CN107262901A - 在焊接结合中排出有机材料的焊接电极设计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了在焊接结合中排出有机材料的焊接电极设计，特别公开了一种径向开槽的焊接电极，其可与伴随的第二焊接电极结合使用，以在包括钢工件和重叠相邻的铝工件的工件叠层组件上进行电阻点焊，特别是当中间有机材料层设置在钢工件和铝工件的工件贴合表面之间时。径向开槽的焊接电极包括焊接面，所述焊接面具有中心直立平台和围绕中心直立平台并且包括多个周向间隔的梯形焊接面部分的凸形圆顶部分，梯形焊接面部分包括横向直立的弧形脊部。中心直立平台和凸形圆顶部分的梯形焊接面部分一起限定围绕中心平台的环形通道和与中心通道连通并从中心通道向外延伸的多个径向槽。

Description

在焊接结合中排出有机材料的焊接电极设计

相关申请的交叉引用

本申请要求于2016年3月30日提交的美国临时申请No.62/315,055的权益。上述临时申请的全部内容通过以其整体引用并入本文。

技术领域

本公开总体上涉及使用径向开槽的焊接电极以及这种电极与对置的焊接电极组合使用以在包括钢工件和重叠并且相邻的铝工件的工件叠层组件上进行电阻点焊。当在工件叠层组件的铝工件和钢工件之间存在中间有机材料层时，径向开槽的焊接电极是特别有用的。

背景技术

将钢工件接合到较轻质的铝工件（非合金铝或具有85％重量百分比或更多铝的铝合金）在许多制造品中提供重量减轻同时保持适当的强度。该实践诸如像在尤其是结构框架构件（例如，车身侧面和横向构件）和车辆关闭构件（例如车门、引擎盖、后备箱盖和升降门）的制造中提供了许多减轻重量的机会。许多这样的汽车组件构件具有内板和外板，该内板和外板互补地成形以提供更坚固更多刚性的结构以及包围窗户、闭合构件、绝缘体、电线等。钢工件和铝工件通常成形为具有类似形状的外周边缘或凸缘，这使得它们能够用沿其外周策略地定位的一系列适当间隔的电阻点焊接合。中间有机材料也可以在板结构的闭合时被施加在待接合的面对的表面之间，以提供进一步的结合强度、消音特性和/或一些其它属性。

在电阻点焊的形成中，钢工件和铝工件在要形成点焊的每个位置处利用接合的贴合表面以面对面接触的方式被堆叠并固定在一起。被以共线面对置的方式布置抵靠在其相应的工件叠层组件的外表面上的两个焊接电极，然后通过重叠和相邻的钢工件和铝工件传送电流。通过的电流瞬间在铝工件内形成熔融焊池，熔融焊池又会使钢工件的相邻的贴合表面润湿。钢工件不熔化并有助于熔融焊池。在短时段的电流流动（通常不长于一秒或两秒）之后，电焊接电流在对置的电极仍然压靠在其相应的工件叠层外表面上的情况下终止。钢工件和铝工件在周围环境中冷却（尽管两种材料的热导率的差异导致热量从焊接位置通过工件不同地散布）并且熔融焊池在铝工件中固化以形成结合到钢工件的焊接接头。焊接接头包括焊接熔核以及通常包括在焊接熔核和钢工件之间脆性金属间层。金属间层可以包括各种Fe-Al金属间化合物。

然而，实际上，将钢工件点焊到铝工件是具有挑战性的，原因是这两种金属的许多特性可能不利地影响焊接接头的强度，最显著的是剥离强度和横向拉伸强度。关于异种金属的性质，铝具有相对低的熔点（〜600℃）和相对低的电阻率和热阻率，而钢具有相对高的熔点（〜1500℃）和相对高的电阻率和热阻率。由于这些物理差异，在电流流动期间在钢工件内产生大部分热量，使得在钢工件和铝工件之间存在热量不平衡。在电流流动期间产生的热量不平衡和铝工件的高热导率的组合意味着在电流停止之后立即发生热量不从焊接部位对称地散布的情况。相反，热量从较热的钢工件通过铝工件朝向铝工件另一侧上的点焊电极传导，这在该方向产生急剧变化的热梯度。

确信在钢工件和铝工件另一侧上的点焊电极之间的急剧变化的热梯度的形成以若干方式弱化所产生的焊接接头。第一，由于在电流的流动已停止之后钢工件保存热量长于铝工件，所以在电流流动期间形成的熔融铝焊池定向固化：从最接近紧接铝工件的较冷点焊电极（常常水冷却）的区域开始且朝向贴合界面传播。此类固化前沿趋向于在焊接接头（其中已存在残留氧化物膜和/或复合物残留物膜）内朝向贴合界面以及沿着贴合界面清除或驱赶缺陷，诸如气孔、收缩空隙和微裂纹。第二，钢工件中所维持的升高温度促进硬的并脆性的Fe-Al金属间层在贴合界面处以及沿着其生长。使焊接缺陷分散以及使Fe-Al金属间层沿着贴合界面的过度生长趋向于减小焊接接头的剥离和横向拉伸强度。

趋向于使钢工件和铝工件的电阻点焊复杂化的挑战扩大超出了它们的材料相异性质。在一些情况下，每个钢工件和铝工件可以包括成分与其下面的底部基板不同的施加的或天然的表面涂层。铝工件例如可以包含耐熔的表面氧化物层。该氧化物层通常由氧化铝化合物组成，但是当铝工件包含含镁铝合金时，也可以存在其它氧化物化合物，诸如像氧化镁化合物。存在于铝工件上的氧化物层是电绝缘的并且机械坚硬的。结果，包括表面氧化物层的残留物的残留氧化物膜趋向于在钢工件的贴合表面处及其旁边保持完整，在那里其会阻碍熔融铝焊池湿润钢工件的能力。

当在焊接部位处在铝工件和钢工件的贴合表面之间存在中间有机材料层（诸如未固化的可热固化的粘合剂层）时，归因于铝工件的耐熔表面氧化物层的复杂性可能被放大。未固化但可热固化的粘合剂层可以设置在堆叠的工件的贴合表面之间，以在工件之间提供进一步的结合。在通过焊接电极施加的有力的压力将工件夹持在一起时，并且在交换电流之前，一些粘合剂被横向挤压出焊接区。然后剩余的粘合剂在电流流动期间在焊接接头的位置处分解。在点焊操作完成后，例如在ELPO烤漆炉（ELPO是指电泳灌注操作）中加热焊接的工件的含有粘合剂的区域。所施加的加热固化粘合剂层以在已经实施点焊的部位周围的金属工件的面对的贴合表面之间获得坚固的支撑粘合。

中间有机材料层具有与耐熔表面氧化物层相互作用以在点焊温度下形成更有粘着力的材料的趋势。可以肯定，由中间有机材料层（例如碳灰，填料颗粒（例如二氧化硅，橡胶等）和其它衍生物材料）的分解得到的热残留物被认为与残留氧化物膜结合从而形成复合物残留物膜，其与单独的残留氧化物膜相比，在电流流动期间更能抵抗机械分解和扩散。与钢工件和铝工件之间不存在有机材料层的情况相比，形成更坚硬的复合物残留物膜导致该膜的碎片在钢工件的贴合表面上以及沿着和沿着钢工件的贴合表面以大得多的破坏性的方式分组和编制地保持。具体地，确信复合物残留物膜阻止铁扩散到熔融铝焊池中，这可能导致硬的且脆性的Fe-Al金属间层的过度增厚，并从而削弱了焊接接头。此外，在有机材料分解过程中产生的任何气体都可能被捕获在熔融金属池中，并且可能最终导致固化的焊接接头内的空隙或气孔。另外，复合物残留物膜可以沿着焊接接头和钢工件的结合界面提供准备好的裂纹路径，这又会削弱焊接接头。

鉴于上述挑战，先前对点焊钢工件和铝工件的努力已采用了明确提出较高电流、较长焊接时间或两者（与点焊钢与钢相比）的焊接方案，以尝试和获得合理的焊接结合区域。这样的努力在制造设置中非常地不成功，并且具有损坏焊接电极的倾向。鉴于先前的点焊努力并不特别成功，主要替代地使用包括自穿孔铆钉和流动钻螺丝的机械紧固件。然而，与点焊相比，机械紧固件花费更长的时间来放置就位并具有高消耗性成本。它们还给车辆增加了重量（通过点焊实现接合时避免的重量），这抵消了首先通过使用铝工件获得的一些重量节省。点焊的进步（将使得钢工件和铝工件接合更容易，即使有许多挑战）因此将是对现有技术受欢迎的添加。

发明内容

电阻点焊包括铝工件和重叠相邻的钢工件的工件叠层组件的方法的一个实施例可以包括几个步骤。首先，提供具有第一侧和相反的第二侧的工件叠层组件。工件堆叠组件包括铝工件和与铝工件重叠的相邻钢工件，并且还包括设置在重叠的铝工件和钢工件的面对的贴合表面之间的中间有机材料层。另外，在叠层组件内，铝工件紧接叠层组件的第一侧，并且钢工件紧接叠层组件的第二侧。

接下来，在提供工件叠层组件之后，将径向开槽的焊接电极的焊接面压靠在工件叠层组件的第一侧上，并且将第二焊接电极的焊接面再压靠在工件叠层组件的第二侧上。径向开槽的焊接电极的焊接面包括中心直立平台和围绕中心直立平台的凸形圆顶部分，并且凸形圆顶部分包括围绕中心直立平台在基部表面上周向间隔的多个梯形焊接面部分。梯形焊接面部分的每一个包括沿着凸形圆顶部分的基部表面径向间隔开的多个横向直立的弧形脊部。而且，环形通道围绕中心直立平台，并且多个径向槽与环形通道连通并朝向梯形焊接面部分之间的基部表面的外部周边向外延伸。当焊接面压靠在其相应的工件叠层组件的第一侧和第二侧上时，第二焊接电极的焊接面与径向开槽的焊接电极的焊接面面对准。

一旦焊接电极就位，则使电流在径向开槽的焊接电极的焊接面与第二焊接电极的焊接面之间通过，以产生包含在铝工件内的润湿钢工件的贴合表面的熔融焊池。最终，在径向开槽的焊接电极的焊接面和第二焊接电极的焊接面之间的电流的通过被终止，以允许熔融焊池固化成将铝工件和钢工件结合在一起的焊接接头。

可以进一步限定电阻点焊工件叠层组件的前述方法。例如，工件叠层组件的第一侧可以是铝工件的外表面，以及工件叠层组件的第二侧可以是钢工件的外表面。在另一个示例中，除了重叠并彼此相邻的铝工件和钢工件之外，工件叠层组件可以包括另外的铝工件和/或另外的钢工件。

此外，在将径向开槽的焊接电极的焊接面压靠在工件叠层组件的第一侧上期间，中心直立平台的平台表面可以在多个梯形焊接面部分包括的任一横向直立的弧形脊部接触第一侧之前接触叠层组件的第一侧，使得由径向开槽的焊接电极和第二焊接电极的焊接面施加的夹持载荷最初通过中心直立平台传递。在上述方法的另一实施方案中，在电流通过之前只有中心直立平台的平台表面接触工件叠层组件的第一侧。然后，在电流通过期间，围绕中心直立平台的凸形圆顶部分的梯形焊接面部分，以梯形焊接面部分的最内的直立的弧形脊部开始并且继续径向向外朝向梯形焊接面部分的最外的直立的弧形脊部，逐渐地与工件叠层组件的第一侧形成接触。

第二焊接电极的被压靠在工件叠层组件的第二侧上的焊接面可采取多种结构。例如，第二焊接电极的焊接面可以包括凸形的基部焊接面表面和从凸形的基部焊接面表面向外突出的多个直立圆形脊部，使得直立圆形脊部由凸形的基部焊接面表面的中间的圆形部分分开。并且，在一个具体实施方式中，第二焊接电极的焊接面的最内的直立圆形脊部的直径可以小于径向开槽的焊接电极的焊接面的中心直立平台的平台表面的直径。

根据本公开的一个实施例的径向开槽的焊接电极可以包括主体和由主体的一端承载的焊接面。焊接面可以包括具有平台表面的中心直立平台和围绕中心直立平台的凸形圆顶部分。凸形圆顶部分还可以包括基部表面和围绕中心直立平台在基部表面上周向间隔的多个梯形焊接面部分。梯形焊接面部分的每一个可以包括沿着凸形圆顶部分的基部表面径向间隔开的多个横向直立的弧形脊部。更重要的是，多个径向槽可以与围绕中心直立平台的环形通道连通，并且可以朝向凸形圆顶部分的基部表面的外部周边向外延伸。在这方面，多个径向槽中的每一个在两个相邻的梯形焊接面部分之间延伸。

根据前述实施例的径向开槽的焊接电极可具有某些结构设计特征。作为一个示例，梯形焊接面部分的每一个可以包括两个至十个横向直立的弧形脊部，其中每个梯形焊接面部分中的每个横向直立的弧形脊部具有范围为从20μm至400μm的脊高度，并且与每个其相邻的脊部以50μm至1800μm的径向间距分开。此外，作为另一示例，中心直立平台的平台表面可以正向移位超过凸形圆顶部分的周围的基部焊接面表面，使得平台表面升高超过多个梯形焊接面部分的每个的最内的横向直立的弧形脊部。当然可以实施其他结构设计特征。

附图说明

图1是具有中间有机材料层包​​括钢工件的顶部上的铝工件的工件叠层组件的剖面的放大示意性侧视图，其中示出了根据本公开的一个实施例的径向开槽的焊接电极焊接被接合到铝工件，并且示出另一个焊接电极在对置的焊接电极之间的电流开始之前接合到钢工件；

图2是图1所示的径向开槽的焊接电极的焊接面（其与铝工件进行接触）的局部剖视图；

图3是图1-图2所示的径向开槽的焊接电极的焊接面的平面图；

图4是图1所示的焊接电极的焊接面（其与钢工件进行接触）的局部剖视图；

图5是可以用作图1所示的焊接电极的替代物的球凸式焊接电极（其与钢工件进行接触）的透视图；

图6是可以用作图1所示的焊接电极的替代物的具有中心平坦区域的球凸式焊接电极的透视图（其与钢工件接触）；

图7是可以用作图1所示的焊接电极的替代物的截头圆锥式焊接电极（其与钢工件进行接触）的透视图；和

图8是图1所示的工件叠层组件和对置的焊接电极的剖面的放大示意性侧视图，其中焊接电极在通过电流终止之后与其相应的工件处于完全接合。

具体实施方式

本公开涉及焊接电极的设计，其可以与另一个对置的焊接电极结合使用，以在彼此相邻定位在工件叠层组件中的钢工件和铝工件之间进行电阻点焊，特别是当中间有机材料设置在钢工件和铝工件之间时。所公开的焊接电极是被径向开槽的，并且旨在以与紧接钢工件地接合并压靠在工件叠层组件上的另一个焊接电极对置并面对准的方式，紧接铝工件地接合并压靠在工件叠层组件上。径向开槽的焊接电极包括由凸形圆顶的一部分围绕的中心平台，凸形圆顶包括多个周向间隔的梯形焊接面部分，梯形焊接面部分包括彼此径向间隔的横向直立的弧形脊部。中心平台和梯形焊接面部分限定围绕中心平台的环形通道和从环形通道向焊接面的周边向外延伸的多个径向槽。径向开槽的焊接电极的设计有效地在焊接接头形成之前将有机材料横向排出离开钢工件和铝工件之间的焊接区。

现在参考1-8，与使用这些点焊电极16，18的方法一起描述了径向开槽的焊接电极16以及对置的伴随的焊接电极18。在图1的放大示意图中，示出了工件叠层组件80，其包括钢工件片10的一部分和铝工件12的相邻的重叠部分。组装的钢工件和铝工件10，12可以例如分别地是用于机动车辆的铝的外部车身侧板和钢的内部车身侧板的部分。每个板可以预先已经成形。钢工件和铝工件10，12在延伸通过需要接合的点焊位置的贴合界面82处进行间接界面接触。在工件10，12之间经历的间接接触是中间有机材料层14的结果，该中间有机材料层14在点焊之前通过焊接区被广泛地施加在工件10，12之间。工件的所示部分可以例如在叠层组件80的外周处，在该位置沿着外周边缘以间隔开的对准方式形成一系列电阻点焊。

钢工件10包括来自宽泛种类的强度和等级中任一种的钢基板，其被涂覆或未被涂覆。钢基板可以是热轧或冷轧的，并且可以由钢组成，诸如低碳钢、无间隙钢、烘烤硬化钢、高强度低合金（HSLA）钢、双相（DP）钢、复合相（CP）钢、马氏体（MART）钢、转变诱导塑性（TRIP）钢、缠绕诱导塑性（TWIP）钢和诸如当钢工件10包括加压硬化钢（PHS）时的硼钢。如果被涂覆，则钢基板优选包括锌（镀锌）表面层、锌 -铁合金（合金化热镀锌）表面层、锌-镍合金表面层、镍表面层、铝表面层、铝 -镁合金表面层、铝-锌合金表面层或铝-硅合金表面层，其中任何一种表面层可以具有高达50μm的厚度，并且可以存在于钢基板的每一侧上。考虑到钢基板的厚度和可能存在的任何可选的表面层，至少在点焊位置，钢工件10可以具有范围为从0.3mm至6.0mm或更窄地从0.6mm至2.5mm的厚度。

铝工件12包括涂覆或未涂覆的铝基板。铝基板可以由非合金铝或包含至少85％重量百分比的铝的铝合金组成。可以构成涂覆或未涂覆的铝基板的一些著名的铝合金是铝-镁合金、铝-硅合金、铝-镁-硅合金和铝-锌合金。如果被涂覆，则铝基板可以包括由氧化铝化合物和可能的其它氧化物化合物（诸如如果铝基板是铝-镁合金的情况下的氧化镁化合物）组成的耐熔氧化物材料的表面层。铝基板也可以涂覆有锌、锡层或由钛、锆、铬或硅的氧化物组成的金属氧化物转化涂层，如美国专利公开物No. 2014/0360986所描述的。表面层可以具有范围从1nm至10μm的厚度，并且可以存在于铝基板的每一侧上。考虑到铝基板的厚度和可能存在的任何可选表面层，至少在点焊位置，铝工件12可以具有范围从0.3mm至约6.0mm或更窄地从0.5mm至3.0mm的厚度。

铝工件12的铝基板可以以锻造或铸造形式提供。例如，铝基板可以由4xxx，5xxx，6xxx或7xxx系列锻造铝合金板层、挤压、锻冶或其他加工的制品组成。或者，铝基板可以由4xx.x，5xx.x，6xx.x或7xx.x系列铝合金铸件组成。可以构成铝基板的一些更具体种类的铝合金包括但不限于AA5754和AA5182铝-镁合金，AA6111和AA6022铝-镁-硅合金，AA7003和AA7055铝-锌合金以及Al- 10Si- Mg铝压铸合金。如果需要，铝基板还可以用于各种调和中，包括退火（O），应变硬化（H）和固溶热处理（T）。

工件叠层组件80包括紧接铝工件12的第一外表面84和紧接钢工件10的第二外表面86。在此上下文中使用的术语“紧接”意思是实际铝或钢工件10，12的表面，或者叠层组件80中与铝工件或钢工件10，12相同侧的附近工件的表面。例如，当在叠层组件80中仅存在钢工件和铝工件10，12（例如，“2T”叠层）时，此处如图1所示，铝工件12的外工件表面12'提供第一外表面84，并且钢工件10的外工件表面10'提供第二外表面86。然而，在其他实施例中，可以将另外的工件设置在相邻的钢工件和铝工件10，12的一侧或两侧上，只要另外的工件具有与其直接相邻的钢工件或铝工件10，12相同的基体金属类型即可。例如，工件叠层组件80可以包括邻近并覆盖铝工件12的与钢工件10相邻放置的外工件表面12'设置的另外的铝工件，和/或其可以包括邻近并覆盖钢工件10的与铝工件12相邻放置的外工件表面10'设置的另外的钢工件。当存在另一个另外的工件时，叠层组件80的第一和/或第二外表面的84，86可以由另外的工件提供。

除了重叠以形成贴合界面82的相邻的钢工件和铝工件10，12之外工件叠层组件80还可以包括至少一个其它另外的工件的事实，并不改变焊接电极16，18的基本功能或它们对相邻钢工件和铝工件10，12之间形成的点焊的作用。在任一情况下，如下面将进一步说明的，包括包含在铝工件12内的焊接接头的点焊由在点焊电极16，18之间传送的电流形成，并且固化后得到的焊接接头结合到钢工件10的相邻贴合表面。因此，为了简单起见，图1-3所示的工件叠层组件80的整体描述仅利用相邻的钢工件和铝工件10，12说明，原因是在这两个工件10，12之间发生的结合动作实际上是相同的，而无论是否另外的工件紧接工件10，12的一者或两者设置。但是，焊接电极16，18的结构以及它们结合工件叠层组件80的使用也完全适用于仅包括相邻的钢工件和铝工件10，12的组件以及包括另外的一个工件或多个工件的其他组件。

施加在钢工件和铝工件10，12之间的中间有机材料层14可以是通过焊接的粘合剂、密封剂、消音材料或可以通过给定的焊接电极的夹持力和电极之间的电流流量的量和持续时间而进行点焊的任何其它中间材料。例如，中间有机材料14可以是未固化但可热固化的粘合剂。这样的粘合剂可以广泛地设置在钢工件10的贴合表面10"和铝工件12的贴合表面12"之间，使得在点焊之后可以将工件叠层组件80在（ELPO）底涂层烤漆炉或其他装置中加热，以固化粘合剂并在工件10，12之间提供额外的结合。可以并入一个或多个化学个体的合适的粘合剂可以是宽泛的多种可固化聚合物系统中的任何一种，诸如可热固化的环氧化合物和聚亚安酯。实际上，合适的可热固化粘合剂的特定示例是可热固化的环氧树脂，其可以包括诸如二氧化硅颗粒的填料颗粒，以改变用于制造操作的粘合剂的粘度分布或其它性质。多种可热固化的环氧化合物是可商购的，包括DOW Betamate 1486、Henkel Terokal5089和Uniseal 2343。在将焊接电极16，18的夹持力施加到工件叠层80之前，中间有机材料层14通常在工件贴合表面10"，12"之间被施加到0.1mm至2.0mm的厚度。

现在具体参考图1，径向开槽的焊接电极16和对置的伴随的第二焊接电极18被示出为相互面对准地与工件叠层80接合。更具体地，径向开槽的焊接电极16与紧接铝工件12的第一外表面84接合，而对置的第二焊接电极与紧接钢工件10的第二外表面86接合。焊接电极14，16可由任何合适的导热并导电的材料形成。例如，焊接电极14，16可以由具有至少45％IACS的电导率和至少180W / mK的热导率的材料构成。符合该标准的一些材料种类包括铜合金和耐熔基材料（其包含至少35％重量百分比，并且优选至少50％重量百分比的耐熔金属）。合适的铜合金的具体实例包括C15000铜-锆（CuZr）合金、C18200铜-铬（CuCr）合金和C18150铜-铬-锆（CuCrZr）合金，而合适的耐熔基材料可以包括钼或钨颗粒相，诸如钨-铜金属复合物，其包含50％重量百分比至90％重量百分比之间的分散在铜基体（其构成复合材料的平衡物（在50％重量百分比至10％重量百分比之间））中的钨颗粒相。当然，也可以使用此处未明确列出的符合适用的电导率和热导率标准的其他材料。

径向开槽的焊接电极16包括主体20和第一焊接面22，并且同样地，第二焊接电极18包括主体24、第二焊接面26。第一和第二焊接电极16，18的第一和第二焊接面22，26具有对准的中心轴线28，30，中心轴线28，30延伸通过预期焊接区的中心，但不必须通过电极14，16的主体20，24的中心，原因是为了更好的接近性，焊接面22，26的一者或两者可以相对于它们各自的主体20，24倾斜，或者电极16，18可以具有单个弯曲或两个弯曲的结构。每个焊接电极14，16的主体20，24（可以具有12mm至22mm之间的直径，或更优选地在15mm和20mm之间）被机械加工或成形以形成中空内部32，34，用于将焊接电极16，18附接到被配置成在电极16，18之间传送计划的电流的单独的可移动的对置的焊接臂（未示出）。还可以通过每个焊接臂传送冷却剂以将附接的焊接电极16 ，18保持在合适的温度。焊接臂的相应运动被程序化以将两个焊接电极16，18定位在工件叠层组件80的相对侧上，使得焊接面22，26相对于它们的轴线28，30同轴地面对准用于形成电阻点焊。

焊接电极16，18的形状主要在其焊接面22，26的设计上不同。对于第一和第二点焊电极14，16中的每一个，主体20，24的与到中空内部32，34的入口相对的端部过渡到从主体20，24的外径向内形成轮廓的部分36，38。向内形成轮廓的部分36，38优选为截头圆锥或截头球体的形状，并且具有容纳电极16，18的中心焊接面部分的环形表面。如图2-3最好地所示，径向开槽的焊接电极16包括由凸形圆顶42的一部分围绕的中心直立平台40。凸形圆顶部分42具有基部表面44，在一个具体实施例中，基部表面44可以是球体的一部分，该球体具有范围从15mm至300mm或更窄地从20mm至50mm的曲率半径Rq，并且还可以具有延伸穿过基部表面44的在向内形成轮廓的部分34与基部表面44之间的过渡处的外部周边440的直径（即，平面到达范围）。该直径的范围优选地从3mm至20mm或更窄地从4mm至12mm。

凸形圆顶部分42包括多个周向间隔开的梯形焊接面部分46，其包括横向直立的弧形脊部48。每个梯形焊接面部分46内的直立的弧形脊部48从凸形圆顶部分42的基部表面44向外突出并且彼此径向间隔（并且因此被基部表面44的中间的周向延伸部分50分开），同时具有围绕中心直立平台40周向延伸的弧长度。实际上，如在图3中最好地示出，当从最接近中心圆形直立平台40的最内的脊部48'移动到最远离平台40的最外的脊部48"时，每个梯形焊接面部分46内的弧形脊部48的弧长度增大。在径向开槽的焊接电极16的一个具体实施方案中，焊接面22的凸形圆顶部分42可以包括三个至八个梯形焊接面部分46，其优选地包括两个至十个直立的弧形脊部48。另外，该两个至十个横向直立的弧形脊部48的每一个可以具有范围从20μm到400μm或更窄的50μm到300μm的脊高度，在任何位置的范围从1mm到15mm之间的弧长度，以及其相邻脊部48中的每一个之间的范围从50μm到1800μm或者更窄地是从80μm到1500μm的径向间距。尽管这种关系不是强制性的，但是若干梯形焊接面部分48的横向直立的弧形脊部48可以是周向对准的。

中心直立平台40具有位于焊接面26的中心处围绕焊接面22的轴线28的平台表面52。中心直立平台40优选为圆柱形状，并且在平面图中平台表面52优选为圆形，如图3所示，并且可以具有范围从2mm至7mm或更窄地从3mm至5mm的直径。另外，如图2中最好地所示，平台表面52正向移位超过焊接面22的凸形圆顶部分42的围绕的基部表面44距离“d”，距离“d”可以包括从100μm到500μm或更窄地从200μm到300μm的范围，并且在大多数情况下，该距离“d”大于最内脊部48'的脊高度，使得平台表面52轴向延伸超过存在于凸形圆顶部分42上的所有直立的弧形脊部48。而且，就其表面轮廓而言，平台表面52可以是平面的，或者其可以在轮廓上是略微凸形的。当平台表面52是凸形形状时，其可以是球体的一部分，该球体具有大于50mm（诸如像从50mm至400mm）的曲率半径Rp。当曲率半径Rp大于400mm时，平台表面52被认为是平面的。然而，中心直立平台52的平台表面52（与其轮廓无关）优选地比凸形圆顶部分42的基部表面44更平坦。

中心直立平台40和围绕的凸形圆顶部分42的梯形焊接面部分46协作以限定围绕中心平台40的环形通道54和多个径向槽56，多个径向槽56与环形通道54连通并从环形通道54朝向基部表面44的外部周边440向外延伸。更具体地，环形通道54由中心直立平台40和最内的直立的弧形脊部48'限定，并且径向槽56由相邻的梯形焊接面部分46的横向直立的弧形脊部48的端部限定。径向槽56具有在相邻的梯形焊接面部分46之间的单独的宽度，范围优选地从该基部表面44的外部周边440的长度的1/20至其1/10，在大多数点焊实践中，其构成1mm至4mm的最小宽度。如下面将进一步解释的，中心平台40、具有其横向直立的弧形脊部48的梯形焊接面部分46和与径向槽56连通的环形通道54的组合用于向中间有机材料层14施加压力，而同时在工件贴合表面10"，12"之间提供低压力的径向开槽的流动路径，其中除了为在电流流动期间在贴合界面84处产生任何气态产物提供释放出口以外，有机材料可以更容易地从焊接区排出。

现在返回参考图1和图4，伴随的第二焊接电极18的焊接面26可以采用能够与径向开槽的焊接电极16的焊接面22配合的多种设计中的任何一种，以便于中间有机材料从焊接区横向喷出。在这里所示和所述的特定实施例中，第二焊接电极18的焊接面26包括凸形的基部焊接面表面58和多个直立圆形脊部60（在平面图中），该多个直立圆形脊部60从基部焊接面表面58向外突出并且因此由基部焊接面表面58的中间的圆形部分62分开。基部焊接面表面58可以例如是球体的一部分，该球体具有范围从15mm至300mm或更窄地从20mm到50mm的曲率半径Rg，并且还可以具有延伸穿过在向内形成轮廓的部分36和基部焊接面表面58之间的过渡处的基部焊接面表面58的外部周边580的直径（即，平面到达范围）。该直径优选具有从3mm至20mm或更窄地从4mm至12mm的范围。

直立圆形脊部60围绕焊接面26的轴线30同心地定中心并且彼此径向间隔开，使得脊部的平面直径从紧接地围绕焊接面轴线30的最内的脊部60'向距离焊接面轴线30最远的最外的脊部60"增加。因此，在该特定实施例中，并且作为与径向开槽的焊接电极16的焊接面22的区别，第二焊接电极18的焊接面26上的直立圆形脊部60周向闭合，这意味着每个脊部60具有不间断地完全围绕焊接面轴线60的连续弯曲的周边。第二焊接电极18的焊接面26在任何位置优选地包括两个至十个直立圆形脊部60，其中三个至五个是最优选的。这些直立圆形脊部60中的每一个具有范围可以从20μm至400μm或更窄地从50μm至300μm之间的脊高度，以及其径向相邻（径向向内和径向向外）的脊部60的每一个之间的径向间距可以具有从50μm到1800μm或更窄地从80μm到1500μm的范围。

伴随的第二焊接电极18不必限于图1和图4所示以及上面所述的结构。当然可以使用其他电极设计，包括例如图5-7所示的那些，其中仅描述了与图1和图4所示的焊接电极18的主要区别，要理解的是，焊接电极的其余部分符合上述教导。现在参考图5，由附图标记118标识的第二焊接电极可以是常规类型的球凸式焊接电极，其包括具有基部焊接面表面158的凸形焊接面126，基部焊接面表面158从主体24的与到中空内部34的入口相对的端部直接过渡，并因此在主体24和焊接面126之间不包括向内形成轮廓的部分。这里使用的凸形焊接面126可以是球体或“球”的一部分，球体或“球”具有延伸穿过其外径的范围从12mm至22mm的直径，和范围从12mm至400mm的曲率半径。

或者，并且现在参考图6，由附图标记218标识的第二焊接电极包括焊接面226和截头球体形状的向内形成轮廓的部分238。焊接面226包括基部焊接面表面258，其具有范围从3mm至16mm或更窄地从4mm至8mm的直径，并且是平面的或凸形的。如果基部焊接面表面258是凸形的，则其可以是具有范围从25mm至400mm的曲率半径的球体的一部分。更进一步地，并且现在参考图7，由附图标记318标识的第二焊接电极可以包括类似于图6所示的第二焊接电极218的焊接面226的焊接面326，尽管在这里，在这个实施例中，向内形成轮廓的部分338是截头圆锥而不是截头球体。截头圆锥可以相对于焊接面326的轴线332倾斜从15°至40°。当然，图 5-7中所示的焊接电极118，218，318可以不是适用于与径向开槽的焊接电极116一起使用的唯一替代电极设计；相反，也可以使用这里未明确示出的其它焊接电极。

现在参考图1-2，在电阻点焊仅包括重叠的钢工件和铝工件10，12的叠层组件的上下文中描述使用径向开槽的焊接电极16和伴随的第二焊接电极18的方法，尽管如上所述也可以在包括另外的钢工件和/或铝工件的叠层组件上实施这种相同的方法。通常，通过以下步骤首先提供工件叠层组件80：将有机涂层材料施加到钢工件10的贴合表面10"、铝工件12的贴合表面12"或两个贴合表面10"，12" ，并且然后通过将工件10，12用合适的固定设备对准和装配以将钢工件和铝工件10，12以重叠的方式组装成叠层组件80。然后使径向开槽的焊接电极16的焊接面22和伴随的第二焊接电极的焊接面26与它们各自的工件叠层组件80的第一和第二侧84，86（在这个实施例中还是外工件表面10'，12'）以相互面对准的方式进行接触，使得它们各自的焊接面中心轴线28，30共线地对准。在图1中总体示出了在电流交换之前在焊接电极16，18之间的这种一般设置。

如本文所使用的术语“面对准”并不一定意味着焊接电极16，18的焊接面中心轴线28，30必须完全共线地对准，如在点焊操作方面具有实践经验的技术人员将理解的那样。可以肯定的是，由于焊接设备的不对准或电极磨损而导致的焊接电极16，18的相应的焊接面22，26之间可能发生侧向和角度的一些不对准，而不损害焊接电极16，18如预期的起作用的能力。在任何给定的电阻点焊事件中，对置的焊接面22，26之间可以容许的不对准的量取决于多种因素，包括焊接面22，26的形状和直径。然而，在宽范围的情况下，并且作为一般但不是强制性规则，根据本公开的实践，在电阻点焊工件叠层组件80期间，在焊接电极16，18的焊接面22，26之间可以容许适度的3°或更小的角度不对准和/或适度的2.5mm或更小的横向不对准。

一旦就位，焊接电极16，18的焊接面22，26立即被压靠在其相应的工件叠层组件80的第一侧和第二侧84，86上，以在焊接面22，26之间实现预定的夹持载荷。由焊接电极16，18施加的夹持载荷通常具有从400lbf至2000lbf或更窄地从600lbf至1300lbf的范围，并且可以基于除了其他因素的工件10，12的厚度、工件10，12的成分以及平台表面52的表面面积而在该范围内按比例增加或减小。由于其位置和从围绕的凸形圆顶部分42的位移，因此在围绕的凸形圆顶部分42的任何部分接合叠层组件80的包括梯形焊接面部分44的横向直立的弧形脊部48的同一侧84之前，中心直立平台40的平台表面52接合工件叠层组件80的第一侧84。因此，平台表面52最初支撑全部夹持载荷，并将集中的压力通过铝工件12施加到在面对的焊接面22，26之间的焊接区内的中间有机材料层14，这导致有机材料层14被压缩并且最初沿着贴合界面84横向排出，以使面对的工件贴合表面10”，12”形成更直接的和紧密的界面接触。确信有机材料的该最初挤出和横向喷出可以明显地减小最终将暴露于电流流动期间获得的升高的温度的有机物质的体积。

在开始将焊接电极16，18的焊接面22，26压靠在工件叠层组件80上之后不久，在焊接电极16，18之间，并且更具体地在焊接面22，26的分别与叠层组件80的第一和第二侧84，86压接触的部分之间交换电流。通过的电流的量可以具有从5kA至50kA的范围，并且电流流动的持续时间可以具有从40ms至2500ms或更窄地从200ms至1000ms的范围。通过的电流将更多电阻和热阻的钢工件10快速加热到高于铝工件12的相邻部分的熔点或范围的温度。来自钢工件10的热量被转移到铝工件12的相邻部分中以产生包含在铝工件12内的熔融焊池，熔融焊池润湿钢工件10的相邻的贴合表面10"。利用熔融铝的这种钢工件贴合表面10"的润湿倾向于致使熔融铝与钢工件10反应或从钢工件10熔解铁，而同时使脆性的金属间层沿钢工件10的贴合表面10"生长，金属间层可以包括FeAl₃化合物、Fe₂Al₅化合物和可能的其它Fe-Al金属间化合物。

在电流流动期间，径向开槽的焊接电极16的焊接面22将中间有机材料层14进一步横向移动远离焊接区。特别地，当该焊接电极16的焊接面22最初接合并被压靠在工件叠层组件80的第一侧84上时，只有平台表面52与叠层组件80接触，正如所述的。当电流流动加热钢工件10并且钢工件10加热铝工件12时，焊接面22进一步压印到工件叠层组件80的第一侧84中，这使焊接面22的凸形圆顶部分40形成与叠层组件80的第一侧挤压接合，并且特别地是包括横向直立的弧形脊部48的梯形焊接面部分44。这些脊部48有助于与叠层组件80的第一侧84建立良好的机械和电接触。如果叠层组件80的第一侧84包括耐熔氧化物材料的表面层（诸如通常在铝工件的表面上发现的那些），则这是特别真实的，原因是直立的弧形脊部48可有助于突破这种绝缘和机械坚固的表面层。

随着凸形圆顶部分40进一步逐渐压印到工件叠层组件80的第一侧84内，并且梯形焊接面部分46的直立的弧形脊部48顺序地与第一侧84形成接触，围绕中心平台40的环形通道54和与环形通道54连通的多个径向槽56影响在贴合界面84处的中间有机材料层14上的压力分布。也就是说，环形通道54和多个径向槽56不将施加的夹持载荷传递到工件叠层组件80的第一侧84，并且因此模仿焊接面22的通道和槽几何形状的铝工件12的贴合表面12"的对应部分与对应于中心直立平台40和梯形焊接面部分46的部分相比，经受来自焊接电极16更小的压力。贴合表面12"的这些低压力区域导致在工件贴合表面10"，12"之间形成低压力径向开槽的流动路径，随着点焊过程的进行以及径向开槽的焊接电极22的焊接面继续压印工件叠层组件80内，通过该流动路径中间有机材料层14可以进一步横向移动远离焊接区。换句话说，径向开槽的焊接电极16被设计成不将有机材料捕获在贴合界面84处的焊接区内，而是促进其喷出，同时维持点焊功能性。

径向开槽的焊接电极16也可以赋予其它益处。最显著的是，当在焊接电极16，18之间首先启动电流流动时，至少大部分电流流过中心直立平台40，假定平台40最初与工件叠层组件80的第一侧84唯一的接触。在那一方面，加热将在中心直立平台40内和其周围开始，并且在贴合界面84处位于反映焊接面22的环形通道54的区域中的任何剩余的有机材料将被暴露以先加热。该剩余的有机材料可能在热分解过程中释放出气态产物。在工件贴合表面10"，12"之间形成的低压力径向开槽的流动路径允许这些气态分解产物逸出，并且可能会随着逸出气体通过低压力流动路径，增压并从焊接区进一步排出残留的有机材料。因此，径向开槽的焊接电极16的焊接面22的设计以及其用于驱动有机材料和热分解气态产物远离焊接区的倾向减少或完全消除了热残留物的量，热残留物可能暴露于熔融焊池并最终找到其进入焊接头的路径，作为削弱焊接接头不一致和缺陷。

在焊接电极16，18的焊接面22，26 之间的电流流动终止后，并且在焊接电极16，18仍然与其相应的工件叠层组件80侧84，86接合的情况下，如图8所示，在铝工件12内产生的熔融焊池固化成焊接接头64。焊接接头64具有与钢工件12的贴合表面10'的结合界面66，并且通常包括重新固化的铝工件材料的熔核68，其通常具有在6mm至8mm范围内的公称直径，以及沿着焊接接头64和钢工件10的结合界面66定位的金属间层，金属间层可以包括FeAl₃化合物、Fe₂Al₅化合物以及可能的其它Fe-Al金属间化合物。如图所示，焊接接头66可以一直穿过铝工件12，并且其通常具有截头圆锥形式的截面形状。

焊接接头64和钢工件12的贴合表面10"之间的结合界面66可以至少部分地由于径向开槽的焊接电极16的焊接面22的结构而向内弯曲到焊接接头66内。实际上，由于电流最初主要通过径向开槽的焊接电极16的中心直立平台40，因此钢工件和铝工件10，12的逐渐加热和所得到的软化使得焊接电极16 18的两者随着焊接面22，26的更大部分参与输送电流而能够重新成形工件10，12。如图8所示，例如，径向开槽的焊接电极16的焊接面22最后变成完全缩进到叠层组件80的第一侧84中，而相比之下，第二焊接电极18的焊接面26经历较小的缩进但是局部地“本体地”使工件10变形，使得叠层组件80的第二侧86变形并且包裹在焊接面36周围，使得焊接面36完全参与电流的交换。钢工件10的本体变形最终导致其贴合表面10"弯曲进入熔融焊池并最终到达弯曲的结合界面66。

尽管第二焊接电极18的焊接面26的特定结构，但是大致可以实现铝工件12的贴合表面12"上的低压力区域（将其本身表现为工件贴合表面10"，12"之间的低压力径向开槽的流动路径）的形成。但是，在一些情况下，第二焊接电极18的焊接面26的设计可以增强低压力径向开槽的流动路径的有效性。例如，如果第二焊接电极18如图4所示构成，那么可能需要提供具有直径小于中心直立平台40的平台表面52的直径的紧接地围绕焊接面轴线30的最内的脊部60'。在这种情形下，在第二焊接电极18的焊接面26上的最内的圆形直立脊部60'将首先与工件叠层组件80的第二侧86接触，从而导致夹持压力在中心直立平台40的平台表面52（在一侧上）和最内的圆形脊部60'（在另一侧上）之间传递。以这种方式，中间有机材料层14通过钢工件10以及通过铝工件12经受更加集中的压力。这种通过两个工件贴合表面10"，12"的集中的压力施加将随着夹持力增加而从焊接区横向向外移动和挤出非常大量的中间有机材料层14。并且，在焊接面22，26的持续压印下，将发生有机材料从焊接区的额外地顺序的向外径向移位。

尽管第二焊接电极18的焊接面26上的最内的圆形脊部60'优选地具有比径向开槽的焊接电极16的焊接面22上的中心直立平台40的平台表面52更小的直径，但这种关系不是唯一可行的选择。例如，如果最内的圆形脊部60'具有比平台表面82大的直径，并且因此当两个焊接面22，26被面对准时位于中心圆形平台40的径向外侧，那么铝工件12的贴合表面12"上的低压力区域（将其本身表现为工件贴合表面10"，12"之间的低压力径向开槽的流动路径）仍被形成以促进中间有机材料层14的横向移位以及热分解气态产物的放气。焊接面22，26之间的这种关系通过铝工件12和钢工件10由于其刚度而变形而与相对地弯曲（这促成挤出或横向排出中间有机材料层14）的事实而得到额外地辅助。

由于刚刚讨论的那些的类似的原因，图6-7中所示的第二焊接电极218，318当它们的基部焊接面表面258，358是平面的时候可以支持径向开槽的焊接电极16的操作和功能性。然而，优选地，这些电极焊接面226，326的基部焊接面表面268，358被凸形地形成轮廓。当基部焊接面表面258，358如此形成轮廓时，这些表面中的每一个具有中心位置（类似于球凸式焊接焊接电极118的基部焊接面表面126），其将与工件叠层组件80的第二侧面86进行最初接触。这导致夹持压力中心直立平台40的平台表面52（在一侧上）和第二焊接电极218，318的基部焊接面表面258，358的中心位置（在另一侧上）之间传递。以这种方式，中间有机材料层14通过钢工件10以及通过铝工件12经受更集中的压力。随着夹持力增加，通过两个工件贴合表面10"，12"的这种集中的压力将从焊接区横向向外移位和挤出非常大量的中间有机材料层14。并且，在焊接面22，226，326的持续压印下，将发生有机材料从焊接区额外地相继地向外径向移位。

优选示例性实施例和具体示例的上述描述本质上仅仅是描述性的；它们并不旨在限制附随的权利要求的范围。所附权利要求中使用的每个术语应被给予其普通和习惯的含义，除非在说明书中另外特别地和明确地说明。

Claims (10)

1.一种电阻点焊包括铝工件和重叠相邻的钢工件的工件叠层组件的方法，所述方法包括：

提供具有第一侧和相反的第二侧的工件叠层组件，所述工件叠层组件包括铝工件和与铝工件重叠的相邻的钢工件，并且还包括设置在重叠的铝工件和钢工件的面对的贴合表面之间的中间有机材料层，其中铝工件紧接叠层组件的第一侧，并且钢工件紧接叠层组件的第二侧；

将径向开槽的焊接电极的焊接面压靠在工件叠层组件的第一侧上，径向开槽的焊接电极的焊接面包括中心直立平台和围绕中心直立平台的凸形圆顶部分，并且凸形圆顶部分包括围绕中心直立平台在基部表面上周向地间隔的多个梯形焊接面部分，梯形焊接面部分的每一个包括沿着凸形圆顶部分的基部表面径向间隔开的多个横向直立的弧形脊部，而且，其中环形通道围绕中心直立平台，并且多个径向槽与环形通道连通并且在梯形焊接面部分之间朝向基部表面的外部周边向外延伸；

将第二焊接电极的焊接面压靠在工件叠层组件的第二侧上，当径向开槽的焊接电极和第二焊接电极的焊接面压靠在其相应的工件叠层组件的第一侧和第二侧上时，第二焊接电极的焊接面与径向开槽的焊接电极的焊接面面对准；

使电流在径向开槽的焊接电极的焊接面与第二焊接电极的焊接面之间通过，以产生包含在铝工件内的熔融焊池，熔融焊池润湿钢工件的贴合表面；以及

终止径向开槽的焊接电极的焊接面和第二焊接电极的焊接面之间的电流通过，以允许熔融焊池固化成将铝工件和钢工件结合在一起的焊接接头。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述工件叠层组件的第一侧是铝工件的外表面，并且所述工件叠层组件的第二侧是钢工件的外表面。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述工件叠层组件除了重叠并彼此相邻的铝工件和钢工件之外包括另外的铝工件和/或另外的钢工件。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，在将径向开槽的焊接电极压靠在工件叠层组件的第一侧上期间，在多个梯形焊接面部分包括的任一横向直立的弧形脊部接触第一侧之前，中心直立平台的平台表面接触叠层组件的第一侧，使得由径向开槽的焊接电极和第二焊接电极的焊接面施加的夹持力最初通过中心直立平台传递。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，在电流通过之前，仅中心直立平台的平台表面接触工件叠层组件的第一侧，并且其中，在电流通过期间，围绕中心直立平台的凸形圆顶部分的梯形焊接面部分以梯形焊接面部分的最内的直立的弧形脊部开始并继续径向向外朝向梯形焊接面部分的最外的直立的弧形脊部逐渐地与工件叠层组件的第一侧形成接触。

6.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二焊接电极的焊接面包括凸形基部焊接面表面和多个直立圆形脊部，多个直立圆形脊部从凸形基部焊接面表面向外突出以使得直立圆形脊部由凸形基部焊接面表面的中间圆形部分分开。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述第二焊接电极的焊接面的最内的直立圆形脊部的直径小于径向开槽的焊接电极的焊接面的中心直立平台的平台表面的直径。

8.一种焊接电极，包括：

主体；和

由所述主体的一端承载的焊接面，所述焊接面包括具有平台表面的中心直立平台，以及围绕中心直立平台的凸形圆顶部分，所述凸形圆顶部分还包括基部表面和在基部表面上围绕中心直立平台周向间隔的多个梯形焊接面部分，梯形焊接面部分的每一个包括沿着凸形圆顶部分的基部表面径向间隔分开的多个横向直立的弧形脊部；

其中多个径向槽与环形通道连通，所述环形通道围绕中心直立平台并朝向凸形圆顶部分的基部表面的外部周边向外延伸，多个径向槽的每一个在两个相邻的梯形焊接面部分之间延伸。

9.根据权利要求8所述的焊接电极，其中所述梯形焊接面部分的每一个包括2个至10个横向直立的弧形脊部，并且其中所述梯形焊接面部分的每一个中的每个横向直立的弧形脊部具有范围为从20μm至400μm的脊高度，并且以50μm至1800μm的径向间距与每个其相邻的脊部分开。

10.根据权利要求8所述的焊接电极，其中所述中心直立平台的平台表面正向地移位超过凸形圆顶部分的围绕的基部焊接面表面，使得所述平台表面上升超过多个梯形焊接面部分的每一个的最内的横向直立的弧形脊部。