CN107262955A

CN107262955A - 铝‑钢焊接接头

Info

Publication number: CN107262955A
Application number: CN201710224825.5A
Authority: CN
Inventors: D.西格勒; B.卡尔逊; S.马德拉
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2016-04-08
Filing date: 2017-04-07
Publication date: 2017-10-20
Anticipated expiration: 2037-04-07
Also published as: US10675703B2; US20170291247A1; CN107262955B

Abstract

公开了将铝工件和钢工件焊接结合在一起的焊接接头。焊接接头包括铝焊接熔核、金属间层和铝化物颗粒环形环，铝化物颗粒环形环选自包括镍铝化合物颗粒、铁铝化合物颗粒及其组合的组。铝化物颗粒环形环从焊接接头的焊接结合表面向上延伸，使得铝化物颗粒环形环径向向内延伸到铝焊接熔核内并保护焊接接头的焊接结合表面免受可能源于焊接接头的凹口根部的裂纹传播。

Description

铝-钢焊接接头

相关申请的交叉引用

本申请要求于2016年4月8日提交的美国临时申请No.62/319,846的权益。前述临时申请的全部内容以其整体通过引用并入本文。

技术领域

本公开的技术领域总体上涉及将铝工件和钢工件在焊接区域内结合在一起的焊接接头。

背景技术

电阻点焊是由多个行业使用以将两个或更多个金属工件结合在一起的过程。例如，除了其它之外，汽车行业在制造车辆结构框架构件（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）期间经常使用电阻点焊来将金属工件结合在一起。通常在围绕金属工件的周边边缘或者一些其它结合区域的各个点处形成多个点焊件，以确保该部分在结构上是完好的。虽然已经通常实施点焊来将某些相似组成的金属工件（诸如，钢-钢和铝-铝）结合在一起，但是对将重量较轻的材料合并为车身结构的需要已经引起了对通过电阻点焊将钢工件结合到铝工件的兴趣。对这种不同金属工件进行电阻点焊的前述需要并不是汽车行业所独有的；的确，其延伸至包括航空、海事、铁路和房屋建筑行业的其它行业。

电阻点焊依赖于对通过重叠的金属工件并且跨越其贴合界面（fayinginterface，或接合界面）以生成热量的电流流动的电阻。为了执行这种焊接过程，一组对置的焊接电极抵靠工件层叠结构的相对侧而面对齐地按压，该工件层叠结构通常包括以重叠的配置设置的两个或者三个金属工件。然后电流从一个焊接电极通过金属工件传送到另一个焊接电极。该电流流动的电阻在金属工件内以及在其贴合界面处生成热量。当工件层叠结构包括铝工件和相邻的重叠钢工件时，在贴合界面处以及在这些不同金属工件的块体材料内生成的热量发起和生长在铝工件内的熔融铝焊池。该熔融铝焊池湿化钢工件的相邻贴合界面，并且在电流终止时，固化成为焊接接头，使两个工件焊接结合在一起。

然而，事实上，由于这两种金属的许多特性可能会不利地影响焊接接头的强度（最显著的是剥离和横向拉伸强度），因此将铝工件点焊至钢工件是有挑战的。举例来说，铝工件通常包含机械上牢固的、电绝缘的和自修复的耐高温氧化物表面层。该氧化物表面层通常由氧化铝化合物组成，但是还可以包括其它金属氧化物化合物，当铝工件由例如含镁铝合金组成时包括氧化镁。由于其属性，耐高温氧化物表面层具有在贴合界面处保持完好的趋势，其中，其不仅阻碍熔融铝焊池湿化钢工件的能力，而且提供在生长焊池内的近界面缺陷源。此外，氧化物表面层的绝缘属性增加了铝工件的电接触电阻，即，在其贴合界面处和其电极接触点处，使之难以有效地控制和集中铝工件内的热量。

此外，在许多情况下，来自于耐高温表面氧化物层和在铝和钢工件之间在贴合界面处存在的中间有机材料层（诸如未固化的可热固化的粘合剂、密封剂、隔音层等）的残留物可以相互作用以形成更有粘着力的复合材料。具体而言，来自于有机材料层（可包括碳灰、填料颗粒（例如二氧化硅、橡胶等）和其它衍生物材料）的残留物材料被认为最终与残留氧化物膜结合从而形成复合残留物膜，其与初始耐高温氧化物表面层相比，在电流流动期间更能抵抗机械分解和扩散。与铝和钢工件之间不存在中间有机材料层的情况相比，形成更牢固的复合残留物膜导致该膜的碎片在贴合界面处以及沿着贴合界面以大得多的破坏性方式保持分组和收集。例如，复合残留物膜可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。此外，复合残留物膜可以沿着焊接接头和钢工件的贴合界面提供准备好的裂纹路径。这些事件中的每个都会削弱焊接接头。

除了由铝工件的耐高温氧化物表面层存在的挑战（不管是否与中间有机材料层结合）之外，铝工件和钢工件具有不同属性，可能不利地影响焊接接头的强度和属性。具体地，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。由于材料属性的这些差异，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（较高的温度）和铝工件（较低的温度）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导热率的组合意味着在电流流动终止之后立即发生热量不从焊接区域对称地扩散的情况。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焊接电极传导，这在该方向产生急剧变化的热梯度。

在铝工件和钢工件另一侧上的焊接电极之间的急剧变化的热梯度的形成被认为以若干方式弱化所产生的焊接接头。第一，由于在电流流动已终止之后钢工件保存热量比铝工件更长的持续时间，所以熔融铝焊池定向固化：从接近与铝工件有关的较冷焊接电极（常常水冷却）的区域开始且朝向钢工件的贴合界面传播。此类固化前沿趋向于朝向焊接接头和钢工件（其中已存在氧化物膜残留物缺陷或复合残留物膜缺陷）的贴合界面以及沿着贴合界面扫除或驱赶缺陷，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和脆性的Fe-Al金属间层在焊接接头内生长并与钢工件的贴合表面邻接。使焊接缺陷扩散与使Fe-Al金属间层在贴合界面处过度生长一起趋向于减小焊接接头的剥离和横向拉伸强度。

鉴于前述挑战，先前对点焊铝工件和钢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-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（通过点焊实现结合时避免的重量），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（将使得铝和钢工件结合更容易）因此将是对现有技术受欢迎的添加。

发明内容

根据本公开的一个实施例，一种将铝工件和钢工件结合在一起的焊接接头可包括铝焊接熔核、金属间层和铝化物颗粒环形环。所述铝焊接熔核包含在铝工件内，所述金属间层位于铝焊接熔核和钢工件的贴合表面之间。所述金属间层提供焊接接头的焊接结合表面，所述焊接结合表面邻近钢工件的贴合表面且与钢工件的贴合表面结合。所述铝化物颗粒环形环从焊接接头的焊接结合表面向上延伸并径向向内延伸到铝焊接熔核内。所述铝化物颗粒环形环可包括镍铝化合物颗粒或铁铝化合物颗粒中的至少一种。

前述实施例的焊接接头可具有附加特征。例如，所述铝化物颗粒环形环可包括镍铝化合物颗粒和铁铝化合物颗粒。作为另一个示例，所述铝化物颗粒环形环可包括具有20at%-50 at%的镍的镍铝化合物颗粒或具有20 at%-50 at%的铁的铁铝化合物颗粒中的至少一种。这种颗粒可包括 NiAl₃颗粒、NiMnAL颗粒、FeAl₃颗粒、Fe₂Al₅颗粒或FeMnAl颗粒中的至少一种。

焊接接头的其它特性也可以被进一步限定。例如，焊接接头的铝焊接熔核可以在铝焊接熔核远离焊接接头的焊接结合表面延伸时径向向内渐缩。此外，焊接接头的焊接结合表面可以具有在从4 πt至20 πt范围内的表面面积，其中，“t”是在形成焊接接头之前包含焊接接头的焊接区域内铝工件的厚度。在又一个示例中，金属间层可包括铁-铝金属间化合物且可具有从1 µm至5 µm范围内的跨过焊接接头的焊接结合表面的厚度。

根据本公开的另一个实施例，一种焊接接头，将铝工件和钢工件结合在一起且具有靠近钢工件的贴合表面并与钢工件的贴合表面结合的焊接结合表面，所述焊接接头可包括铝焊接熔核、金属间层和铝化物颗粒环形环。所述铝焊接熔核包含在铝工件内且在铝焊接熔核远离铝工件的焊接结合表面延伸时径向向内渐缩。所述金属间层位于铝焊接熔核和钢工件的贴合表面之间，因而提供焊接接头的焊接结合表面。所述金属间层可包括铁-铝金属间化合物。所述铝化物颗粒环形环从焊接接头的焊接结合表面向上延伸并从在铝和钢工件的贴合界面处环绕焊接接头的凹口根部（notch root）径向向内延伸到铝焊接熔核内。所述铝化物颗粒环形环包括镍铝化合物颗粒或铁铝化合物颗粒中的至少一种。

前述实施例的焊接接头可具有附加特征。例如，所述铝化物颗粒环形环可包括具有20 at%-50 at%的镍的镍铝化合物颗粒或具有20 at%-50 at%的铁的铁铝化合物颗粒中的至少一种。作为另一个示例，环形环可包括 NiAl₃颗粒、NiMnAL颗粒、FeAl₃颗粒、Fe₂Al₅颗粒或FeMnAl颗粒中的至少一种。另外，铝工件可包括由包括至少85 wt%铝的铝合金组成的铝基板。在又一个示例中，包括铁-铝金属间化合物的金属间层可具有从1 µm至5 µm范围内的跨过焊接接头的焊接结合表面的厚度。

方案1. 一种将铝工件和钢工件焊接结合在一起的焊接接头，所述焊接接头包括：

铝焊接熔核，所述铝焊接熔核包含在铝工件内；

金属间层，所述金属间层位于铝焊接熔核和钢工件的贴合表面之间，所述金属间层提供焊接接头的焊接结合表面，所述焊接结合表面邻近钢工件的贴合表面且与钢工件的贴合表面结合；和

铝化物颗粒环形环，所述铝化物颗粒环形环从焊接接头的焊接结合表面向上延伸并径向向内延伸到铝焊接熔核内，其中，所述铝化物颗粒环形环包括镍铝化合物颗粒或铁铝化合物颗粒中的至少一种。

方案2. 根据方案1所述的焊接接头，其中，所述铝化物颗粒环形环包括镍铝化合物颗粒和铁铝化合物颗粒。

方案3. 根据方案1所述的焊接接头，其中，所述铝化物颗粒环形环包括具有20at%-50 at%的镍的镍铝化合物颗粒或具有20 at%-50 at%的铁的铁铝化合物颗粒中的至少一种。

方案4. 根据方案3所述的焊接接头，其中，所述铝化物颗粒环形环包括 NiAl₃颗粒、NiMnAL颗粒、FeAl₃颗粒、Fe₂Al₅颗粒或FeMnAl颗粒中的至少一种。

方案5. 根据方案1所述的焊接接头，其中，焊接接头的铝焊接熔核在铝焊接熔核远离焊接接头的焊接结合表面延伸时径向向内渐缩。

方案6. 根据方案1所述的焊接接头，其中，焊接结合表面具有在从4 πt至20 πt范围内的表面面积，其中，“t”是在形成焊接接头之前包含焊接接头的焊接区域内铝工件的厚度。

方案7. 根据方案1所述的焊接接头，其中，金属间层包括铁-铝金属间化合物且具有从1 µm至5 µm范围内的跨过焊接结合表面的厚度。

方案8. 一种将铝工件和钢工件结合在一起的焊接接头，所述焊接接头具有靠近钢工件的贴合表面并与钢工件的贴合表面结合的焊接结合表面，所述焊接接头包括：

包含在铝工件内的铝焊接熔核，所述铝焊接熔核在铝焊接熔核远离焊接接头的焊接结合表面延伸时径向向内渐缩；

金属间层，所述金属间层位于铝焊接熔核和钢工件的贴合表面之间，所述金属间层提供焊接接头的焊接结合表面且包括铁-铝金属间化合物；和

铝化物颗粒环形环，所述铝化物颗粒环形环从焊接接头的焊接结合表面向上延伸并从在铝和钢工件的贴合界面处环绕焊接接头的凹口根部径向向内延伸到铝焊接熔核内，其中，所述铝化物颗粒环形环包括镍铝化合物颗粒或铁铝化合物颗粒中的至少一种。

方案9. 根据方案8所述的焊接接头，其中，所述铝化物颗粒环形环包括具有20at%-50 at%的镍的镍铝化合物颗粒或具有20 at%-50 at%的铁的铁铝化合物颗粒中的至少一种。

方案10. 根据方案8所述的焊接接头，其中，铝工件包括由包括至少85 wt%铝的铝合金组成的铝基板。

方案11. 根据方案8所述的焊接接头，其中，所述铝化物颗粒环形环包括 NiAl₃颗粒、NiMnAL颗粒、FeAl₃颗粒、Fe₂Al₅颗粒或FeMnAl颗粒中的至少一种。

方案12. 根据方案8所述的焊接接头，其中，金属间层具有从1 µm至5 µm范围内的跨过焊接结合表面的厚度。

附图说明

图1是在焊接区域内将铝工件（顶部）和钢工件（底部）结合在一起的焊接接头的横截面图；

图2是图1所示的焊接接头的左手边的放大横截面图，包括铝化物颗粒环形环的实施例；

图3是图1所示的焊接接头的左手边的放大横截面图，包括铝化物颗粒环形环的另一个实施例；

图4是根据本公开的一个实施例的包括镍铝化合物颗粒环形环的焊接接头的截面的显微照片；

图5是图4的显微照片的放大图，集中于焊接接头和镍铝化合物颗粒环形环的左手边；

图6是图4的显微照片的放大图，集中于焊接接头和镍铝化合物颗粒环形环的右手边；

图7是图4的显微照片的放大图，集中于焊接接头的中心和金属间层，所述金属间层将焊接接头的铝焊接熔核从钢工件的贴合表面分开；

图8是根据本公开的一个实施例的包括镍铝化合物颗粒环形环的焊接接头的截面的显微照片；

图9是图8的显微照片的放大图，集中于焊接接头和镍铝化合物颗粒环形环的左手边；

图10是图8的显微照片的放大图，集中于焊接接头和镍铝化合物颗粒环形环的右手边；

图11是图8的显微照片的放大图，集中于焊接接头的中心和金属间层，所述金属间层将焊接接头的铝焊接熔核从钢工件的贴合表面分开；

图12是根据本公开的一个实施例的包括铁铝化合物颗粒环形环的焊接接头的截面的显微照片；

图13是图12的显微照片的放大图，集中于焊接接头和铁铝化合物颗粒环形环的左手边；

图14是图12的显微照片的放大图，集中于焊接接头和铁铝化合物颗粒环形环的右手边；

图15是图12的显微照片的放大图，集中于焊接接头的中心和金属间层，所述金属间层将焊接接头的铝焊接熔核从钢工件的贴合表面分开；

图16是根据本公开的一个实施例的包括铁铝化合物颗粒环形环的焊接接头的截面的显微照片；

图17是图16的显微照片的放大图，集中于焊接接头和铁铝化合物颗粒环形环的左手边；

图18是图16的显微照片的放大图，集中于焊接接头和铁铝化合物颗粒环形环的右手边；和

图19是图16的显微照片的放大图，集中于焊接接头的中心和金属间层，所述金属间层将焊接接头的铝焊接熔核从钢工件的贴合表面分开。

具体实施方式

将铝工件点焊到钢工件具有一些显著的挑战。实际上，如上所述，使得点焊这些不同金属的能力复杂化的已识别挑战中的多个涉及焊接接头易于在接头的界面和钢工件的贴合表面处被焊接不一致性（例如，孔和残留氧化物碎片）以及硬和脆性金属间层的存在损坏。这些挑战在中间有机材料在两个工件之间在贴合界面处存在时尤其是有问题的，因为有机材料可能与残留氧化物膜相互作用以形成机械上更牢固的复合残留物膜。在此公开了焊接接头10，所述焊接接头10抵消了在焊接接头10和钢工件的贴合界面处以及沿着焊接接头10和钢工件的贴合界面的焊接接头不一致性的至少一些积聚，此外，保护贴合界面在施加的负载下免受裂纹传播。所提供的对抗裂纹传播的保护是重要的，因为在施加的负载下的面间接头故障的主要根源通常是近界面焊接不一致性所促进的通过金属间层的快速裂纹生长。

现在参考1，（以横截面图）示出了在两个重叠工件12，14的贴合界面16处将铝工件12和钢工件14结合在一起的焊接接头10。焊接接头10包含在延伸通过铝和钢工件12，14的焊接区域18内。焊接区域18的横截面尺寸和形状由在接头10和钢工件14的贴合界面处的焊接接头10的周边限定，如图1所示。在焊接区域18内，铝工件12具有厚度120，类似地，钢工件14具有厚度140。铝工件120的厚度120优选是从0.3 mm至6.0 mm的范围，或者更窄地从0.5mm至3.0 mm，钢工件的厚度140优选是从0.3 mm至6.0 mm的范围，或者更窄地从0.6 mm至2.5 mm。铝和钢工件12，14在焊接区域18之外的厚度120，140可以大于在焊接区域18内的厚度120，140，由于通过焊接区域18处的对置焊接电极的焊接面在工件12，14中留下的压印。

在一些情况下，除了图1所示的相邻对的焊接结合的铝和钢工件12，14之外，可以存在至少一个附加工件。例如，附加第三工件（未示出）可以与贴合界面16相对地位于铝工件12或钢工件14附近。附加第三工件可以由铝或钢构成，且位于相同基体金属成分的工件12，14附近；即，附加铝工件可以设置在铝工件12附近以提供铝-铝-钢层叠结构，或者附加钢工件可以设置在钢工件14附近以提供铝-钢-钢层叠结构。在又一个示例中，可以存在两个附加工件（也未示出），以提供铝-铝-钢-钢层叠结构、铝-铝-铝-钢层叠结构或铝-钢-钢-钢层叠结构中的任一种。关于其成分和厚度，附加铝工件和/或钢工件（如果存在的话）可以与其相邻的对应铝工件12或钢工件14相同或者不同，其在其贴合界面16处通过焊接接头10焊接结合在一起。

铝工件12包括铝基板20，铝基板由非合金铝或包含至少85 wt％（重量百分比）的铝的铝合金组成。可以构成铝基板20的一些有名的铝合金是铝-镁合金、铝-硅合金、铝-镁-硅合金和铝-锌合金。铝工件12具有贴合表面22和后表面24，最佳地如图2-3所示。贴合表面22和后表面24中的每个由铝基板20或者重叠铝基板20的表面层描绘，但是在焊接区域18内不存在贴合表面22，因为其在焊接接头10形成期间被消耗。如果存在，表面层可以是包括氧化铝化合物和可能的其它氧化物化合物的自然耐高温氧化物层和/或在制造期间在铝基板20暴露于升高温度期间形成的氧化物层，例如轧屑，或者可选地，可以是锌、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。

铝基板20可以以锻造或铸造形式提供。例如，铝基板20可以由4xxx，5xxx，6xxx或7xxx系列锻造铝合金板层、挤压件、锻冶件或其它加工的制品组成。在另一个实施例中，铝基板20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20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20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）。本文使用的术语“铝工件”因而涵盖非合金铝和宽范围的各种铝合金，不管被涂覆还是未被涂覆，以不同的可点焊形式，包括锻造板层、挤压件等以及铸件。

钢工件14包括宽范围的各种强度和等级中任一种的钢基板26，其被涂覆或未被涂覆。钢基板26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14包括加压硬化钢（PHS）时的硼钢。然而，钢基板26的优选成分包括低碳钢、双相钢和在制造加压硬化钢时使用的硼钢。这三种钢具有分别从150 MPa至350 MPa、从500 MPa至1100 MPa以及从1200 MPa至1800 MPa范围的最终拉伸强度。本文使用的术语“钢工件”因而涵盖宽范围的各种被涂覆和未被涂覆的钢。

钢工件14包括贴合表面28和后表面30，最佳地如图2-3所示。贴合表面28和后表面30中的每个由钢基板26或者重叠钢基板26的表面层描绘。钢工件14的贴合表面28不像铝工件12的贴合表面22那样被焊接接头10消耗，因而延伸通过焊接区域18。如果被涂覆，钢工件12可包括由锌-镍合金层或锌 -铁合金层（即，镀锌）组成的基于锌的合金层。这种基于锌的合金层可包括在1 wt%和25 wt%之间任何地方的镍或铁，大多数剩余部分是锌，或者更窄地，在5 wt%和15 wt%之间任何地方的镍或铁，大多数剩余部分是锌。在钢工件14在形成焊接接头10之前包括表面层的情况下，表面层通常在焊接区域18之外完好地存在，因为形成焊接接头10消耗了贴合表面28上的表面层。

焊接接头10包含在铝工件12内且由热影响区域32环绕。与结合类似组成的工件（例如，铝-铝和钢-钢）的常规点焊实践不同，焊接接头10并不将工件12，14熔合焊接在一起。无可否认，焊接接头10并不消耗焊接区域内的钢工件14的贴合表面28并延伸通过焊接区域内的钢工件14的贴合表面28的初始位置，且当然不会从两个工件12，14中的每个具有基本相等的熔融材料贡献的聚结材料熔融焊池固化。相反，在此，鉴于两个工件12，14的熔点的相对大的差异，焊接接头10通过熔融和再次固化铝工件的位于钢工件14的贴合表面28附近的一部分而获得。焊接接头10因而从钢工件14的贴合表面28朝向铝工件12的后表面24延伸渗透深度，所述渗透深度在焊接区域18内的铝工件12的厚度120的从20%至100%范围内。焊接接头10的平面直径（即，焊接接头10在平面图中的最大部分的直径）取决于钢工件14的厚度140。然而，在大多数情况下，焊接接头10的平面直径在从4 mm至16 mm的范围内，或者更窄地，从5 mm至10 mm。

焊接接头10由焊接结合表面34和工件周边表面36描绘。焊接结合表面34靠近钢工件14的贴合表面28且与钢工件14的贴合表面28结合。在优选实施例中，焊接结合表面34具有在从4 πt至20 πt范围内的表面面积，其中，变量“t”是在形成焊接接头10之前焊接区域18内铝工件14的厚度140。工件周边表面36以变窄的方式远离焊接结合表面34延伸，且构成铝工件12内焊接接头10的边界。工件周边表面36将焊接接头10从铝工件12内部中的周围热影响区域32分开，且在焊接接头10完全渗透铝工件12的情况下与铝工件12的后表面24的一部分毗连，在此如图1所示。

凹口根部38位于焊接接头10外侧和周围在铝和钢工件12，14的贴合界面16处。这在图2-3中最佳地示出。凹口根部38包括凹口根部开口40和凹口根部狭缝42。凹口根部开口40是在焊接区域18外侧将铝工件12的贴合表面22和钢工件14的贴合表面28分开的限定径向范围的间隙。该间隙由于在形成焊接接头10期间通过对置的焊接电极直接或者间接（例如，通过附加的铝和/或附加的钢工件）施加在铝工件12的后表面24和钢工件14的后表面30的对齐部分上的高夹持压力而形成。凹口根部狭缝42位于凹口根部开口40的径向内部且刚好在焊接区域18的外侧，与焊接接头10紧邻。凹口根部狭缝42是铝和钢工件12，14的贴合表面22，28之间的未结合液压密封界面。

中间有机材料层（未示出）也可以位于铝和钢工件12，14的贴合表面22，28之间在焊接接头10的外侧和周围，但是凹口根部38通常没有这种材料。中间有机材料层可以是包括结构热固性粘合剂基体的粘合剂层。结构热固性粘合剂基体可以是任何可固化的结构粘合剂，包括例如可热固化的环氧树脂或可热固化的聚亚安酯。可以用作粘合剂基体的可热固化的结构粘合剂的一些具体示例包括DOW Betamate 1486、Henkel Terokal 5089和Uniseal 2343，其全部都是可商业获得的。此外，粘合剂层还可以包括贯穿热固性粘合剂基体扩散的任选填料颗粒，例如二氧化硅颗粒，以改变用于制造操作的粘合剂的粘度曲线或其它属性。在其它实施例中，中间有机材料层可以是密封剂或隔音材料。中间有机材料层通常在贴合界面16处具有0.1mm至2.0mm的厚度，或者更窄地，0.2mm至1.0mm。

焊接接头10由三种显著的组成成分组成：（1）铝焊接熔核44，（2）金属间层46，以及（3）铝化物颗粒环形环48。铝化物颗粒优选地选自包括镍铝化合物颗粒、铁铝化合物颗粒及其组合的组。焊接接头10的这三个成分44，46，48在贴合界面16处使用可扩散镍和/或铁源实施电阻点焊时产生，如下文更详细所述。焊接接头10可包括在接头10内位于中心的在焊接结合表面34处或者远离焊接结合表面34的孔或空隙比例。此外，残留氧化物膜碎片可以在焊接接头10的焊接结合表面34处实际上没有。位于中心的孔和焊接结合表面34处没有残留氧化物膜和/或复合残留物膜的碎片的该组合有助于焊接接头10的良好强度，尤其是良好剥离和横向拉伸强度，通过在接头10的焊接结合表面34和钢工件14的相邻贴合表面28之间的清洁结合界面，尤其是在焊接接头10周围。

铝焊接熔核44由源于铝工件12的熔融焊池的再次固化铝材料组成，且在体积和重量百分比基础上构成焊接接头10的最大部分。铝焊接熔核44通过金属间层46从钢工件14的贴合表面28分开，且在铝焊接熔核44远离焊接接头10的焊接结合表面34延伸时径向向内渐缩。金属间层46提供焊接接头10的焊接结合表面34，且通过熔融铝（在焊接期间形成）和来自于钢工件14的铁之间的冶金反应形成，以产生铁-铝（Fe-Al）金属间化合物。实际上，金属间层46可以包括FeAl₃金属间化合物、Fe₂Al₅金属间化合物以及可能的其它铁-铝金属间化合物，且通常具有从1 µm至5 µm范围内的跨过焊接结合表面34的厚度。关于其可比较的物理和机械属性，金属间层46比铝焊接熔核44更硬、更脆性且更不牢固。

铝化物颗粒环形环48从焊接结合表面34向上沿着工件周边表面36或者在工件周边表面36内侧延伸，使得其从凹口根部38径向向内延伸到铝焊接熔核44内。环形环48中包含的铝化物颗粒可选自包括镍铝化合物颗粒、铁铝化合物颗粒及其组合的组。镍铝化合物颗粒是富含镍且还包括铝和任选地其它合金元素（例如各自以比镍更低的含量存在的铁和/或镁）的颗粒。实际上，镍铝化合物颗粒中的一些镍可以由溶解在熔融铝焊池108内的铁取代。颗粒在包括至少20 at%的镍时是富含镍的，例如在20 at%和50 at%之间的镍。在环形环48中可以找到的镍铝化合物颗粒的一些实例是NiAl₃或NiMnAl颗粒。铁铝化合物颗粒是富含铁且还包括铝和任选地其它合金元素（例如各自以比铁更低的含量存在的镍和/或镁）的颗粒。在一些情况下，如果足够的镍由溶解在熔融铝焊池108内的铁取代，镍铝化合物颗粒甚至可以转化为铁铝化合物颗粒。颗粒在包括至少20 at%的铁时是富含铁的，例如在20at%和50 at%之间的铁。在环形环48中可以找到的铁铝化合物颗粒的一些实例是FeAl₃、Fe₂Al₅或FeMnAl颗粒。当然，除了上文列举的特定颗粒之外或者取而代之，其它类型的镍和/或铁铝化合物颗粒可以在环形环48中找到。

构成环形环48的铝化物颗粒可以源于在形成焊接接头10期间镍迁徙到熔融铝焊池中以形成镍铝化合物颗粒和/或铁迁徙到熔融铝焊池中以形成铁铝化合物颗粒，如下文更详细所述。在一些实施例中，尤其是在铝化物颗粒由镍铝化合物颗粒组成时，环形环48可以构成分立屏障50，如图2中理想地所示。在其它实施例中，尤其是在铝化物颗粒由铁铝化合物颗粒组成时，环形环48可以构成扩散带52，如图3中理想地所示。扩散带52是比分立屏障50更稀疏的铝化物颗粒聚集，但是共享相同的基本功能。

铝化物颗粒环形环48被认为以至少两个方式增强焊接接头10的强度，尤其是剥离和横向拉伸强度。第一，如果铝工件12最初包括在其贴合表面22上的耐高温氧化物表面层（通常如此），形成铝化物颗粒环形环48的过程将贴合界面16处可能存在的残留氧化物膜和/或复合残留物膜的碎片扫除远离焊接结合表面34。具体地，在熔融铝焊池与源于位于贴合界面16处的可扩散镍和/或铁源的镍和/或铁反应时，发生铝化物颗粒引入铝焊接熔核44中。可扩散镍和/或铁源指的是镍和/或铁可以释放到熔融铝焊池中以形成铝化物颗粒的任何材料。为此，可扩散镍和/或铁源是包含稀释和弱键合镍和/或铁的材料，可以从其源容易地释放，以迁徙到熔融铝焊池中。镍和/或铁更紧地键合的源将不会释放镍和/或铁到熔融铝焊池中，同时具有高浓度的镍和/或铁的源很可能形成邻接铝化物层，邻接铝化物层提前终止镍和/或铁迁徙到焊池中。

可扩散镍和/或铁从这些金属源迁徙导致铝化物颗粒聚集在环形环48中。镍和/或铁到熔融铝焊池中的该迁徙以及这些迁徙金属到铝化物颗粒的并行转换使得残留氧化物膜碎片和/或复合残留物膜碎片从钢工件14的贴合表面28带走且使得它们远离随后形成的焊接接头10的焊接结合表面34。从焊接结合表面34去除残留氧化物膜碎片和/或复合残留物膜碎片被认为是有益的，如上所述，因为这种类型的近界面缺陷具有干扰焊接接头10和钢工件14的贴合表面28之间的结合整体性的趋势。残留氧化物膜碎片和/或复合残留物膜碎片在位于铝焊接熔核44的远离焊接结合表面34的块体内时无害得多。

第二，铝化物颗粒环形环48，一旦形成，屏蔽焊接接头10的焊接结合表面34以免受可能从凹口38传播的裂纹。无可否认，铝化物颗粒环形环48用作裂纹传播的硬和强有力的障碍。因而，当裂纹源于凹口根部38且开始向内传播到焊接接头10中时，裂纹沿非优选路径偏转到铝焊接熔核44的块体内。以这种方式偏转裂纹传播不大可能损害焊接接头10，因为铝焊接熔核44比沿焊接接头10的焊接结合表面34定位的金属间层46更软和更牢固。铝化物颗粒环形环48因而保护焊接接头10的最易受裂纹传播且因而在经受加载时最可能是焊接接头10的面间故障的根源的部分（即，金属间层46）。

通过从焊接结合表面34去除残留氧化物膜碎片和/或复合残留物膜碎片且屏蔽金属间层46免受从周围凹口根部38传播的裂纹，可以在焊接接头10中获得一致地良好的强度属性。为了展示，图4-7和8-11示出了包括镍铝化合物颗粒环形环48（作为分离屏障50）的焊接接头的显微照片，图12-15和16-19示出了包括铁铝化合物颗粒环形环48（作为扩散带52）的焊接接头的显微照片。可以看出，在焊接接头10的焊接结合表面34处没有找到超过可忽略量的残留氧化物膜碎片或复合残留物膜碎片（如果有的话），且铝化物颗粒环形环48从焊接结合表面34向上延伸以防止裂纹到达薄金属间层46。当在标准剥离或横向拉伸测试期间经受加载时，这些焊接接头10导致纽扣拉出故障（即，铝工件故障），这是强焊接接头的标志，与面间故障（弱焊接接头的标志）不同。

焊接接头10可以通过在电流流动期间在焊接区域18内在铝和钢工件12，14的贴合界面16处采用可扩散镍和/或铁源的电阻点焊方法形成。一开始，铝工件12和钢工件14最初以重叠方式组装，通过将工件12，14对齐并固定在一起，使得铝工件12的贴合表面22和钢工件14的贴合表面28彼此面对面（存在或者不存在中间有机材料层（例如，粘合剂或密封剂）），以建立贴合界面16。此外，在一个实施例中，钢工件14的贴合表面28可包括多种合适形式中的任一种的可扩散镍和/或铁源。在该实施例的优选实施方式中，可扩散镍和/或铁源是锌-镍表面涂层（可扩散镍源）或锌-铁表面涂层（可扩散铁源），覆盖钢基板26并描绘钢工件14的贴合表面28。在另一个实施例中，设置在铝和钢工件12，14的贴合表面22，28之间的中间有机材料层，例如，可热固化的粘合剂层，可包括反应性金属合金颗粒形式的可扩散镍和/或铁源，包括可以与熔融铝反应以形成铝化物颗粒的组成金属元素。

术语“贴合界面”在本公开中广泛地使用且旨在涵盖相邻铝和钢工件12，14的贴合表面22，28之间直接和间接接触的情况。贴合表面22，28在物理地邻接且未由分立中间有机材料层分开时彼此直接接触。贴合表面22，28在由分立中间有机材料层分开时彼此间接接触，因而不经历直接接触中可见的面间物理邻接类型，而又彼此足够紧邻使得仍可以实施电阻点焊。铝和钢工件12，14的贴合表面22，28之间的间接接触通常在任选中间有机材料层在点焊之前应用于贴合表面22，28之间时发生。

一旦铝和钢工件12，14以重叠配置组装，一对对置且面对齐的焊接电极将电流传送通过铝和钢工件12，14，同时在工件12，14上施加夹持力。焊接电极优选被水冷却且由合适铜合金或其它导电导热材料构成。在焊接电极之间交换的电流横穿在相邻铝和钢工件12，14之间建立的贴合界面16。电流流动（优选为具有从5 kA至50 kA范围内且持续50 ms至2500 ms总持续时间的恒定或脉冲电流电平的DC电流）的电阻快速加热更大热和电阻的钢工件14。电流流动产生的热量熔融铝工件12且仅仅在铝工件12内产生熔融铝焊池。熔融铝焊池渗透铝工件12的耐高温氧化物表面层（如果存在的话），且湿化钢工件14的贴合表面28。

在熔融铝焊池湿化钢工件14的贴合表面28的时间期间，可扩散镍和/或铝与熔融铝反应以形成镍铝化合物和/或铁铝化合物颗粒。铝化物颗粒的形成有助于破坏铝工件12的贴合表面22处的耐高温氧化物表面层（如果存在的话）。最终，铝化物颗粒向上迁徙到熔融铝焊池的更热部分中且通过焊池的低渗透性和变窄周边部分截留。铝化物颗粒可以聚集且在此沉淀成环形环48，因为它们被限制在低温区域，因而与熔融铝焊池的中心相比经受更少的热降解。当迁徙到熔融铝焊池中时，铝化物颗粒可以随之拖动残留氧化物膜碎片和/或复合残留物膜碎片远离钢工件14的仍完好的贴合表面28。铝化物颗粒的迁徙还可以对孔源具有一定程度的类似影响，尽管通过工件12，14的电流流动可以以将孔朝向熔融铝焊池的中心驱动的方式管理，根据多种技术中的任一种，包括例如在美国专利申请No. 14/883,249中公开的焊接方案。

在焊接电极之间的电流流动终止后，熔融铝焊池固化成焊接接头10，其将铝和钢工件12，14在焊接区域18内结合在一起。铝化物颗粒此时固定在环形环48中，因而，由铝化物颗粒带走的残留氧化物膜碎片和/或复合残留物膜碎片被截留在铝焊接熔核44的远离焊接接头10的焊接结合表面34的块体中。在焊接电极之间的电流流动已经终止且熔融铝焊池已经固化后，焊接电极缩回且由该组焊接电极抵靠铝和钢工件12，14施加的夹持力被释放。由于焊接电极施加的有力加压接触，铝和钢工件12，14的后表面24，30中的一个或两者可能留有接触片凹痕（在图1中在每个表面24，30中示出）。所述方法的变型当然是可能的，包括但不限于，设置在贴合界面16处的可扩散镍和/或铁源的结构和组成。

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；它们并不旨在限制所附权利要求的范围。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

1.一种将铝工件和钢工件焊接结合在一起的焊接接头，所述焊接接头包括：

铝焊接熔核，所述铝焊接熔核包含在铝工件内；

2.根据权利要求1所述的焊接接头，其中，所述铝化物颗粒环形环包括镍铝化合物颗粒和铁铝化合物颗粒。

3.根据权利要求1所述的焊接接头，其中，所述铝化物颗粒环形环包括具有20 at%-50at%的镍的镍铝化合物颗粒或具有20 at%-50 at%的铁的铁铝化合物颗粒中的至少一种。

4.根据权利要求3所述的焊接接头，其中，所述铝化物颗粒环形环包括 NiAl₃颗粒、NiMnAL颗粒、FeAl₃颗粒、Fe₂Al₅颗粒或FeMnAl颗粒中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的焊接接头，其中，焊接接头的铝焊接熔核在铝焊接熔核远离焊接接头的焊接结合表面延伸时径向向内渐缩。

6.根据权利要求1所述的焊接接头，其中，焊接结合表面具有在从4 πt至20 πt范围内的表面面积，其中，“t”是在形成焊接接头之前包含焊接接头的焊接区域内铝工件的厚度。

7.根据权利要求1所述的焊接接头，其中，金属间层包括铁-铝金属间化合物且具有从1µm至5 µm范围内的跨过焊接结合表面的厚度。

8.一种将铝工件和钢工件结合在一起的焊接接头，所述焊接接头具有靠近钢工件的贴合表面并与钢工件的贴合表面结合的焊接结合表面，所述焊接接头包括：

9.根据权利要求8所述的焊接接头，其中，所述铝化物颗粒环形环包括具有20 at%-50at%的镍的镍铝化合物颗粒或具有20 at%-50 at%的铁的铁铝化合物颗粒中的至少一种。

10.根据权利要求8所述的焊接接头，其中，铝工件包括由包括至少85 wt%铝的铝合金组成的铝基板。