重复形成电阻点焊的第一焊枪臂18和第二焊枪臂20。第一焊枪臂18能够具有紧固第一焊接电极24的第一电极固持器22，且同样地，第二焊枪臂20能够具有紧固第二焊接电极28的第二电极固持器26。下文更详细地描述了第一焊接电极24，且第二焊接电极28能够是由合适的铜合金材料构成的常规电极，例如，通常称为名称C15000的铜锆合金。当进行电阻点焊时，焊枪臂18、20在焊接部位30处按压其各自的焊接电极24、28抵靠重叠工件14、16的相对侧和外表面，其中电极的伴随的焊接面跨越彼此对准且彼此对准。接合界面32在钢工件14和铝工件16之间位于工件12、14的对立且邻接的内表面处。接合界面32包括在工件内表面之间的直接接触的实例，以及包括其中内表面不直接接触而是彼此密切接近使得有可能进行电阻点焊的实例。

图2图示由电阻点焊工艺所形成的铝焊核34的微结构，该电阻点焊工艺不使用下文所述的第一焊接电极24而是使用在500 ms的焊接时间内使16 kA的电流通过的一对常规的铜合金焊接电极。虽然可在不使用第一焊接电极24及其插件的一些实例中形成合适的焊核，但在此示例中，已在接合界面32处发现了缺陷D且缺陷D已沿着接合界面32散布。缺陷D可包括收缩孔隙、气孔、氧化物残渣和微裂纹以及其它可能性。当缺陷D存在且沿着接合界面32分布时，已发现，缺陷D会减小钢工件14和铝工件16之间所建立的焊接接头的剥离强度，并且会负面地影响以及弱化接头的整体完整性。此外，除缺陷D之外，还会在钢工件14和铝工件16之间以及在接合界面32处生长一个或更多个Fe-Al金属间层（未示出），其也被认为是焊接接头以及铝焊核34的一部分。Fe-Al金属间层能够由FeAl₃和Fe₂Al₅以及其它化合物构成，并且当存在时其通常是硬且脆的。再次，此处，在允许广泛生长的情况下，Fe-Al金属间层会对焊接接头的整体完整性具有负面影响。

在不旨在限于特定原因理论的情况下，目前据信，缺陷D沿接合界面32的积聚和散布在很大程度上是由于铝焊接熔池在其转变成焊核34时的固化行为。也就是说，由于两种金属的不同物理性质（即，钢的大得多的电阻率和热阻率），使得在热得多的钢工件14和更冷的铝工件16之间会逐渐形成热量不平衡。因此，钢充当热源，而铝充当导热体，这意味着：当来自焊池的热量被定向提取通过接触铝工件16的水冷却的焊接电极时，铝工件16内所产生的铝焊接熔池从其外周边朝接合界面32冷却以及固化。固化前沿的路径和方向在图2中一般由虚箭头P表示，以及焊核34的边界一般由虚线B表示。路径P指向接合界面32处，以及更倾斜的边界B（与图4中所示相比较）是朝接合界面32固化的结果。以此方式进行引导，焊池缺陷D在固化前沿沿着路径P前进时朝向接合界面32被牵引或清除，并且可最终位于接合界面32处及沿着接合界面32。此外，目前相信，Fe-Al金属间层的生长至少部分地是由于在电阻点焊工艺期间由钢工件14所经历的升高的温度。

现参照图3，为了限制且在一些情况下完全阻止缺陷D在接合界面32处及沿着其的积聚和散布，将插件36嵌在第一焊接电极24的周围本体38内。如本文所使用的，术语“插件”未必意味着其所指代的部件必须在焊接电极24的构造期间物理上插入就位；相反地，该部件能够通过插入或除插入之外的技术定位于焊接电极24中。一般来说且如下文更详细描述的，插件36作用来限制或消除进入到周围电极本体38中的热通量。为实现此目标，将插件36构造成具有至少外围部分邻近周围电极本体38，其展现小于或等于如由IACS所定义的市售退火纯铜的电导率的接近20%的电导率，以及小于或等于市售退火纯铜的热导率的接近20%的热导率。如由IACS所定义的市售退火纯铜（也称为100% IACS）的电导率是5.80×10⁷ S/m。而且，本文中将市售退火纯铜的热导率定义为W/m°K。插件36的外围部分可连续接触周围电极本体38或如图3和图5中所示。然而，在其它实施例中，插件36的外围部分可由一个或多个气隙所中断。

当构造成具有此类外围部分时，就电导率性质和热导率性质而言，插件36表现得不同于周围电极本体38，据信，这是为了以两种方式中的至少一种来改变在电流流动期间在铝工件16中所产生的铝焊接熔池周围的温度梯度。第一，由于插件36限制或阻止进入到周围电极本体38中的热通量，所以插件36中所含有的任何热量不容易转移到电极本体38处，在该电极本体38处能够通过合并到第一焊接电极24中的内部冷却机构（例如，水冷却）来快速提取热量。在电流流动期间，通过从铝焊接熔池的传导，能够将热量引入到插件36中，并且额外地，如果插件36的至少一部分能够导电，则可在插件36内产生热量。而且，由于此类热量无法容易地分散到电极本体38中，所以插件36积聚且保留邻近铝工件16的下层部分的热量，从而减缓从铝焊接熔池到第一焊接电极24中的定向热流，并且促进在铝工件16内的侧向热传递。

第二，插件36使在第一焊接电极24和第二焊接电极28之间所传递的电流在铝工件16内以及插件36周围呈现锥形流型。可以肯定的是，作为锥形流型的一部分，所传递的电流的路径在铝工件16内径向扩展，使得电流密度至少从接合界面32朝与第一焊接电极24接触的铝工件16表面减小。电流还主要通过在电极本体38和铝工件16之间围绕插件36所建立的环形界面而传递到第一焊接电极24中。通过使电流以锥形流型通过，与铝工件16相比，在钢工件14内热量变得集中在更小的区域中，这具有改变在铝工件16中所产生的铝焊接熔池周围的温度梯度的效应，因此促进从焊池到工件叠层12中的侧向热量散布。

插件36的准确构造能够取决于电极本体38的材料和所要的保温程度以及铝工件16中的锥形电流分布以及其它因素。与第二焊接电极28类似，电极本体38能够由具有如由IACS所定义的市售退火纯铜的电导率的80%或更大的电导率的铜合金材料以及其它材料构成，例如通常由名称C15000所指代的铜锆合金。在一个实施例中，如此处所示，插件36能够完全由此类材料构成，其展现出小于或等于如由IACS所定义的市售退火纯铜的电导率的接近20%的电导率，以及小于或等于市售退火纯铜的热导率的接近20%的热导率。换言之，插件36能够完全由具有接近1.16×10⁷ S/m或更小的电导率和接近78 W/m°K或更小的热导率的材料构成。插件36甚至能够由被认为是电绝缘体的材料（由于其不能够导电）构成。因此，插件36的材料具有的电导率显著低于周围电极本体38以及铝工件16的电导率，且其热导率显著低于周围电极本体38以及铝工件16的热导率。

能够采用许多种材料来构造图3中所示的插件36。在插件36旨在具有一定导电能力（但不超过如由IACS所定义的市售退火纯铜的电导率的20%）时能够使用的材料的一些具体示例是Fe基合金，例如，低碳钢、工具钢和不锈钢。更多示例包括白铜金属、Hastelloy®金属、Inconel®金属、钛、铌、钽和钒。而且，当插件36旨在是非导电性电绝缘体时，其能够由几种不同陶瓷材料构成。能够使用的合适陶瓷材料的示例包括氧化铝（其具有~30 W/m°K的热导率）、熔融石英（~1.4 W/m°K的热导率）、堇青石（~1.4 W/m°K的热导率）和低压陶瓷及高压陶瓷（~2 W/m°K的热导率）。

仍参照图3，插件36被嵌在电极本体38中，使得其形成第一焊接电极24的焊接面40的一部分。具体地，在焊接面40处，当第一焊接电极24被按压成接触工件16时，插件36的表面42暴露至铝工件16。插件36的暴露表面42由此构成焊接面40的区段。焊接面40的其余区段由本体38的表面构成。插件36可位于焊接面40的中心处，但并非一定如此，因为插件36有可能从焊接面中心稍微偏移。另外，虽然图3中未明确示出，但包括插件36的暴露表面42的第一焊接电极24的焊接面40可具有表面特征，这些表面特征旨在穿透形成于铝工件16的外表面上的氧化物层。例如，在需要时，焊接面40能够是纹理化的、粗糙的或具有一组突出环。这些种类的表面的示例描述于美国专利号6,861,609、8,222,560、8,274,010、8,436,269和8,525,066以及美国专利申请公开号2009/0255908中。

电极本体38和插件36之间的附接可取决于部件的材料，且应足够稳固以承受在汽车和其它应用中典型的自动化焊接操作。多种方式可用于将插件36的附接固定就位，包括电极本体38和插件36之间的过盈配合或两者之间的螺纹啮合。无论如何附接，插件36均能够具有圆柱形和圆盘形状。而且虽然图3中示意性地以截面轮廓来描绘，但当在平面图中直接观察焊接面40时，插件36将呈现出其在焊接面40的圆形形状内部具有圆形形状。插件36的直径比焊接面40的直径小25%到80%。在一些示例中，插件36也能够具有接近1:1的宽度-高度纵横比。在其它实施例中，其它形状和其它几何纵横比也是有可能的。

用于将钢工件14和铝工件16电阻点焊在一起的方法能够包括比此处所描述的步骤更多、更少和/或不同的步骤。在图3中所呈现的实施例中，使第一焊接电极24和第二焊接电极28在叠层12的相对侧上被按压抵靠钢工件14和铝工件16，且彼此相对地对准。当使第一焊接电极24按压抵靠铝工件16时，插件36和周围本体38两者在电流开始在焊接电极24、28之间流动时直接以表面对表面的方式与铝工件16接触。插件36在界面（优选圆形界面）处以表面对表面的方式与铝工件16接触，且电极本体38在插件36周围（例如，当插件36具有圆形截面形状时的环形界面处）以表面对表面的方式与铝工件16接触。在此处所示的实施例中，在图3中在电极本体38和铝工件16之间产生的表面对表面接触发生在部位100、200处，且在插件36周围不断地持续。此外，周围电极本体38和铝工件16之间的表面接触区域能够是插件36和铝工件16之间的表面接触的区域的大约75%到大约2500%。

于是，电流在第一焊接电极24和第二焊接电极28之间交换，并且在焊接部位30处穿过钢工件14和铝工件16。根据焊接方案，电流能够是范围在接近5kA和接近50kA之间的恒定DC电流，或其能够是具有范围在接近5kA和接近50kA之间的电流峰值的一系列DC电流脉冲。电流可以在接近40 ms到接近1000 ms的时间段内在第一焊接电极24与第二焊接电极28之间传递。当电流在焊接电极24、28之间传递以及跨越钢工件14和铝工件16之间所建立的接合界面32传递时，在钢工件14内以及在接合界面32处迅速产生热量，使得在铝工件16内引发且生长铝焊接熔池。铝焊接熔池使位于接合界面32处的钢工件14的邻近表面变湿，且在电流流动停止之后即刻冷却且固化成铝焊核34，该铝焊核34形成工件14、16之间的焊接接头的全部或部分。

据信，第一焊接电极24中的插件36的存在改变了铝焊接熔池在其转变成铝焊核34时的固化行为，以限制或完全阻止缺陷D在接合界面32处及沿着其的积聚和散布。如上所述的，插件36积聚且保存邻近铝工件16的下层部分的热量。在其中插件36是电绝缘体的情况下，插件36通过从铝工件16内所产生的铝焊接熔池的热传导被加热。而且，在插件36导电的情况下，插件36是通过从铝焊接熔池的热传导以及穿过插件36的电流流动被加热。插件36内所含有的额外热量由于插件36的热导率更低而不能容易地传递到周围电极本体38。此外，也如上文所述，插件36还使电流在第一焊接电极24和第二焊接电极28之间传递，以在铝工件16内呈现锥形流型（如由虚线44所表示的）。锥形流型44从接合界面32朝第一焊接电极24径向向外地展开。它的发展是由于焊接面40处的电极本体38的电导率高于插件36的暴露表面42的电导率。

增加的热量（当插件36由展现一定导电能力的材料构造时）、保持的热量及锥形流型44一起作用，以通过在铝焊接熔池周围产生三维径向温度梯度来改变焊接部位30中的温度分布。这些温度梯度减缓进入第一焊接电极24中的定向热流动并且有助于促进侧向热流动进入铝工件16中。所产生的改进的热平衡及更均匀的热分布改变了铝焊接熔池在其固化以变成铝工件16内的焊核34时的冷却动作，如下文关于图4将进行更详细描述的。保持在插件36中的额外热量以及热量集中在钢工件14中的更小区域内（锥形流型44的结果）具有另外的在益处：其能够减少需要通过电流在钢工件14中所产生的以产生铝焊接熔池的热量的量。因此，能够减小电流的量值和/或持续时间，以试图限制接合界面32处的任何Fe-Al金属间层的厚度。

现参照图4的微结构，没有使固化前沿如图2中所展示且如上所述的朝着接合界面32前进，而是插件36对铝焊接熔池周围的温度梯度的影响使焊池从其外周边朝中心区域向内冷却且固化。固化前沿的路径和方向在图4中大体由虚箭头P表示，且铝焊核34的边界由虚线B表示。路径P指向焊核34的中心区域，且由于改变的固化路径，边界B相对于接合界面32的更正交（与图2中所示的情况相比）。

插件36本质上在最后固化的铝合金焊接熔池内产生升高温度的位置，因此允许气孔、收缩孔隙及其它焊接缺陷D积聚在那里。由于铝焊接熔池中存在的焊接缺陷D被扫向或牵引朝向焊池及最终至铝焊核34的中心区域，所以如所描绘的它们极大程度地位于远离接合界面32处，或主要地位于在焊核34的中心位置内的接合界面32处。此冷却和固化进展也示意性地描绘于图3及其带箭头的图像中。此外，通过在电流停止之后并且同时插件36仍然是热的时使插件36保持接触铝工件16，能够提高刚才在图3到图4中所描述和示出的铝焊接熔池的固化行为。所有这些的结果在于，维持了合适的剥离强度，并且确保了工件14、16之间所建立的接头的整体强度和完整性。

现参照图5，描绘了插件36的另一实施例。在此实施例中，插件36包括壳体46。壳体46部分地或完全地包围住插件36的内部件48，并且充当周围电极本体38和内部件48之间的绝缘或低电导率/热导率中间屏障。内部件48能够是圆柱状和圆盘状的，并且可以具有低于或超过市售退火纯铜（如由IACS所定义）的电导率和热导率的20%的电导率和热导率。而且，虽然图5中示意性地以截面轮廓来图示，但壳体46可具有杯形形状，该杯形形状包围插件36的内部件48的背面和侧面以在物理上使内部件48与电极本体38完全隔离开。

壳体46展现上文针对图3的实施例所阐述的电导率和热导率性质及关系。例如，壳体46能够由绝缘材料构成，或由具有的电导率小于如由IACS所定义的市售退火纯铜的电导率的20%以及具有的热导率小于市售退火纯铜的热导率的20%的材料构成。此类材料的一个示例是Teflon®（PTFE）。在另外的实施例中，壳体46也能够充当电极本体38和内部件48之间的附接件，例如壳体46能够由例如高温环氧树脂的粘附材料构成。另一方面，因为内部件48通过壳体46与电极本体38隔离，所以其能够具有高得多的电导率和热导率，虽然并非一定如此。对于此实施例的内部件48的合适材料的示例包括耐火金属，例如，钼、钼合金、钨或钨合金。

图5中所示及刚才所述的插件36的作用类似于图3中所描绘的插件。如前所述的，当第一焊接电极24的焊接面40被按压以接触抵靠铝工件16时，插件36的内部件48以及周围电极本体38在电流开始流动时在焊接部位30处以表面对表面的方式直接接触铝工件16。内部件48在界面（优选圆形界面）处以表面对表面的方式接触铝工件16，且电极本体38在插件36周围（例如，当插件36具有圆形截面形状时的环形界面）以表面对表面的方式接触铝工件16。插件36的内部件48与铝工件16之间的表面接触区域也可大于电极本体38与铝工件16之间的表面接触区域。当以此方式使用时，据信插件36改变了铝焊接熔池在其转变成铝焊核34时的固化行为，从而以与先前所述的方式相同的通用方式来限制或完全阻止缺陷D在接合界面32处及沿着其的积聚和散布。

当使第一焊接电极24按压抵靠铝工件16时，插件36和周围本体38两者在电流开始在焊接电极24、28之间流动时以表面对表面的方式直接接触铝工件16。插件36在界面（优选圆形界面）处以表面对表面的方式接触铝工件16，且电极本体38在插件36周围（例如，当插件36具有圆形截面形状时的环形界面）以表面对表面的方式接触铝工件16。在此处所示的实施例中，在电极本体38和铝工件16之间产生的表面对表面接触发生在图3中的部位100、200处，且在插件36周围不断地持续。此外，插件36和铝工件16之间的表面接触区域可大于本体38和铝工件16之间的表面接触区域。

对优选例示性实施例及相关示例的以上描述本质上仅仅是描述性的；其并不旨在限制以下权利要求书的范围。除非说明书中另外具体和明确地陈述，否则所附权利要求书中使用的每个术语应给予其普遍和惯常的意义。

Claims

1.一种电阻点焊方法，所述方法包括：

提供面对所述铝或铝合金工件的第一焊接电极以及面对所述钢工件的第二焊接电极，所述第一焊接电极具有电极本体和插件，所述插件嵌在所述电极本体中使得所述插件的暴露表面与所述电极本体的围绕所述插件的表面一起构成所述第一焊接电极的焊接面，所述插件具有邻近周围电极本体的至少外围部分，所述插件的外围部分具有的电导率小于或等于由IACS定义的市售退火纯铜的电导率的20%，以及所述插件的外围部分具有的热导率小于或等于市售退火纯铜的热导率的20%；

使所述第一焊接电极和所述第二焊接电极接触所述工件叠层的相对侧，其中所述第一焊接电极接触所述铝或铝合金工件且所述第二焊接电极接触所述钢工件；使电流在所述第一焊接电极和所述第二焊接电极之间传递，以引发且生长所述铝或铝合金工件中的焊接熔池，

其中，在电流开始时，所述插件的暴露表面和所述电极本体的围绕所述插件的表面在所述第一焊接电极的所述焊接面上以表面对表面的方式接触所述铝或铝合金工件，

其中所述电流流经所述第一焊接电极与所述第二焊接电极之间，使得所述电流在所述铝或铝合金工件中呈现锥形流型；以及

电流的电流密度朝第一焊接电极减小；以及

停止所述电流，使得所述铝或铝合金工件中的所述焊接熔池固化成铝焊核，所述铝焊核形成所述钢工件和所述铝或铝合金工件之间的焊接接头的全部或部分。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述插件的材料是低碳钢、工具钢、不锈钢、白铜金属、Hastelloy®金属、Inconel®金属、钛、铌、钽或钒。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述插件是电绝缘体。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述插件的材料是氧化铝、熔融石英、堇青石或陶瓷。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，当所述第一焊接电极和所述第二焊接电极达到接触所述工件叠层的相对侧时，所述电极本体的第一区域以表面对表面的方式接触所述铝或铝合金工件，且所述插件的第二区域以表面对表面的方式接触所述铝或铝合金工件，所述第一区域是所述第二区域的75%到2500%。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，在所述钢工件和铝或铝合金工件的电阻点焊期间，与所述插件的表面对表面接触相比，所述电流更容易流动通过所述电极本体的表面对表面接触，使得所述电流在所述铝或铝合金工件中呈现锥形流型。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述插件包括壳体和内部件，所述壳体至少部分或完全地包封所述内部件以使所述内部件与所述电极本体物理上隔离开，并且其中，所述壳体具有的电导率小于或等于由IACS定义的市售退火纯铜的电导率的20%，以及所述壳体的热导率小于或等于市售退火纯铜的热导率的20%。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述壳体是还将所述内部件附接到所述周围电极本体的粘附材料。

9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述壳体由PTFE构成。

10.一种电阻点焊电极和工件叠层组件，所述组件包括：

铝或铝合金工件；

第一焊接电极，其面对所述铝或铝合金工件，所述第一焊接电极具有电极本体和嵌在所述电极本体内的插件，所述插件至少具有邻近周围电极本体的外围部分，所述插件的外围部分具有的电导率小于或等于由IACS定义的市售退火纯铜的电导率的20%，以及所述插件的外围部分具有的热导率小于或等于市售退火纯铜的热导率的20%，所述电极本体和所述插件中的每者在所述第一焊接电极被按压以接触所述铝或铝合金工件时以表面对表面的方式接触所述铝或铝合金工件；以及

第二焊接电极，其面对所述钢工件；

其中，所述电极本体和所述插件由多种材料构造成，使得当将所述铝或铝合金工件和所述钢工件电阻点焊在一起时，使电流在所述第一焊接电极和所述第二焊接电极之间传递，以引发且生长所述铝或铝合金工件中的焊接熔池，

电流的电流密度朝第一焊接电极减小；以及

11.根据权利要求10所述的电阻点焊电极和工件叠层组件，其中，所述电极本体由铜合金构成，且所述插件由低碳钢、工具钢、不锈钢、白铜金属、Hastelloy®金属、Inconel®金属、钛、铌、钽或钒构成。

12.根据权利要求10所述的电阻点焊电极和工件叠层组件，其中，所述插件是电绝缘体。

13.根据权利要求12所述的电阻点焊电极和工件叠层组件，其中，所述插件的材料是氧化铝、熔融石英、堇青石或陶瓷。

14.根据权利要求10所述的电阻点焊电极和工件叠层组件，其中，所述电极本体的第一区域以表面对表面的方式接触所述铝或铝合金工件，且所述插件的第二区域以表面对表面的方式接触所述铝或铝合金工件，所述第一区域是所述第二区域的75%到2500%。

15.根据权利要求14所述的电阻点焊电极和工件叠层组件，其中，表面对表面接触的所述第一区域包围表面对表面接触的所述第二区域。

16.根据权利要求10所述的电阻点焊电极和工件叠层组件，其中，所述插件包括壳体和内部件，所述壳体至少部分或完全地包封所述内部件以使所述内部件与所述电极本体物理上隔离开，并且其中，所述壳体具有的电导率小于或等于由IACS定义的市售退火纯铜的电导率的20%，以及所述壳体的热导率小于或等于市售退火纯铜的热导率的20%。

17.根据权利要求16所述的电阻点焊电极和工件叠层组件，其中，所述壳体是还将所述内部件附接到周围电极本体的粘附材料。

18.根据权利要求16所述的电阻点焊电极和工件叠层组件，其中，所述壳体由PTFE构成。