CN107283036A - 具有带插入件的电极的电阻点焊钢和铝工件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种对钢工件和铝或铝合金工件进行电阻点焊的方法以及用在其中的焊接电极。在该方法的一个步骤中，提供工件堆叠件。该工件堆叠件包括钢工件和铝或铝合金工件。该方法的另一步骤包含使得铝或铝合金工件与焊接电极的焊接面接触。该焊接电极具有主体和插入件。该插入件由一种材料构成，该材料所具有的导电性大于主体的材料的导电性。该焊接面具有由插入件的表面限定的第一部段和由主体的表面限定的第二部段。在电阻点焊中，第一和第二部段两者与铝或铝合金工件形成表面对表面接触。

Description

具有带插入件的电极的电阻点焊钢和铝工件

技术领域

本发明的技术领域总体上涉及电阻点焊，并且更具体地涉及钢工件和铝或铝合金工件的电阻点焊。

背景技术

电阻点焊是在许多工业中用于将两个或多个金属工件接合在一起的工艺。例如，汽车工业通常使用电阻点焊在车辆门、发动机罩、行李箱盖或升降门的制造期间将预制金属工件与其它车辆部件接合在一起。多电阻点焊通常沿着金属工件的周边或在某些其它位置进行。虽然点焊通常被用来将某些类似组成的金属层(例如钢-钢和铝合金-铝合金)接合在一起，将较轻重量的材料接合到车辆平台中的愿望已经产生了对通过电阻点焊将钢工件接合到铝或铝合金(以下统一简称为“铝”)工件的兴趣。此外，由于许多车辆组装厂已经有点焊基础设施，因此使用一件设备对包含不同工件组合(例如，铝/铝、钢/钢和铝/钢)的工作堆叠件进行电阻点焊的能力将提高生产灵活性并降低制造成本。电阻点焊异质金属工件的愿望不是汽车工业所特有的；它存在于其它工业中，例如航空航天、船舶、铁路、建筑物建造和工业设备应用等。

电阻点焊通常依赖于通过接触金属工件并跨过它们的接合界面的电流流动的阻力以产生热量。为了进行电阻点焊，在焊接部位处的金属工件的相对侧上的对准点处夹持一对相对的焊接电极。然后，电流通过工件从一个焊接电极到另一个焊接电极。电流流动的阻力在金属工件内和在它们的接合界面处产生热量。当被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形成从接合界面进入铝工件的熔融焊池。熔融焊池润湿钢工件的相邻表面，并且在电流停止时，固化成焊点熔核，其形成焊接接头的全部或部分。在点焊过程完成之后，焊接电极从工件表面缩回，并且在另一焊接部位处重复点焊过程。

然而，电阻点焊钢和铝工件是有挑战性的，因为两种金属具有不同的性质，这使焊接过程复杂化。具体地，钢具有相对较高的熔点和相对较高的电和热电阻率，而铝具有相对较低的熔点和相对较低的电和热电阻率。因此，大部分热量在电流流动期间在钢工件中产生。这种热不平衡在钢工件(更高的温度)和铝工件(更低的温度)之间建立温度梯度，其引起铝工件的快速熔化。在电流流动期间产生的温度梯度和铝工件的高热导率的组合意味着，在电流刚刚停止之后，出现热不从焊接部位处对称地散布的情况。相反，热量从较热的钢工件通过铝工件传导到与铝工件接触的焊接电极，在该方向上产生相对陡的热梯度。

在钢工件和与铝工件接触的焊接电极之间的陡的热梯度的发展被认为以两种主要方式削弱了所得到的焊接接头的完整性。首先，由于钢工件在电流停止之后保持比铝工件更长的热持续时间，已经在铝工件中形成和增长的熔融焊池被定向固化，从与铝工件相关联的最靠近较冷焊接电极(通常为水冷却)的区域开始并向接合界面传播。这种固化前沿倾向于朝向和沿着铝焊接熔核中的接合界面清理或摒弃缺陷，例如气孔、缩孔、微裂纹和氧化残渣。第二，钢工件中的持续升高的温度促进脆性Fe-Al金属间化合物在接合界面处和沿着接合界面的生长。金属间化合物倾向于在铝焊接熔核和钢工件之间形成薄反应层。如果存在，这些金属间层与焊接熔核通常被认为是焊接接头的一部分。具有焊接熔核缺陷的分散以及沿着接合界面的Fe-Al金属间化合物的过度生长被认为会降低最终焊接接头的剥离强度。

鉴于上述挑战，以前对点焊钢工件和铝工件的工作采用了规定较高电流、较长焊接时间或两者(例如，与点焊钢-钢相比)的焊接方案，以试图获得合理的熔合区面积。这些工作在制造设置中基本上是不成功的，并且具有损坏焊接电极的趋势。由于先前的点焊工作没有特别成功，主要使用机械紧固件，如自穿铆钉和流钻螺钉代替。然而，与点焊相比，机械紧固件需要更长的时间来放置并且具有高消耗成本。它们还增加了车辆部件重量-这些重量在当通过点焊的方式实现接合时能够被避免-这抵消了通过首先使用铝工件获得的一些重量减轻。因此，使该工艺能更强连接钢和铝工件的点焊的进步将是对本领域技术的可喜的补充。

发明内容

公开了一种电阻点焊工件堆叠件的方法，所述工件堆叠件包括钢工件和铝或铝合金工件(为了简洁在此统称为“铝”)，并且还公开了在该方法中使用的焊接电极。该方法包括使用位于焊接电极的主体内的插入件。插入件的使用最终提供了表现出改善的总强度和耐久性(包括改善的剥离强度)的焊接接头。这些改进被认为是由熔融铝合金焊池的所改变的固化行为引起的。首先，插入件由具有相对较高的电阻率的材料构成，其在电阻点焊中产生热量。插入件还保存铝工件内的热量，所述铝工件在电阻点焊期间与插入件接触。第二，在焊接电极(包括具有插入件的焊接电极)之间交换的DC电流由于插入件的相对较高的电阻率而呈现工件堆叠件中的锥形流动图案。与铝工件中的热量相比，锥形流动图案具有将热量集中在钢工件中的较小区域内的效果。

通过在其周围产生三维径向温度梯度，或通过扩大已经存在的三维径向温度梯度，产生的、保留的和集中的热量用于改变熔融铝合金焊池处的温度分布。这些温度梯度缓慢定向热流进入具有插入件的焊接电极，并且有助于促进侧向热传递。当其固化成为焊接接头的一部分时，所得到的改进的热平衡和更均匀的热分布改变了熔融铝合金焊池的冷却作用。

为了具有相对较高的电阻率，插入件能够由具有小于或等于国际退火铜标准(IACS)定义的商业纯退火铜的导电率的约65％的导电率的耐火材料构成。例如，插入件能够由钼金属、钼金属复合材料、钨金属或钨金属复合材料组成。此外，在焊接电极的焊接面处，插入件的表面构成与铝工件表面对表面接触的焊接面的一部分。同样，主体的表面构成焊接面的另一部分，其在电阻点焊中与铝工件进行表面对表面接触。

附图说明

图1是电阻点焊组件的侧视图；

图2是不使用如本发明中详述的插件通过电阻点焊工艺在铝合金工件和钢工件之间形成的代表性焊接接头的显微照片；

图3是在工件堆叠件上方的一对焊接电极的侧视图，其中一个焊接电极具有插入件的实施例，焊接电极和插入件以截面轮廓描绘以用于说明目的；

图4是在工件堆叠件上方的一对焊接电极的侧视图，其中一个焊接电极具有插入件的另一实施例，焊接电极和插入件以截面轮廓描绘以用于说明目的；

图5是具有图4的插入件的焊接电极的透视图；

图6描绘使用具有图4的插入件的焊接电极的电阻点焊过程的实施例的一部分；

图7类似于图6，但示出了固化的焊接接头；以及

图8是通过电阻点焊工艺使用如本发明中详述的插件的实施例的插入件在铝合金工件和钢工件之间形成的预期焊接接头的显微照片。

具体实施方式

本说明书中详细描述的方法和组件解决了当电阻点焊对包括一个或多个铝工件和一个或多个钢工件的工件堆叠件进行焊接时所遇到的几个挑战。虽然在下面更详细地进行描述，通常，所描述的方法和组件能够改变在铝工件内产生的熔融铝焊池的固化行为，以便限制或完全排除在钢和铝工件之间的接合界面处的缺陷的积聚和扩散。该方法和组件还能够最小化在接合界面处形成的任何Fe-Al金属间层的尺寸和厚度。这些措施共同或单独地有助于确保在铝和钢工件之间建立的焊接接头的足够的强度，特别是足够的剥离强度。虽然下面在车辆车身部件的背景下描述了方法和组件，但是本领域技术人员将知道并理解这样的方法和组件可以用于其它背景下，例如航空航天、船舶、铁路、建筑结构和工业设备应用等。

图1示出了电阻点焊组件10的一个示例，其能够用于对工件堆叠件12进行电阻点焊，所述工件堆叠件包括彼此重叠的钢工件14和铝工件16。虽然在图1中未示出，但是如果需要，工件堆叠件12可以包括附加工件，例如附加的铝工件(铝-铝-钢)或附加的钢工件(铝-钢-钢)，只要由相同的基底金属(即铝或钢)组成的这两个工件在堆叠件12中彼此相邻即可；即任何附加的铝工件设置为邻近铝工件16，并且任何附加的钢工件设置为邻近钢工件14。关于附加工件的特性，下面描述的钢工件14和铝工件16的描述适用于包括在工件堆叠件12中的任何附加的钢或铝工件。然而，应当注意，虽然使用相同的一般描述，但是不要求三个工件堆叠件的两个铝工件或两个钢工件在组成、厚度或形式(例如锻造或铸造)方面是相同的。钢和铝工件14、16可以在被组装到工件堆叠件12之前或之后被加工或变形，这取决于正被制造的零件和用于该特定零件的整个制造过程的细节。术语“工件”及其钢和铝变体在本说明书中广泛使用，是指轧制的金属板层、铸件、挤压件或任何其它可电阻点焊的件。

钢工件14包括涂覆或未涂覆(即，裸露)的钢基材。涂覆或未涂覆的钢基材可以是热轧或冷轧的，并且可以由多种钢中的任一种构成，包括低碳钢、无间隙钢、烘烤可硬化钢、高强度低合金(HSLA)钢、双相(DP)钢，复相(CP)钢、马氏体(MART)钢、转变诱发塑性(TRIP)钢、缠绕诱发塑性(TWIP)钢和压淬钢(PHS)。并且，如果涂覆，钢基材优选包括锌、锌-铁(合金化热镀锌)、锌-镍合金、镍、铝或铝硅合金的表面层。术语“钢工件”因此包括各种不同等级和强度的涂覆或未涂覆的钢基材，并且还包括已经经过诸如退火、淬火和/或回火的预焊接处理的那些，例如在加压淬火钢的生产中。此外，钢工件14具有在其焊接部位处获得的厚度，该厚度在约0.3mm和6.0mm之间，在约0.5mm和4.0mm之间，并且更窄地在约0.6mm和2.5mm之间，尽管其他的厚度尺寸也是可能的。

另一方面，铝工件16包括可以涂覆或未涂覆(即，裸露)的铝合金基材。铝基材可以由单质铝或包括至少85wt％铝的铝合金组成。可以构成涂覆或未涂覆的铝基材的一些著名的铝合金是铝-镁合金、铝硅合金、铝镁-硅合金或铝锌合金。如果涂覆，铝基材优选包括其天然耐火氧化物层的表面层，或者可选地，其可以包括锌、锡的表面层或由钛、锆、铬或硅的氧化物组成的金属氧化物转化涂层，如美国专利申请公开号2014/0360986中所述。此外，铝工件16具有在其焊接部位处获得的厚度，该厚度在约0.3mm和6.0mm之间，在约0.5mm和4.0mm之间，并且更窄地在约0.5mm和3mm之间，尽管其他的厚度尺寸也是可能的。

铝工件16的铝基材可以以锻造或铸造形式提供。例如，铝基材可以由4xxx、5xxx、6xxx或7xxx系列锻造铝合金片层、挤出件、锻件或其它加工制品组成。或者，铝基材可以由4xx.x、5xx.x、6xx.x或7xx.x系列铝合金铸件组成。可以构成铝基材的一些更具体种类的铝合金包括AA5754铝镁合金，AA6022铝镁-硅合金，AA7003铝-锌合金和Al 10Si Mg铝压铸合金。如果需要，铝基材可以进一步用于各种回火，包括退火(O)、应变硬化(H)和固溶热处理(T)。因此，术语“铝工件”包括单质铝和各种各样的铝合金基材，无论是涂覆的还是未涂覆的，以不同的可点焊形式包括锻造板层、挤压件、锻件等以及铸件，并且还包括已经经过诸如退火、应变硬化和固溶热处理等预焊接处理的那些。

仍然参考图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，其包括机械地和电气地构造成重复地形成电阻点焊的第一焊枪臂18和第二焊枪臂20。在一个示例中，第一焊枪臂和第二焊枪臂18、20安装在位于传送器或其它传送装置附近的机器人上，该传送器或其他传送装置被设置成将工件堆叠件12传送到附随的焊枪。不同类型的焊枪是适合的，包括C型和X型焊枪，以及其他类型。第一焊枪臂18具有固定第一焊接电极24的第一电极夹持器或柄22，同样地，第二焊枪臂20具有固定第二焊接电极28的第二电极夹持器或柄26。另外，如本领域中已知的，用于向第一焊接电极24和第二焊接电极28供应冷却水的机构通常并入第一焊枪臂18和第二焊枪臂20中并且并入第一电极夹持器22和第二电极夹持器26，以便在电阻点焊过程期间避免焊接电极24、28过热。

下面更详细地描述第一焊接电极24。第二焊接电极28可以是由合适的铜合金材料(例如通常称为C15000的铜-锆合金)组成的常规电极。也可以使用具有合适的机械性能和合适的导电和导热性能的其他铜合金组合物，以及本发明未明确列举的其他金属组合物。第二焊接电极28可以具有各种各样设计中的任何一种。一般而言，并参照图6，第二焊接电极28包括主体29和焊接面31。主体29优选地具有圆柱形形状。主体29的直径200可以在约12mm至22mm的范围内，或者更确切地在约16mm至20mm的范围内。焊接面31组成第二焊接电极28与钢工件14表面对表面接触的部分，并且部分地或完全地被压入钢工件14中。焊接面31的直径300可以在约3mm至16mm的范围内，或者更确切地在约4mm至8mm的范围内。焊接面31的外表面可以是如图6所示的圆顶形状，或者可以是平面的。如果焊接面31是圆顶形状，优选地是球形形状，曲率半径为约25mm至400mm，或更确切地约25mm至100mm。

重新参照图1，当进行电阻点焊时，焊枪臂18、20在焊接部位30处将它们各自的焊接电极24、28压靠在重叠工件14、16的相对侧和外表面15、17上，同时焊接电极24、28的焊接面37、31彼此交错并彼此对准。在焊接部位30处施加的夹紧力可以在约400磅(lb)至2，000磅的范围内，或者更确切地在约600lb至1，300lb的范围内。夹紧力可以足以开始将焊接电极24、28的焊接面37、31压入外表面15、17中，并形成第一接触片33(图6)和第二接触片35(图6)。参照图6，一旦焊接电极24、28在焊接部位30处被压靠在外表面15、17上，那么直流电流通过堆叠工件12并在焊接电极24、28的焊接面37、31之间流过。通常，通过的直流电流在更耐电耐热的钢工件14内以及在接合界面32处快速生成热量，从而使熔融铝合金焊池39在铝工件16内形成和增长。熔融铝合金焊池39浸湿钢工件14的相邻内表面19，并从接合界面32渗透入铝工件16。更确切地，熔融铝合金焊池39的穿透距离是铝工件16厚度400的20％至100％(即，完全穿透铝工件16)，该距离是在第一接触片33处在铝工件16的内表面21与铝工件16的外表面17之间测量出来的。

再次参照图1，可以通过由焊接控制器43控制的电源41输送直流电流，电流通过焊接电极24、28之间。尽管也可以采用其他类型的电源，但是电源41优选地是中频直接控制器(MFDC)逆变器电源，其与焊接电极24、28电连通。根据包括规定焊接程序的编程指令，焊接控制器43通过引导直流电流在焊接电极24、28之间交换的方式来控制电源41。直流电流的编程特性可以使直流电流具有恒定电流水平或者随时间脉冲，或两者的某种组合，并且通常要求电流水平从开始到结束大体保持在5kA至50kA之间，并持续40ms至2500ms的时间，以便使熔融铝合金焊池39增长到所需大小。

焊接电极24、28保持它们对堆叠工件12的外表面15、17的夹持力，直到停止通直流电流为止。在直流电流通过的这段时间内，第一和第二接触片33、35不成比例增长，因为铝工件16的熔点较低，其软化的程度比钢工件14大得多。因此，随着第一焊接电极24的焊接面37凹入软化的铝工件16，与第二焊接电极28相关的第二接触片35增长很少，而与第一焊接电极24相关的第一接触片33大大增长。例如，停止通直流电流后，外表面17中形成的第一接触片33的表面积通常大于外表面15中形成的第二接触片35的表面积，两者的比率为1.5:1至16:1，或更确切地为1.5:1至5:1。这种接触片尺寸的差异使直流电流以锥形流动模式通过堆叠工件12，钢工件14内的电流密度比铝工件16内的电流密度大，这可有助于提高最终焊接接头的完整性和剥离强度，如以下所详细描述。

焊接面37、31之间不再通直流电流后，熔融铝合金熔池39凝固成焊接接头45，其将铝工件16和钢工件14结合在一起，如图7所示。焊接接头45包括铝合金焊接熔核47以及通常一个或多个Fe-Al金属间层49。铝合金焊接熔核47跨越铝工件16的距离通常为铝工件16的厚度400的约20％至约100％(即，完全穿透)的范围内，该距离是在第一接触片33处在铝工件16的内表面21与铝工件16的外表面17之间测量出来的。Fe-Al金属间层49位于铝合金焊接熔核47和钢工件14的内表面19之间。当钢工件14仍然具有升高的温度时，Fe-Al金属间层49通常是由于在电流流动期间以及电流流动后的短时间内熔融铝合金焊池39和钢工件14之间反应而产生的。Fe-Al金属间层49可以包括FeAl₃、Fe₂Al₅和其他化合物，并且当在相同方向上测量时，作为厚度400的组合厚度(即，所有金属间层的总厚度)通常为约1μm至约5μm。

焊接电极24、28最终与它们各自的接触片33、35分离，以释放堆叠工件12。堆叠工件12现在可以相对于焊枪臂18、20重新定位，使得焊接电极24、28在重复点焊方法的另一个焊接部位处定位为轴向面向对准。或者，堆叠工件12可以从焊枪臂18、20移走，而不是重新定位，以便给需要电阻点焊的另一个相似堆叠工件腾出空间。焊接电极24、28与其各自的工件14、16分离后，第一接触片33的表面积比第二接触片35的表面积大得多，因为在电流流动期间，与第二焊接电极28的焊接面31凹入钢工件14的程度相比，第一焊接电极24的焊接面37凹入铝工件16的程度更大。

参照图6，接合界面32位于钢工件14和铝工件16之间，在面对和邻接工件14、16的内表面19、21处。术语“接合界面”在本发明中广泛使用，旨在包括工件14、16的内表面19、21之间直接和间接接触的情况。当内表面19、21物理地邻接并且没有被离散介质材料层隔开的情况下，它们彼此直接接触。当内表面19、21通过离散介质材料层隔开时，它们彼此间接接触，因此，不是直接接触中出现的界面物理邻接的类型，而是彼此足够接近，由此仍然可以实施电阻点焊。由于钢和铝工件14、16的内表面19、21之间间接接触，所以通常在堆叠工件12形成期间，在工件14、16彼此叠置之前，在内表面19、21之间施加任选的中间材料层(未示出)。

可存在于钢和铝工件14、16的内表面19、21之间的中间材料层是未固化但可热固化的结构粘合剂。这种中间材料的厚度通常为0.1mm至2.0mm，或更确切地为0.2mm至1.0mm，使通过中间层进行点焊很容易。结构粘合剂可以设置在钢和铝工件14、16的内表面19、21之间，以便在点焊之后，堆叠工件12可以在ELPO烘箱或其他装置中加热来固化粘合剂并在工件14、16之间实现辅助结合。可热固化结构粘合剂的合适具体示例是可热固化的环氧树脂，其可以包括填料颗粒，例如二氧化硅颗粒，用于在固化时改变粘合剂的粘度或其他机械性能。各种可热固化的环氧化物可从市场买到，包括DOW Betamate 1486、Henkel 5089和Uniseal 2343。其他类型的材料当然也可作为可热固化的结构粘合剂组成中间材料层。

图2示出了通过电阻点焊工艺形成的铝焊接熔核34的微结构，该电阻点焊工艺不使用以下所述的第一焊接电极24及其插入件，而使用一对通16千安(kA)电流超过500毫秒(ms)焊接时间的常规铜合金焊接电极。虽然在一些情况下可以不使用第一焊接电极24及其插入件而形成合适的焊接熔核，但是在该示例中，缺陷D已在接合界面32处出现并沿着接合界面32扩散。在其他可能的情况下，缺陷D可以包括缩孔、气孔、氧化物残渣和微裂纹。当存在并沿接合界面32分散时，已经发现缺陷D可以减少钢和铝工件14、16之间形成的焊接接头的剥离强度，可能负面地影响并削弱接头的整体完整性。此外，除了缺陷D之外，一个或多个Fe-Al金属间层(对于图2的微结构，清晰度太小)也与铝焊接熔核34一起被认为是焊接接头的一部分，可以在钢和铝工件14、16之间并在接合界面32处增长。Fe-Al金属间层可以由FeAl₃和Fe₂Al₅以及其他化合物组成，在这种情况下，它通常坚硬、易脆。同样，本发明中，如果允许Fe-Al金属间层过充增长，那么它可能对焊接接头的整体完整性产生负面影响。

不受特定因果理论的局限，目前认为缺陷D沿着接合界面32的累积和扩散很大程度上是由熔融铝焊池在它过渡到焊接熔核34的过程中发生凝固而导致的。也就是说，由于两种金属的物理性质不同，即钢的电阻和热阻比较大，所以在较热的钢工件14和较冷的铝工件16之间可能产生热不平衡。因此，钢作为热源，而铝作为热导体，在垂直方向上产生强的温度梯度，结果，随着来自熔融铝焊池的热量通过与铝工件16接触的水冷焊接电极被定向提取，熔融铝焊池从其外周边向接合界面32冷却和凝固。凝固前沿的路径和方向在图2中通常由箭头P表示，焊接熔核34的边界通常由虚线B表示。路径P指向接合界面32，更倾斜的边界B(相对于图8所示的边界B)是由朝向接合界面32凝固导致的。以这种方式定向，当凝固前沿沿路径P前进时，焊池缺陷D向接合界面32漫延或进行，终止于并沿着接合界面32。此外，最初位于铝工件16上的表面氧化物层变为夹带在焊接熔核34内，不被凝固前沿移向接合界面32而破坏；在接合界面32附近捕获的氧化物层碎片可以是缺陷的另一个根源。此外，目前认为，Fe-Al金属间层的增长至少部分是因为在电阻点焊过程中钢工件14的温度升高。

现在参照图3-6，为了限制并在一些情况下完全排除缺陷D在接合界面32处和沿着接合界面32累积和扩散，使用插入件36并使其位于第一焊接电极24的环绕主体38内。本文所使用的术语“插入件”并不一定意味着其所指的部件必须在构造第一焊接电极24的过程中物理地插入其合适的位置；相反，该部件可以通过插入或通过插入以外的技术定位在第一焊接电极24中，其中一些将在下面描述。

插入件36由耐火材料组成，该耐火材料的导电性小于或等于根据国际退火铜标准(IACS)规定的工业纯退火铜的导电性的约65％。根据IACS(也被称为100％IACS)的规定，工业纯退火铜的导电性为5.8×10⁷S/m。用于制造插入件36的耐火材料包括，至少35wt％，优选至少50wt％的主要耐火金属。在一个示例中，插入件36可以由主要耐火金属(100wt％主要耐火金属，尽管含有工业可接受的杂质)组成，例如钼金属或钨金属。在另一个示例中，插入件36可以由金属复合材料组成，例如钼金属复合材料或钨金属复合材料，包括大于35wt％的其主要耐火金属成分。在一个优选示例中，插入件36由钨铜金属复合材料组成，其包含，50wt％至90wt％的钨微粒相，钨微粒相分散在构成复合材料的剩余50wt％至10wt％的铜基质中。另一方面，环绕主体38可以由与第二焊接电极28相似的材料组成；也就是说，主体38可以由铜合金材料组成，该铜合金材料具有的导电性是根据IACS定义的商业纯退火铜(例如铜锆合金C15000)的导电性的80％或更大。因此，插入件36材料的导电性比环绕主体38的导电性低，也比第二焊接电极28的导电性低；由此，插入件36材料的电阻率比环绕主体38的电阻率高，也比第二焊接电极28的电阻率高。

如图所示，插入件36几乎完全位于主体38内的第一焊接电极24的构造可以以不同的方式实现，而且可以受插入件36的材料和主体38的材料影响。虽然这样构造，但插入件36和主体38之间的固定应该足够坚固，以承受在汽车制造应用及其他应用中常用的自动焊接操作。在一个示例中，插入件36和主体38通过两者之间的过盈配合固定在一起。插入件36的形状和尺寸与限定在主体38内部的孔40(图6)互补。在该示例中，插入件36具有圆柱形形状，并且孔40形成匹配的圆柱形腔，其他形状也仍适用。插入件36被用力按压通过孔40的开口端并进入孔40，直到插入件36和孔40的表面42、44(图3)彼此邻接并不再进一步插入。在另一个示例中，插入件36和主体38可以通过使用匹配的阴阳螺纹的螺纹接合而固定在一起。在又一个示例中，第一焊接电极24可以被构造为通过共挤出工艺具有插入件36和环绕主体38，其中主体38的材料围绕插入件36的材料挤出。不过，构造第一焊接电极24的其他方式也是适用的。

插入件36定位在主体38的中心区域处，因此构成第一焊接电极24的中心部分；或者插入件36可偏心地定位在主体38内。一旦就位，在附图中呈现的实施例中，在插入件36的外表面和孔40的内表面之间存在表面对表面邻抵和接触。参照图3，这包括表面42、44之间的表面对表面接触以及在插入件36的圆柱形外侧表面46和孔40的圆柱形内侧表面48之间的表面对表面接触。这些表面对表面接触可消除其间的任何明显的间隙和空间，并且可消除其间的任何中间和介入结构或材料。虽然在附图中并未示出，但插入件36可在主体38内具有轴向深度(即，图3中的垂直向上方向)，该轴向深度跨越装备在第一焊接电极24中的冷却机构或冷却凹窝并且与其邻抵和连通。然而，插入件36的轴向深度无需跨越冷却机构/凹窝，但同时仍构成第一焊接电极24在焊接面37和冷却机构/凹窝之间测得的轴向深度的相当大的比例。实际上，在一些示例中优选的是，主体38的一部分可使得插入件36分开而以免与任何冷却机构/凹窝的直接邻抵和连通，由此用作它们之间的屏障；将插入件36暴露于与冷却机构/凹窝相关联的焊接水环境会导致例如在主体38和插入件36之间出现不期望的电化腐蚀。在一示例中，插入件36的轴向深度可占据第一焊接电极24的在焊接面37和冷却机构/凹窝之间测得的轴向深度的大部分，并且能构成第一焊接电极24的在焊接面37和冷却机构/凹窝之间测得的轴向深度的大约51％至80％。在一个示例中，插入件36的轴向深度是大约10mm；当然，轴线深度的其它数值也是可能的。已发现插入件36的轴向深度有助于有益地影响所产生的熔融铝焊池的固化性能，例如下文更详细地阐述。插入件36的轴向深度在图5中由附图标记900指代。

具体地参照图5，第一焊接电极24的主体部分50在形状上是圆柱形的并且可在后端处具有可通入凹部(未示出)，用以联接于第一焊接电极22。主体部分50的直径500可以在约12mm至22mm的范围内，或者更确切地在约16mm至20mm的范围内。第一焊接电极24的焊接面37构成第一焊接电极24的与铝工件16形成表面对表面接触的部分，且该部分部分地或完全地压印到该铝工件上。焊接面37驻留在第一焊接电极24的前端处并且具有周缘600，该周缘与主体部分50的周缘700(称为“整面电极”)相一致，或者由过渡鼻部52从周缘700垂直地移位。如果实际上存在过渡鼻部52，周缘600、700就可如图中所示是平行的，或者可彼此偏移，藉此周缘600相对于周缘700倾斜。焊接面37可具有从周缘600升起的圆顶形状。焊接面37具有在其周缘600处测得的直径800，该直径可以在约6mm至20mm的范围内，或者更确切地在约8mm至12mm的范围内。焊接面37的圆顶形状可以是具有如下曲率半径的球形，该曲率半径可用在从约15mm至300mm的范围内、或者更确切地在约20mm至150mm的范围内、或者甚至更确切地在约20mm至50mm的范围内。附加地并且虽然并未在附图中示出，焊接面37可具有意图穿透形成在铝工件16的外表面17上的任何氧化层的表面特征。例如，如果期望的话，焊接面37可以是有纹理、粗糙的或者具有一组突出环。这些类型的表面特征的示例在美国专利号6,861,609；8,222,560；8,274,010；8,436,269；8,525,066；以及8,927,894中描述。

仍参照图5，插入件36位于主体38内，以使得插入件36的露出表面54构成焊接面37的与铝工件16进行表面对表面接触的部段。焊接面37的剩余部件由主体38的表面56构成。这样，焊接面37由第一部段58和第二部段60构成，该第一部段由插入件36的露出表面54限定，而该第二部段由主体38的表面56限定。第一部段58在形状上是圆形的并且具有插入件36的材料，用于在电阻点焊期间与铝工件16相接触。另一方面，第二部段60在形状上是环形的并且具有主体38的材料，用于在电阻点焊期间与铝工件16相接触。在图3的实施例中，插入件36具有与图4的插入件36的直径相比减小的直径，并且由此图3的插入件36具有相对较小的第一部段58和较大的第二部段60。插入件36在图3和4中的大小上的这些差别会影响所产生的熔融铝焊池的固化性能，例如下文更详细地阐述。

例如在图5的实施例中所示，第一部段58驻留在焊接面37的中心区域处，但这并非是必需的并且也可偏心地驻留在焊接面37处。第二部段60围绕第一部段58并且由此驻留在焊接面37的周界区域处。因此，焊接面37的整个表面积分成第一部段58的表面积和第二部段60的表面积。作为整个表面积的分配，第一部段58可占据焊接面37的大约5％和60％之间的整个表面积，而第二部段60可进而占据焊接面37的大约95％和40％之间的整个表面积。在尺寸方面，第一部段58可具有范围在大约7mm²和64mm²之间的总体表面积，而第二部段60可具有范围在大约50mm²和106mm²之间的总体表面积。仍然，其它示例可具有其它所占据的百分比并且可具有其他表面积尺寸。

例如所描述地那样，第一焊接电极24与插入件36的使用通过改变熔融铝合金焊池39的固化性能来排除缺陷D沿着接合界面32的积聚和传播。首先，由于插入件36的相对较低导电性，该插入件由于电阻点焊而产生热量。随着电流流过插入件36，会在该插入件中生成热量(电阻加热)，并且插入件36可通过从熔融铝合金焊池39的热传导而加热。由于插入件36所具有的导电性低于环绕主体38的导电性，因而插入件36内的热量可能高于环绕主体38处的热量。此外，由于插入件36具有相对较低的导热性(与传统的CuZr焊接电极相比)，因而插入件36内的热量无法容易地传递至环绕主体38。因此，插入件36保留位于插入件36和露出表面54下方并且与该插入件和露出表面相接触的铝工件16内的热量。否则，在缺少插入件36的情形下，所保留的热量不会发生。与环绕主体38下方并且与该环绕主体相接触的铝工件16相比，插入件36下方并且与该插入件相接触的铝工件16内的热量得以保留较长的时间段。所保留的热量通过围绕熔融铝合金焊池39产生三维径向温度梯度或者扩大已存在的三维径向温度梯度来改变焊接部位30内的温度分布。这些温度梯度减缓从熔融铝合金焊池39到第一焊接电极24中的定向热量流动，并且有助于促进钢和铝工件14、16内的侧向热传递和传播。在熔融铝合金焊池39固化成焊接接头45时，所产生的热量分布改变该熔融铝合金焊池的冷却作用。

其次，在电流流动下，在第一和第二焊接电极24、28之间交换的DC电流在钢和铝工件14、16内并且在第一焊接电极24处围绕插入件36呈现锥形流动型式(该锥形流动型式示意地并且大体在图6中由附图标记62指代的带箭头的线表示)。由于环绕主体38的材料具有比插入件36的材料较低的导电性，因而通过的电流自然地倾向于流过由主体38的材料所限定的环形第二部段60。这意指，与经由插入件36相比，经由主体38在第一焊接电极24中交换较大的电流量。如上所述，锥形流动型式62部分地由于第一接触片33在铝工件16处的表面积在尺寸上大于第二接触片35在钢工件14处的表面积而产生。例如由带箭头的线62所示，使得电流通过的路径从第二焊接电极28的焊接面31朝向第一焊接电极24的焊接面37径向地扩张，以使得与在铝工件16中相比，电流密度在钢工件14中较大。与铝工件16相比，电流密度上的差异使得热量在钢工件14内部的较小区域内聚集。所聚集的热量围绕熔融铝合金焊池39产生三维径向温度梯度，或者扩大围绕该熔融铝合金焊池的已存在的三维径向温度梯度，且由此有助于促进从熔融铝合金焊池39到钢和铝工件14、16中的侧向热传递和传播。

如所描述地那样，所产生并保留且聚集的热量用于通过围绕熔融铝合金焊池39产生三维径向温度梯度或者扩大围绕该熔融铝合金焊池的已存在三维径向温度梯度来改变焊接部位30内的温度分布。这些温度梯度减缓进入第一焊接电极24的定向热量流动并且有助于促进侧向热传递和传播。随着熔融铝合金焊池39固化以变位铝合金焊接熔核47，所产生的改进热平衡和更均匀的热量分布改变熔融铝合金焊池的冷却作用。图8示出期望的铝焊接熔核64的微结构，该铝焊接熔核通过使用具有插入件36的第一焊接电极24并且使用第二焊接电极28的电阻点焊形成。代替固化前沿如图2所示并且如上所述朝向接合界面32传播，插入件36的效应致使熔融铝合金焊池39从其外周界向内朝向中心区域冷却并固化。固化前沿的路径和方向在图8中通常由箭头P表示，且铝焊接熔核64的边界由虚线B表示。路径P由于交替的固化路径而指向铝焊接熔核64的中心区域，该固化路径于是将焊池缺陷D朝向铝焊接熔核64牵拉或扫掠，在此它们在接合界面32处聚结并沉淀(与广泛地散布相比)，或者如图8所示从接合界面32偏移。边界B比图2中示出的边界相对于接合界面32更正交地指向，这也是交替温度梯度和所产生的固化路径的结果。

更进一步地，图3和4的不同尺寸插入件36可在熔融铝合金焊池39的冷却和固化上具有细微差别的效果，同时仍排除缺陷D在接合界面32处并且沿着该接合界面的积聚和传播，如前在图2中所观察到的。在图3中，减小直径的插入件36导致程度更大的径向指向的冷却和固化，其将缺陷D更大程度地朝向产生的铝焊接熔核的中心牵拉和扫掠，在此，它们更大程度地靠近接合界面32聚结和沉淀，当前认为这是由于与图4的插入件36相比所产生并且保留的减小热量所引起的。在图4中，另一方面，增大直径的插入件36导致更大程度的轴向指向的冷却和固化，其将缺陷D更大程度地垂直地朝向(如图4中所示)插入件36并且远离接合界面32牵拉和扫掠，当前认为这是由于与图3的插入件36相比所产生并保留的增大热量所引起的。此外，在DC电流停止之后并且在焊接面37仍保留热量的同时，刚刚在图3、4和8中描述并示出的熔融铝合金焊池39的固化性能可通过保持焊接面37和第一部段58与铝工件16的外表面17受压接触而增大。

产生、保留并且聚集热量的能力也可减少为了启动和生长熔融铝合金焊池39而需要由DC电流在钢工件14中产生的热量。因此，DC电流的幅值和/或持续时间可减小，以视图并且限制可能在焊接接头45内和在接合界面32处形成的任何Fe-Al金属间层的厚度。由于这一切，焊接接头45可能表现出良好的总体强度和耐久性，包括当经受标准剥离强度测试时足够的剥离强度。

最后，第一焊接电极24和插入件36具有又一工作优点，其源自插入件36的耐火基材料的相对较高熔融温度。确切地说，甚至在接近铝工件16的熔点的温度下的许多快速电阻点焊事件的过程中，焊接面37的第一部段58对于在铝工件16内发现的铝合金组分是相当惰性的。例如，第一部段58并不容易地与铝合金冶金地起反应以形成金属间化合物、氧化物和/或其它污染物，它们如果产生且并未移除的话就会具有剥落或在焊接面37中形成凹坑的倾向。因此，例如与传统的铜-锆焊接电极相比，第一焊接电极24可在校正操作期间承受更多的电阻点焊事件，这可有助于与其它更传统的铜合金焊接电极相比、最大化并且延长第一焊接电极24的操作寿命。

优选示例性实施例和相关示例的上文描述仅仅在本质上是说明性的；它们并不意图限制以下权利要求的范围。应赋予所附权利要求中使用的每个术语普通且习惯的含义，除非在说明书中另有具体地且明确地陈述。

Claims (10)

1.一种对钢工件和铝或铝合金工件进行电阻点焊的方法，所述方法包括：

提供工件堆叠件，所述工件堆叠件包括钢工件和铝或铝合金工件；

使所述铝或铝合金工件与第一焊接电极的第一焊接面接触，所述第一焊接电极具有主体和插入件，所述主体由第一材料构成而所述插入件由第二材料构成，所述第二材料所具有的导电性大于所述第一材料的导电性，所述第一焊接面具有由所述插入件的表面限定的第一部段和由所述主体的表面限定的第二部段，所述第一和第二部段与所述铝或铝合金工件形成表面对表面接触；

使得所述钢工件与第二焊接电极的第二焊接面接触；以及

使得直流(DC)电流通过所述第一焊接电极和所述第二焊接电极之间。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述插入件的第二材料是耐火基材料，所述耐火基材料所具有的导电性小于或等于根据国际退火铜标准(IACS)限定的商业纯退火铜的导电性的约65％。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述插入件的第二材料包括至少35wt％的元素耐火金属。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二材料是钼金属、钼金属复合材料、钨金属或钨金属复合材料。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述插入件具有轴向深度，所述轴向深度构成所述第一焊接电极在所述第一焊接面和所述第一焊接电极的冷却凹窝之间获取的轴向深度的大部分。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述插入件具有轴向深度，所述轴向深度构成所述第一焊接电极在所述第一焊接面和所述第一焊接电极的冷却凹窝之间获取的轴向深度的大约50％至80％。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一焊接面的所述第一部段占据所述第一焊接面的总体表面积的大约5％至60％。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，与流过所述第一焊接面的所述第一部段的直流(DC)电流流动相比，直流(DC)电流更容易地流过所述第一焊接面的所述第二部段，其中，所述直流(DC)电流在所述工具堆叠件中呈现锥形流动型式。

9.一种用于电阻点焊的焊接电极，所述焊接电极包括：

主体，所述主体由第一材料构成，所述第一材料是铜基合金；

插入件，所述插入件至少部分地位于所述主体内，所述插入件由第二材料构成，所述第二材料是钼金属、钼金属复合材料、钨金属或钨金属复合材料，所述第二材料所具有的导电性大于所述第一材料的导电性，所述插入件具有轴向深度，所述轴向深度构成所述焊接电极在所述焊接电极的焊接面和所述焊接电极的冷却凹窝之间获取的轴向深度的大部分；以及

所述焊接面具有由所述插入件的表面限定的第一部段和由所述主体的表面限定的第二部段，其中，所述第一部段占据所述焊接面的总体表面积的大约5％至60％。

10.根据权利要求9所述的焊接电极，其中，所述插入件的轴向深度构成所述焊接电极在所述焊接电极的焊接面和所述焊接电极的冷却凹窝之间获取的轴向深度的大约51％至80％。