CN107303623A - 异种金属工件的外部热辅助焊接 - Google Patents

Abstract

公开了一种对包括铝工件和相邻重叠钢工件的工件堆叠进行电阻点焊的方法。该方法使用位于铝工件附近的第一焊接电极和位于钢工件附近的第二焊接电极以实现点焊过程。为了正面影响最终形成的焊接接头的强度，可以在电流在第一与第二焊接电极之间通过之前或之后，或者在之前和之后，通过与第一焊接电极以成热传递关系设置的外部加热源向第一焊接电极供应外部热量，以在铝工件内产生熔融铝焊池。

Description

异种金属工件的外部热辅助焊接

技术领域

本发明的技术领域总体涉及电阻点焊，更具体而言涉及对铝工件和相邻重叠钢工件的电阻点焊。

背景技术

电阻点焊是由多个行业使用的用于将两个或更多个金属工件接合在一起的工艺。例如，汽车行业在车辆封闭件(例如，门、发动机罩、行李箱盖或升降门)以及车身结构(例如，车身侧面和横梁)等的制造过程中常常使用电阻点焊将金属工件接合在一起。通常沿着金属工件的外围边缘或一些其他结合区域形成多个焊点，以确保该部件在结构上是良好的。虽然点焊通常被实施为将某些组成类似的金属工件(例如钢对钢和铝对铝)接合在一起，但是将重量较轻的材料并入车身结构的愿望已经引起了人们的兴趣，即通过电阻点焊将钢工件接合到铝工件。其他制造行业，包括航空、海事、铁路以及建筑行业也有兴趣开发用于接合这样的异种金属工件的高效且可重复的过程。

电阻点焊依赖于电流流动通过重叠的金属工件并穿过其贴合界面的阻力来产生热量。为了实施这样的焊接工艺，将一组正式相对的点焊电极夹紧在工件堆叠的相对两侧的对准点上，工件堆叠通常包括以重叠构造布置的两个或更多个金属工件。然后，电流从一个焊接电极通过金属工件流到另一个焊接电极。该电流的流动的阻力在金属工件内及其贴合界面处产生热量。当工件堆叠包括铝工件和相邻重叠钢工件时，在这些异种金属工件的贴合界面处及整块材料内产生的热量在铝工件内引发并生长熔融铝焊池。熔融铝熔池润湿钢工件的相邻贴合表面，并且当电流停止时，固化成将两个异种工件结合在一起的焊接接头。

然而，在实践中，将钢工件点焊到铝工件是具有挑战性的，因为这两种金属的许多特性可能不利地影响焊接接头的强度，最明显的是剥离强度和交叉拉伸强度。一方面，铝工件通常包含机械坚韧、电绝缘且自愈合耐火的氧化物表面层。氧化物层通常由氧化铝化合物组成，但当铝工件包含含镁铝合金时，也可存在其他氧化物化合物，例如氧化镁化合物。作为其物理性能的结果，耐火氧化物表面层具有在铝和钢工件的贴合界面处保持完整的趋势，其不仅阻碍了熔融铝焊池润湿钢工件的能力，而且提供了近表面缺陷的源。表面氧化物层的绝缘性质也提高了铝工件的电接触电阻(即，在工件/电极接合处)，从而难以有效地控制和集中铝工件内的热量。

除了耐火氧化物表面层提出的挑战之外，铝工件和钢工件也具有不同的性能，其可能不利地影响焊接接头的强度和性能。具体地，铝具有相对较低的熔点(～600℃)和相对较低的电阻和热电阻，而钢具有相对较高的熔点(～1500℃)和相对较高的电阻和热电阻。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，使得钢工件(较高温度)与铝工件(较低温度)之间存在热不平衡。在电流流动期间产生的热不平衡和铝工件的高导热性的组合，意味着在电流停止之后立即发生热量从焊接部位不对称地扩散的情况。相反，热量从较热的钢工件通过铝工件传导到在铝工件另一侧的焊接电极，这在该方向上产生了陡峭的热梯度。

钢工件与在铝工件另一侧上的焊接电极之间的陡峭热梯度的形成被认为以两种方式削弱了所得的焊接接头。首先，由于钢工件在电流流动停止之后保持热量通过比铝工件更长的持续时间，所以熔融铝焊池定向固化，从紧邻铝工件最靠近较冷的焊接电极(通常是水冷却)的区域开始，并朝向贴合界面传播。这种固化的前沿，倾向于在已经存在氧化膜残留缺陷的焊接接头内朝向并沿着贴合界面伸展或驱动缺陷(诸如气孔、缩孔和微裂纹)。第二，钢工件中持续的高温促使在与钢工件的相邻贴合表面相邻的焊接接头内形成硬脆的Fe-Al金属间化合物层。焊接缺陷的分散以及Fe、Al金属间化合物层的过度生长往往降低焊接接头的剥离和交叉拉伸强度。

鉴于上述挑战，先前对铝工件和钢工件进行点焊的努力采用了规定较高电流、较长焊接时间或两者(与点焊钢对钢相比)的焊接工艺，以试图获得合理的焊接结合区域。这样的努力在制造环境中基本上是不成功的，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，因此替代地主要使用诸如自穿孔铆钉和流动钻螺丝等机械紧固件。然而，与点焊相比，机械紧固件需要更长的时间才能放置到位，并且具有高消耗性成本。它们还增加了车辆重量(这重量在通过点焊方式实现接合时是可以避免的)，这抵消了通过首先使用铝工件所获得的一些重量节约。因此，使得工艺更能够接合钢和铝工件的点焊的进展将成为本领域的受欢迎的进展。

发明内容

包括铝工件和相邻重叠钢工件加上一个或多个可选的铝和/或钢工件的工件堆叠可以经历电阻点焊以形成将铝和钢工件焊接结合在一起的焊接接头。工件堆叠包括由铝工件表面提供的第一侧面和由钢工件表面提供的第二侧面。为了便于点焊，第一焊接电极被压靠在邻近该对相邻铝和钢工件中的铝工件的堆叠的第一侧面上，同样地，第二焊接电极被压靠在邻近该对相邻铝和钢工件中的钢工件的堆叠的第二侧面上。第一焊接电极和第二焊接电极可以构造为彼此相同或不同。

第一焊接电极被从外部加热源供应热量，以积极地影响将铝和钢工件焊接结合在一起的焊接接头的强度。在第一焊接电极与第二焊接电极之间通过电流之前和/或之后，可以向第一焊接电极供应外部热量，以帮助抵消当电流通过焊接电极之间并通过工件堆叠以形成焊接接头时在该对相邻的铝和钢工件之间产生的热不平衡。特别地，可以向第一焊接电极供应外部热量，以实现以下目的：(1)在电流通过第一焊接电极与第二焊接电极之间之前将第一焊接电极加热到高温，(2)在通过第一焊接电极与第二焊接电极之间的电流停止之后，将第一焊接电极维持在保持温度，从而防止铝工件内产生的熔融铝焊池的完全固化，直到钢工件的温度已经冷却至铝工件的熔点(即，固相线温度)以下，或者(3)执行上述两种动作。

在某些时间段内使用外部加热源向第一焊接电极供应热量被认为以几种方式增强焊接接头的强度(最明显的是剥离强度和交叉拉伸强度)。例如，当第一焊接电极的焊接面被压靠在工件堆叠的第一侧面上时，把第一焊接电极加热到高温将把热量传导入铝工件，从而减少需要通过在第一和第二焊接电极的焊接面之间通过电流来产生的热量。结果，可以使在焊接接头内沿着钢工件形成的脆性Fe-Al金属间化合物层的生长和厚度最小化。此外，在电流的传递停止之后，通过将第一焊接电极维持在保持温度以防止熔融铝焊池的完全固化直到钢工件冷却，抑制了从钢工件到第一焊接电极的热传递，从而促进了来自铝和钢工件的平面内的熔融铝焊池的横向热传递。这种热分布导致熔融铝焊池以使焊接缺陷朝向焊接接头中心的方式固化，在那里它们不太可能影响接头的强度和机械性能。

附图说明

图1是工件堆叠的一个实施例的总截面图，该工件堆叠包括铝工件和相邻重叠钢工件，其在准备电阻点焊时位于一组相对的焊接电极之间；

图2是图1所示的工件堆叠和该组相对焊接电极的一部分的分解视图；

图3是工件堆叠的另一实施例的总截面图，该工件堆叠包括位于一组相对的焊接电极之间的铝工件和相邻重叠钢工件，但是这里工件堆叠包括附加铝工件(即，两个铝工件和一个钢工件)；

图4是工件堆叠的又一实施例的总截面图，该工件堆叠包括位于一组相对的焊接电极之间的铝工件和相邻重叠钢工件，但是这里工件堆叠包括附加的钢工件(即，一个铝工件和两个钢工件)；

图5描绘了工件堆叠和该组相对焊接电极的主视图，以及与限定于每一个焊接电极的电极主体内的冷却腔相关的细节；

图6描绘了工件堆叠和该组相对焊接电极的主视图，以及与被布置为与焊接电极成热传递关系的外部加热源的一个实施例相关的细节，该焊接电极位于铝工件附近，该铝工件与钢工件相邻；

图7是在电流通过相对焊接电极的焊接面之间并通过堆叠期间工件堆叠(截面)和该组相对焊接电极的总视图，其中电流的传递已导致与钢工件相邻的铝工件熔融，并且在铝工件内产生熔融铝焊池；

图8是当通过相对焊接电极的焊接面之间并通过堆叠的电流的停止之后工件堆叠(截面)和该组相对焊接电极的总视图，因此允许熔融铝焊池固化成将这对相邻的铝和钢工件焊接结合在一起的焊接接头；

图9例示了熔融铝熔池中的固化前沿的方向，其从最靠近位于铝工件附近的较冷焊接电极的点朝着钢工件的贴合表面固化，如传统点焊做法中常见的，并未采用所公开方法的特征；

图10例示了熔融铝熔池中固化前沿的方向，由于使用了所公开方法的特征而从其外边缘朝向其中心固化；

图11描绘了被布置为与焊接电极成热传递关系的外部加热源的替代实施例的主视图，该焊接电极位于铝工件附近，该铝工件与钢工件重叠并相邻；以及

图12描绘了被布置为与焊接电极成热传递关系的外部加热源的又一替代实施例的主视图，该焊接电极位于铝工件附近，该铝工件与钢工件重叠并相邻。

具体实施方式

图1至图12示出了本发明的将铝工件和相邻重叠钢工件电阻点焊的方法的优选和示例性实施例。所公开的方法通过在电流流动期间当必要时从外部源向位于铝工件附近的焊接电极供应热量来试图抵消在铝工件与钢工件之间自然产生的热不平衡。向焊接电极的铝侧引入外部热量，在需要时，可以结合限制或停止通过电极的冷却流体流来实施。在电阻点焊工艺过程中，通过在特定时间向焊接电极的铝侧供应热量，可以禁止Fe、Al金属间化合物层的生成，和/或可以改变在铝工件内产生的熔融铝熔池的固化行为，以使最终形成的焊接接头的结合面处和钢工件处以及沿着其的焊接缺陷的广泛传播最小化。这些效果中的每一个都被认为增强了焊接接头的强度。

现在参照图1至图4，示出了根据所公开方法的准备电阻点焊的工件堆叠10。工件堆叠10包括至少铝工件12和钢工件14，其在焊接部位16处重叠并彼此相邻。实际上，如将在下面更详细描述的，所公开的点焊方法可广泛应用于包括相邻铝工件12和钢工件14的多种工件堆叠构造上。例如，工件堆叠10可以仅包括铝工件12、钢工件14两个，或者它可以包括附加的铝工件(铝-铝-钢)或附加的钢工件(铝-钢-钢)，只要相同基底金属组成的两个工件在堆叠10中被布置为彼此相邻。工件堆叠10甚至还可以包括超过三个工件，例如铝-铝-钢-钢堆叠、铝-铝-铝-钢堆叠或铝-钢-钢-钢堆叠。

在图1中例示了工件堆叠10，连同以机械方式并且电配置在焊枪22(部分示出)上的第一焊接电极18和第二焊接电极20。工件堆叠10具有由铝工件表面26提供的第一侧面24以及由钢工件表面30提供的第二侧面28。工件堆叠10的两个侧面24、28在焊接部位16处分别可到达第一焊接电极18和第二焊接电极20的组；也就是说，第一焊接电极18被设置为接触并压靠工件堆叠10的第一侧面24，而第二焊接电极20被设置为接触并压靠第二侧面28。虽然图中仅描绘了一个焊接部位16，但是技术人员应了解，根据所公开的方法可以在相同堆叠10上的多个不同焊接部位16处实施点焊。图2以分解形式例示了工件堆叠10和相对的点焊电极18、20，以便便于描述所公开的方法。

铝工件12包括涂层或未涂层的铝基板。铝基板可以由非合金铝或包括至少85％(重量)的铝的铝合金组成。可能构成涂层或未涂层的铝基板的一些著名的铝合金为铝镁合金、铝硅合金、铝镁硅合金以及铝锌合金。如果涂层了，则铝基板可以包括由氧化铝化合物以及可能的其他氧化物(例如，在铝基板为铝镁合金时，氧化镁化合物)组成的耐火氧化物材料的表面层。铝基板还可以涂覆有锌、锡或由钛、锆、铬或硅的氧化物组成的金属氧化物转化涂层，如美国专利出版物第2014/0360986号中所描述的。表面层可以具有范围从1nm至10μm的厚度，并且可以呈现在铝基板的每个侧面上。考虑到铝基板的厚度以及可能呈现的任意可选表面层，铝工件12至少在焊接部位16处具有范围从0.3mm至约6.0mm，或者更窄地从0.5mm至3.0mm的厚度120。

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，锻造或其他加工制品组成。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特定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铝模具铸造合金。如果需要，铝基板还可以用于各种情形，包括退火(O)、应变硬化(H)和固溶热处理(T)。

钢工件14包括来自各种各样强度和等级中的任一种涂层或未涂层的钢基板。钢基板可以是热轧或冷轧的，并且可以由诸如软钢、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)钢和硼钢(例如当钢工件14包括加压硬化钢(PHS)时)的钢组成。如果有涂层，则钢基板优选包括锌(例如，热浸镀锌或电镀锌)、锌铁合金(例如，合金化热镀锌)、锌镍合金、镍、铝、铝镁合金、铝锌合金或铝硅合金的表面层，其中任何一种都可以具有至多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以及可能呈现的任意可选表面层，钢工件12至少在焊接部位16处具有范围从0.3mm至约6.0mm，或者更窄地从0.6mm至2.5mm的厚度940。

在图1所示的“2T”堆叠实施例的情况下，当两个工件12、14堆叠在一起用于点焊时，铝工件12和钢工件14分别呈现工件叠层10的第一侧面24和第二侧面28。特别地，铝工件12包括贴合表面32和后表面34，同样地，钢工件14包括贴合表面36和后表面38。两个工件12、14的贴合表面32、36彼此重叠并且相互面对，以建立延伸通过焊接部位16的贴合界面40。另一方面，铝工件12和钢工件14的后表面34、38在焊接部位16处在相反的方向上彼此相离，并且分别构成工件堆叠10的第一和第二侧面24、28的铝工件表面26和钢工件表面30。

在本发明中广泛使用术语“贴合界面40”，并且旨在包括可以实施电阻点焊的工件12、14的贴合表面32、36之间的任意重叠和面对的关系。例如，贴合表面32、36可以彼此直接接触，使得它们物理上邻接并且不被离散的中间材料层分离。作为另一实例，贴合表面32、36可以彼此间接接触，例如当它们被离散的中间材料层分离时，并且因此不经历在直接接触中发现的这种界面物理邻接，但是彼此足够接近，使得仍然可以实施电阻点焊。铝和钢工件12、14的贴合表面32、36之间的这种间接接触通常是当在对工件堆叠10进行点焊之前在贴合表面32、36之间施加中间有机材料层42(图2而非图1所示)时产生。

可以呈现在铝工件12与钢工件14的贴合表面32、36之间的中间有机材料层42通常是包括结构热固性粘合剂基质的粘合剂层。结构热固性粘合剂基质可以是任意可固化结构粘合剂，包括例如可热固化环氧树脂或可热固化聚氨酯。可以用作粘合剂基质的可热固化结构粘合剂的一些特定实例包括DOW Betamate 1486、Henkel 5089以及Uniseal 2343，所有这些都是商业可得的。另外，粘合剂层还可以包括可选的填料颗粒例如二氧化硅颗粒，散布于整个热固性粘合剂基质中，以在固化时改变粘合剂基质的粘性和其他机械性能。在其他实施例中，中间有机材料层42可以是密封剂或消声材料。中间有机材料层42优选地具有通过焊接部位96的0.1mm至2.0mm，或者更窄地从0.2mm至1.0mm的厚度。

中间有机材料层42(如果存在的话)在电流流动期间可以以在焊接部位16处获得的温度和电极夹持压力被相当容易地点焊通过。在点焊条件下，层42的有机材料在由焊接电极18、20施加的高压缩力下首先横向移位，并且层42的任意剩余部分在电流流动期间在部位16内被燃尽，从而仅留下残留材料(例如，碳灰、填料颗粒等)在钢工件14的贴合表面36附近。然而，在焊接部位16之外，中间有机材料层42一般保持不受影响，并且能够提供其预期功能。例如，当中间有机材料层42是粘合剂层时，可以在焊接部位16之外和周围获得铝工件12和钢工件14的贴合表面32、36之间的附加结合。为了实现这样的附加结合，工件堆叠10可以在ELPO烘烤炉或其他加热装置中加热，随后进行点焊以固化粘合剂层的结构热固性粘合剂基质，该粘合剂层在焊接部位16周围在铝工件12与钢工件14之间仍然完好。

当然，如图3至图4所示，工件堆叠10不限于包括仅一对铝工件12和钢工件14。工件堆叠10还可以包括至少一个附加铝工件或附加钢工件(除了相邻的这对铝工件12和钢工件14之外)，只要附加工件布置为与相同基底金属组成的工件12、14相邻。也就是说，任意附加铝工件被布置为与铝工件12相连，并且任意附加钢工件被布置为与钢工件14相邻。至于附加工件的特征，以上提供的对铝工件12和钢工件14的描述可适用于可以包括在堆叠10中的任意附加铝或钢工件。但是，应当注意，虽然相同的一般性描述适用，但是并不要求附加铝工件和/或附加钢工件在组成、厚度或形成(例如，锻造或铸造)方面分别与工件堆叠10内彼此紧靠的铝工件12和钢工件14完全一样。

例如，如图3所示，工件堆叠10可以包括如上所述的相邻铝工件12和钢工件14，以及附加铝工件44。这里，如所示的，附加铝工件44与相邻的铝和钢工件12、14重叠，并且紧靠着铝工件12。当附加铝工件44这样放置时，钢工件14的后表面38构成了提供工件堆叠10的第二侧面28的钢工件表面30，如之前一样，而与钢工件14相邻的铝工件12现在包括一对相对的贴合表面32、46。面对钢工件14的贴合表面36的铝工件12的贴合表面32继续形成两个工件12、14之间的贴合界面40，如先前描述的。铝工件12的另一贴合表面46重叠并面对附加铝工件44的贴合表面48。这样，在重叠的工件12、14、44的这种特定布置下，附加铝工件44的后表面50现在构成了提供堆叠工件10的第一侧面24的铝工件表面26。

在另一实例中，如图4所示，工件堆叠10可以包括如上所述的相邻铝工件12和钢工件14，以及附加钢工件52。这里，如所示的，附加钢工件52与相邻的铝和钢工件12、14重叠，并且紧靠着钢工件14。当附加钢工件52这样放置时，铝工件12的后表面34构成了提供工件堆叠10的第一侧面24的铝工件表面26，如之前一样，而与铝工件12相邻的钢工件14现在包括一对相对的贴合表面36、54。面对铝工件12的贴合表面32的钢工件14的贴合表面36继续形成两个工件12、14之间的贴合界面40，如先前描述的。钢工件14的另一贴合表面54重叠并面对附加钢工件52的贴合表面56。这样，在重叠的工件12、14、52的这种特定布置下，附加钢工件52的后表面58现在构成了提供堆叠工件10的第二侧面28的钢工件表面30。

现在参照图1，第一焊接电极18和第二焊接电极20用于使电流通过工件堆叠10并穿过焊接部位16处的相邻铝和钢工件12、14的贴合表面40，而不论是否存在附加铝和/或钢工件。焊接电极18、20中的每一个都由焊枪22支撑，焊枪22可以是包括C类型枪或X类型枪的任何适合类型。点焊操作可能要求将焊枪22安装到能够使焊枪22根据需要围绕工件堆叠10移动的机器臂上，或者它可能要求焊枪22被设置在固定的基座上，在后一种情况下工件堆叠10被操纵并相对于焊枪22移动。另外，如这里示意性地例示的，焊枪22可以与电源60相关联，电源60根据由焊接控制器62管理的程序化焊接排程在焊接电极18、20之间传送电流。焊枪22还可以装配有冷却剂管线及关联的控制装置，以便在点焊操作期间向焊接电极18、20中的每一个传送冷却流体(例如水)。

焊枪22包括第一枪臂64和第二枪臂66。第一枪臂64装配有柄68，其固定并保持第一焊接电极18，并且第二枪臂66装配有柄70，其固定并保持第二焊接电极20。将焊接电极18、20固定保持在其相应的柄68、70上可以通过位于柄68、70的轴自由端处的柄适配器72、74来实现。在它们相对于工件堆叠10的位置方面，第一焊接电极被设置为与堆叠10的第一侧面24接触，并且因此，第二电极20被设置为与堆叠10的第二侧面28接触。第一和第二焊枪臂64、66可操作以使焊接电极18、20朝向彼此收缩或夹紧，并且在电极18、20与和其相应的工件堆叠侧面24、28接触时在焊接部位16处向工件堆叠10施加夹紧力。

第一和第二焊接电极18、20可以被构造为彼此类似或不同，并且可采用各种各样的电极设计。如图2和图5所示，第一焊接电极18包括支撑第一焊接面78的电极主体76，并且可选地包括将第一焊接面78从电极主体76向上移位的过渡突起80。第一焊接电极18的电极主体76限定了内凹部82，其在与第一焊接面78相对的主体76的端部打开。这个内凹部82可接近并容纳与第一枪臂64的柄68相关联的柄适配器72。第二焊接电极20被构造为与第一焊接电极18类似，并且因此包括支撑第二焊接面86的电极主体84，并且可选地包括将第二焊接面86从电极主体84向上移位的过渡突起88。第二焊接电极20的电极主体84还限定了内凹部90，其在与第二焊接面86相对的主体84的端部打开。这个内凹部90可接近并容纳与第二枪臂66的柄70相关联的柄适配器74。

可以实施广范围的电极焊接面设计用于焊接电极18、20。例如，第一和第二焊接面78、86中的每一个都可以具有范围从3mm至20mm的最宽尺寸的直径，第一焊接面78优选地具有范围从6mm至20mm，或者更窄地8mm至15mm的直径，并且第二焊接面86优选地具有范围为3mm至16mm，或者更窄地4mm至8mm的直径。另外，第一焊接面78包括第一基底焊接面表面92，第二焊接面86包括第二基底焊接面表面94，并且第一和第二基底焊接面表面92、94中的每一个都可以是平面的或球面穹形的。如果是半球穹形的，则基底焊接面表面92、94可以具有范围从15mm至400mm的曲率半径，其中第一基底焊接面表面92优选地具有范围从15mm至300mm，或者更窄地20mm至50mm的曲率半径，并且第二基底焊接面表面94优选地具有范围从25mm至400mm，或者更窄地25mm至100mm的曲率半径。此外，第一和第二基底焊接面表面92中的每一个都可以是光滑的、粗糙的，或者可以包括一系列直立的圆形脊的同心环，圆形脊例如美国专利第8,222,560号、第8,436,269号、第8,927,894号或者美国专利出版物第2013/0200048号中所公开的脊。

第一和第二焊接电极18、20被装配为在点焊操作期间接收冷却流的流，如图5中所最佳例示的。实际上，现在参照第一焊接电极18，当第一焊接电极18保持在与第一枪臂64的柄68相关联的柄适配器72上时，电极主体76的内凹部82的远端区域(其邻近第一焊接面78)构成了冷却腔96。特别地，柄适配器72包括外壳体98和延伸通过外壳98的冷却流体供应管100。冷却流体供应管100可操作以将冷却流体(优选为水)的流104引入冷却腔96中。冷却流体流104通过冷却腔96并通过内孔102的环形回流通道106最终离开冷却腔96，该环形回流通道106与冷却腔96流体连通并围绕冷却流体供应管100。通过第一焊接电极18的冷却流体流104可以被设置为从当流104停止时发生的0加仑/分钟至通常范围从0.5加仑/分钟至5加仑/分钟的最大流速，并且冷却流体流104的温度通常为32℃或以下。

第二焊接电极20被构造为以与第一焊接电极18大致相同的方式接收冷却流体流。也就是说，当第二焊接电极20保持在与第二枪臂66的柄70相关联的柄适配器74上时，接近第二焊接面86的电极主体84的内凹部90的远端区域构成冷却腔108。特别地，如之前一样，柄适配器74包括外壳体110和延伸通过外壳110的内孔114的冷却流体供应管112。冷却流体供应管112可操作以将冷却流体(优选为水)的流116引入冷却腔108中。冷却流体流116通过冷却腔108并通过内孔114的环形回流通道118最终离开冷却腔108，该环形回流通道118与冷却腔108流体连通并包围冷却流体供应管112。通过第二焊接电极20的冷却流体流116可以被设置为从当流116停止时发生的0加仑/分钟至通常范围从0.5加仑/分钟至5加仑/分钟的最大流速，并且冷却流体流116的温度通常为32℃或以下。

第一和第二焊接电极18、20中的每一个都由导电材料(例如，铜合金)形成。一个具体实例是含有0.10％(重量)至0.20％(重量)的锆和余量为铜的C15000铜锆合金(CuZr)。当然也可以采用其他铜合金，包括铜铬合金(CuCr)或铜铬锆合金(CuCrZr)。上述各种铜合金的具体实例是包括0.6％(重量)至1.2％(重量)的铬和余量为铜的C18200铜铬合金，以及包括0.5％(重量)至1.5％(重量)的铬、0.02％(重量)至0.2％(重量)的锆和余量为铜的C18150铜铬锆合金。此外，也可以使用具有合适的机械和电学/导热特性的其他组合物。例如，至少第一焊接电极18的焊接面78可以由耐火金属(例如，钼或钨)或耐火金属复合材料(例如，钨-铜)组成，如美国专利申请第15/074,690号(于2016年3月18日提交)所公开的。

为了提供一种用于将热量引入第一焊接电极18的机构，其允许在点焊期间在焊接电极18、20之间通过电流之前和之后对第一焊接电极18的温度进行控制，外部加热源130被布置为与第一焊接电极18成热传递关系。这在图6中具体示出。换句话说，外部加热源130被配置为当激活时向第一焊接电极18供应热量。在优选实施例中，如这里图6所示，外部加热源130包括电阻加热元件132，该电阻加热元件132接触并包围电极主体76并且电耦接至加热电路电源134。电阻加热元件132可以是诸如镍铬线的电阻丝，其被多次缠绕在电极主体76周围，并且加热电路电源134可以使用能够使电流通过电阻加热元件132的任何电源来产生热量。外部加热源130的替代实施例当然是可能的，并且事实上，在图11至图12中描绘了若干这样的替代实施例。

外部加热源130由加热过程控制器150控制，加热过程控制器150通常包括处理单元、可编程I/O外围设备和存储用于操作外部加热源130的计算机可读操作指令的内部或外部存储器，以及诸如模数转换器和定时器的器件。加热过程控制器从温度传感器152和与第一焊接电极18相关联的流量计154以及与第二焊接电极20相关联的流量计156接收输入温度数据。温度传感器152在任意给定时间测量第一焊接电极18的温度，并且将该数据发送至控制器150。温度传感器152可以是安装在第一焊接电极18上或其中的热电偶，或者根据非接触式温度测量的需要，它也可以是位于第一焊接电极18附近的点IR温度计或热像仪形式的光学红外线温度计。流量计154、156在任意给定时间分别测量确定冷却流体流104移动通过第一焊接电极18的速度以及冷却流体流116移动通过第二焊接电极20的速度，并且也将该数据发送至控制器150。

加热过程控制器150基于从温度传感器152和流量计154、156获得和得出的信息，通过规定多少电流通过电阻加热元件132来控制外部加热源130。特别地，加载到控制器150上的操作指令可以包括基于模拟建模或实验数据的查找表、编程方程式或算法，或者一些其他数据处理机制，其可以基于所公开方法的某些期望结果或成果在任意给定时间确定外部加热源130的适当操作条件，以及实现该条件所需的输出信号。适用于所公开的方法，加热处理控制器150管理在电流通过第一和第二焊接电极18、20之间之前和/或之后供应到第一焊接电极18的外部热量，以帮助抵消当电流流过工件堆叠10时在这对相邻的铝和钢工件12、14之间形成的热不平衡。

现在参考图1和图7至图8，现在将根据仅包括这对相邻的铝和钢工件12、14的“2T”工件堆叠来描述所公开的方法。在包括例如上述附加的铝或钢工件44、52的工件堆叠10中的附加工件的存在不影响点焊方法如何实施或者对发生在相邻的铝和钢工件12、14的贴合界面40处的接合机构没有任何实质的影响。以下提供的更详细的讨论同样适用于其中工件堆叠10为包括附加铝工件44(图3)或附加钢工件52(图4)的“3T”堆叠的实例，以及“4T”堆叠，尽管事实上这些附加工件未示出在图1和图7至图8中说明。

在图1所描绘的公开的电阻点焊方法开始时，工件堆叠10位于第一焊接电极18与相对的第二焊接电极20之间。第一焊接电极18的焊接面78被设置为接触堆叠10的第一侧面24的铝工件表面26，并且第二焊接电极20的焊接面86被设置为接触第二侧面28的钢工件表面30。然后，操作焊枪22使第一焊接电极18和第二焊接电极20相对于彼此收缩，使得它们相应的焊接面78、86在焊接部位16处压靠堆叠10的相对的第一和第二侧面24、28。在施加在工件堆叠10上的夹紧力下，焊接面78、86通常在焊接部位16彼此面对对准。所施加的夹紧力优选范围从400磅(磅力)至2000磅，或更窄范围600磅至1300磅。

在电流通过相对的第一和第二焊接电极18、20之间之前，第一焊接电极18被加热以将其温度提升到高于环境条件的高温。这可能涉及将第一焊接电极18特别是第一焊接面78加热到不超过铝工件12中的铝的熔点的高温。将第一焊接电极18的温度提升至200℃至500℃之间是特别优选的。可以在电流通过点焊电极18、20之间之前的任意时刻实施提升第一焊接电极18的温度的动作，只要第一焊接电极18在接触工件堆叠10的铝工件表面26时仍然处于高温。例如，第一焊接电极18的温度可以在以下任意时间升高：(1)在第一焊接面78与堆叠10的铝工件表面26之间开始接触之前，(2)在第一焊接面78与工件堆叠10的铝工件表面26接触的同时，或者(3)在上述两个指定时期期间(即时期(1)和(2))。

现在回到图5和图7，将第一焊接电极18加热到高温可以通过协同限制或完全停止通过第一焊接电极18的冷却流体流104并将来自外部加热源130的热量供应到第一焊接电极18来实现。冷却流体流104的限制或停止的准确程度以及从外部加热源130供应到第一焊接电极18的确切的热量由加热过程控制器150控制。在电流通过焊接电极18、20之间之前将第一焊接电极18加热到高温，以及在第一焊接电极18处于高温时使工件堆叠10的第一侧面24的铝工件表面26与第一焊接面78接触的意义，将在下面更详细地讨论，包括这种加热对最终形成的焊接接头的强度的影响。

在将第一焊接电极18和第二焊接电极20的焊接面78、86分别压靠在工件堆叠10的第一和第二侧面24、28上之后，电流通过面对对准的焊接面78、86。所交换的电流优选是由电源60传送的DC(直流)电流，其如图所示与第一和第二焊接电极18、20电连通。电源60优选为包括MFDC变压器的中频直流(MFDC)逆变器电源。MFDC变压器可以从多个供应商购买获得，包括罗马制造(Grand Rapids，MI)，ARO焊接技术(Chesterfield Township，MI)和博世力士乐(Charlotte，NC)。所传送的电流的特性由焊接控制器62控制。具体来说，焊接控制器62允许用户对焊接排程进行编程，规定在焊接电极18、20之间的电流交换方式。焊接排程允许在任意给定时间对电流水平进行定制化控制，并且允许在任意给定电流水平下对电流的持续时间进行定制化控制等，并且进一步允许电流的这些属性能够响应下至零点几毫秒的非常小的时间增量的变化。

通过焊接电极18、20之间的电流通过工件堆叠10，并穿过建立在该对相邻的铝和钢工件12、14之间的贴合界面40。所交换的电流可以是恒定的或随时间脉冲的，或两者的某种组合，并且除了脉冲之间可能的“关闭”周期之外，通常具有范围从5kA至50kA的电流水平，并持续经过40ms至2500ms的一段时间。如图7所描绘的，电流流动阻力产生热量并最终熔化铝工件12以在铝工件12内产生熔融铝焊池160。熔融铝焊池160润湿钢工件14的相邻的贴合表面36，并朝向后表面34(或相对的贴合表面46)延伸进入铝工件12中。熔融铝焊池160可以在焊接部位16处穿过一个距离进入铝工件12中，该距离范围为铝工件12的厚度120的20％至100％。而且，在其组成方面，熔融铝焊池160主要由铝工件12的铝材料组成。

熔融铝焊池160固化成焊接接头162，其在通过第一和第二焊接电极18、20的焊接面78、86之间的电流停止之后将铝和钢工件12、14焊接结合在一起，如图8所示。焊接接头162包括铝焊熔核164和Fe-Al金属间化合物层166。铝焊熔核164由再次固化的铝组成，并且在焊接部位16处延伸到铝工件12中的距离通常在铝工件12的厚度120的20％至100％的范围内，就像先前存在的熔融铝焊池160一样。Fe-Al金属间化合物层166位于铝焊熔核164与钢工件14的贴合表面36之间。Fe-Al金属间化合物层166由于在点焊温度下熔融铝焊池160与钢制工件14之间的反应而产生，并且通常包括FeAl₃化合物，Fe₂Al₅化合物和可能的其他金属间化合物，并且通常表现出1μm至5μm的组合总厚度。

在通过焊接电极18、20之间的电流停止之后，并且当第一焊接面78仍然压靠在堆叠10的第一侧面24的铝工件表面26上时，控制第一焊接电极18，特别是第一焊接面78的温度，以将其温度维持在保持温度以防止熔融铝焊池160完全固化成焊接接头162，直到在焊接部位16处钢工件14的温度冷却至铝工件12的熔点以下。换句话说，第一焊接电极18的温度被暂时调节以延迟熔融铝焊池160的固化，并且允许更多的耐热钢工件14冷却的时间，而不是根据常规点焊实践使第一焊接电极18尽可能快地冷却。第一焊接电极18的温度的受控减小有助于防止在钢工件14与第一焊接电极18之间形成由于铝工件12的相对低的热阻而产生的陡峭的热梯度。这里，第一焊接电极18的保持温度实际上是从铝工件12的熔点跨越到100℃的范围(而不一定是单一的温度)，或者更优选为从200℃至500℃。

在将钢工件14冷却到环境条件的整个时间内，不必维持第一焊接电极18的保持温度。例如，在钢工件14的温度从在通过焊接电极18、20之间的电流停止时发生的峰值温度下降直到钢工件14的温度下降至铝工件12的熔点以下期间，可以维持保持温度。由于铝工件12的组成多种多样，所以铝工件12的熔点可以在570℃至660℃的范围内。一旦钢工件14的温度下降到铝工件12的熔点以下(这优选地通过使冷却流体流116以最大流速通过第二焊接电极20来辅助完成，并且可以任意发生5ms至50ms)，可以暂停控制第一焊接电极18的温度，并且电极18能够正常地完成冷却。

第一焊接电极18的温度可以通过协同控制通过第一焊接电极18的冷却流体流104和由外部加热源130供应到第一焊接电极18的热量而维持在保持温度以调节电极冷却速度。以这种方式，冷却流体流104可以随时间被限制或完全停止，以改变从第一焊接电极18提取的热量，并且由外部加热源130随时间供应的热量可能波动以改变传递到第一焊接电极18中的热量。通过冷却流体流104提取热量与从外部加热源130加热的平衡由过程控制器150基于从温度传感器152和流量计154、156接收的输入数据，以及与包含在工件堆叠10中的特定钢工件14在焊接电极18、20之间的电流停止之后将如何随时间冷却相关的特定数据精确地控制。

第一和第二焊接电极18、20继续施加其施加的夹紧力到工件堆叠10上，直到熔融铝焊池160已经固化成焊接接头162。一旦形成了焊接接头162，则在焊接部位16处施加在工件堆叠10上的夹紧力被释放，并且第一和第二焊接电极18、20从堆叠10的相应侧面24、28缩回。现在可以相对于焊枪22移动工件堆叠10，使得第一和第二焊接电极18、20被设置为在重复点焊方法的另一个焊接部位16处面对对准。或者，不在不同的位置16处进行点焊，而可以将工件堆叠10移动远离焊枪22以为另一工件堆叠10腾出空间。因此，在制造环境中，可以对相同或不同的工件堆叠在不同焊接部位16处实施多次点焊方法。

通过所公开的方法形成的焊接接头162与根据常规点焊实践形成的焊接接头相比预期具有增强的强度，特别是增强的剥离和交叉拉伸强度。增强的强度可以归因于在焊接电极18、20之间的电流流动开始之前加热第一焊接电极18，在焊接电极18、20之间的电流停止之后在钢工件14冷却的同时将第一焊接电极18的温度维持在保持温度，或者两者。更具体地，将第一焊接电极18加热到高温，并且在第一焊接电极18处于高温的同时在焊接部位16处使第一焊接面78与工件堆叠10的第一侧面24接触，以导热方式将热量引入位于钢工件14附近的下方铝工件12中。这个增加的热量减少了需要从钢工件14输入的热量(通过使电流通过工件堆叠10的方式)以产生熔融铝熔池160，这又被认为可以减少沿着焊接接头162内的钢工件14的贴合表面36生长的脆性Fe-Al金属间化合物层166的厚度。

在钢工件14冷却至铝工件12的熔点以下时，将第一焊接电极18的温度维持在保持温度的动作被认为通过使焊接接头162与钢工件14的结合界面168处以及沿着结合界面168的焊接接头162内的焊接缺陷的存在最小化而积极地有助于焊接接头162的强度。通过以将焊接缺陷朝向焊接接头162的中心驱动或伸展并远离焊接接头162的外边缘的方式改变熔融铝焊池160的固化行为使结合界面168处以及沿着结合界面168的焊接缺陷的增加最小化。将焊接缺陷朝向焊接接头162的中心引导被认为对剥离和交叉拉伸强度具有有利影响，因为焊接接头162的中心相比于在围绕焊接接头162的切口根部旁边的接头162的外边缘是焊接缺陷存在的更无害的位置。

在电流停止后维持第一焊接电极18中的保持温度对熔融铝焊池160的固化行为的影响一般在图9至图10中表示。为了提供一些上下文，图9描绘了形成在重叠以建立贴合界面206的铝工件202与钢工件204之间的焊接接头200。这里示出的焊接接头200代表由不采用上述公开方法的特征的常规电阻点焊工艺形成的焊接接头。可以看出，焊接缺陷208分散在焊接接头200与钢工件204结合界面210处并沿着结合界面210分散。这些焊接缺陷208可以包括缩孔、气孔、氧化膜残留物和微裂纹等。当结合界面210处存在并沿其分布时，焊接缺陷208可以减小焊接接头200的剥离和交叉拉伸强度。

不受理论的束缚，据信焊接缺陷208在结合界面210处和沿着结合界面210的分散至少部分地由于先前存在的熔融铝熔池在其转化为焊接接头200时的固化行为。具体地说，由于两种材料的不同的物理性质，即钢的热和电阻大得多，所以在更热的钢工件204与铝工件202之间可能会发生热不平衡。因此，钢工件204用作热源，而铝工件202用作热导体，在垂直方向上产生强烈的温度梯度，使得熔融铝焊池从最接近邻近铝工件202的冷却器焊接电极的区域朝向钢工件204冷却并固化。固化前沿的路径和方向在图8中由箭头212表示。当固化前沿沿着该路径212行进时，焊接缺陷208朝向焊接接头200与钢工件204的结合界面210伸展，并且最终贯穿焊接接头200沿着结合界面210分散结束。

通过将第一焊接电极18的温度维持在保持温度至少直到钢工件14的温度降至铝工件12的熔点以下为止，可以避免图9所示的固化行为及其导致的焊接缺陷的增强。现在参照图10，示出了根据上述公开的方法形成的焊接接头162的图示。可以看出，焊接接头162中的焊接缺陷170聚集在接头162的中心附近，而不是如图9所示的沿着接合界面168分散。焊接缺陷170朝向焊接接头162的中心伸展，是因为由于将第一焊接电极18的温度维持在保持温度而导致的工件堆叠10内的新温度分布导致熔融铝焊池160从其外边缘朝其中心固化。固化前沿的路径和方向在图10中一般由箭头172表示。这里，路径172可以将焊接缺陷170伸展到焊接接头162的中心，或者在结合界面168上或从结合界面168移位，并且可以进一步将缺陷170合并成较大尺寸的缺陷。

如上所述，至少暂时将第一焊接电极18的温度维持在保持温度的动作通过在电流停止之后阻止在钢工件14与第一焊接电极18之间形成陡峭的热梯度而引起图10所示的固化前沿172。在铝工件12的相对侧上更平衡的热分布通过在熔融铝焊池160周围产生三维径向温度梯度或扩大已经存在的三维径向温度梯度改变了焊接部位16内的温度分布。这些新的和/或扩大的径向温度梯度减慢了从熔融铝焊池160进入到第一焊接电极18的定向热流动，从而促进横向热量流入铝和钢工件12、14的平面，使最终固化发生在熔融铝焊池160的中心。以这种方式，诸如缩孔、气孔、微裂纹和氧化物膜残留物的焊接缺陷被驱动并保持在焊接接头162的中心，如图所示，在那里它们不太可能不利地影响接头162的强度。

可以实现上述和图1至图10所示的所公开方法的许多变型，包括外部加热源130的替代实施例。例如，如图11所示，外部加热源130可以包括针对第一焊接电极18并支撑在第一枪臂64上的气体出口管180。气体出口管180被配置为在第一焊接电极18处引导诸如热空气的加热后气体流182以向电极18供应热量。加热后气体流182最初可以冲击第一焊接电极18的电极主体76和/或焊接面78。在另一个实施例中，如图12所示，外部加热源130可以包括激光束头190，其在第一焊接电极18处引导激光束192，使得激光束192照射电极18以产生并向电极18供应热量而不引发熔化。激光束192可以在电极主体76或焊接面78上任何期望位置处照射第一焊接电极18。另外，在图中未示出的情况下，承载过热蒸汽的管可以缠绕在第一焊接电极18的电极主体76上，作为向电极18供热的机构。也可以使用上述相同的基本控制系统来控制可能采用的其他类型的外部加热源，包括图11至图12中描绘的那些。

优选示例性实施方案和具体实例的上述描述本质上仅仅是描述性的；它们并不旨在限制以下权利要求书的范围。除非在本说明书中另外具体且明确说明，所附权利要求书中使用的每个术语应被赋予其普通和惯常的含义。

Claims (10)

1.一种接合铝工件和钢工件的方法，所述方法包括：

提供包括由铝工件表面呈现的第一侧面和由钢工件表面呈现的第二侧面的工件堆叠，所述工件堆叠包括铝工件和相邻的重叠钢工件，其中所述铝工件的贴合表面面对所述钢工件的贴合面以提供贴合界面；

提供第一焊接电极和第二焊接电极，所述第一焊接电极具有面对所述工件堆叠的所述第一侧面的焊接面，并且所述第二焊接电极具有面对所述工件堆叠的所述第二侧面的焊接面；

加热所述第一焊接电极以使所述第一焊接电极的温度升高到不超过所述铝工件的熔点的高温；

在所述第一焊接电极处于所述高温的情况下，分别将所述第一焊接电极的所述焊接面和所述第二焊接电极的所述焊接面压靠在所述工件堆叠的所述第一侧面和所述第二侧面上，所述第一焊接面和所述第二焊接面在焊接部位处彼此面对对准地压靠在所述工件叠层的相应的第一侧面和第二侧面上；

使电流通过所述第一焊接电极的所述焊接面与所述第二焊接电极的所述焊接面之间，以在所述铝工件内产生熔融铝焊池，所述熔融铝焊池润湿所述钢工件的所述贴合表面；以及

使所述电流停止通过所述第一焊接电极的所述焊接面与所述第二焊接电极的所述焊接面之间，使得所述熔融铝焊池固化为将所述重叠的铝工件和钢工件焊接结合在一起的焊接接头。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述加热所述第一焊接电极的动作包括：

将通过所述第一焊接电极的冷却流体流限制为小于最大流速或者完全停止所述冷却流体流；以及

从外部加热源向所述第一焊接电极供应热量。

3.根据权利要求2所述的方法，其中从所述外部加热源向所述第一焊接电极供应热量的动作包括使电流通过接触并包围所述第一焊接电极的电阻加热元件。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述电阻加热元件是缠绕在所述第一焊接电极的电极主体上的电阻丝。

5.根据权利要求2所述的方法，其中从所述外部加热源向所述第一焊接电极供应热量的动作包括将加热后的气体流引导在所述第一焊接电极处。

6.根据权利要求2所述的方法，其中从所述外部加热源向所述第一焊接电极供应热量的动作包括用激光束照射所述第一焊接电极。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一焊接电极的所述高温在100℃至600℃之间。

8.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：

在已经停止使所述电流通过所述第一焊接电极的所述焊接面与所述第二焊接电极的所述焊接面之间后，并且所述第一焊接电极仍然与所述铝工件接触的情况下，控制所述第一焊接电极的所述温度，以将所述第一焊接电极的所述温度维持在防止所述熔融铝焊池完全固化的保持温度，至少直到在所述焊接部位处所述钢工件的温度冷却至所述铝工件的所述熔点以下。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述控制所述第一焊接电极的温度以将所述电极的温度维持在所述保持温度的动作包括：

使冷却流体流以一流速流过所述第一焊接电极；

从外部加热源向所述第一焊接电极供应一定量的热量；以及

控制所述冷却流体的所述流速和供给到所述第一焊接电极的所述热量以达到所述保持温度。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述从所述外部加热源向所述第一焊接电极供应一定量的热量的动作包括以下中的至少一项：

(1)使电流通过接触并包围所述第一焊接电极的电阻加热元件；

(2)将加热后的气体流引导在所述第一焊接电极处；或者

(3)用激光束照射所述第一焊接电极。