CN110202245A - 通过限制钢板变形提高铝-钢焊缝的机械性能 - Google Patents

通过限制钢板变形提高铝-钢焊缝的机械性能 Download PDF

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Abstract

一种电阻点焊包括钢质工件和一个或多个铝质工件的工件层叠件的方法涉及局部硬化钢质工件以抵抗钢制工件变形。钢制工件的局部硬化是通过将电极容纳壁与钢质工件的一个或多个集成的升高部分掺入到钢质工件中来实现的，升高部分至少部分地围绕电极容纳壁而设置。该电极容纳壁包括电极接触面和相对的界面接触面。在焊接期间，一个焊接电极的焊接面挤压在钢质工件的电极容纳壁的电极接触面上，在该焊接电极和工件层叠件的相对侧上的另一个焊接电极之间瞬间通过电流，以形成焊缝，该焊缝与电极容纳壁的界面接触表面粘接。

Description

通过限制钢板变形提高铝-钢焊缝的机械性能
引言
许多工业在制造较大组件期间利用电阻点焊将两个或多个金属工件连接在一起。例如，汽车工业经常在制造用于车辆白车身(BIW)的结构框架构件以及安装到BIW等的车辆闭合构件(例如车门、车蓬、行李箱盖和升降门)期间使用电阻点焊来将金属工件连接在一起。长期以来一直采用电阻点焊将类似组成的金属工件(诸如两个或多个钢质工件或两个或多个铝质工件的层叠件)熔接在一起。然而，最近，已经开发出能够使不同的金属工件(诸如钢质工件和重叠的铝质工件或铝合金工件)粘接在一起的电阻点焊技术。对诸如不同金属工件的层叠件进行电阻点焊的能力出现用于焊接为汽车工业提供了更大的灵活性，以在特定的定制位置利用车辆结构中的黑色金属和有色金属，而不会显著增加整体制造复杂性。其他行业(除汽车工业之外)也可以受益于可靠的电阻点焊工件层叠件(其包括不同的金属工件)的能力。这些其他行业可能包括航空航天、海运、铁路、建筑施工和工业设备行业，仅举几例。
电阻点焊是一种金属连接工艺，其依赖于电流通过重叠金属工件的瞬时通道，以在焊接位置加热并连接工件。为了进行这种焊接工艺，将两个相对的焊接电极被夹在重叠工件的相对侧上的对准点处，并且电流在两个电极的相对焊接面之间穿过金属工件。对该电流流动的电阻在金属工件内和它们的接合界面处产生热量。电阻性地产生的热量迅速产生并且足够浓缩以熔化一个或多个重叠的金属工件。例如，当工件层叠件包括钢质工件和相邻的重叠铝质工件时，在接合界面处和在更耐电和热的钢质工件内产生的热量在铝质工件内产生熔铝焊池。铝焊池不会消耗钢质工件和铝质工件之间的接合界面，但是，相反，会涂抹并润湿钢质工件的相邻接合面。最后，一旦冷却，熔铝焊池凝固成焊缝，该焊缝在其接合界面处将钢质工件和铝质工件界面粘接或钎焊在一起。
然而，在实践中，电阻点焊包括至少一个钢质工件和相邻的重叠铝质工件的层叠件是具有挑战性的，因为这两种金属的许多特性会对性能产生不利影响—最明显的是拆掉试样或零件，以及剥离的机械试验和/或焊缝的横向拉伸强度。例如，铝质工件通常包含机械坚韧、电绝缘和自愈合的耐火氧化物表面层。该氧化物表面层通常由氧化铝化合物组成，但也可包括其它金属氧化物化合物，其包括当铝质工件由例如含镁铝合金组成时的氧化镁。由于其性能，耐火氧化物表面层在接合界面处具有保持完整的趋势，其不仅妨碍熔铝焊池润湿钢质工件的能力，而且也在不断增长的铝焊池中提供了近界面缺陷的源头。此外，耐火氧化物表面层的绝缘性质提高了铝质工件的电接触电阻—即，在其接合面和电极接触点处—使得难以有效地控制并聚集铝质工件内的热量。
除了铝质工件的耐火氧化物表面层所带来的挑战之外，钢质工件和铝质工件具有不同的物理性质，这能够不利地影响焊缝的强度和性能。具体而言，铝具有相对低的熔点(570℃-600℃)和相对较低的电阻率和热阻率，而钢具有相对较高的熔点(1300℃-1500℃)和相对较高的电阻率和热阻率。由于材料特性的这些差异的结果，大部分的热量是在电流流动期间在钢质工件内产生，使得钢质工件(较高温度)和铝质工件(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质工件的高热导率的结合意味着：在电流终止后，立即发生热量没有从焊接区对称地散布的情况。相反，热量从较热的钢质工件通过铝质工件传导到与铝质工件接触的焊接电极，这在该方向上产生陡峭的热梯度。
在与铝质工件接触的钢质工件和铝质工件之间产生陡峭的热梯度被认为会以几种方式削弱所得到的焊缝。首先，因为在电流流动已经终止之后，钢质工件比铝质工件保温持续时间更长，所以熔铝焊池定向地凝固，从靠近较冷的焊接电极(通常是水冷的)的区域开始，该区域与铝质工件接触并朝向钢质工件的接合面传播。这种凝固前沿倾向于扫描或驱动缺陷(诸如气孔、收缩空隙和微裂纹)朝向并沿着焊缝和钢质工件(其中已经存在残留的氧化膜缺陷)的粘合界面。如果与来自可能存在于铝质工件和钢质工件之间的粘合剂层或其他有机材料层的热分解残余物相结合起来，则残留的氧化物膜缺陷可能特别具有破坏性。其次，钢质工件中持续升高的温度促进了焊缝内硬脆的Fe-Al金属间化合物层的生长，并与钢质工件的接合面邻接。焊接缺陷的分散以及在粘接界面处的Fe-Al金属间化合物层的过度生长往往会降低接合强度，特别是焊缝的剥离强度和横向张力强度。
即使采用技术和其他措施来减轻潜在不利影响，该潜在不利影响可归因于铝质工件的耐火氧化物表面层以及铝质工件和钢质工件的物质上不同的物理性质，在某些情况下，焊缝的强度和其他机械性能可能仍然不能令人满意的。值得注意的是，如果层叠件中的钢质工件相对较薄并且具有较低的屈服强度，或者当焊缝经受负载时可以相对于铝质工件容易地变形，则早期发生和/或在钢质工件中引起的过大的变形率，无论是弹性还是塑性，都会对接缝产生应力并使Fe-Al金属间化合物层断裂。这导致接缝的界面破坏，并因此导致接缝表现出低于预期的强度，特别是在剥离和横向张力测试中，尽管接缝在结构上是合理的。虽然取决于铝质工件的成分、厚度和性质(例如，屈服强度)，经历导致界面破坏的过度应变类型的钢质工件的确切类型可能会变化，但是当钢质工件是低强度钢或薄规格高强度钢时会经常遇到该问题。
鉴于上述挑战，诸如自攻铆钉和流钻螺钉之类的机械紧固件主要用于将钢质工件和铝质工件紧固在一起代替电阻点焊。然而，与点焊相比，机械紧固件需要更长的时间才能到位并且具有高的消耗成本，并且如果可以用现有的点焊设备代替，还需要它们自己的专用设备才能必须安装并集成到可能不需要的制造环境中。机械紧固件还增加了车辆结构的重量(当通过自生接缝点焊实现接合时避免的重量)，这通过首先使用铝质工件来实现抵消一些重量减轻。因此，当仍然需要从钢进行电阻点焊到铝时(特别是当钢质工件的刚度与层叠件的相邻铝质工件之间存在值得注意的差异时)，电阻点焊技术证明，支持产生具有可靠机械性能的坚固焊缝。
发明内容
电阻点焊包括钢质工件和至少一个相邻的重叠铝质工件的工件层叠件的方法的实施例包括多个步骤。在一个步骤中，电极容纳壁形成在钢质工件中。电极容纳壁具有电极接触面和相对的界面接触面，并且电极接触面至少部分地由钢质工件的一个或多个集成的升高部分限定，该升高部分从电极接触面向上地突出。在另一步骤中，钢质工件和一个或多个铝质工件以重叠方式组装以形成工件层叠件，使得钢质工件的电极容纳壁的界面接触面面向并接触一个或多个铝质工件的相邻接合面，以建立接合界面。在又一个步骤中，第一焊接电极的第一焊接面在工件层叠件的第一侧部压靠在钢质工件的电极容纳壁的电极接触面上，并且第二焊接电极的第二焊接面在工件层叠件的第二侧部压靠在一个或多个铝质工件的暴露的背面上，第二侧部与第一焊接电极的第一焊接面面向地对准。在又一步骤中，电流在第一焊接电极的第一焊接面和第二焊接电极的第二焊接面之间通过，以在一个或多个润湿钢质工件的电极容纳壁的界面接触面的铝质工件内形成熔铝焊池。并且，在又一步骤中，允许熔铝焊池凝固成焊缝，该焊缝将一个或多个铝质工件粘接到钢质工件上。
前述实施例的方法可以包括附加步骤或进一步被限定。例如，至少部分地限定电极容纳壁的电极接触面的钢质工件的一个或多个集成的升高部分中的每一个在电极接触面上方至少升高0.5mm。在另一个实例中，在钢质工件的一个或多个集成的升高部分下面的钢质工件的接合面的区段面对但不接触一个或多个铝质工件的相邻接合面，从而与一个或多个铝质工件的相邻接合面一起限定间隙，该相邻接合面至少部分地围绕钢质工件的电极容纳壁。此外，电极容纳壁的电极接触面可以被钢质工件的一个或多个集成的升高部分完全地包围，或者它可以部分地被钢质工件的一个或多个集成的升高部分包围。
前述实施例的电极容纳壁可以以多种方式构造。在一种实施方式中，电极容纳壁是圆形城堡状，其中电极接触面在平面图中是圆形或卵形并且至少部分地由倾斜壁限制，该倾斜壁从电极接触面以从95°到150°范围的钝角向外延伸。在另一种实施方式中，电极容纳壁是线性城堡状，其中电极接触面在平面图中是矩形并且至少部分地由钢质工件的一对横向集成的升高部分限定，其中每个钢质工件的横向集成的升高部分具有倾斜壁，该倾斜壁从电极接触面以从95°到150°范围的钝角向外延伸。在又一个实施方式中，电极容纳壁是位于两个间隔开的加强肋之间的钢质工件的一部分，其中每个加强肋包括弧形壁，该弧形壁具有从电极接触面向外突出的外表面和在电极容纳壁外部的钢质工件的背面的外侧部分。
作为前述实施例的一部分，电极容纳壁可以结合到各种钢质工件中。例如，钢质工件可以具有2.5mm或更薄的厚度和250MPa或更小的屈服强度，或者钢质工件可以具有1.8mm或更厚的厚度并且屈服强度为500MPa或更小。在另一个实例中，钢质工件可以具有1.3mm或更薄的厚度和1000MPa或更小的屈服强度，或者钢质工件可以具有0.6mm或更薄的厚度和1000MPa或更小的屈服强度。
电阻点焊包括钢质工件和至少一个相邻的重叠铝质工件的工件层叠件的方法的另一个实施例包括多个步骤。在一个步骤中，提供了工件层叠件。工件层叠件包括钢质工件，其在点焊位置处与一个或多个铝质工件重叠。钢质工件包括具有电极接触面和相对的界面接触面的电极容纳壁。电极接触表至少部分地由钢质工件的一个或多个集成的升高部分限定，该升高部分从电极接触面向外突出，并且钢质工件的电极容纳壁的界面接触面面向并接触一个或多个铝质工件的相邻接合面，以建立接合界面。钢质工件的一个或多个集成的升高部分的至少一部分位于平面圆形区域内，该平面圆形区域在电极接触面的平面中延伸并且具有从点焊位置的中心测量的5mm至50mm的半径。此外，平面圆形区域的90°至360°圆周的任何位置都由钢质工件的一个或多个集成的升高部分跨越。
在该方法的另一步骤中，第一焊接电极的第一焊接面在工件层叠件的第一侧部压靠在钢质工件的电极容纳壁的电极接触面上，并且第二焊接电极的第二焊接面在工件层叠件的第二侧部压靠在一个或多个铝质工件的暴露的背面上，第二侧部与第一焊接电极的第一焊接面面向地对准。在又一步骤中，电流在第一焊接电极的第一焊接面和第二焊接电极的第二焊接面之间通过，以在一个或多个润湿钢质工件的电极容纳壁的界面接触面的铝质工件内形成熔铝焊池。并且，在又一步骤中，允许熔铝焊池凝固成焊缝，该焊缝将一个或多个铝质工件粘接到钢质工件上。焊缝延伸到包括在工件层叠件中的一个或多个铝质工件中，并与钢质工件的电极容纳壁的界面接触面建立粘接界面。此外，焊缝包括铝焊接熔核和钢质工件的电极容纳壁的界面接触面之间的Fe-Al金属间化合物层。
前述实施例的方法可以包括附加步骤或进一步被限定。例如，提供工件层叠件的步骤可包括形成电极容纳壁和一个或多个集成的升高部分，该升高部分至少部分地围绕钢质工件中的电极容纳壁而设置，并且以重叠的方式组装钢质工件和一个或多个铝质工件，以形成工件层叠件，使得钢质工件的电极容纳壁的界面接触面面向并接触一个或多个铝质工件的相邻接合面，以建立接合界面。在另一个实例中，在钢质工件中形成电极容纳壁的步骤可以包括冲压电极容纳壁以形成(1)圆形城堡状，其中电极接触面在平面图中是圆形或卵形并且至少部分地由从电极接触面以钝角向外延伸的倾斜壁限制，或(2)线性城堡状，其中电极接触面在平面图中是矩形并且至少部分地由钢质工件的一对横向集成的升高部分所限定，其中钢质工件的每个横向集成的升高部分具有倾斜壁，该倾斜壁从电极接触面以钝角向外延伸。
前述实施例的电极容纳壁可以以多种方式进行构造。例如，电极容纳壁的电极接触面由钢质工件的一个或多个集成的升高部分完全包围，或者电极容纳壁的电极接触面由钢质工件的一个或多个集成的升高部分部分地包围。此外，在钢质工件的一个或多个集成的升高部分下面的钢质工件的接合面的区段面对但不接触一个或多个铝质工件的相邻接合面，从而与一个或多个铝质工件的相邻接合面一起限定间隙，该相邻接合面至少部分地围绕钢质工件的电极容纳壁。
作为前述实施例的一部分，电极容纳壁可以结合到各种钢质工件中。例如，钢质工件可以具有2.5mm或更薄的厚度和250MPa或更小的屈服强度，或者钢质工件可以具有1.8mm或更厚的厚度并且屈服强度为500MPa或更小。在另一个实例中，钢质工件可以具有1.3mm或更薄的厚度和1000MPa或更小的屈服强度，或者钢质工件可以具有0.6mm或更薄的厚度和1000MPa或更小的屈服强度。
附图说明
图1是在准备电阻点焊中以法兰组件的形式的工件层叠件的立体透视图，其中工件层叠件包括至少钢质工件和相邻的重叠铝质工件；
图2是钢质工件的立体透视图，特别是其包括在焊接位置处形成的电极容纳壁的实施例的俯视图，带有至少部分地围绕电极容纳壁的钢质工件的一个或多个集成的升高部分。
图3是图2中描述的钢质工件的电极容纳壁和一个或多个集成的升高部分的平面图；
图4是电极容纳壁以及如在图1至3中示出的至少部分地围绕电极容纳壁而设置的钢质工件的至少一个或多个集成的升高部分的实施例的剖视图；
图5是工件层叠件部分的分解的剖视图，在该部分处，钢质工件和铝质工件通过相对的第一和第二焊接电极进行电阻点焊在一起。
图6是在相对的第一和第二焊接电极已经与层叠件的相对的第一和第二侧部面接合之后工件层叠件的剖视图，其中第一焊接电极的第一焊接面压靠在钢质工件的电极容纳壁的电极接触面上，并且第二焊接电极的第二焊接面与第一焊接电极的第一焊接面以面向对准的方式压靠在铝质工件的暴露的背面上；
图7是在相对的第一和第二焊接电极已经与层叠件的相对的第一和第二侧部接合之后工件层叠件的剖视图，如在图6中示出，并且在第一和第二焊接电极之间通过电流期间，其中第一和第二焊接电极之间的电流通道在铝质工件内形成熔铝焊池，其润湿钢工件电极容纳壁的相邻界面接触面；
图8是在图7中示出的熔铝焊池已经允许固化成将钢质工件和铝质工件粘接在一起的焊缝之后的工件层叠件的剖视图；
图9是钢质工件的立体透视图，特别是其包括在焊接位置处形成的电极容纳壁的替代实施例的俯视图，带有至少部分围绕电极容纳壁的钢质工件的一个或多个集成的升高部分；
图10是电极容纳壁以及如在图9中示出的至少部分地围绕电极容纳壁而设置的钢质工件的至少一个或多个集成的升高部分的实施例的剖视图；
图11是钢质工件的立体透视图，特别是其包括在焊接位置处形成的电极容纳壁的又一替代实施例的俯视图，带有至少部分围绕电极容纳壁的钢质工件的一个或多个集成的升高部分；
图12是电极容纳壁以及如在图11中示出的至少部分地围绕电极容纳壁而设置的钢质工件的至少一个或多个集成的升高部分的实施例的剖视图；
图13是根据本公开的实践的可以是电阻点焊的工件层叠件的实施例的剖视图，其中该层叠包括至少一个钢质工件，其包括在焊接位置处形成的电极容纳壁，以及至少部分地围绕电极容纳壁的钢质工件的一个或多个集成的升高部分，以及与钢质工件相邻的铝质工件和至少一个附加铝质工件，并且其中相对的第一和第二焊接电极压靠在工件层叠件的相对的第一和第二侧部上，并且在焊接电极之间通过的电流在铝质工件内形成熔铝焊池，该熔铝焊池润湿钢质工件的电极容纳壁的相邻界面接触面；
图14是在图13中示出的熔铝焊池已经允许固化成将钢质工件和铝质工件粘接在一起的焊缝之后的工件层叠件的剖视图；
图15描绘了在平面钢试样和重叠的平面铝制试样之间形成的七个焊缝的对接剥离测试结果的图表。在该图中，左侧y轴表示以牛顿(N)为单位的对接剥离强度，右侧y轴表示以焦耳(J)断开试样所需的能量和焊接按钮(如果有的话)的直径。此外，每个焊缝的对接剥离强度用圆圈标识，断开试样所需的能量用“X”表示，任何矩形条的高度构成焊接按钮的平均直径，如果存在的话。对于任何特定的焊缝，没有矩形条意味着没有获得焊接按钮。
图16描绘了根据本公开的实践形成的七个焊缝的对接剥离测试结果的图表，其中钢制试样包括电极容纳壁和至少部分地围绕电极容纳壁而设置的钢制试样的一个或多个集成的升高部分。在该图中，如前文如图15所述，左侧y轴表示以牛顿(N)为单位的对接剥离强度，右侧y轴表示以焦耳(J)断开试样所需的能量和焊接按钮(如果有的话)的直径。此外，每个焊缝的对接剥离强度用圆圈标识，断开试样所需的能量用“X”表示，任何矩形条的高度构成焊接按钮的平均直径，如果存在的话。对于任何特定的焊缝，没有矩形条意味着没有获得焊接按钮。
具体实施方式
只要存在风险(即在加载条件下，当相邻钢铝质工件和铝质工件之间形成焊缝时，钢质工件可能会相对于铝质工件发生早期和过度变形)，通过局部硬化层叠件中包含的钢质工件，可以改善在包括至少钢质工件和铝质工件的工件层叠件中形成的电阻点焊中获得令人满意的机械性能的能力。钢质工件的局部硬化可以通过将整体的平面外变形体掺入到钢质工件几何形状中来实现，以提供尺寸适应焊接电极的压力接触的电极容纳壁。电极容纳壁包括电极接触面和界面接触面，并且平面外钢质工件变形体包括钢质工件的一个或多个集成的升高部分，该升高部分从电极接触面向上突出并且至少部分地限定电极接触面。钢质工件的一个或多个集成的升高部分可以完全地包围电极接触面，或者一个或多个集成的升高部分可以仅部分地包围电极接触面，其包括例如当电极接触面延伸到并终止于钢质工件的自由边缘时的情况。由整体的平面外钢质工件变形体提供的钢质工件的局部硬化抵抗了钢质工件在紧绕焊接位置的区域中的变形。在工件层叠件上的多个焊接位置的每个位置处可存在类似的平面外钢质工件变形体。
无论何时通过经验、建模、计算或其他定性和/或定量测量(即当工件之间形成的焊缝经受负载时，钢质工件会比层叠件中包含的铝质工件更早和/或速度更快地发生变形)来确定，钢质工件可以根据本公开进行局部硬化。钢质工件可能受益于局部硬化的环境取决于多种因素，其包括钢质工件的强度和厚度，以及叠层中钢质工件附近的一个或多个铝质工件的强度、厚度和数量。在某些情况下，相同的钢质工件可能受益于局部硬化，但其他情况则不然。通常，使用整体的平面外钢质工件变形体以在焊接位置处提供局部硬化对该位置处形成的焊缝的强度将产生更大的影响(特别是剥离强度和横向张力强度)，随着钢质工件的屈服强度中的一个或多个减小，钢质工件的厚度变薄，或者层叠中铝质工件的数量增加。
根据本公开，许多工件层叠件组件可以局部硬化并且进行电阻点焊。例如，就工件的数量而言，工件层叠件可仅包括钢质工件和相邻重叠的铝质工件，并且电极容纳壁以及紧邻的钢质工件的集成的升高部分可以在分配给层叠件的一个或多个预定焊接位置中的每个位置处掺入钢质工件中。作为另一个实例，只要多个铝质工件彼此相邻而设置，工件层叠件可以包括钢质工件和多个铝质工件。在这种情况下，工件层叠件可以是“3T”层叠件，其包括钢质工件和靠近钢质工件的两个铝质工件(即，铝-铝-钢层叠件)，或者工件层叠件可以是“4T”层叠件，其包括钢质工件和位于靠近钢质工件的三个铝质工件(即，铝-铝-铝-钢层叠件)。当层叠中存在多个铝质工件时，电极容纳壁和钢质工件的集成的升高部分可以在分配给层叠件的一个或多个预定焊接位置中的每个位置处掺入钢质工件中，像之前一样。
现在参考图1至4，示出了可以根据本公开进行电阻点焊的工件层叠件10的一个实施例。工件层叠件包括钢质工件12和相邻的重叠的铝质工件14。并且，如在图1中最佳地示出，工件层叠件10是法兰组件16的形式，其包括多个预定的焊接位置18。工件层叠件10具有由钢质工件面101'提供的第一侧部101和由铝质工件面103'提供的第二侧部103。在每个焊接位置18处，工件层叠件10的两个侧部101、103分别可接近焊接电极组20、22(图4-图7)；也就是说，第一焊接电极20布置成与工件层叠件10的第一侧部101接触并且压靠工件层叠件10的第一侧部101，而第二焊接电极22布置成与第二侧部103接触并且压靠第二侧部103。应该注意的是，尽管图2至图3中仅描绘了一个焊接位置18，本领域技术人员将理解，可以在图1中的层叠件10上示出的每个其他焊接位置18处以相同的方式利用第一和第二焊接电极20、22进行点焊，如果需要的话。
当在“2T”层叠件实施例的情况下将两个工件12、14层叠起来用于点焊，这在图1至图4中示例出，钢质工件12和铝质工件14分别具有工件层叠件10的第一侧部101和第二侧部103。特别地，钢质工件12包括接合面24和暴露的背面26，并且同样地，铝质工件14包括接合面28和暴露的背面30。两个工件12、14的接合面24、28彼此重叠并面对，以建立接合界面32，该接合界面32至少包围焊接位置18并且可选地包围在接合面24、28之间施加的中间有机材料层(未示出)。另一方面，钢质工件12的背面26和铝质工件14的背面30在焊接位置18处在相反方向上彼此背离，并且分别构成工件叠层件10的第一侧部101的钢质工件面101'和第二侧部103的铝质工件面103'。可存在于钢质工件12的结合面24和铝质工件14的接合面26之间的中间有机材料层可以是粘合剂，诸如可热固化的环氧树脂或可热固化的聚氨酯，或者它可以是密封件。如果存在的话，无机材料层通常在点焊之前施加到具有至少在焊接位置18内的厚度，该厚度范围为从0.1mm至2.0mm，或者更窄，范围为从0.2mm至1.0mm。
钢质工件12包括位于焊接位置18处的电极接收壁34，以及至少部分地围绕电极容纳壁34的钢质工件12的一个或多个集成的升高部分36。这些结构特征件34、36设计用于抑制钢质工件12中的早期和过度应变，否则其当钢质工件12和铝质工件14之间形成的焊缝38(图8)受到负荷时可能会发生这种应变。如在图4至图5中最佳地示出，电极容纳壁34包括电极接触面40和与电极接触面40相对的界面接触面42。电极接触面40(其是钢质工件12的背面26的区段)在集成的升高部分36的范围内至少部分地由具有表面区域44的钢质工件12的集成的升高部分36来限定。该表面区域44可以容纳焊接电极的整个焊接面，但是不能太大以至于由钢质工件12的集成的升高部分36提供的局部硬化从焊接位置18分开。在优选的实施例中，例如，并且有助于确保钢质工件12通过一个或多个集成的升高部分36足够靠近焊接位置18而被硬化，钢质工件12的一个或多个集成的升高部分36的至少一部分位于平面圆形区域46内，该平坦圆形面积46在电极接触面40的平面中延伸并且具有5mm至50mm的半径48，或者如从焊接位置18的中心50所测量，具有8mm至25mm更窄的半径。优选地，在90°至360°的任何地方，以及120°至360°的任何地方，平坦的圆形区域46的圆周由钢质工件12的集成的升高部分36跨越。
电极容纳壁34的界面接触面42是钢质工件12的接合面24的区段，并且通常具有与电极接触面40的尺寸和表面积相对应的尺寸和表面积。界面接触面42面对铝质工件14的接合面28，并与铝质工件14的接合面28接触(直接或间接)，以在焊接位置18处的钢质工件12和铝质工件14之间建立接合界面32。在电阻点焊期间，如下文将更详细地描述，电极容纳壁34的界面接触表面42在电流流动期间暴露于熔铝焊池并被熔铝焊池润湿。冷却后，熔铝焊池凝固成焊缝38，焊缝38粘接到钢质工件12的电极容纳壁34的界面接触面42，并且最终在焊接位置18处将钢质工件12和铝质工件14连接在一起。通过为电极接触面40提供上文所述表面区域44，电极容纳壁34的界面接触面42将具有足够大的表面区域以支撑与焊缝38相粘接。
钢质工件12的一个或多个集成的升高部分36(其至少部分地限定电极容纳壁34的电极接触面40)从电极接触面40向外突出，并因此偏离平面和远离电极接触面40。钢质工件12的一个或多个集成的升高部分36可以完全或部分地包围电极接触面40，并且每个集成的升高部分36突出到电极接触面40上方的高度，该高度优选地范围为从0.2mm到10.0mm，或者更窄，范围为从0.5mm到6.0mm。此外，因为钢质工件12的集成的升高部分36从电极接触面40向外地移位，所以在每个集成的升高部分36下面的钢质工件12的接合面24的区段52偏离平面并远离电极容纳壁34的界面接触面42。因此，钢质工件12的接合面24的该区段52不接触铝质工件14的接合面28，而是，相反，与铝质工件14的接合面28配合以限定间隙54，该间隙54至少部分地围绕电极容纳壁34，如在图4至图6中示出。钢质工件12的一个或多个集成的升高部分36可以通过冲压或任何其它适当的金属加工程序预制到钢质工件12中。
现在具体参考图2、图3和图5，示出了钢质工件12的电极容纳壁34和一个或多个集成的升高部分36(其在焊接位置18处至少部分地设置在电极容纳壁34周围)的一个具体实施例。这里，电极容纳壁34是圆形城堡状56，并且电极接触面40在平面图中是圆形或卵形的，并且由钢质工件12的连续集成的升高部分58完全地包围，连续集成的升高部分58跨越平面圆形区域46的360°圆周。在该实施例中，钢质工件12的连续集成的升高部分58包括倾斜壁60，该倾斜壁60完全包围电极接触面40并从电极接触面40向外延伸，与钢质工件12的底壁62成钝角，该底壁62围绕倾斜壁60并从倾斜壁60延伸。倾斜壁60的钝角范围可以为从95°至150°，或者更窄地范围为从100°至135°。围绕电极容纳壁34的钢质工件12的底壁62的至少一部分与铝质工件14分离。以这种方式，铝质工件14的接合面28和倾斜壁60下面的钢质工件12的接合面24的区段52以及从铝质工件14分离的钢质工件12的底壁62的部分限定了间隙54，在该实施例中，间隙54完全围绕电极容纳壁34的界面接触面42。钢质工件12的底壁62可以在工件层叠件10内保持与铝质工件14分离，但是，在优选的实践中，底壁62在焊接位置18外部与铝质工件14接触。
在这里图2至图3中示出的实施例的变形中，圆形城堡状部分56的圆形或卵形(在平面图中)电极接触面40可以被截短，并且钢质工件12的单个整体提升部分58可以仅部分地包围电极接触面40。例如，电极接触面40和界面接触面42可以延伸到并终止于位于法兰组件16的边缘处的钢质工件12的自由端部(在图3中由虚线64标识)。钢质工件12的连续集成的升高部分58也可以延伸到并终止于钢质工件12的自由端部64，尽管如所示例的，它不一定必须一直延伸到自由端部64。因此，在该特定变型中，倾斜壁60仅部分地围绕电极接触面38，并且平面圆形区域46的180°和270°圆周的任何位置由钢质工件12的整体提升部分58跨越。为此，铝质工件14的接合面28和倾斜壁60下面的钢质工件12的接合面24的区段52以及从铝质工件14分离的钢质工件12的底壁62的部分限定的间隙54仅部分地围绕电极容纳壁34的界面接触面42。当然，电极容纳壁34和一个或多个集成的升高部分36的其他结构显然可能超出结合图1至图3所示和所述的结构。这些替代结构中的一些在图9至图12中示出，并在下文描述。
电极容纳壁34和钢质工件36的一个或多个集成的升高部分36可以在焊接位置18处与多个不同的钢质工件12和铝质工件14一起使用，以积极地影响所形成的焊缝36的强度。钢质工件12可包括涂覆或未涂覆的各种强度和等级中的任何一种的钢制基材。钢质基材可以是热轧或冷轧的，并且可以由钢制成，诸如低碳钢、无间隙(IF)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、转变诱导塑性(TRIP))钢、缠绕诱导塑性(TWIP)钢和硼钢，诸如当钢质工件12包括淬硬钢(PHS)时。钢质工件12可包括在钢质基材的一侧或两侧上的表层。如果涂覆，钢质基材优选地包括锌面层(例如，热浸镀锌)、锌-铁合金(例如，镀锌或电沉积)、锌-镍合金(例如电沉积)、镍、铝、铝-镁合金、铝-锌合金或铝硅合金，其中任何一种在钢质基材的每一侧可具有高达50μm的厚度。考虑到钢质基材的厚度和可能存在的任何面层，至少在焊接位置18处，钢质工件12的厚度121的范围为从0.3mm至6.0mm，或者更窄，范围为从0.6mm至2.5mm。
在焊接位置18处对钢工件12的局部硬化的需要可以通过焊缝的机械负载来确定。确定是否需要局部硬化强的最简单的测试是通过首先夹紧钢质工件并剥离铝质工件来拆卸或剥离代表性的焊接试样或焊接部分的区段。如果焊缝沿着界面或适当尺寸的焊接按钮(即5√t，其中“t”是铝质工件的厚度)未形成，那么可以采用钢质工件在比较性工件层叠中的局部硬化，以进一步改善层叠中形成的焊缝的机械性能。也可以使用对接剥离测试或横向张力测试来确定钢质工件的局部硬化是否有效。拆卸、对接剥离测试或横向拉伸测试可以显示需要通过生产子尺寸焊接按钮或具有界面裂缝的焊缝来对钢质工件施加局部硬化。并且虽然钢质工件12可以是具有不同成分和规格的各种钢中的任何一种，但是当根据本公开的焊接位置18进行局部硬化时，某些类型的钢可能具有比其他钢更显著的益处。
在一种实施方式中，当钢质工件12具有2.5mm或更薄的厚度并且当钢质基材由250MPa或更小的屈服强度的钢构成时，钢质工件12可以是焊接位置18处局部硬化的良好候选者。碳含量为0.01wt％或更低的无间隙钢是屈服强度为250MPa或更低的一级钢的一个实例。当钢质基材具有500MPa或更小的屈服强度，但是钢质工件12的厚度121为1.8mm或更厚，并且铝质工件14的厚度141至少为钢质工件12的厚度121的110％以及铝质基材的屈服强度至少为钢制基材的屈服强度的40％时，钢质工件12也可以是焊接位置18处局部硬化的良好候选者。更进一步地，当钢质基材由1000MPa或更低的屈服强度的高级高强度钢(AHSS)组成时，而钢质工件12具有1.3mm或更薄的厚度121，并且铝质工件14的厚度141至少为钢质工件12的厚度121的150％以及铝质基材的屈服强度至少为钢质基材的屈服强度的20％时，钢质工件12可以是焊接位置18处局部硬化的良好候选者。双相和压力淬硬钢是可以具有高达1000MPa的屈服强度的钢级别的实例
在另一种具体实施方式中，当钢质工件12具有1.0mm或更薄的厚度并且当钢质基材由250MPa或更小的屈服强度的钢构成时，钢质工件12可以是焊接位置18处局部硬化的良好候选者。碳含量为0.01wt％或更低的无间隙钢是屈服强度为250MPa或更低的一级钢的一个实例。当钢质基材具有500MPa或更小的屈服强度，但钢质工件12具有0.8mm或更厚的厚度121，并且铝质工件14的厚度141至少为钢质工件12的厚度121的125％以及铝质基材的屈服强度至少为钢质基材的屈服强度的40％时间，钢质工件12也可以是焊接位置18处局部硬化的良好候选者。更进一步地，当钢质基材由1000MPa或更低的屈服强度的AHSS组成时，而钢质工件12具有0.6mm或更薄的厚度121，并且铝质工件14的厚度141至少为钢质工件12的厚度121的165％以及铝质基材的屈服强度至少为钢质基材的屈服强度的20％时，钢质工件12可以是焊接位置18处局部硬化的良好候选者。同样，在这里，双相和压力淬硬钢是可以具有高达1000MPa的屈服强度的钢级别的实例。
铝质工件14可包括涂覆或未涂覆的铝质基材。铝质基材可以由非合金铝或包括至少85wt％铝的铝合金构成。可以构成涂覆或未涂覆的铝质基材的一些显著的铝合金是铝-镁合金、铝硅合金、铝-镁-硅合金和铝锌合金。如果涂覆，当铝质基材暴露于空气和/或在制造过程中铝质基材暴露于高温期间产生的氧化物层时(例如，氧化皮)，铝质基材可以包括由耐火氧化物材料(诸如天然形成的天然氧化物涂层)构成的面层。耐火氧化物材料通常由氧化铝化合物和可能的其它氧化物化合物组成，诸如氧化镁化合物(例如，如果铝质基材是铝镁合金的话)。铝质基材也可以涂有一层锌、锡或金属氧化物转化涂层，如美国专利第2014/0360986号中所述。根据其组成，表层可以具有范围为1nm至10μm的厚度，并且可以存在于铝质基材的每一侧部上。考虑到铝质基材的厚度和可能存在的任何面层，至少在焊接位置18处，铝质工件14的厚度141的范围为从0.3mm至6.0mm，或者更窄，范围为从0.5mm至3.0mm。
铝质工件14的铝质基材可以锻造或铸造形式提供。例如，铝质基材可以由4xxx、5xxx、6xxx或7xxx系列可锻铝合金板层、挤压件、锻件或其他加工制品组成。或者，铝质基材可以由4xx.x、5xx.x或7xx.x系列铝质合金铸件组成。可构成铝质基材的一些更具体种类的铝质合金包括但不限于AA5754和AA5182铝镁合金、AA6111和AA6022铝镁硅合金、AA7003和AA7055铝锌合金以及Al10SiMg铝压铸合金。如果需要的话，铝质基材还可以以各种状态使用，其包括退火(O)、应变硬化(H)和固溶热处理(T)。因此，本文所用的词语“铝质工件”包括非合金铝和各种铝合金，无论是涂覆的还是未涂覆的，具有不同的可点焊形式，其包括锻造板层、挤压件、锻件等，以及铸件。
现在参考图4至图8，示出了将钢质工件和铝质工件与电极容纳壁34和掺入到钢质工件12中的集成升高部分36一起进行电阻点焊的方法。在图4至图8中的每个图中，工件层叠件10与第一焊接电极20和第二焊接电极22一起被描绘。第一焊接电极20和第二焊接电极22机械地并电气地耦合到焊枪66(在图4中部分地示出)，并且可相对于工件层叠件10定位以使电流通过层叠件10，并且在焊接位置18处跨过钢质工件12和铝质工件14的接合界面32。尽管焊枪66也可以配置在固定的基座上，但焊枪66优选地为安装到机器人的C型焊枪或X型焊枪，其能够以编程的进程在工件叠层件10周围移动焊枪66。此外，如这里示意性地所示例，焊枪66可以与电源68相关联，电源68根据由焊接控制器70管理的编程焊接程序在焊接电极20、22之间输送电流。焊枪66还可以配备有冷却剂管路和相关的控制设备，以便将冷却剂流体(诸如水)输送到每个焊接电极20、22，以在电流流动期间和之后帮助控制焊接电极20、22的温度。
第一焊接电极20包括第一焊接面72，第二焊接电极22包括第二焊接面74。第一焊接面72和第二焊接面74是第一焊接电极20和第二焊接电极22的部分，其在电流通过焊接面72、74之间的层叠件10的时间期间与工件堆叠件10接触并被压入到工件堆叠件10中。如图6中最佳地描绘的那样，第一焊接电极20的第一焊接面72定位成接触工件层叠件10的第一侧部101的钢质工件面101'，并且第二焊接电极22的第二焊接面74定位成(以与第一焊接面72相对并与第一焊接面72面向对准的方式)接触工件层叠件10的第二侧部103的铝质工件面103'。焊枪66可操作成使第一焊接电极20和第二焊接电极22的第一焊接面72和第二焊接面74与它们工件层叠件10各自的侧部101、103接触并朝向彼此夹紧焊接电极20、22，并且在焊接位置18处对层叠件10施加夹紧力。在工件层叠件10的点焊期间输送用于在第一焊接电极20和第二焊接电极22之间通过的电流的电源68优选地是中频直流(MFDC)逆变器电源，其与第一焊接电极20和第二焊接电极22电性连通。电源68可以被构造成根据编程的焊接程序以高达50kA的电流水平在焊接电极20、22之间传递直流电(DC)。
第一焊接电极20和第二焊接电极22中的每个可以以多种设计中的任何一种来构造。第二焊接电极22的第二焊接面74的直径范围可以为从6mm至20mm，或者更窄，范围为从为8mm至15mm，并且可以是平面或凸起的圆顶形。第一焊接电极20的第一焊接面72可以匹配第二焊接面74的尺寸和形状，或者，它可以具有的直径范围为从3mm至16mm，或者更窄，范围为从4mm至8mm，并且可以是平面或凸起的圆顶。第一焊接面72和第二焊接面74中的每个还可以包括表面特征，诸如下列中的一个或多个：(1)同心环脊；(2)同心环槽；(3)宏观纹理；(4)一系列台阶或梯阶；和/或(5)中央高原。第一焊接面72和第二焊接面74可以是对称的或不对称的。此外，至少第一焊接电极20和第二焊接电极22中的每个的第一焊接面72、74(并且优选地，整个第一焊接电极20和第二焊接电极22)可以由具有至少45％的IACS(2.61×10-7S/m)的导电率和至少180W/mk的导热率的材料构成。符合这些标准的一些材料包括C15000铜锆(CuZr)合金、C18200铜铬(CuCr)合金、C18150铜铬锆(CuCrZr)合金、耐火材料，诸如钨铜复合材料，其含有50wt％至90wt％分散在铜基质中的钨颗粒相和分散强化的铜材料，诸如具有氧化铝分散体的铜。也可以使用其他未在此明确列出的符合适用的导电和导热标准的材料。
根据本公开的工件层叠件10的电阻点焊包含首先提供工件层叠件10，其包括一对相邻的钢质工件12和铝质工件14以及可选的广泛应用的中间有机材料层。可以通过形成电极容纳壁34和一个或多个集成的升高部分36来提供工件层叠件10，一个或多个集成的升高部分36至少部分地围绕钢制工件12中的电极容纳壁34而设置。该形成过程可以通过各种金属加工程序中的任何一种来完成。在优选实施例中，特别是当电极容纳壁34是圆形城堡状结构56或任何其他类型的城堡状结构(其包括图9至图10中所描绘的线性城堡状结构)时，钢制工件12的电极容纳壁34和集成的升高部分可以通过冲压形成。利用电极容纳壁34，形成钢质工件12的集成的升高部分，钢质工件12和铝质工件14可以与任选的广泛施加的中间有机材料层一起组装到工件层叠件10中。合适的固定设备可用于将钢质工件12和铝质工件14放在一起并在组装期间将它们保持到位。
如图6所示，一旦提供了工件层叠件10，并且钢制工件12的电极容纳壁34的界面接触面42在焊接位置18面对并且接触(直接或间接)铝质工件14的接合面28，则工件层叠件10定位成介于第一焊接电极20和相对的第二焊接电极22之间。然后焊枪66操作成使第一焊接电极20和第二焊接电极22相对于彼此而会聚。这样，第一焊接电极20的第一焊接面72与钢质工件12(其构成钢质工件表面101')的电极容纳壁34的电极接触面40接触并压靠在电极接触面40上，第二焊接电极22的第二焊接面74以与第一焊接面72面向地对准的方式接触并压靠在铝质工件14(在该实施例中，其构成铝工件表面103')的背面30。焊接面72、74可以在夹紧力(其范围为从400lb(磅力)到2000lb，或者更窄，范围为从600lb到1300lb)下在焊接位置18处被夹紧到位。
如在图7至图8中示出，在第一焊接电极20的焊接面72和第二焊接电极22的焊接面74以与电极容纳壁34容纳的方式压靠它们各自在工件层叠件10的侧部101、103，在面向对准的焊接面72、74之间瞬间通过电流以形成焊缝38。交换的电流可以是恒定的或脉冲的，或者是两者的某种组合，并且通常具有电流水平的范围为从5kA rms(均方根)和50kA rms，并持续50ms到5000ms的总持续时间，或者更窄的总持续时间为从200ms到2000ms。作为一些具体实例，所施加的电流的时间表可以是US2015/0053655或US2017/0106466中公开的多步骤焊接方案的性质，这些申请中的每个的全部内容通过引用的方式并入本文，或者适用于工件层叠件10的其他焊接程序。当电流在第一焊接电极20的第一焊接面20和第二焊接电极22的第二焊接面74之间流动时，更耐电和热的钢质工件12非常快速地加热。该热量通过电极容纳壁34的界面接触面42传递到铝质工件14，并使铝质工件14开始在焊接位置18处熔化。如图7所示，铝质工件14的熔化产生熔铝焊池76。熔铝焊池76包含在铝质工件14内并润湿钢质工件12的电极容纳壁34的相邻界面接触面42。
在熔铝焊池76在铝质工件14内生长到最终尺寸的时间段期间，第二焊接电极22的第二焊接面74进一步冲击到工件层叠件10的第二侧部103中，这连续地使更多的第二焊接面74与铝质工件14暴露的背面30进行压力接触。第二焊接电极22的第二焊接面74的持续冲压最终包含在第二焊接面74的外周内的熔铝焊池76。熔铝焊池76可以具有沿着钢质工件12的电极容纳壁34的界面接触面42的直径，该直径范围为从3mm到15mm，或者更窄地范围为从6mm到12mm，并且可以穿透到铝质工件14一段距离，该距离在焊接位置18处的铝质工件14的厚度141范围为从10％至100％，或更优选地范围为从20％至80％。并且，就其组成而言，除了来自钢质工件12的少量扩散铁和可以从工件表面层引入焊池76的材料之外，熔铝焊池76由源自铝质工件14的铝质材料组成。
介于第一焊接电极20的焊接面72和第二焊接电极22的焊接面74之间的电流通道最终被终止，这使得电流流动低于1kA，因为系统中仍然存在一些电感，从而允许熔铝焊池76固化到焊缝38中，如图8所描绘。焊缝38是将相邻的钢质工件12和铝质工件14焊接在一起的材料。特别地，焊缝38与钢质工件12的电极容纳壁34的界面接触面42建立粘接界面78，并且包括两个主要部件：(1)铝焊接熔核80和(2)Fe-Al金属间化合物层82。铝焊接熔核80由再凝固的铝组成，并且延伸到铝质工件14中一段距离，该距离为在焊接位置18处的铝质工件14的厚度141的10％至100％的范围，或者更窄，范围为从20％至80％。Fe-Al金属间化合物层82位于铝焊接熔核80和钢质工件12的界面接触面42之间并且与粘接界面78邻接。由于熔铝焊池76和铁之间的反应，产生Fe-Al金属间化合物层82，铁在点焊温度下从钢质工件12扩散到焊池76中，并且通常沿着焊缝38和钢质工件12的粘接界面78具有1μm至5μm的平均厚度。在Fe-Al金属间化合物层82中可以发现金属间化合物，诸如FeAl3化合物、Fe2Al5化合物和可能的其它Fe-Al金属间化合物。Fe-Al金属间化合物层82比铝焊接熔核80更硬，更脆并且更不坚韧。
在点焊完成之后，形成焊缝38，以便在焊接位置18处将钢质工件12和铝质工件14焊接在一起，由第一焊接电极20和第二焊接电极22施加的夹紧力被释放并且电极20、22从工件层叠件10的相应工件侧部101、103缩回。现在可以相对于焊枪66移动工件叠层件10，使得第一焊接电极20和第二焊接电极22在另一个焊接位置18处以面向对准的方式而定位，另一个焊接位置18可以包括或不包括电极容纳壁34，并且一个或多个集成的升高部分36掺入到钢质工件12中，可以重复点焊方法。或者，不是在不同的焊接位置18处进行点焊，而是可以使工件层叠件10远离焊枪66移动，以为另一个工件层叠件10腾出空间。一旦工件层叠件10在其所有指定的焊接位置18处被点焊，就可以进一步处理层叠件10。例如，可以涂覆工件层叠件10。伴随涂漆工艺的典型涂漆操作可包含将层叠件10在ELPO背烘箱或其他烘箱中加热至160℃至190℃范围内的温度。这种加热可以在铝质基材以及铝质工件14的热影响区(HAZ)中引起硬化响应，这反过来可能使钢质工件12更容易在焊缝38经受负载时相对于铝质工件14经历早期和过度变形。
当涉及将一个或多个铝质工件进行电阻点焊到钢质工件上时，本公开的实践不仅仅限于上述电极容纳壁34(如图1至图8所示)、或者工件层叠件10的特定结构10。电极容纳壁34可以采用替代结构，其一些实例在图9至图12中示出，和/或包括在工件层叠件中的铝质工件的数量可以大于一个，例如，如图13至14中所描述的。在以下对替代实施例的讨论中，对应于在前文实施例的描述中使用的附图标记的附图标记将用于识别具有相似功能的类似元件。为此，在图1至图8中示出的前文所述的实施例的各方面的描述同样适用于用相应的附图标记标识的以下实施例的各方面，除非另有明确说明。仅在图9至图14中示出的可替代实施例的材料差异将在下文进行详细论述。
现在参考图9至图10，示出了钢质工件的替代实施例。该实施例中的电极容纳壁由附图标记134标识，并且如图所示，是线性城堡状结构84。线性城堡状结构84的电极接触面140在平面图中可以是矩形的，并且它可以在法兰组件116的边缘处从钢质工件112的自由端部164纵向地向内延伸，虽然它肯定不必在自由端部164终止。由于电极接触面140终止于钢质工件112的自由端部164的事实，电极接触面140可以至少部分地由钢质工件112的一对横向集成的升高部分86来限定。该对横向集成的升高部分86包括第一横向集成的升高部分86'和第二横向集成的升高部分86”。如图所示，钢质工件112的第一集成的升高部分86'和第二集成的升高部分86”可能彼此不同，或者它们可以围绕电极接触面140的端部，相对于钢质工件112的自由端部164，作为钢质工件112(其基本上具有U形形状)的较大的连续集成的升高部分的一部分。优选地，并且与图4和图5中示例的实施例一样，平面圆形区域46的圆周从90°到360°的任何地方和从120°到360°的任何更窄的地方由钢质工件12的集成的升高部分36跨越。在这种情况下，钢制工件112的一个以上的集成的升高部分86'、86”被平面圆形区域46(图3)包围的地方，由集成的升高部分86'、86”的交叉点限定的角度和平面圆形区域46的圆周加在一起。
钢质工件112的第一集成的升高部分86'和第二集成的升高部分86”中的每个可包括第一倾斜壁88'、88”并且还可包括第二倾斜壁90'、90”，第一倾斜壁88'、88”以与底壁162'、162”成钝角的形式从电极接触面140向外延伸；第二倾斜壁90'，90”朝向铝质工件114向内延伸到另一个电极容纳壁134，或者延伸到钢质工件112的延伸部分，该延伸部分在焊接位置118外部接触铝质工件114。每个倾斜壁88'、88”的钝角可以在95°至150°的范围内，或者更窄地，在100°至135°的范围内。因此，在该实施例中，第一倾斜壁88'、88”，底壁162'、162”以及钢质工件112的每个横向集成的升高部分86'、86”的第二倾斜壁90'、90”下面的钢质工件112的接合面124的区段152'、152”与铝质工件114的接合面128一起限定间隙154'、154”。这些间隙154'、154”沿钢质工件112的电极容纳壁134的界面接触面142纵向延伸。
现在参考图11至图12，示出了钢质工件的另一个替代实施例。该实施例中的电极容纳壁由附图标记234标识，并且如图所示，其是两个间隔开的加强肋92之间的钢质工件212的一部分。加强肋92可包括第一加强肋92'和第二加强肋92”，每个第一加强肋92'和第二加强肋92”在凸缘组件216的边缘处从钢质工件212的自由端部264纵向地向内延伸。每个间隔开的加强肋92'、92”包括由钢质工件212的背面226产生的弧形壁94'、94”。每个加强肋92'、92”的弧形壁94'、94”的外表面96'、96”从电极接触面240向外突出，并且钢质工件212的背面226的外侧部分98'，98”从电极容纳壁234的外侧突出。类似地，每个加强肋92'、92”的弧形壁94'、94”下面的钢质工件212的接合面224的区段252'、252”与铝质工件214的接合面228一起限定了间隙254'、254”。这些间隙254'、254”沿纵向延伸，但不完全围绕钢质工件212的电极容纳壁234的界面接触面242。并且，虽然这里描绘的加强肋92'、92”在平面图中沿着钢质工件212的背面226是线性的，但是在其他变型中，肋92'、92”中的一个或两个可以在平面图中沿着钢质工件212的背面226弯曲，使得容纳壁234的电极接触面240在平面图中是圆形的。
更进一步，现在参考图13至图14，工件层叠件可以包括一个以上的铝质工件，但需要注意的是，铝质工件在层叠件中被分组并且彼此相邻定位。该实施例中的工件层叠件由附图标记310标识，并且包括至少一个附加铝质工件305。关于层叠件310中包括的附加铝质工件305的特性，以上结合图1至图8中所示的实施例的铝质工件314的描述适用于该工件和可包括在工件层叠件310中的任何其他附加铝质工件。然而，应该注意到，虽然相同的一般描述适用，但是不要求另外的铝质工件在组成、厚度或形状(例如，锻造或铸造)方面与铝工件314相同，铝工件314在工件层叠件310内位于钢质工件312附近。
如图13所示，附加铝质工件305重叠并且邻近铝质工件314而设置，铝质工件314位于钢质工件312附近。当附加铝质工件305如此定位在层叠件310内时，钢制工件312的背面326构成钢质工件表面101'，钢质工件表面101'提供工件层叠件310的第一侧部101，如前文所述，而位于钢质工件312附近的铝质工件305现在包括一对相对的接合面328、307。面向钢质工件314的铝质工件314的接合面328继续与钢质工件312的电极容纳壁334的界面接触面342接触，以在焊接位置318处在两个工件312、314之间建立接合界面330，如前文所述。铝质工件314的另一个接合面307重叠并面对附加铝工件305的接合面309。这样，在这种特殊布置的搭接工件312、314、305中，附加铝质工件305暴露的背面311现在构成铝质工件面103'，铝质工件面103'提供工件层叠件310的第二侧部103。
这里在图13至图14中示出的工件层叠件310可以采用与前述相同的方式进行电阻点焊。特别地，首先将钢质工件312和铝质工件314、305组装到工件层叠件310中。电极容纳壁334和在焊接位置18处掺入到钢质工件312中的一个或多个集成的升高部分336可以根据上述实施例34、36、134、136、234、236中的任何一个或其变型来构造。一旦组装后，第一焊接电极20的第一焊接面72压靠在钢质工件312的电极容纳壁334的电极接触面340上(其构成了层叠件310的第一侧部101处的钢质工件表面101')，并且同样地，第二焊接电极22的第二焊接面74以与第一焊接面72面向对准的方式压靠在附加铝质工件305暴露的背面311上(其在该实施例中，在层叠件310的第二侧部103处构成铝质工件面103')。然后，电流瞬间在面向对准的焊接面72、74之间通过，以形成熔铝焊池376，其最终以与上述相同的方式凝固成焊缝338。
形成在工件层叠件310中的焊缝338具有与之前相同的结构；也就是说，焊缝336包括铝焊接熔核380和Fe-Al金属间化合物层382。此外，与之前类似，焊缝338与钢质工件312的电极容纳壁334的界面接触面342建立粘接界面378。然而，在该实施例中，焊缝338的铝焊接熔核380延伸穿过铝质工件314的整个厚度3141，铝质工件314位于钢质工件312附近，并且此外，继续延伸到附加铝质工件305一段距离，该距离在焊接位置318处的附加铝质工件305的厚度3051为10％至100％的范围，或者更窄地为20％至80％的范围。为此，焊缝338具有双重功能：(1)将两个铝质工件314、305熔焊在一起，以及(2)通过在焊缝338和钢质工件312的电极容纳壁334的界面接触面342之间以建立的粘接界面378的方式将熔接的铝质工件314、305冶金粘接到钢质工件312。
归因于电极容纳壁34、134、234、334和焊接位置18、118、218、318处的一个或多个集成的升高部分36、136、236、336的局部硬化效应强化了焊缝38、338，焊缝38、338在某些情况下将钢质工件和铝质工件粘接在一起。电极容纳壁34、134、234、334和一个或多个集成的升高部分36、136、236、336通过限制应变量，尤其是经受电极容纳壁34、134、234、334的界面接触面42、142、242、342处的钢质工件12、112、212、312的塑性应变，使钢质工件12、112、212、312变硬。在焊接位置18、118、218、318处钢质工件12、112、212、312经受的过度应变(尤其是塑性应变)能够导致焊缝38、338的相对脆性的金属间层82、382破裂，从而引起接缝38、338的界面或部分界面破坏以及低强度。由于这种加强，当加载焊缝38、338时，钢质量工件12、112、212、312的变形被抵制，这有助于防止钢制工件更早地发生过度变形，和/或当钢质工件12、112、212、312与相邻的铝质工件14、114、214、314、305之间存在无足轻重的固有刚度差异时，以比包括在层叠件10、110、210、310中的铝质工件14、114、214、314、305更快的速率接近焊接位置18、118、218、318、12、112、212、312。换言之，通过在焊接位置18、118、218、318局部强化钢质工件12、112、212、312，由于金属间层82、382经历的变形或应变导致金属间层82、382破裂，焊缝38、338(其可能具有高质量的微观结构，并被认为是结构合理的)免于过早失效。
为了证明通过将电极容纳壁34、134、234、334和一个或多个集成的升高部分36、136、236、336在焊接位置18、118、218、318处掺入到钢质工件12、112、212、312中可以获得对焊接强度的积极影响，在有和没有局部硬化辅助的情况下形成的电阻点焊上进行了一系列的对接剥离测试。为了比较起见，在1.2mm镀锌低碳钢质试样和1.2mm AA6022-T4铝质试样之间形成七个电阻点焊焊缝。最初，钢质试样和铝质试样是平面的，因此没有局部硬化掺入到钢质工件中。七个焊缝中的每一个以产生良好焊接微观结构的方式形成。焊接后，将焊接样品在175℃的烘箱中烘烤，以模拟暴露在植物中的ELPO烘烤。然后对焊缝进行对接剥离测试，并将结果绘制在图15中示出的图表上。在该图表中，每个焊缝的对接剥离强度(以牛顿(N)(左侧y轴)的为单位报告)用圆圈标识，并且将试样分开所需的能量(以焦耳(J)(右侧y轴)为单位报告)通过“X”标识。另外，任何矩形条的高度构成焊接按钮的平均直径(如果存在的话)，并以毫米(mm)(也是右y轴)为单位报告。对于任何特定的焊缝，没有矩形条意味着没有获得焊接按钮。
可以看出，在没有钢质工件局部硬化的益处的情况下，经受对接剥离测试的七个烘烤点焊缝具有观察到的平均剥离强度为188N，观察到的平均破裂能量为0.52J，并且通常不产生焊接按钮，而是遭受界面接缝断裂。实际上，在对接剥离测试期间，七个焊缝中只有两个产生焊接按钮。并且，如图15所示，在这两种情况下产生的焊接按钮的尺寸相当小，观察到的平均直径约为2.0mm。因为在没有钢制工件局部硬化的情况下形成的焊缝具有良好的微观结构，其本身应该产生更好的对接剥离测试结果，据信，与测试期间铝质试样相比，钢质试样表现出的早期起始和/或过度应变率将高水平的应力传递给焊缝的Fe-Al金属间化合物层。这种显著和突然的应力导致结构上合理的焊缝沿着它们与铝质试样(其中存在脆性Fe-Al金属间化合物层)的粘接界面断裂。
在1.2mm的镀锌低碳钢试样和1.2mm的AA6022-T4铝试样之间形成七个电阻点焊接缝，并根据本公开在钢质试样中加入局部硬化。具体地，虽然铝质试样是平面的，但是钢质试样包括类似于图2至图3所示的预制圆形城堡状结构和钢质试样的周围集成的升高部分，以在焊接位置处赋予局部硬化。七个焊缝中的每个以与其他焊缝相同的方式形成，其中没有使用局部硬化。焊接后，将焊接样品在175℃的烘箱中烘烤，以模拟暴露在植物中的ELPO烘烤。这产生的焊缝具有良好的焊接微观结构，其在两组接缝之间是一致的(局部硬化和非局部硬化)。然后对焊缝进行对接剥离测试，并将结果绘制在图16中示出的图表上。在该图表中，如上文所述，每个焊缝的对接剥离强度(以牛顿(N)(左侧y轴)的为单位报告)用圆圈标识，并且将试样分开所需的能量(以焦耳(J)(右侧y轴)为单位报告)通过“X”标识。另外，任何矩形条的高度构成焊接按钮的平均直径(如果存在的话)，并以毫米(mm)(也是右y轴)为单位报告。对于任何特定的焊缝，没有矩形条意味着没有获得焊接按钮。
利用钢制工件局部硬化的益处，经过对接剥离测试的七个点焊缝包括圆形城堡状，其中，电极接触面由连续的集成的升高部分完全地包围。七个点焊的观察到的平均剥离强度为363N，观察到的平均断裂能为3.94J。与图15中的结果相比，图16中报道的焊缝的剥离强度几乎翻了一番，破裂的能量增加了近八倍。此外，所有使用局部硬化的焊缝都产生焊接按钮，这意味着焊缝的强度足以在测试过程中将一块铝从铝质试样中撕下来。观察到的七个焊接按钮的平均直径为5.2mm，这比在焊缝的对接剥离测试中观察到的两个焊接按钮大约2.5倍，其中未使用钢质试样的局部硬化。从这些结果可以得出结论，圆形城堡状结构和在焊接位置处掺入到钢质试样中的周围集成的升高部分是改善焊缝的机械性能的主要因素。如果电极容纳壁的任何其他结构和上述的一个或多个集成的升高部分以及其它没有明确描述的用圆形城堡和其周围的钢质试样的集成的升高部分来代替，则预期会出现相同类型的结果。
以上对优选示例性实施例和具体实例的描述本质上仅是描述性的；它们并非旨在限制下文的权利要求的范围。除非特别说明并且在说明书中另有明确说明，所附权利要求中使用的每个词语应当给出其普通和惯常的含义。

Claims (10)

1.一种电阻点焊包括钢质工件和至少一个相邻的重叠铝质工件的工件层叠件的方法，所述方法包括：
在所述钢质工件中形成电极容纳壁，所述电极容纳壁具有电极接触面和相对的界面接触面，所述电极接触面至少部分地由钢质工件的一个或多个集成的升高部分限定，所述升高部分从所述电极接触面向上地突出；
以重叠的方式组装钢质工件和一个或多个铝质工件以形成工件层叠件，使得所述钢质工件的电极容纳壁的界面接触面面向并接触一个或多个铝质工件的相邻接合面，以建立接合界面；
将第一焊接电极的第一焊接面在所述工件层叠件的第一侧部处压靠在所述钢质工件的所述电极容纳壁的所述电极接触面上；
将所述第二焊接电极的第二焊接面在所述工件层叠件的第二侧部处以与所述第一焊接电极的所述第一焊接面面向对准的方式压靠在所述一个或多个铝质工件的暴露的背面上；
将电流在所述第一焊接电极的所述第一焊接面和所述第二焊接电极的所述第二焊接面之间通过，以在一个或多个润湿所述钢质工件的所述电极容纳壁的所述界面接触面的铝质工件内形成熔铝焊池；和
允许所述熔铝焊池凝固成焊缝，所述焊缝将所述一个或多个铝质工件粘接到所述钢质工件上。
2.如权利要求1所述的方法，其中至少部分地限定所述电极容纳壁的所述电极接触面的所述钢质工件的一个或多个集成的升高部分中的每一个在所述电极接触面上方至少升高0.5mm。
3.如权利要求1所述的方法，其中在所述钢质工件的所述一个或多个集成的升高部分下面的所述钢质工件的接合面的区段面对但不接触所述一个或多个铝质工件的相邻接合面，从而与所述一个或多个铝质工件的相邻接合面一起限定间隙，所述相邻接合面至少部分地围绕所述钢质工件的所述电极容纳壁。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述电极容纳壁的所述电极接触面由所述钢质工件的一个或多个集成的升高部分完全地包围。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述电极容纳壁的所述电极接触面由所述钢质工件的一个或多个集成的升高部分部分地包围。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述电极容纳壁是圆形城堡状，其中所述电极接触面在平面图中是圆形或卵形并且至少部分地由倾斜壁限制，所述倾斜壁从电极接触面以从95°到150°范围的钝角向外延伸。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述电极容纳壁是线性城堡状，其中所述电极接触面在平面图中是矩形并且至少部分地由所述钢质工件的一对横向集成的升高部分限定，每个所述钢质工件的横向集成的升高部分具有倾斜壁，所述倾斜壁从电极接触面以从95°到150°范围的钝角向外延伸。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述电极容纳壁是位于两个间隔开的加强肋之间的所述钢质工件的一部分，每个所述加强肋包括弧形壁，所述弧形壁具有从所述电极接触面向外突出的外表面和在所述电极容纳壁外部的所述钢质工件的背面的外侧部分。
9.一种电阻点焊包括钢质工件和至少一个相邻的重叠铝质工件的工件层叠件的方法，所述方法包括：
提供工件层叠件，所述工件层叠件包括钢质工件，所述钢质工件在点焊位置处与一个或多个铝质工件重叠，所述钢质工件包括电极容纳壁，所述电极容纳壁具有电极接触面和相对的界面接触面，所述电极接触面至少部分地由所述钢制工件的一个或多个集成的升高部分限定，所述升高部分从所述电极接触面向外地突出，并且所述钢质工件的所述电极容纳壁的所述界面接触面面对并接触所述一个或多个铝质工件的相邻接合面，以建立接合界面，其中所述钢质工件的一个或多个集成的升高部分的至少一部分位于平面圆形区域内，所述平面圆形区域在所述电极接触面的平面中延伸并且具有从点焊位置的中心测量的5mm至50mm的半径，并且其中所述平面圆形区域的90°至360°圆周的任何位置都由所述钢质工件的所述一个或多个集成的升高部分跨越；
将所述第一焊接电极的第一焊接面在所述工件层叠件的第一侧部处压靠在所述钢质工件的所述电极容纳壁的所述电极接触面上；
将所述第二焊接电极的第二焊接面在所述工件层叠件的第二侧部处以与所述第一焊接电极的所述第一焊接面面向对准的方式压靠在所述一个或多个铝质工件的暴露的背面上；
将电流在所述第一焊接电极的所述第一焊接面和所述第二焊接电极的所述第二焊接面之间通过，以在一个或多个润湿所述钢质工件的所述电极容纳壁的所述界面接触面的铝质工件内形成熔铝焊池；和
允许所述熔铝焊池凝固成焊缝，所述焊缝将所述一个或多个铝质工件粘接到所述钢质工件上，所述焊缝延伸到包括在所述工件层叠件中的一个或多个铝质工件中，并与所述钢质工件的所述电极容纳壁的所述界面接触面建立粘接界面，所述焊缝包括铝焊接熔核和介于所述铝焊接熔核与所述钢质工件的所述电极容纳壁的所述界面接触面之间的Fe-Al金属间化合物层。
10.如权利要求9所述的方法，其中在所述钢质工件中形成电极容纳壁包括冲压所述电极容纳壁以形成(1)圆形城堡状，其中所述电极接触面在平面图中是圆形或卵形并且至少部分地由从所述电极接触面以钝角向外延伸的倾斜壁限制，或(2)线性城堡状，其中所述电极接触面在平面图中是矩形并且至少部分地由所述钢质工件的一对横向集成的升高部分所限定，所述钢质工件的每个横向集成的升高部分具有倾斜壁，所述倾斜壁从所述电极接触面以钝角向外延伸。
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