CN111136372A - 用于异种金属焊接的高纵横比焊接面设计 - Google Patents

Abstract

本文公开了一种电阻点焊电极，其用于与具有铝合金工件的叠层中的钢制工件中的狭窄的或其他选定的点焊区域接触，以在点焊方法中使用，在所述点焊方法中焊接熔核在叠层的界面处在铝制工件中小心地形成。用于与钢制工件接触的焊接电极的焊接面成形为具有大于1的纵横比，其与钢制工件的接触表面配合，而用于铝接触的焊接电极的焊接面是圆形的(纵横比等于1)。工件的叠层可以包括面向两个夹层式叠层的铝制工件的单个钢制工件或面向单个铝制工件的两个钢制工件，外部钢制工件具有用于钢焊接电极的狭窄接触表面。

Description

用于异种金属焊接的高纵横比焊接面设计

技术领域

本公开涉及用于异种金属焊接的高纵横比焊接面设计。

背景技术

电阻点焊是许多行业用于将两个或更多个金属工件连接在一起的工艺。例如，汽车工业通常使用电阻点焊在车辆结构框架构件(例如，车身侧面和横向构件)和车辆闭合构件(例如，车门、发动机罩、后备箱盖、后备箱门等)的制造过程中将金属工件连接在一起。许多点焊缝通常形成在上覆金属工件的叠层的圆周周围的各个点处，或一些其他粘合区域处，以确保该部件在结构上是合理的。虽然通常实施点焊使为了将某些类似组成的金属工件(例如钢-钢和铝-铝)连接在一起，但是将较轻重量的材料结合到车身结构中的需求使得通过电阻点焊将钢制工件连接到铝制工件受到了关注。这种钢制和铝制工件可具有薄的保护涂层(例如镀锌钢或树脂涂覆的铝合金)并且通常为金属板层的形式，或具有相对薄的部分(例如，厚度为约0.3毫米至约6毫米)的铸件或挤压件的形式，或任何其他可电阻点焊的件的形式，包括表面层或涂层(如果存在的话)。上述对电阻点焊此类异种金属工件的要求并非汽车工业所独有。实际上，它延伸到其他行业，包括航空、海运、铁路和建筑行业。

电阻点焊依赖于电流通过重叠的金属工件并穿过它们的接合界面的流动以产生焊接所需的热量。为了进行这样的焊接过程，一组相对的焊接电极以面对齐的方式压靠在工件叠层的相对侧，所述工件叠层通常包括以搭接配置布置的两个或三个金属工件。然后，电流从一个焊接电极传递到另一个焊接电极，沿直线路径通过金属工件。对该电流的流动的阻力在金属工件内和它们的接合界面处产生热量。当工件叠层包括铝制工件和相邻的重叠钢制工件时，在接合界面处和在那些异种金属工件的散装材料内产生的热量在铝制工件内引发并长成熔融铝焊池。熔融铝焊池润湿钢制工件的相邻接合表面，并且在电流终止时凝固成焊接接头，焊接接头将两个工件连接在一起。

然而，在实践中，将铝制工件点焊到钢制工件上是具有挑战性的，因为这两种金属的许多特性会对焊接接头的强度(最显着的是剥离强度和交叉张力强度)产生不利的影响。例如，铝制工件通常含有机械韧性、电绝缘和自修复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，包括当铝制工件由例如含镁铝合金构成时的氧化镁的化合物。耐火氧化物表面层在接合界面处有被完整无缺地保留下来的倾向，其不仅妨碍熔融铝焊池润湿钢制工件的能力，而且还在生长的焊池内导致近界面缺陷。此外，耐火氧化物表面层的绝缘性质提高了铝制工件(即，在其接合表面处和在其电极接触点处)的电接触电阻，使得难以有效地控制和集中铝制工件内的热量。

除了铝制工件的耐火氧化物表面层所带来的挑战之外，铝制工件和钢制工件具有不同的性质，这些性质可能对焊接接头的强度和性质产生不利影响。具体地，铝的熔点(～600℃)和电阻率以及热阻率相对较低，而钢的熔点(～1500℃)和电阻率以及热阻率相对较高。由于材料性质的这些差异，在电流流动过程中大部分热量在钢制工件内产生，使得钢制工件(较高温度)和铝制工件(较低温度)之间存在热量不平衡。在电流流动过程中产生的热量不平衡和铝制工件的高热导率的组合意味着：在电流流动终止之后，立即发生热量不能从焊接区域对称地散布的情况。相反，热量从较热的钢制工件通过铝制工件传导到铝制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。

据认为，在钢制工件与铝制工件的另一侧的焊接电极之间产生陡峭的热梯度的发展会以几种方式削弱所得到的焊接接头。首先，因为在电流流动终止后钢制工件保持的热量持续时间比铝制工件长，所以熔融铝焊池从与铝制工件相关的较冷焊接电极(通常是水冷)附近的区域开始定向凝固，并朝向钢制工件的接合表面传播。这种凝固前沿倾向于朝向并沿着焊接接头和钢制工件的结合界面扫动或驱动缺陷(例如气体孔隙、收缩空隙和微裂纹)，其中在焊接接头和钢制工件处已经存在残留的氧化膜缺陷。如果与来自粘合剂层或可能存在于铝制工件和钢制工件之间的其他有机材料层的热分解残余物结合，则残留的氧化物膜缺陷可以是特别破坏性的。其次，钢制工件中持续升高的温度促进了焊接接头内硬脆的Fe-Al金属间化合物层的生长，并与钢制工件的接合表面相邻。在结合界面处焊接缺陷的分散以及Fe-Al金属间化合物层的过度生长倾向于降低焊接接头的剥离强度和交叉张力强度。

已经开发了用于将钢制工件点焊到铝合金工件上的方法，如2014年提交的共同未决并转让给本发明的专利权人的美国专利申请(序列号为14/503969，标题为"铝合金-钢焊接工艺")中所公开的。该共同未决的申请的完整说明书通过引用结合到本说明书中。

该'969专利申请的公开方法使用具有圆形空心主体(用于水冷却)的焊接电极以及通常具有合适直径和曲率半径的圆形、锥形和凸形焊接面(给定直径的焊接面)，用于在叠层之间形成一个或多个电阻点焊缝，所述叠层包括一个或两个薄钢合金工件(堆叠在一起)和一个或两个相对较薄的铝合金工件(堆叠在一起)。凸形焊接面，特别是在用于接触铝合金工件的焊接电极上的凸形焊接面，可具有机加工到焊接面中的直立同心环，以在焊接周期期间(多环圆顶(MRD)电极)使焊接面与工件更加深入地接触。用于钢制工件的铜基电极和用于铝合金工件的铜基焊接电极的焊接面的接触表面的尺寸和形状通常不同，使得在焊接电流通过相对电极之间和通过工件过程中，由与铝制工件接合的焊接电极面形成的大致圆形接触补片的面积比由与钢制工件接合的焊接电极面形成的圆形接触补片的面积大(至少大1.5倍)。这种关于与其预期的工件接合的两个电极的电极面的形状和尺寸的实践使得能够在铝合金工件内和工件的接合界面处形成高质量的焊接熔核。

取决于工件的形状、厚度和组成，与铝合金工件接合的电极面的直径可以高达约20毫米，并且与钢制工件接合的电极面的直径可以高达约16毫米。所公开的方法在形成电阻点焊缝方面是有效的，特别是当在工件上，例如，在成形为具有窗(或另一种类型的车辆中的狭窄结构)的机动车门的内板和外板的钢板和铝合金板的组件的圆周周围，需要一系列点焊缝时。然而，存在这样的情况：钢制工件的表面狭窄(例如靠近窗的凸缘)，该狭窄的表面不足以容纳大小适合于形成适当尺寸的点焊缝的焊接电极的圆形焊接面。在许多情况下，简单地缩小焊接电极和形成的焊缝的直径以适合狭窄凸缘是不合适的。较小的点焊缝强度不够大。还有另外的原因是难以在钢和铝合金工件的较薄部分的某些叠层中形成强焊接接头。有时，由于片材或类似工件的组成，在焊接过程中产生了太厚的FeAl-金属间化合物层。并且有时所得到的焊接接头容许钢构件的过度偏转，这会使钢/铝合金工件的焊接界面处的金属间化合物层破裂。现在认识到，为了避免形成的焊缝出现问题，希望确保焊缝处的Fe-Al金属间化合物层适当地薄。

因此，需要调整所描述的焊接方法和焊接电极接触表面以适应一个或两个钢制工件和放置在钢制工件同一侧的一个或两个相邻的堆叠铝合金工件的叠层组件的狭窄焊接表面区域的电阻点焊，或反之亦然(但总共有三个堆叠的工件)。还认为，通过限制钢焊接电极的焊接面的宽度，可以产生有用的不对称熔合区。这些熔合区应该会导致更薄和更高强度的金属间化合物区域，这能够有助于焊接在铝-钢界面处需要高强度的困难较大的叠层。通过在焊接过程中提供较短的路径使粘合剂从焊接电极下方逸出，钢焊接电极上的高纵横比焊接面也可以很好地通过施加到界面的粘合剂层进行焊接。

发明内容

电阻焊接电极通常由铜或铜基合金形成。为了本说明书中的简洁起见，用于与铝合金工件的表面接合的成形铜电极将被称为铝合金焊接电极。并且用于与钢制工件的表面接合的铜电极将被称为钢焊接电极。

铝合金焊接电极的焊接面优选为圆形，并且因此纵横比(AR)为1。并且，例如，铝合金焊接电极的焊接面的直径合适地在约6毫米至约20毫米的范围内。铝合金焊接电极的焊接面可以是平的，或者可以是凸形的，具有球形半径，位于从焊接电极的圆形基部轴向延伸的锥形结构的顶部。

为接合钢制工件的外表面，钢焊接电极的焊接面成形为适合于狭窄点焊接表面，同时向叠层提供合适的焊接电流。但是，本发明的钢焊接电极可以用于其他铝合金/钢叠层中，其中有助于管理Fe-Al金属间化合物层。钢焊接电极的焊接面不是圆形的，其形状的纵横比大于1(优选大于1.5)。例如，钢焊接电极的焊接面的平面图形状可以是矩形或椭圆形的，或者形状像具有直的长边(跑道)的椭圆形，或者像去除了一个或多个平行切片的圆形。因此，钢焊接电极的焊接面具有狭窄部分和长部分。适当地，钢焊接电极焊接面的最小尺寸(狭窄部分)约为1.5毫米，最大尺寸(长部分)约为16毫米(钢焊接电极的圆形体的合适的最大尺寸)，并且优选为2毫米(最大)×10毫米(最大)。例如，钢焊接电极的钢制工件接合表面可以是大致矩形的，尺寸为3.5毫米×10毫米。因此，它将具有大于1的纵横比(AR＝2.8)。钢焊接电极上的这种高纵横比焊接面将位于从电极的圆形基部延伸的锥形部分的顶部或末端。在某些应用中，焊接面将偏离中心或倾斜。高纵横比焊接面在钢焊接电极上的取向将使其适合于钢制工件上的狭窄部分，其中要小心地定位电阻焊缝。还认为，通过限制钢焊接电极的焊接面的宽度，可以产生有用的不对称熔合区。这些熔合区应该会导致更薄和更高强度的Fe-Al金属间化合物区域，这能够有助于焊接在铝-钢界面处需要高强度的困难较大的叠层。通过在焊接过程中提供较短的路径使粘合剂从焊接电极下方逸出，钢焊接电极上的高纵横比焊接面也可以很好地通过施加到界面的粘合剂层进行焊接。

在详细介绍铝合金焊接电极和用于将铝合金电阻焊接到钢的钢焊接电极的形状和制造之前，有必要描述采用它们的电阻焊接工艺。

用于电阻点焊叠层的方法包括：在预定的焊接部位处使叠层的相对侧与相对的焊接电极接触，其中叠层包括一个钢制工件，该工件位于一个或两个铝合金工件的一侧(或反之亦然)。非圆形钢焊接电极面(AR>1.5)接触并压靠在钢制工件的焊接表面部位的外侧。并且圆形铝合金焊接电极面(AR＝1或接近1)接触并压靠在铝合金工件的外侧。两个相对电极的焊接面是轴向对齐的。在焊接之前由相对的电极施加预定的焊接力，并且在焊接期间施加相同或不同的焊接力。然后，电流通过叠层在焊接电极之间通过，以在铝合金工件内和工件的接合界面处引发和生长熔融铝合金焊池。焊接电极在它们各自的工件中形成接触补片，并且在电流终止后，在铝合金工件的接触表面处形成的圆形(环形)接触补片的表面积大于在钢制工件的接触外表面中形成的非圆形接触补片的表面积。由于不同的焊接面几何形状导致的接触补片尺寸的差异导致电流以比在铝合金工件中更大的电流密度通过钢制工件。

与铝合金工件相比，各个焊接电极焊接面的不同形状和钢和铝合金工件之间的电流密度差(钢制工件中的电流密度更大)将热量集中在钢制工件中的较小区域内。如果需要，甚至可以调节焊接电流程序，以便除了在铝合金工件内和在接合界面处引发熔融铝合金焊池之外，在钢制工件的主体内也引发了钢水焊池而钢水不接触熔融铝。将热量集中在钢制工件中较小区域内的行为可能达到引发钢水焊池的程度，这改变了温度梯度，从而改变了熔融铝合金焊池的凝固行为。这些热致效应可导致在接合界面处的焊接接头具有改善的剥离强度和更好的整体结构完整性。

特别地，相信与铝合金工件相比，在钢制工件的狭窄部分中的较小区域内集中热量导致在熔融铝合金焊池内和周围形成温度梯度，从而与钢焊接电极采用圆形(AR＝1)焊接面相比，允许焊池从其外周边向焊接部位界面处的中心区域凝固。这种凝固将在钢焊接电极的焊接面的短(或窄)轴方向上被驱动。从焊池周边向焊池中心向内移动的凝固前沿反过来驱动焊接缺陷，例如气体孔隙、收缩孔隙、微裂纹和氧化膜残余，朝向焊缝中心(在这里，它们不太容易影响焊接接头的机械性能)。另外，通过限制钢中加热区的宽度，避免了焊接中心处的过度加热，这有助于控制Fe-Al金属间化合物厚度。此外，通过使钢制工件朝向接合界面增厚，集中热量以便在钢制工件中引发钢焊池可以进一步帮助将缺陷驱动到焊接接头的中心。钢制工件的这种增厚有助于熔融铝合金焊池的中心区域保持加热，从而使其最后凝固。通过钢制工件的增厚而产生的非平面接合界面也可以帮助抵抗最终形成的焊接接头中的裂纹生长。有各种焊接电极结构和组合可用于点焊叠层的钢和铝合金工件，使得与铝合金工件相比，钢制工件中实现更大的电流密度。例如，钢侧的焊接电极可具有平面或相对平面的焊接面。但钢焊接面是非圆形的(例如，矩形或椭圆形)焊接面，其AR大于1(优选大于1.5)并且最小尺寸适于接触钢制工件上的相对狭窄区域或另一个叠层中的选定区域，用于在钢和铝合金工件之间形成电阻点焊缝。铝合金侧的焊接电极可具有较大直径的呈平面或圆弧形的焊接面。

在通过在钢制工件和铝合金工件之间形成点焊缝而制造的制品中，焊接部位处的工件的相应外表面包含由特定形状的钢焊接电极和铝合金焊接电极产生的焊接补片。

附图说明

图1是工件叠层的侧视图，该工件叠层包括具有狭窄凸缘部分的钢制工件以及铝合金工件，它们以重叠的方式组装，供焊枪在预定的焊接部位进行电阻点焊；

图2是图1中所示的叠层和相对的焊接电极的局部放大图；

图3是图2中所示的叠层和相对的焊接电极的分解局部侧视图；

图4是图3所示的钢焊接电极的放大侧视图；

图5是图3中所示的铝合金焊接电极的放大侧视图。

图6是图4所示的钢焊接电极(包括其焊接面)的放大平面图；

图7是图5所示的铝合金焊接电极(包括其焊接面)的放大平面图；

图8是从侧面点焊期间叠层(以横截面示出的叠层)的放大的局部横截面图，其中在该侧面，钢焊接电极的高纵横比焊接面的狭窄部分与钢制工件的电极接触面接触，并且圆形铝合金焊接电极与铝合金工件的电极接触面接触；

图9是在电流终止之后，如图8所示的叠层(横截面的叠层)的放大的局部剖视图，其中在接合表面处已形成焊接接头，并且在钢制工件内已形成钢焊接熔核；以及

图10是从侧面点焊期间叠层(以横截面示出的叠层)的放大的局部横截面图，其中在该侧面，钢焊接电极的高纵横比焊接面的长部分与钢制工件的电极接触面接触，并且圆形铝合金焊接电极与铝合金工件的电极接触面接触。

具体实施方式

图1至图3大体上描绘了工件叠层10，其包括凸缘钢制工件12和铝合金工件14，它们以重叠方式组装，供焊枪18在预定焊接部位16处进行电阻点焊。在这种情况下，钢制工件12的特征在于用于与焊接电极接触的狭窄凸缘部分13。铝合金工件14在预期的焊接部位处提供了足够的表面积。当叠层包括第二铝合金工件时，也可以使用本公开的实践，其中所述第二铝合金工件与铝合金工件14的外表面26并排放置，并堆叠在钢制工件12的狭窄凸缘部分13上。此外，当叠层包括与钢制工件12的表面20并排放置的第二钢合金工件时，也可以利用本发明的实践。在该图示中，为了简化工艺的描述，图1至图3中并未示出第二铝制工件和第二钢制工件，并且焊接电极的具体配置适于与焊接电极接触的钢制工件12的狭窄凸缘部分13接合。

钢制工件12优选是镀锌(例如，热浸镀锌)或覆锌的低碳钢。当然也可以使用其他类型的钢制工件，包括例如低碳裸钢或镀锌先进高强度钢(AHSS)。可以在钢制工件12中使用的一些特定类型的钢是无间隙(IF)钢、双相(DP)钢、相变诱发塑性(TRIP)钢和压制硬化钢(PHS)。关于铝合金工件14，它可以是铝-镁合金、铝-硅合金、铝-镁-硅合金或铝-锌合金，并且如果需要，它可以涂有锌或转化涂层以改善粘合剂粘合性能。可用于铝合金工件14的一些特定铝合金是5754铝-镁合金、6022铝-镁-硅合金和7003铝-锌合金。术语"工件"及其钢和铝的变体在本公开中广泛使用，是指金属板层、铸件、挤压件或任何其它可电阻点焊的部件，包括任何表面层或涂层(如果存在的话)。但是在该示例中，需要在狭窄表面区域部分中(类似于在钢制工件12的凸缘部分13中)形成一个或多个电阻点焊缝。在包括两个钢制工件和单个铝合金工件的组件中，第二钢制工件将位于钢制工件12和铝合金工件14之间，如图1所示。

当堆叠用于点焊时，钢制工件12包括狭窄凸缘13，邻近成形工件12的大部分或主要部分形成。在叠层10中，凸缘13具有接合表面20和焊接电极接触表面22。同样，铝合金工件14包括接合表面24和焊接电极接触表面26。两个工件12、14的接合表面20、24彼此接触以在焊接部位16处提供接合界面28。另一方面，钢和铝合金工件12、14的电极接触表面22、26通常在相反的方向上彼此背离，以使它们可通过一对相对的点焊电极而接近。钢和铝合金工件12、14中的每一个至少在焊接部位16处的厚度优选为120、140，其范围为约0.3毫米至约6.0毫米，更优选为约0.5毫米至约4.0毫米。在包括第二铝合金工件或第二钢制工件之一的叠层中，第二工件的插入部分的厚度也可以为约0.3毫米至约6毫米，优选地约0.5毫米至约4毫米。通常，钢和铝合金工件中的每一个在叠层中的厚度约为1毫米，其中钢板层形成有狭窄凸缘部分，在该凸缘部分中将形成点焊缝。

焊枪18通常是较大自动焊接操作的一部分，并且包括第一枪臂30和第二枪臂32，第一枪臂和第二枪臂机械地和电气地配置并且由计算机控制以根据限定的焊接程序重复地形成点焊缝。第一枪臂30具有保持钢焊接电极36的第一电极保持器34，并且第二枪臂32具有保持铝合金焊接电极40的第二电极保持器38。在点焊期间操作焊枪臂30、32以将它们各自的焊接电极36、40压靠在重叠的钢和铝合金工件12、14的相对的电极接触表面22、26上。第一和第二焊接电极36、40通常压靠在它们各自的电极接触表面22、26上，其中焊接面44、60在预期的焊接部位16处彼此径向或同轴对准。同样，在本公开中，钢焊接电极36需要接合钢制工件12的狭窄部分13。

钢焊接电极36和铝合金焊接电极40均由诸如铜合金的导电材料形成。如下面将进一步说明的那样，两个焊接电极36、40构造成在电极36、40之间的电流通过终止时在铝合金工件14的电极接触表面26处提供大致圆形的接触补片，其表面积大于钢制工件12的电极接触表面22处的非圆形接触补片(例如，椭圆形或矩形接触补片)的表面积。铝合金接触补片的表面积优选大于非圆形钢接触补片的表面积的比例为约1.5：1至约16：1，更优选约2：1至约6：1。接触补片尺寸的差异导致钢制工件12中的电流密度大于铝合金工件14中的电流密度。

与铝合金工件14相比，钢和铝合金工件12、14之间的电流密度差异将热量集中在钢制工件12中的较小区域内。如果需要，甚至可以调节焊接电流程序，以便除了在铝合金工件14(或多个铝合金工件)内和接合界面28处引发熔融铝合金焊池，还可以在钢制工件12(或多个钢制工件)内引发钢水焊池。将热量集中在钢制工件12中的较小区域内的行为可能达到引发钢水焊池的程度以及改变温度梯度，特别是沿钢电极焊接面的短轴方向或半短轴的横向温度梯度，以改变位于接合界面28处的熔融铝合金焊池的凝固行为，从而迫使最终形成的焊接接头中的缺陷到一个更理想的位置。在某些情况下，特别是当在钢制工件12中引发钢焊池时，钢制工件中的热量集中以及由此产生的热梯度会驱动焊接缺陷(包括气体孔隙、收缩孔隙、微裂纹和氧化膜残留)在接合界面28处在焊接接头中心处或附近聚集，这有助于实现更好的焊接接头完整性和剥离强度。

铝合金焊接电极40包括主体42和焊接面44。如图5中最佳所示，主体42在一端48处限定了可接近的中空凹部46，用于以已知的方式插入第二电极保持器38并与第二电极保持器38连接。圆形的、向内渐缩的过渡鼻部50可以从主体42的相对端52延伸到焊接面44，但不是必需的，因为焊接面44可直接从主体42延伸，以提供通常称为"全面电极"的东西。主体42优选为圆柱形，其直径420的范围为约12毫米至约22毫米，或者更狭窄地为约16毫米至约20毫米。过渡鼻部50优选地为截头圆锥形，但是诸如球形和椭圆形的其他替代形状也可以是合适的。中空凹部46可用于适应铝合金焊接电极40的水冷却。

焊接面44的平面图如图7所示。焊接面44是铝合金焊接电极40的一部分，其在点焊过程中与铝合金工件14的电极接触表面26接触并被压入电极接触表面26中，以建立接触补片。焊接面44具有直径440和曲率半径，它们一起足以防止过度压入到熔融铝合金焊池和焊池周围的软化工件区域中。在一些实施例中，焊接面44可以被机械加工以在焊接面的弯曲表面中形成一系列五个或六个直径增大的直立的同心环。图7中示出了这种同心环45的一个示例，其示出了在电极主体42的上端52处形成在过渡鼻部50上的焊接面44的平面图。在图7中，该组向外延伸的焊接环45包括五个或六个同心圆形焊接环，这些焊接环的直径通常以铝合金焊接电极40的焊接面的轴线为中心逐渐变大。机加工焊接面44的纵横比是1或非常接近1。

过度压入通常定义为满足或超过铝合金工件14的厚度140的50％的压入。例如，通过使焊接面44具有约6毫米至约20毫米的直径440和约15毫米至平面的曲率半径，就可以避免这种压入。在优选实施例中，焊接面44的直径440为约8毫米至约12毫米，并且曲率半径为约20毫米至约250毫米。铝合金焊接电极40的焊接面44的表面积大于钢焊接电极36的焊接面60的表面积。另外，如果需要，焊接面44可以是有纹理的或具有表面特征，例如美国专利号6,861,609,8,222,560,8,274,010,8,436,269和8,525,066以及美国专利申请公开号2009/0255908中所述的。焊接面圆环的初始切割和随后的修整可以使用如2017年7月29日提交的标题为"焊接电极切割工具和使用该工具的方法"的共同未决并转让给该专利申请的专利权人(包括本公开中的共同发明人)的专利申请15/418,768中公开的切割工具来完成。

钢焊接电极36具有主体54，其在一端58处限定了可接近的中空凹部56。但是，钢焊接电极36具有与铝合金焊接电极40的焊接面44不同的焊接面60。如图4和图6所示，焊接面60的形状基本上为矩形，并且位于向内渐缩的过渡鼻部62的顶部，该过渡鼻部在相对端64处从主体54延伸直到焊接面60，如图4和图6所示。主体54优选为圆柱形，其直径540的范围为约12毫米至约22毫米，或者更狭窄地为约16毫米至约20毫米。过渡鼻部62可以从最初的圆柱形或半球形构造加工，以为具有大于1(优选大于1.5)的纵横比的非圆形焊接面60提供基部。如图6所示，焊接面60具有长边60”和短边60'。形成焊接面60和过渡鼻部62的切割角通常用于形成预期焊接面的最小尺寸。焊接面60的最小尺寸为2毫米或更大。最大尺寸合适地约为16毫米。在图4中，焊接面60示出为基本上平坦的。如下所述，焊接面可具有某一向外延伸的曲率。但是，在钢制电极36的初始圆柱体中形成渐缩过渡鼻部的加工角度适当地通过利用焊接面60的平面并且通过以从焊接面60向下延伸的加工切割角α加工主体来确定。切割角α适当地在10°至70°的范围内，并且通常为30°至60°范围内，这取决于电极主体的起始形状。在图4中，切割角α为约为60°。用于形成过渡鼻部62和成形电极面60的合适方法的示例包括机械加工、研磨、线电火花加工、切割、剪切等。

取决于起始电极主体的直径，可将主体直径当作焊接面60的主要尺寸。否则，为了形成所需焊接面60的最小尺寸和最大尺寸，随后的加工还将去除原始铜金属。如果电极主体的直径与焊接面60的最大尺寸一致，则过渡鼻部的侧面主要仅是锥形而没有下降的弯曲部分。

钢焊接电极焊接面的纵横比应大于1。通常，形状的纵横比被定义为二维形状的最大尺寸除以其最小尺寸。在椭圆形焊接面形状的情况下，纵横比通过将其长轴除以其短轴来确定。通常矩形电极面的纵横比通过将其最大尺寸除以其最小尺寸来适当地确定。矩形的最大尺寸通常是对角线。在本说明书中，最大尺寸被定义为一个短边的中心与另一个短边的中心之间的距离。并且最小尺寸是长边中心之间的距离。钢焊接电极的焊接面60的纵横比应在1.5至11的范围内，并且优选在2至5的范围内。

例如，图6中所示的机加工的、通常为矩形的焊接面60的尺寸可以是约10毫米(长边6”)×3.5毫米(短边60')，所述焊接面60形成在由直径约20毫米的圆形基部产生的适当加工的过渡鼻部62上。这些尺寸提供约2.8的纵横比。图4中的尺寸600表示通过在电极主体54中加工过渡鼻部62而形成的大致呈矩形焊接面60的最小尺寸(侧面60')。钢焊接电极36的焊接面60对准，使得它将适当地接合例如钢制工件12的狭窄凸缘部分13。

虽然铝合金和钢焊接电极40、36的一些或全部部分可以是相同的(但不一定是必须的)，但是它们的焊接面44、60与它们各自的电极接触表面26、22的相互作用使得能够将钢制工件上的狭窄凸缘焊接到一个或两个铝制工件的面对表面上并使得工件12、14内的电流密度不同。

如上所述，焊接面60是钢焊接电极36的一部分，其成形为具有大于1的纵横比，以便在点焊过程中适当地接触并且压入到钢制工件12的狭窄电极接触表面22(如凸缘13)中以建立接触补片。此外，焊接面60构造成使得其接触补片(即，在钢制工件12的电极接触表面22处建立的接触补片)小于铝合金焊接电极40的焊接面44在铝合金工件14的电极接触表面26处建立的接触补片。

图1至图3和图8至图10示出了点焊过程，其中利用上述焊接电极36、40在焊接部位16处点焊叠层10。焊枪18(部分示出)配置成提供将钢制工件12的凸缘13点焊到铝制工件14所需的电流和接触压力。焊枪18的枪臂30、32可以是固定的(基座焊机)或可自由移动的(如本领域的惯例)，并且在点焊期间被操作以使焊接电极36、40以在焊接部位16处彼此大致径向对齐的方式接触并压靠在钢和铝合金工件12、14的相对的电极接触表面22、26上。由枪臂30、32评估的夹紧力有助于在焊接电极36、40和它们各自的电极接触表面22、26之间建立良好的机械和电接触。

电阻点焊过程通过将叠层10定位在钢和铝合金焊接电极36、40之间开始，使得焊接部位16通常与相对的焊接面60、44对齐。工件叠层10可以被带到这样的位置，这通常是当枪臂30、32是固定式基座焊接机的一部分时的情况，或者可以通过机器人移动枪臂30、32以相对于焊接部位16定位电极36、40。一旦叠层10正确定位，那么第一和第二枪臂30、32将会聚以使钢焊接电极36和铝合金焊接电极40的焊接面60、44接触并压靠在焊接部位16处的钢和铝合金工件12、14的相对的电极接触表面22、26上，如图8和图10所示。图8示出了从钢焊接电极36的焊接面60的窄边60'的角度看的叠层，并且图10示出了从钢焊接电极的焊接面60的长边60”的角度看的叠层。如图8和图10所示，由焊接电极36、40施加的接触压力使得钢焊接电极36的焊接面60开始在电极接触表面22处形成矩形或椭圆形接触补片66，并且使得铝合金焊接电极40开始在铝合金工件14的电极接触表面26处形成圆形接触补片68。

然后，电流(通常在约5kA和约50kA之间的DC电流)根据适当的焊接程序通过钢和铝合金焊接电极36、40的焊接面60、44之间并且通过焊接部位16处的叠层10。对通过工件12、14的电流的阻力最初导致钢制工件12比铝合金工件14更快地加热，因为它具有更高的热阻和电阻率。这种热量不平衡导致在钢制工件12和铝合金工件14之间形成温度梯度。沿着温度梯度朝向水冷铝合金焊接电极40的热量流与穿过接合界面28的电流流动的阻力产生的热量一起最终熔化铝合金工件14，然后形成熔融铝合金焊池70，其然后润湿钢制工件12的接合表面20。铝合金焊池70通常是非圆形的，因为它是由圆形铝合金焊接电极面44和非圆形(AR>1.5)钢焊接电极面60的作用形成的。

在电流通过的时间(可以持续约40毫秒至约5000毫秒)期间，钢接触补片66生长非常缓慢，而铝合金接触补片68随着铝合金焊接电极40的焊接面44压入软化的铝合金工件14中而显着增长。因为铝合金焊接电极40的焊接面44大于钢焊接电极36的焊接面60，所以在该实施例中在电流通过终止时，铝合金接触补片68的表面积大于钢接触补片66的表面积。接触补片尺寸的这种差异导致在电流流动期间钢制工件12内存在比在铝合金工件14内更大的电流密度。在电流流动期间增加钢制工件12中的电流密度导致钢制工件12内的更加集中的热量区，特别是在钢电极面的短方向上，这能够提高最终焊接接头的完整性和剥离强度，如将在下面更详细地讨论的。集中的热量区可以但不一定必须在钢制工件12内引发钢水焊池72。钢水焊池72的形状大致类似于钢焊接电极36的焊接面60。由于钢焊接电极36的焊接面60的非圆形形状，图6中的钢水焊池72比其在图10中的横截面狭窄。

在电流终止时，铝合金焊池70凝固以在接合界面28处形成非圆形焊接接头74，如图8至图10大致所示。如果形成的话，钢焊池72同样也在此时钢制工件12内凝固成薄的、通常为矩形的钢焊接熔核76，尽管它优选地不延伸到接合表面20或工件12的电极接触表面22。焊接接头74包括非圆形铝合金焊接熔核78，并且通常包括Fe-Al金属间化合物层80。铝合金焊接熔核78延伸到铝合金工件14中的距离通常在铝合金工件14的厚度140的约20％至约80％的范围内，虽然有时焊接熔核78可以一直延伸到电极接触表面26(即100％或完全穿透)。Fe-Al金属间化合物层80在接合界面28处位于铝合金焊接熔核78和钢制工件12之间。该层通常由于在电流流动期间熔融铝合金焊池70和钢制工件12之间的反应，在钢制工件12仍然较热时电流流动后的短时间段内形成。它可以包括FeAl3、Fe2Al5和其他化合物。当在电流流动方向上测量时，Fe-Al金属间化合物层80的厚度通常小于约10μm，优选小于约4μm。

在钢制工件12中形成集中的热量区(无论是否通过钢水焊池72的引发和生长)以至少两种方式改善了焊接接头74的强度和完整性。首先，集中的热量通过改变和产生横向温度梯度来改变通过焊接部位16的温度分布，这反过来又使熔融铝合金焊池70从其外周向其中心凝固，特别是沿着短轴或半短轴方向凝固。这种凝固行为将焊接缺陷驱向焊接接头74的中心，在那里它们不易于削弱其机械性能。其次，在钢焊池72开始和生长的那些情况下，钢制工件12的接合表面20趋向于远离电极接触表面22变形。这种变形可使钢制工件12在焊接部位16处增厚50％。以这种方式增加钢制工件12的厚度有助于保持熔融铝合金焊池70的中心热度，使其最后冷却和凝固，这可以进一步增加横向温度梯度并驱使焊接缺陷在焊接接头74的中心处或附近聚集。钢制工件12的接合表面20的这种凸出还可以局部地加固钢基板，从而减小金属间化合物层上的应力，并且通过沿着非优选路径将裂缝偏转到焊接接头74中来干扰沿接合界面28的裂缝生长。

因此，已经采用一种方法来利用所开发的用于将钢合金工件点焊到铝合金工件上的方法的实践，如在2014年10月1日提交的标题为"铝合金-钢的焊接工艺"的上述共同未决并转让给本发明的专利权人的美国专利申请序列号14/503969中所公开的。适当尺寸的钢焊接电极(其焊接面成形为具有显着大于1的纵横比)的使用使得早期专利申请中公开的焊接方法适应于下列情况：钢制工件具有狭窄区域，用于在具有一个或两个铝合金工件的钢制工件的叠层中放置必要的电阻点焊缝。并且具有合适的纵横比大于1.5的狭窄形钢焊接电极可以有利地用于多达三个钢和铝合金工件的组合的其他叠层中。以上公开内容包括狭窄法兰焊接方法的说明性实践，其不旨在作为所附权利要求的限制。

Claims (10)

1.一种将钢制工件点焊至铝合金工件的方法，所述方法包括：

提供包括钢制工件和铝合金工件的叠层，所述钢制工件和铝合金工件重叠以提供接合界面；

使所述钢制工件的电极接触面与钢焊接电极接触，所述钢焊接电极具有纵横比大于1.5的成形焊接面；

同时使所述铝合金工件的电极接触表面与铝合金焊接电极接触，所述铝合金焊接电极具有纵横比基本上等于1的圆形焊接面；

使电流通过所述钢和铝合金焊接电极之间并通过所述叠层以在铝合金工件内和接合界面处引发熔融铝合金焊池，所述电流在钢制工件中的电流密度大于在铝合金工件中的电流密度；以及

终止电流的通过，此时由所述铝合金焊接电极在铝合金工件的电极接触表面处形成的接触补片的表面积大于由所述钢焊接电极在钢制工件的电极接触表面处形成的接触补片的表面积，由所述铝合金焊接电极形成的接触补片的表面积大于由所述钢焊接电极形成的接触补片的比例为1.5：1至16：1。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述钢焊接电极的焊接面是非圆形的，其纵横比大于1.5，并且所述焊接面位于锥形电极主体上，所述锥形电极主体引导焊接面与钢制工件接触，所述锥形电极主体相对于焊接面形成有10到70度的切割角。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述钢焊接电极的焊接面是非圆形的，其纵横比大于1.5，最大尺寸不大于10毫米，最小尺寸不小于2毫米。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述钢焊接电极的焊接面为椭圆形或矩形，其最大尺寸不大于10毫米，最小尺寸不小于2毫米，并且所述焊接面位于锥形电极主体上，所述锥形电极主体引导焊接面与钢制工件接触，所述锥形电极主体相对于焊接面形成有10到70度的切割角。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述钢制工件的特征在于狭窄部分，所述狭窄部分不能容纳钢焊接电极所需直径的圆形焊接面，以在所述狭窄部分的点焊部位成点焊缝；所述钢制工件的狭窄部分和铝合金工件重叠以提供接合界面，所述钢制工件的焊接部位处的电极接触表面与具有特征在于纵横比大于1.5的非圆形焊接面的钢焊接电极接触。

6.一种在权利要求1所述的方法中使用的钢焊接电极，所述钢焊接电极成形为具有纵横比大于1.5的焊接面，所述焊接面位于锥形电极主体上，所述锥形电极主体引导焊接面与钢制工件接触，以在焊接部位形成接触补片。

7.根据权利要求6所述的钢焊接电极，其中，所述钢焊接电极的焊接面位于锥形电极主体上，所述锥形电极主体引导所述焊接面与所述钢制工件接触；所述锥形电极主体相对于焊接面形成有10到70度的切割角，所述钢焊接电极成形为具有纵横比大于1.5的焊接面，并具有不大于10毫米的最大尺寸以及不小于2毫米的最小尺寸。

8.一种制品，包括具有接合表面的钢制工件，所述接合表面通过电阻点焊连接至相邻铝合金工件的接合表面，所述钢制工件和铝合金工件中每一个在其接合表面位置的厚度均不超过6毫米，所述钢制工件与其接合表面相对的表面的特征在于在点焊缝形成过程中由钢焊接电极形成的非圆形接触补片，以及所述铝合金工件与其接合表面相对的表面的特征在于在点焊缝形成过程中由铝合金焊接电极形成的圆形接触补片，由铝合金焊接电极形成的接触补片的表面积大于由钢焊接电极形成的接触补片的比例为1.5：1至16：1。

9.根据权利要求8所述的制品，其中，由铝焊接电极形成的接触补片是圆形的，以及由钢焊接电极形成的接触补片的特征在于纵横比大于1.5。

10.根据权利要求8所述的制品，其中，所述铝合金工件中的靠着钢制工件的接合表面的焊接熔核是非圆形的，与钢焊接电极的焊接面的纵横比成比例。

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