CN106334866B

CN106334866B - 控制用于异种材料焊接的热应力和凝固的冷却

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Publication number: CN106334866B
Application number: CN201610473936.5A
Authority: CN
Inventors: D·杨; B·E·卡尔森; D·R·西格勒
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2015-07-07
Filing date: 2016-06-24
Publication date: 2019-03-15
Anticipated expiration: 2036-06-24
Also published as: US20170008118A1; US10252369B2; CN106334866A; DE102016211408A1

Abstract

一种至少包括钢工件和铝基工件的工件层叠结构可以通过一种点焊方法进行电阻点焊，在该方法中，控制焊接电流以执行焊接接头发展的一个或多个阶段。当期望终止焊接电流流动并且将液态焊池凝固成焊接熔核(通常为铝基组分)时，围绕点焊电极接合铝基工件表面的接触区域向铝基工件的外表面进行附加冷却。在钢工件的表面处进行并且控制附加冷却，以便提高所述液态铝基材料的凝固速率并且控制焊接熔核凝固的方向，从而更好地限制最初在熔化物中的杂质等。

Description

控制用于异种材料焊接的热应力和凝固的冷却

技术领域

本发明涉及在铝基工件外表面上的电阻点焊部位处的导向冷却，以控制下面的液态铝合金点焊材料的凝固。这种冷却在对铝基工件和钢合金工件的层叠结构进行电阻点焊期间是有用的，层叠结构与所述工件的搭接表面组装在一起，所述工件的搭接表面与在其中形成焊接熔核的搭接表面界面重叠。

背景技术

电阻点焊为许多行业用来将两个或更多个金属工件接合在一起的过程。例如，汽车行业在制造车门、发动机罩、行李箱盖或举升门等期间经常使用电阻点焊将预制金属工件接合在一起。通常沿金属工件的周边边缘或一些其他结合区域形成许多焊点，以确保零件在结构上坚固。虽然点焊通常已实践为将某些类似组成的金属工件(诸如，钢合金至钢合金、铝合金至铝合金)接合在一起，但将较轻重量的材料结合到车身结构的期望已经产生对于通过电阻点焊将钢工件接合到铝基(铝或铝合金)工件的兴趣。具体地，使用一件设备对包含不同工件组合(例如，钢/钢、铝基/钢、铝基/铝基)的工件层叠结构进行电阻点焊的能力可促进生产灵活性并且降低制造成本。

一般来说，电阻点焊依靠针对通过重叠的金属工件并且穿过它们的搭接表面的电流流动的电阻产生热量。为实施此焊接过程，通常将一对相对的点焊电极夹持在预定焊接部位的工件的相反侧上直径对齐的点处。然后，电流从一个电极到另一个电极传递通过金属工件。针对该电流流动的电阻在金属工件内并且在它们的搭接表面处产生热量。当钢工件和铝基工件正在进行点焊时，在它们的搭接表面处产生的热量引发从搭接表面延伸到铝基工件中的焊接熔核。该焊接熔池将相邻的钢工件表面润湿，并且在电流流动停止时凝固成形成焊接接头的全部或一部分的焊接熔核。

然而，在实践中，将钢工件点焊到铝基工件是具有挑战性的，因为那两种金属的许多特性可不利地影响焊接接头的强度(最显著的是剥离强度)。一个挑战在于，铝基工件通常含有存在于其搭接表面上的一层或多层难熔氧化物层。一层或多层氧化物层通常由氧化铝组成，但也可存在其他氧化物化合物。例如，在含镁铝合金的情况下，一层或多层氧化物层通常还包括氧化镁。存在于铝基工件表面上的氧化物层是电绝缘和机械强韧的。由于这些物理属性，一层或多层氧化物层趋于在它们可妨碍焊接熔池润湿钢工件能力的搭接界面处保持完整，而且还在增长的焊接熔池内提供近界面缺陷源。一层或多层表面氧化物层的绝缘性质还增大了铝合金工件的接触电阻(即，在其搭接表面处以及在其电极接触点处的电阻)，从而使得难以有效控制并且集中铝合金工件内的热量。过去，已经做出努力在点焊之前将一层或多层氧化物层从铝基工件去除。然而，这种去除实践是不切实际的，因为一层或多层氧化物层在氧存在的情况下具有自愈或再生能力，尤其是在施加了来自点焊操作的热量的情况下。

钢工件和铝基工件也具备趋于使点焊过程复杂化的不同属性。具体而言，钢具有相对高的熔点(～1500℃)以及相对高电阻率和热阻率，而铝基材料具有相对低的熔点(～600℃)以及相对低的电阻率和热阻率。由于这些物理差异，在电流流动期间大部分热量在钢工件中产生。这种热量不平衡在钢工件(较高温度)与铝基工件(较低温度)之间建立温度梯度，温度梯度引发铝基工件的快速熔化。在电流流动期间创建的温度梯度和铝基工件的高热导率的组合意味着，紧接在电流中止之后，会发生热量未从焊接部位对称地散布的状况。相反，热量从较热的钢工件通过铝基工件朝向与铝基工件接触的焊接电极传导，这在钢工件与焊接电极之间创建了陡峭的热量梯度。

在钢工件和与铝基工件接触的焊接电极之间的持续的陡峭热量梯度的发展被认为以两种主要方式使所得焊接接头的完整性变弱。第一，因为在电流已经中止之后，与铝基工件相比，钢工件将热量保留更长的持续时间，所以焊接熔池定向地凝固，从最靠近与铝基工件相关联的较冷焊接电极(通常是水冷却的)的区域开始，并且朝向搭接界面传播。此类型的凝固前沿趋于在焊接熔核内朝向和沿搭接界面的整个宽度或直径扫除或驱除缺陷(诸如气孔、收缩空隙、和表面氧化物残留)。第二，钢工件中的持续高温促进脆弱的Fe-Al金属间化合物在搭接界面处和沿搭接界面的增长。金属间化合物趋于在焊接熔核与钢工件之间形成薄反应层。如果存在，则这些金属间层通常被认为是除焊接熔核以外的焊接接头的一部分。焊接熔核缺陷的散布连同Fe-Al金属间化合物沿搭接界面的过度增长趋于降低最终焊接接头的剥离强度。

鉴于前述挑战，点焊钢工件和铝基工件的先前努力已采用指定更高的电流、更长的焊接时间或两者(与点焊钢与钢相比)的焊接计划，以便尝试和获得合理的焊接结合区域。此类努力在制造环境中大部分是不成功的，并且趋于破坏焊接电极。考虑到先前的点焊努力并不是特别地成功，则主要替代地使用机械过程诸如自冲铆接和自攻螺接。与点焊相比，自冲铆接和自攻螺接两者均显著更慢，并且具有高耗材成本。它们还给车身结构添加了重量，这在某种程度上可开始抵消起初通过使用铝基工件所获得的重量节省。因此，使过程具有接合钢工件和铝基工件的更强能力的点焊中的进展可以为对本领域的受欢迎的补充。

发明内容

本发明涉及在铝基合金工件与钢合金工件的搭接表面之间的质量改进的电阻焊点的形成。在许多制造应用中，在层叠结构之间将形成一系列的此类焊点，在层叠结构中，铝合金板的一个表面靠着钢合金板的面对表面，以在工件的搭接表面处形成界面。在共同电极轴上对齐的两个相对电阻焊接电极在所选择的点焊部位处抵靠堆叠工件的相反侧面。当电极压靠堆叠工件的外表面时，程序化的焊接电流通过点焊部位处的工件在电极之间短暂地传递。焊接电流被适当地程序化以产生焊接熔池，焊接熔池主要位于铝合金工件中并且具有铝合金组分，并且焊接熔池靠着钢工件的搭接表面且将其润湿。

在先前的焊接实践中，焊接电流可停止并且允许焊接部位在周围空气中冷却，同时靠着堆叠工件的外表面维持焊接电极的施加力。铜焊接电极中的一个或两个通常是用水冷却的，并且它们用于加快热量从点焊部位的去除以及焊接熔池的凝固。根据本发明的实践，提供物理冷却装置用于通过铝合金工件的外表面进行显著的附加冷却。所添加的物理冷却系统集中在紧密环绕在其中电阻焊接电极的焊接顶端压靠铝工件表面的点的表面区域。例如，可使用围绕点焊电极以环形(或者以两个接合的半圆环形)定位并且被引导在铝工件表面处的支撑冷却管阵列，以对着围绕仍与电极接触的区域的铝的外表面在环境温度或降低的温度下输送包封的气流，诸如空气或氮气(或相似的冷却气体或流体)。或者，可抵靠紧密环绕焊接电极的铝工件外表面放置具有适当传热接触表面的环形的、内部冷却的构件。

管理来自热的铝工件表面的点焊部位的提高的传热速率，以改变焊接熔池在形成焊接熔核时的凝固速率和方向，焊接熔核先前已经从其与钢工件的搭接表面大部分延伸到铝合金工件中。根据本发明，进行并且控制铝工件外表面的此类定向外部冷却，因此凝固的焊接熔核从铝工件内的焊接熔池的周边朝向其中心形成，以便减小氧化铝材料(等)在钢工件表面处的量、形状和位置，从而改善在点焊部位处的工件的搭接界面处的焊接熔核结合的清洁度和强度(尤其是剥离强度)，并且减小围绕焊接部位的残余热应力。

从本说明书中的本发明优选实施例的以下描述中，用于接合铝合金工件和钢合金工件的本发明的电阻点焊过程的其他细节和优点将显而易见。

附图说明

图1为位于准备用于点焊的焊枪的相对点焊电极之间的工件层叠结构的示意性侧视图，工件层叠结构包括钢工件和铝基工件。

图2为图1中所描绘的工件层叠结构和相对的焊接电极的局部放大图。

图3为在多阶段焊接方法的一部分期间的工件层叠结构的局部截面图，在多阶段焊接方法的一部分中，焊接熔池已在铝基工件内被引发并增长。

图4为在多阶段焊接方法的已允许焊接熔池冷却并凝固成形成焊接接头的全部或一部分的焊接熔核之后的一部分期间的工件层叠结构的局部截面图。

图5为在多阶段焊接方法的一部分期间的工件层叠结构的局部截面图，在多阶段焊接方法中，焊接熔核的至少一部分已被再熔化。通过焊接过程的该阶段，围绕接合铝基工件外表面的电阻焊接电极放置或组装补充冷却装置。

图6A为在使用来自围绕焊接电极放置的支承管的冷却气体流冷却焊接部位区域处的铝基工件顶表面时的工件层叠结构的局部截面图。冷却冷冻气体流增强了初始焊接熔核的再熔化部分的再凝固，以便将杂质限制在焊接熔核与钢表面的界面的较小区域中。

图6B为正在使用围绕焊接电极放置的热交换器冷却铝基工件顶表面处的焊接部位区域时的工件层叠结构的局部截面图。由热交换器提供的补充冷却增强了初始焊接熔核的再熔化部分的再凝固。

图7为从底部看去的工件层叠结构的透视图，其中钢工件以虚线示出，以示意性地说明焊接熔核的焊接结合区域以及可能的附加焊接接合区域，附加焊接接合区域可由于在多阶段焊接方法期间再熔化焊接熔核的至少一部分而获得。

具体实施方式

如以上所讨论，对钢工件和铝基(铝或铝合金)工件进行点焊提出了一些显著的挑战。存在于铝基工件上的一层或多层表面氧化物层难以损坏和分解，表面氧化物层在传统的点焊技术期间在搭接界面处导致微裂纹形式和其他不一致形式的焊接缺陷。此外，钢工件比铝基工件在热和电方面更有抵抗性，这意味着钢工件被更快速地加热并且作为热源，而铝基工件作为热导体。在电流流动期间以及刚好在电流流动之后在工件之间建立的所得热量梯度趋于朝向并广范围地沿搭接界面驱除焊接熔池中的气孔和其他不一致，包括的残余氧化物缺陷，并且还有助于脆弱的Fe-Al金属间化合物在搭接界面处的形成和增长，Fe-Al金属间化合物处于钢工件上的一层或多层薄反应层的形式。

已设想在焊接电流结束时使用铝工件外表面的补充冷却的点焊方法，该方法平衡这些挑战并且提高将钢工件和铝基工件成功地并且重复地点焊在一起的能力。已经发现，主要位于铝合金工件中的较强的、较好成形的焊接熔核可通过在环绕处于该位置处的点焊电极的区域中向铝工件外表面提供补充冷却而形成，该焊接熔核较强地附着到钢工件，并且更有利地限制杂质和孔在焊接熔核中心中的分布。冷却在焊接电流通过焊接电极和工件的最后几毫秒，或者刚好在焊接电流停止时，或者紧跟着焊接电流的终止开始。当然，点焊部位的一些冷却从周围空气中获得，并且在水冷却焊接电极在焊接电流停止之后保持压靠工件外表面时，可通过使用水冷却焊接电极获得更多的冷却。但处于并且通过外部铝工件表面的附加冷却和增强冷却减小了在焊接部位处的热应力，并且有利地改变了焊接熔核的形成进度。

铝工件的冷却可通过以圆形型式或类似的封闭型式在环境温度或较低温度下围绕点焊电极输送冷却空气(或其他合适气体)以抵靠铝合金工件外表面流动并且从该外表面偏转来完成。冷却空气可以确定用来提供对铝工件的合适冷却的温度和流速来输送，该冷却与由水冷却焊接电极在电流已经停止之后所提供的任何冷却互补。例如，可在15℃至大约0℃范围内的温度下将冷却到周围温度以下的空气输送到焊接部位。

在一个说明性实施例中，冷却空气可通过支承在大致环绕点焊电极的一组管中的一组输送管引导。处于圆形型式的冷却空气流在紧密围绕由点焊电极的接触表面所限定的点焊位置的表面区域中冷却铝合金的上表面。例如，可围绕点焊电极放置任何合适的歧管状冷却空气输送装置，以围绕焊接部位的周边引导冷却流体流。当然，可在抵靠铝基工件表面的同样位置中并且环绕焊接部位放置其他冷却传热固定装置。此类传热固定装置将在预定的温度范围内操作，并且提供合适的传热表面，以改进焊接熔核及其与钢工件的界面的质量。以下参考图5、图6A和图6B在本说明书中更详细地描述了这些冷却实践。

铝工件表面，尤其是在环绕熔化铝焊接熔核的区域中的此类冷却旨在快速地冷却较高热导率工件并且减小该工件中的高热应力。也计划和执行增强的冷却，以快速地驱动在铝工件中径向向内的焊接熔池的凝固到已凝固的焊接熔核的中心，以便将杂质和瑕疵集中在焊接熔核的中心处，并且增加焊接熔核在钢工件表面处的界面无瑕疵区域。具有焊接按钮拔出和高强度的电阻点焊已在1.2mm厚的铝合金板至1.0mm厚的钢板的点焊中，以及2.0mm厚的铝合金板至1.0mm厚的钢板的焊接中进行展示。

在点焊部位处具有铝工件表面的补充冷却的点焊方法可有益地与大部分焊接电流实践和电极接触实践结合使用，用于在铝基合金工件与钢合金工件之间形成电阻焊点。然而，还应当理解并认识到，所讨论的铝基工件外表面的冷却可与同样转让给本发明受让人的焊接实践中的最近改进结合使用。例如，本说明书的补充冷却实践可与以下多阶段焊接方法结合使用，多阶段焊接方法用于在堆叠的铝基合金工件和钢合金工件中形成焊点。

多阶段点焊方法调用对在相对的焊接电极之间传递并且通过钢工件和铝基工件的电流的控制，以实施焊接接头发展的多个阶段。多个阶段包括：(1)焊接熔池增长阶段，其中焊接熔池在铝基工件内被引发并增长；(2)焊接熔池凝固阶段，其中允许焊接熔池冷却并凝固成形成焊接接头(该焊接接头还可包括金属间化合物层)的全部或一部分的焊接熔核；(3)焊接熔核再熔化阶段，其中焊接熔核的至少一部分再熔化；(4)再熔化的焊接熔核凝固阶段，其中允许焊接熔核的再熔化部分冷却并凝固；以及可选地，(5)金属排除阶段，其中焊接熔核的再熔化部分的至少一部分沿工件的搭接界面被排出。所公开的方法的几个阶段，特别是焊接熔核再熔化阶段(阶段3)用于减少被认为使焊接接头变弱的焊接熔核中的焊接缺陷的不利影响，并且至少部分地消除所述焊接缺陷。因此，多阶段点焊方法增强了被投入使用的最终形成的焊接接头的强度，尤其是剥离强度。并且，所讨论的补充冷却过程可与该多阶段点焊方法结合使用。其可在例如再熔化的焊接熔核被冷却并且再凝固时的上述阶段4期间使用。

图1和图2说明在多阶段点焊方法之后准备对铝基工件进行补充冷却的焊接设备和工件的设置的示例性实施例。此类电阻点焊实践可通过焊枪18在工件层叠结构10上执行，焊枪18被机械地且电气地配置成根据编程的焊接计划来执行点焊实践。工件层叠结构10至少包括钢工件12和铝基工件14。例如，如图1至图2在此所示，工件层叠结构10可仅包括钢工件12和铝基工件14。当然，尽管未在此进行描绘，但其他金属工件也可被包括在层叠结构10中，诸如附加的钢工件或附加的铝基工件。术语“工件”及其钢和铝基的变型在本发明中广泛地使用，用来指板材金属层、铸件、挤压件或可电阻点焊的任何其他物件，如果存在的话还包括任何表面层或涂层。

钢工件12可以为涂覆的钢或未涂覆的钢。此类工件包括镀锌(涂覆锌的)低碳钢、低碳裸钢、镀锌的先进高强度钢(AHSS)以及热冲压硼钢。可在钢工件12中使用的一些特定类型的钢为无间隙源自(IF)钢、双相(DP)钢、相变诱导塑性(TRIP)钢、高强度低合金(HSLA)钢以及加压硬化钢(PHS)。关于铝基工件14，其可以为涂覆有的铝或铝合金或未涂敷的铝或铝合金。铝合金包含85wt.％或更多的铝(诸如，5XXX、6XXX和7XXX系列的铝合金)，并且可用于各种调和物中。可采用的几种类型的铝合金包括铝-镁合金、铝-硅合金、铝-镁-硅合金或铝-锌合金，如果需要，这些合金中的任何合金均可涂覆有锌或转化涂层，以改进粘结结合性能。可用于铝基工件14的一些特定的铝合金为AA5754铝-镁合金和AA5182铝-镁合金、AA6111铝-镁-硅合金和AA6022铝-镁-硅合金以及AA7003铝-锌合金和7055铝-锌合金。

钢工件12和铝基工件14以重叠的方式组装，用于通过焊枪18在预定的焊接部位16(图2)处进行电阻点焊。当被层叠用于点焊时，钢工件12包括搭接表面20和外表面22。同样，铝基工件14包括搭接表面24和外表面26。两个工件12、14的搭接表面20、24重叠并且彼此接触，以在焊接部位16处提供搭接界面28。如本文所用，搭接界面28包括在工件12、14的搭接表面20、24之间直接接触的实例，以及非直接接触的实例，在非直接接触的实例中，搭接表面20、24并未触及但彼此足够接近(诸如，当存在粘合剂、密封剂或某些其他中间材料的薄层时)，以使电阻点焊仍能实践。另一方面，钢工件12和铝合金工件14的外表面22、26通常在相反的方向上彼此远离。钢工件12和铝基工件14中的每个至少在焊接部位16处优选地具有范围从大约0.3mm至大约6.0mm，并且优选地从大约0.5mm至大约3.0mm的厚度120、140。工件12、14的厚度120、140可以是相同的，但并非必须相同。

焊枪18在图1中示意地示出，并且为制造环境内的更大的自动焊接操作的一部分。焊枪18可安装在例如机器人上，机器人定位在传送器或其他运输装置附近，传送器或其他输送装置被设立用来将工件层叠结构10(以及与它相似和与它不相似的其他物件)输送到焊枪18。一旦被输送，机器人就可被构造成沿工件层叠结构10移动移动焊枪18，使得一连串焊点可在许多不同的焊接部位16处快速形成。焊枪18也可以为固定的台座式焊枪，其中工件层叠结构10相对于焊枪18被操纵和移动，以能够使多个焊点在围绕层叠结构10的不同焊接部位16处形成。当然，焊枪18意味着表示在此未具体提及或描述的其他类型和布置的焊枪，只要它们能够根据规定的多步骤点焊方法和应用于铝工件外表面的补充冷却方法来点焊工件层叠结构10。

焊枪18包括第一枪臂30和第二枪臂32，它们被机械地和电气地配置成根据所限定的焊接计划重复地形成焊点。第一枪臂30具有保持第一点焊电极36的第一电极保持器34，并且第二枪臂32具有保持第二点焊电极40的第二电极保持器38。第一点焊电极36和第二点焊电极40各自优选地由导电材料诸如铜合金形成。一个具体示例为锆铜合金(ZrCu)，其包含大约0.10wt.％至大约0.20wt.％的锆和余量铜。满足该组成组分并且被定名为C15000的铜合金是优选的。也可采用具备合适的机械和导电属性的其他铜合金组分。

第一点焊电极36包括第一焊接面42，并且第二点焊电极40包括第二焊接面44。第一点焊电极36和第二点焊电极340的焊接面42、44为电极36、40的一部分，该部分在点焊事件期间压靠工件层叠结构10的相反侧面并且压印到其中，在此，相反侧面为工件12、14的外表面22、26。可为每个点焊电极36、40实现宽广范围的电极焊接面设计。焊接面42、44中的每个可以为是平坦的或圆顶形的，并且可进一步包括如在例如美国专利6,861,609、8,222,560、8,274,010、8,436,269和8,525,066以及美国专利公开No.2009/0255908中描述的表面特征(例如，表面粗糙度、环形特征、平台等)。使用水来冷却电极36、40的机构通常也结合到枪臂30、32和电极保持器34、38中，以管理点焊电极36、40的温度。

第一点焊电极36和第二点焊电极40可共用相同的总体配置或使用不同的总体配置。例如，每个点焊电极36、40的焊接面42、44可具有在5mm至20mm之间，或者更窄地在8mm至12mm之间的直径，以及在5mm和平面之间，或者更窄地在20mm和50mm之间的曲率半径。每个焊接面42、44可进一步包括一系列径向隔开的环形脊部，这些环形脊部从焊接面42、44的基础表面向外突出。此类电极焊接面设计当被按压成与抵靠铝基工件接触时是相当有用的，因为环形脊部用于拉伸和破坏铝基工件上的一层或多层表面氧化层，以在电极/工件接合处建立更好的电气和机械接触。主要由于曲率半径，相同的电极焊接面设计在被按压成抵靠钢工件接触时也能够有效地起作用。环形脊部对通过钢工件的电流的整流具有极小的影响，并且实际上通过与在点焊期间压靠钢工件相关联的应力而快速地变形。在其他实施例中，本领域技术人员已知的常规的钢点焊电极和铝基点焊电极可分别用作第一点焊电极36和第二点焊电极40，包括球形头部点焊电极、圆顶形点焊电极和平面点焊电极。

焊枪臂30、32在点焊期间是可操作的，以使点焊电极36、40的焊接面42、44压靠工件层叠结构10的相反侧面。在此，如图1至图2所示，工件层叠结构10的相反侧面为重叠的钢工件12和铝基工件14的相反朝向的外表面22、26。例如，在该所说明的实施例中，第一枪臂30和第二枪臂32具有近似正交的纵向轴线，并且第一枪臂30可通过致动器46诸如空气气缸或伺服马达沿第一枪臂30的纵向轴线朝向第二枪臂32移动。如果致动器46为空气气缸，则致动器控制件48可使压缩空气输送到致动器46，或者如果致动器46为伺服马达，则致动器控制件48可使电流/电压输送到致动器46，以使得第一枪臂30按预期移动，从而使焊接面42、44压靠工件层叠结构10的相反侧面(表面22、26)，并且施加期望的夹持力。第一焊接面42和第二焊接面44通常在焊接部位16处彼此直径对齐地压靠它们相应的外表面22、26。

焊枪18还被配置成当电极36、40的焊接面42、44压靠层叠结构10的相反侧面时，使电流在第一点焊电极36和第二点焊电极40之间传递，并且在焊接部位16处通过工件层叠结构10。电流可从可控电源50输送到焊枪18。电源50优选地为与点焊电极36、40电连通的中频DC(MFDC)电源。MFDC电源通常包括变压器和整流器。变压器将输入AC电压(通常大约1000Hz)“降压”，以产生较低电压、较高安培的AC电流，然后该AC电流被供给到整流器，其中一组半导体二极管将供应的AC电流转换成DC电流。此类电源部件可从多个供应商商购获得，这些供应商包括ARO焊接技术(美国总部在密西根州切斯特菲尔德镇)和博士力士乐(美国总部在北卡罗来纳州夏洛特市)。

焊接控制器52根据编程的焊接计划控制电源50。与致动器控制件48协作(通过未示出的装置)的焊接控制器52与电源50连接，并且设定在点焊电极36、30之间传递的电流的施加电流电平、持续时间和电流类型(恒定的、脉冲的等)，以便实施多级点焊方法。具体而言，焊接控制器52命令电源50输送电流，使得多阶段点焊方法中要求的焊接接头发展的各阶段得以实现。如上所述，多阶段点焊方法的阶段包括(1)焊接熔池增长阶段，(2)焊接熔池凝固阶段，(3)焊接熔核再熔化阶段，(4)再熔化的焊接熔核凝固阶段，以及可选的，(5)金属排除阶段，这些阶段中的每个均将在下文进行更详细地描述。

现在参考图3至图7，其以总体示意性的方式说明了多阶段点焊方法，该方法包括其焊接接头发展以及铝工件的外部冷却的各阶段。首先，工件层叠结构10位于第一点焊电极36和第二点焊电极40之间，使得大致圆形的焊接部位16与相反的焊接面42、44大致直径对齐。正如当枪臂30、32(图1)为固定台座式焊接器的一部分时的情况中常常出现的那样，可将工件层叠结构10带至这样的位置，或者枪臂30、32可通过机器人移动，以相对于焊接部位16定位电极36、40。一旦层叠结构10适当地定位，第一枪臂30和第二枪臂32就相对于彼此靠拢，以使第一焊接电极36和第二焊接电极40的焊接面42、44在焊接部位16处接触并且压靠层叠结构10的相反侧面，在该实施例中，相反侧面为钢工件12和铝基工件14的相反朝向的外表面22、26，如图3所示。一旦在压力下与工件层叠结构10接触，第一焊接面42和第二焊接面44就压印到层叠结构10的它们相应的相反侧面中。由相反的焊接面42、44产生的所得压痕在此被称为第一接触印迹54和第二接触印迹56。

一旦点焊电极36、40在焊接部位16处压靠工件层叠结构10，就开始焊接熔池增长阶段。在焊接熔池增长阶段期间，焊接熔池58在铝基工件14内被引发并增长，如在图3中所示意性地描绘。焊接熔池58从工件12、14的搭接界面28延伸到铝基工件14中。并且其主要由来自铝基工件14的熔化的铝基材料构成，因为钢工件12在焊接部位16处加热到相对高的温度，但通常并不熔化。焊接熔池58渗透一定的距离到铝基工件14中，该距离的范围为从铝基工件14在焊接部位16处的厚度140的20％至100％(即，一直穿过铝基工件14)。由于工件层叠结构10上的第二接触印迹56的压痕，所以铝基工件14在焊接部位16处的厚度140通常小于在焊接部位16之外的厚度。因此，焊接熔池58与搭接界面28相邻的部分润湿钢工件12的搭接表面20。

通过使电流在点焊电极36、40之间传递并且通过工件12、14且穿过它们的搭接界面28至第一时间段，焊接熔池58被引发和增长。针对通过工件12、14并且穿过搭接界面28的电流流动的电阻产生热量，并且开始比铝基工件14更迅速地加热钢工件12。所产生的热量迅速地(在毫秒内)引发焊接熔池58，并且然后继续使焊接熔池58增长至其期望尺寸。实际上，在电流流动开始时，当时第二接触印迹56面积最小但电流密度最高，焊接熔池58被迅速引发并且快速增长并渗透到铝基工件14中。由于通过第二焊接电极40的焊接面44形成的第二接触印迹56在电流流动的过程中面积增大，所以电流密度减小，并且焊接熔池58更多地在搭接界面28附近横向增长。

当实施焊接熔池增长阶段时，所施加的电流的电平和第一时间段的持续时间取决于若干因素。影响电流电平和持续时间的主要因素为钢工件12和铝基工件14在焊接部位16处的厚度120、140以及工件12、14的确切组分。但是在一些情况下，在焊接熔池增长阶段期间传递的电流为恒定的直流电流(DC)，该直流电流具有在4kA至40kA之间的电流电平，并且电流流动的持续时间在50ms至500ms之间。另选地，电流可以为脉冲电流，其中在第一时间段的过程中，传递的电流为多个电流脉冲。电流脉冲中的每个可持续10ms至200ms，并且具有在10kA至50kA之间的峰值电流电平，其中零电流流动的时间段在脉冲之间持续1ms至100ms，优选地在5ms至50ms之间。当然可采用第一时间段的其他电流电平和持续时间，并且实际上，本领域技术人员将会知道和理解如何相应地调节这些参数，以便满足焊接熔池增长阶段。

在焊接熔池已被引发并且增长之后，实施焊接熔池凝固阶段。在焊接熔池凝固阶段期间，允许焊接熔池冷却并且凝固成形成焊接接头62的全部或一部分的焊接熔核60，如图4所说明。在该焊接熔池凝固阶段中，通常无需铝工件14的外表面的外部冷却。通过管理焊接电流流动，可以两种方式之一在第二时间段期间实现焊接熔池58的冷却和凝固。第一，可中止电流在第一点焊电极36和第二点焊电极40之间的传递。以及第二，如果不期望完全停中止电流流动，则电流可以不能维持焊接熔池58的熔化状态降低电平在第一点焊电极36和第二点焊电极40之间传递，从而允许焊接熔池58冷却并凝固，但是以比完全中止电流流动较低的速率。此外，与之前相似，第二时间段的持续时间和降低的电流电平(其允许凝固发生)可根据工件12、14在焊接部位16处的厚度120、140和工件12、14的实际组分而变化。传递低于5kA的电流或者中止电流至20ms与1000ms之间，并且优选地在50ms与250ms之间通常足以将焊接熔池58凝固成焊接熔核60。

焊接熔核60从搭接界面28延伸到铝基工件14中一定距离至渗透深度64。焊接熔核60的渗透深度64的范围可以为铝基工件14在焊接部位16处的厚度140的20％至100％(即，一直穿过铝基工件14)。如之前，由于工件层叠结构10上的第二接触印迹56的压痕，所以铝基工件14在焊接部位16处的厚度140通常小于在焊接部位16之外的厚度。此外，焊接熔核60限定如图7所示的焊接结合区域66，焊接结合区域66为借助于中间的金属间Fe-Al反应层与钢工件12的搭接表面20相邻并且接合到搭接表面20的焊接熔核60的表面区域。如以mm²为单位记录的那样，焊接结合区域66优选地至少为4(π)(t)，其中“t”为在第二印迹56产生之前铝基工件14在焊接部位16处的以毫米为单位的厚度140。换言之，当计算优选的4(π)(t)焊接结合区域时，铝基工件14的厚度“t”为在第二焊接电极40的焊接面44的压痕之前测量的工件14的原始厚度。通过管理在焊接熔池增长阶段增长的焊接熔池58的尺寸，焊接结合区域66可根据需要进行变化。

焊接熔核60可包括在焊接结合区域66内的搭接界面28处以及沿搭接界面28分散的焊接缺陷。这些缺陷(其可包括气孔、收缩孔隙、微裂纹以及表面氧化物残留)被认为是在焊接熔池58的凝固期间朝向搭接界面28蔓延，其中它们趋于使焊接接头62的强度特别是剥离强度变弱，如先前所解释的那样。除焊接熔核60以外，焊接接头62还可包括在刚工件12上并且与搭接界面28相邻的Fe-Al金属间化合物的一层或多层薄反应层(未示出)，如先前所指示。这些层主要由于焊接熔池58与钢工件12之间的在点焊温度下的反应而产生。所述一层或多层Fe-Al金属间化合物可包括FeAl₃、Fe₂Al₅以及其他金属间化合物，并且它们的组合厚度的范围通常在1μm至10μm之间。Fe-Al金属间化合物的硬脆性质也被认为会对整体焊接接头62的强度造成负面影响，特别是当组合的金属间化合物层的总厚度超过10μm时。

在焊接接头62已经建立之后，执行焊接熔核再熔化阶段。如在图5中所描绘，在焊接熔核再熔化阶段期间，焊接熔核60的至少一部分68再熔化。焊接熔核60的再熔化部分68优选地包括在焊接熔池凝固阶段建立的焊接结合区域66的至少一部分。通常，再熔化部分68并非一直延伸到焊接熔核60的渗透深度64。再熔化部分68发生较浅渗透，因为在焊接熔核再熔化阶段时，第二点焊电极40的焊接面44已进一步压到工件层叠结构10中，并且第二接触印迹56的尺寸相应增加，从而意味着电流在更宽的区域内在点焊电极36、40之间传递，这具有以下效果，即在较少渗透到铝基工件14中的情况下促进与搭接表面28更接近处的再熔化。此外，焊接熔核60的再熔化部分68可完全限制在焊接结合区域66内，或者其可包含整个焊接结合区域66，并且与来自焊接结合区域66之外且与焊接结合区域66相邻的铝基工件14的新近熔化材料实际结合，以建立扩大的焊接结合区域70(图7)。如果被创建，则扩大的焊接结合区域70的面积可比再熔化之前的焊接熔核60的焊接结合区域66大多达50％。

通过在焊接熔池凝固阶段之后，使电流在点焊电极36、40之间传递并且通过工件12、14至第三时间段，焊接熔核60至少部分地再熔化。因为第二点焊电极40的焊接面44被进一步压印到工件层叠结构10中，并且由于焊接接头62比工件12、14的不同的、未接合的搭接表面20、24更加导电，搭接界面28不易于在焊接部位16内产生热量，所以电流传递在此通常以比在焊接熔池增长阶段中的电平更高的电平(均方根电流)来完成。再次，所施加的电流的电平和第三时间段的持续时间取决于钢工件12和铝基工件14在焊接部位16处的厚度120、140以及工件12、14的确切组分。但在一些情况下，在焊接熔核再熔化阶段期间传递的电流可以为恒定的直流电流(DC)，直流电流具有在10kA至50kA之间的电流电平，并且电流流动的持续时间可以在100ms至2000ms之间。电流还可进行脉冲调制以产生类似的均方根电平。

在焊接熔核再熔化阶段期间输送的电流优选地为电流脉冲的形式，电流脉冲在第三时间段过程期间的施加的电流电平可增加或者可以不增加。与之前相似，当进行脉冲调制时，传递的电流为在第三时间段期间输送的多个电流脉冲。每个电流脉冲可持续10ms至200ms，并且具有例如在15kA至50kA之间的峰值电流电平，其中零电流流动的时间段在脉冲之前持续例如从1ms至100ms，并且优选地为5ms至50ms。当电流脉冲的至少75％，并且优选地100％达到大于紧接前一个电流脉冲的峰值电流电平的峰值电流电平时，电流脉冲可以被说成使施加的电流电平增加。可出于几种原因在焊接熔核再熔化阶段中实践使用电流脉冲。最值得注意的是，电流脉冲的使用通过保持电极/工件冷却来帮助防止焊接熔核60的再熔化部分68的过度渗透，保持电极/工件冷却还具有维持第二焊接电极40的操作寿命的益处。

焊接熔核60的再熔化被认为正面影响被投入使用的最终形成的焊接接头62的强度，包括剥离强度。在不受理论束缚的情况下，可认为再熔化搭接界面28处的焊接熔核60尤其是焊接结合区域66使在焊接熔池58凝固期间驱除到搭接界面28并且沿搭接界面28驱除的各种焊接缺陷即孔隙、裂纹以及氧化物残余物重新分布并且破坏，从而提高了焊接熔核60与钢工件12的搭接表面20结合的能力。例如，再熔化部分68的创建被认为整合了靠近焊接熔核62的中心夹带的气孔，并且可从再熔化部分68释放一些气体，而焊接熔核60在再熔化期间的热膨胀和热收缩被认为将可存在于焊接结合区域66或其附近的残余氧化物和微裂纹打碎并分散。

在焊接熔核再熔化阶段之后，执行再熔化的焊接熔核凝固阶段。在该焊接熔核再凝固状态中，在点焊部位处或围绕点焊部位的铝基工件的外表面处执行补充冷却。图5、图6A和图6B示意性地说明了用于补充冷却的装置和实践。根据电阻点焊电流流动程序，在焊接电流流动停止之后(或者甚至在其之前)就使用这种补充冷却。维持点焊电极的压力，并且如果点焊电极为水冷却的，则还利用它们在工件上的冷却效果。

在再熔化的焊接熔池凝固阶段期间，允许焊接熔核60的再熔化部分68(以及原始焊接结合区域66之外的铝基工件14的任何新熔化的材料)冷却并凝固，如图6A所示，其中优选地第一点焊电极36的第二点焊电极40的表面42、44仍然在接触印迹54、56中压靠工件层叠结构10。由再熔化部分68得到的焊接熔核60的再凝固部分72在此被描绘为焊接熔核60的不同部分，但在实际实践中，再凝固部分72可不容易与未经历再熔化和再凝固的焊接熔核60的一个部分或多个部分(如果存在)进行区分。并且，如上所述，与由于焊接熔核再熔化阶段与补充冷却应用的结合而另外存在的焊接缺陷相比，焊接熔核60的再凝固部分72被认为在搭接界面28处或其附近包含较少的焊接缺陷，如将参照图5、图6A和图6B所描述。

在第一点焊电极36和第二点焊电极40的启动之前或期间，用于输送冷却空气的一组管80以圆形型式围绕焊接电极40定位，焊接电极40仍然在焊接部位16处压靠铝基工件14的上表面26。图5和图6A说明了两个此类管80。每个管具有上进口端82，用于接收冷却铝基工件表面26的冷却空气、氮气或其他所选择的气体流。并且，每个管具有下出口端84，用于对着环绕焊接部位16的圆形区域中的表面26引导并输送冷却气体流。如图所说明，可将管80支撑在倾斜位置中，以便在待冷却的铝基工件14的表面区域中引导冷却气体。例如，可将一组气体输送管80(例如，三个或四个管)支撑在半圆形托架或框架(未说明)上，并且一对这样的多管冷却空气输送组件以圆形布置围绕电阻焊接电极40放置，其中管80的出口端84经引导对着铝基工件14的表面26输送冷却气体。在焊接程序开始时，当时电阻焊接电极36、40最初压靠工件12、14的表面54、56，可围绕电阻焊接电极40放置被支撑的冷却管或其他冷却装置的这种布置。但是，冷却装置应不迟于液态焊接熔池形成68的最后步骤期间处于围绕焊接电极40的适当位置中，如图5所示。其他气体流动冷却装置也是可能的，诸如环绕电极体并且通过孔引导冷却气体朝向铝基工件14的表面26的圆形管或歧管。

在该冷却实施例中，如图5和图6A所说明，利用用于输送冷却空气或其他气体的管80，提供了具有气体输送路线的冷却气体或流体的合适来源(未说明)，气体输送路线被提供用来将冷却剂输送到歧管或其他装置，以将冷却气体引导到管80中的每个的进口82。随着点焊程序中液态焊接熔核(例如，图5中的液态熔核68)形成的完成，小焊接液池68的快速且有效的再凝固得以实现。

停止电极36、40中的焊接电流，并且如果它们是例如水冷却的，则电阻点焊电极有助于液态焊接熔核的冷却。而且周围空气有助于再凝固过程。但是在所讨论的方法的该实施例中，可冷却到周围温度以下的受控体积的冷却气体或流体在流86中以预定温度或温度范围从管80的出口被输送，并且对着铝工件外表面26的环绕接触印迹56的部分被引导，接触印迹56与焊接电极40的面44接触。该冷却气体的体积流速必须足以改变焊池的凝固方向，并且优选地，大于10cm³/s，并且更优选地，大于50cm³/s。通过试验或经验，将获得针对冷却气体的合适的体积流速，而且流速的进一步增加并不显著改善点焊的属性。

管理该冷却过程，以引导液态熔核68(图5)中的顺序凝固前沿，使得熔化物中的杂质(难熔含铝氧化物、金属间Al-Fe化合物等)径向向内和向下地限制在焊接部位16的表面24处。冷却过程的目标为将此类杂质限制在中心，从而使它们在凝固熔核72的相对小的区域74(图6A所示)中靠着搭接的钢工件表面28。冷却气体流86用于沿钢搭接表面在径向向内的方向上更快速地增加液态熔核的凝固，同时以相同的速率保持从铝表面26朝向钢搭接表面28的向下凝固。这种在径向方向上的增强凝固将朝向焊接熔核72的中心(例如，区域74)驱除杂质和缺陷。

图6B说明了用于产生精细凝固的焊接熔核74的不同圆形冷却装置90。在冷却装置90中，在液态或气态冷却材料容纳在导热金属管92中并且在其中循环，导热金属管92反过来与成形容器表面94良好地传热接触。容器表面94形成有充足的传热表面，用于围绕(但不接触)电阻焊接电极40并且靠着铝工件14外表面26放置。可向和从装置90输送冷却剂。而且，如上所述，使用冷却气体输送系统，冷却装置90被操作用来精修液态焊接熔核68的凝固。

在多级点焊方法已经导致焊接接头62包括具有再凝固部分72的焊接熔核60的形成之后，第一点焊电极36和第二点焊电极40从它们相应的接触印迹54、56缩回。然后，相对于焊枪18，将工件层叠结构10和相关冷却系统(例如，管80、装置90)连续地定位在其他焊接部位16处，并且在那些部位16处重复多级点焊过程，或者移动工件层叠结构10远离焊枪18，以为另一个层叠结构让路。因此，在制造环境中，可在相同的工件层叠结构以及不同的工件层叠结构上的不同焊接部位处多次实施上述多级点焊方法，以成功地、一致地并且可靠地在钢工件与铝基工件之间形成焊接接头。

优选的示例性实施例和具体示例的以上描述实质上仅是描述性；它们并非旨在限制随附权利要求的范围。除非另外地在本说明书中具体且明确地规定，否则所附权利要求中的术语中的每个应被赋予其普通和习惯的含义。

Claims

1.一种电阻点焊方法，所述方法包括：

提供工件层叠结构，其包括铝基工件和钢工件，所述铝基工件具有搭接表面并且所述钢工件具有搭接表面，所述铝基工件和所述钢工件的搭接表面重叠并接触以提供在工件之间的搭接界面，所述铝基工件和所述钢工件每一个还具有相反侧面；

使所述铝基工件的所述相反侧面与点焊电极接触，并且使所述钢工件的所述相反侧面与另一点焊电极接触，从而在点焊部位处使所述点焊电极对准；

控制所述点焊电极之间的并且通过所述铝基工件和所述钢工件的电流的传递，以使焊接熔池在所述铝基工件中增长，所述焊接熔池从所述搭接界面延伸到所述铝基工件中；以及

围绕着与所述铝基工件的相反侧面接触的所述点焊电极从外部冷却所述铝基工件以快速地向内驱动所述焊接熔池的凝固并产生焊接熔核，所述焊接熔核包括接合到所述钢工件的所述搭接表面的焊接结合区域，所述冷却经控制以减小所述点焊部位处的所述铝基工件中的残余应力。

2.根据权利要求1所述的方法，其中在所述铝基工件中形成圆形焊接熔池，所述焊接熔池在所述搭接界面处具有半径尺寸和周长尺寸，并且当所述熔池延伸到所述铝基工件时，所述焊接熔池的半径尺寸和周长尺寸减小，并且围绕所述焊接熔池从外部对所述铝基工件的冷却引起朝向所述焊接熔核的中心部分置换不同于所述铝基组分的固体材料。

3.根据权利要求1所述的方法，其中冷却气体流被引导在环绕与所述点焊电极接触的所述铝基工件的区域的所述铝基工件的所述相反侧面处。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述冷却气体流在对着所述铝基工件的所述相反侧面流动时其温度为15℃至0℃。

5.根据权利要求3所述的方法，其中所述冷却气体流的流速大于10cm³/s。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述冷却气体流的流速大于50cm³/s。

7.根据权利要求1所述的方法，其中热交换器的表面经放置与环绕与所述点焊电极接触的所述铝基工件的区域的所述铝基工件的所述相反侧面接触。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述热交换器的所述表面的温度为15℃至0℃。

9.一种电阻点焊方法，所述方法包括：

控制所述点焊电极之间的并且通过所述铝基工件和所述钢工件的电流的传递，以(1)使从所述搭接界面延伸到所述铝基工件中的焊接熔池在所述铝基工件中增长，(2)凝固所述焊接熔池以形成焊接熔核，(3)再熔化所述焊接熔核的至少一部分，以及(4)再凝固所述焊接熔核的被再熔化的部分；以及

在所述焊接熔核的被再熔化的部分再凝固的同时，围绕接触所述铝基工件的所述相反侧面的所述点焊电极从外部冷却所述铝基工件。

10.根据权利要求9所述的方法，其中冷却气体流被引导在环绕与所述点焊电极接触的所述铝基工件的区域的所述铝基工件的所述相反侧面处。