CN115485090A - 异质材料的平衡焊接 - Google Patents

Abstract

公开了一种在异质材料电阻点焊中有效的多层焊接程序。该工艺可在多种等级/厚度和导电材料板材数量上重复进行，并且可以用传统的焊接工具和电极执行。不同尺寸/不同材料/不同接触面几何形状的焊接表面用于平衡材料的热特性，该工艺旨在创造小的、一致的金属间化合物(IMC)，IMC有效地将两种不同的导电材料固定在一起并具有高强度，适用于工业化批量生产。多层电阻点焊工艺对样品进行预加热、焊接和冷却，以控制其中形成的IMC的形成。

Description

异质材料的平衡焊接

技术领域

本公开的领域涉及用于电阻点焊的系统和方法，更具体地，涉及这种在两种异质材料之间一致地形成完整金属间化合物(IMC)的系统和方法。

背景技术

电阻点焊是通过从电流电阻获得的热量将彼此接触的金属表面点连接(即，焊接在一起)的工艺。在电阻点焊中，两个电极将电流集中到一个点，同时将工件压在一起。工件可以包括金属板，在焊接工艺中，金属板在电极施加的压力下固定在一起。迫使电流通过该点将会使金属熔化，并在凝固后的压力点形成焊接接头(通常称为“熔核”)。这种重新凝固的材料有助于将两种材料连接在一起。在某些情况下，当将两种不同的材料点焊在一起时，在材料之间会形成薄的IMC，代替焊接熔核。这种IMC是由于所连接材料之间的热特性和电特性的差异而形成的。由于将两种异质材料焊接在一起时的特性差异，一种材料将倾向于比另一种材料先熔化，而不是形成熔核，微粒会在有限的空间内从一种材料扩散到另一种材料，以在两种材料之间形成坚固的合金。然而，为了简单和熟悉，我们将把该接头称为“焊缝(weld)”。

电阻点焊是一种流行的连接工艺，由于其经济和效率的优势，电阻点焊被用于大量应用中，例如自动化装配线应用。因此，在汽车行业中，电阻点焊是组装汽车车身最流行的连接工艺。电阻点焊也广泛应用于其他行业，如家具和家用设备的制造等。因为电阻点焊可以在短时间内产生大量的焊点，所以电阻点焊的效率高。例如，电阻点焊允许在金属板的局部区域进行焊接，而不会过度加热金属板的其余部分。然而，在焊接异质材料时，需要特别注意关于被焊接的两种异质材料之间的特性差异。热导率、熔点和热膨胀的差异可能导致异质材料的某些组合是通过IMC而不是焊接熔核连接在一起的。为了确保形成的材料均匀和一致，以优化焊接强度，在确定形成IMC的最有效方法时，需要正确平衡这些材料特性的差异。

依靠传统的点焊技术，用于将相同类型的材料(例如钢与钢)焊接在一起，这会导致形成不稳定的IMC，并且因此不适合在工业应用中使用。多个实体(entities)已经尝试引入额外的工艺和材料，例如层间填充料(interlayer inserts)或重定向加热的固定装置，以应对热特性的不平衡。然而，这些产品由于其局限性，并不适合用于大规模的生产应用。以前也有人尝试通过额外的接地来重定向热量，或者通过在不同的点上中断焊接电流来减少界面中的热量积聚，以在分阶段的时间和电流内生长出均匀的IMC，从而连接两种异质材料。然而，这些尝试并不令人满意，因为它们要么增加了工艺成本，要么延长了周期时间，从而降低了效率。

电阻点焊的系统和方法的进步和改进是持续不断的需求，以使该工艺更具经济效益。与目前的异质材料紧固应用相比，利用传统焊接工具的改进被视为最具经济效益的解决方案。因此，需要改进电阻点焊系统和方法，使得在两种异质材料之间一致地形成完整IMC(在那些形成IMC的情况下)。

发明内容

公开了用于电阻点焊异质材料的系统和方法，其至少克服了现有技术的一些上述缺陷。公开了一种使用不同电极将异质材料连接在一起的电阻点焊方法，该方法包括以下步骤：用焊机的相对的上焊接电极和下焊接电极对上工件和下工件施加压力，以将工件夹在一起。在预加热阶段，工件由焊接电极施加压力并夹在一起，电流以预定水平和预定时间通过焊接电极提供给工件，以提供工件的逐渐加热。在预加热阶段之后的焊接阶段，工件由焊接电极施加压力并夹在一起，电流在预定时间内并以高于预加热阶段的预定水平通过焊接电极提供给工件，以在工件之间形成IMC。从预加热阶段到焊接阶段，电流连续不间断地提供给工件。

还公开了一种将异质材料工件连接在一起的电阻点焊方法，该方法包括以下步骤：一种将异质材料工件连接在一起的电阻点焊方法，该方法包括以下步骤：用焊机的相对的焊接电极对工件施加压力，以将工件夹在一起。在预加热阶段，工件由焊接电极施加压力并夹在一起，电流以预定水平和预定时间通过焊接电极提供给工件，以提供工件的逐渐加热。在预加热阶段之后的焊接阶段，工件由焊接电极施加压力并夹在一起，电流在预定时间内并以高于预加热阶段的预定水平通过焊接电极提供给工件，以在工件之间形成IMC。在预加热阶段和焊接阶段之间的倾斜阶段，工件由焊接电极施加压力并夹在一起，提供给工件的电流在预定时间内从预加热阶段的预定水平逐渐上升到焊接阶段的预定水平。从那里，通常会引入回火阶段来控制样品和新生成的IMC之间的温度冷却速率。在回火阶段之后，使用在焊接电极中流动的冷却流体可以提高工件的冷却速率，同时，在预定时间内，焊接电极继续施加压力并使工件夹在一起，保持压力恒定并且没有电流流向工件。在整个预加热阶段、倾斜阶段、焊接阶段和回火阶段，电流连续不间断地提供给工件。

从前述的公开内容和以下对各种优选实施例的更详细描述中，本领域技术人员将明显看出，本公开在用于异质材料电阻点焊的系统和方法的技术方面提供了显著的进步。在这方面尤其显著的是，本发明可能提供了有效的系统和方法，该系统和方法能够可靠地利用传统的焊接工具。鉴于以下提供的具体实施方式，各种优选实施例的附加特征和优点将被更好的理解。

附图说明

包括以下附图是为了说明本公开的某些方面，而不应被视为排他性实施例。所公开的主题能够在形式和功能上进行相当多的修改、变更、组合和等效，而不脱离本公开的范围。

图1是根据本公开的部分或全部原理在示例性焊接操作期间的焊机的侧视图。

图2A是用类似材料(例如钢对钢)电阻点焊的典型焊接工艺的流程图。这个工艺的特征是电极将工件挤压在一起，当预定的电流(可以是恒定的或变化的)在预定时间内流过电极和材料时，就会出现焊接工艺。这个工艺从开始到结束都是连续的。

图2B是图2A中所示流程图的焊接图。

图2C是IMC的扫描电子显微镜(SEM)图像，IMC以与图2A和图2B中所示的焊接和流程图类似的方式形成。形成的IMC是不一致的，且充满了裂纹和空隙。

图2D是在两种材料之间使用相同尺寸的焊接电极的侧视图，以展示传统上如何在两种材料之间进行焊接。

图3A是根据本公开的部分或全部原理的多层焊接工艺的流程图。这个工艺的特征是电极将工件挤压在一起，焊接工艺的特征是焊接的预加热阶段、倾斜阶段、焊接阶段和回火电流阶段。这个工艺从开始到结束都是连续的。

图3B是图3A中所示流程图的焊接图。

图3C是在异质材料之间使用不同尺寸的焊接电极的侧视图，以抵消工件之间的热导率差异。

图4A是由图3A至图3C表示的计划(schedule)所产生的焊接接头的横截面的技术图。

图4B是由图3A至图3C表示的计划所产生的焊接接头的微观截面图。

图4C是IMC的SEM图像，IMC以与图4A和图4C中所示的焊接和流程图类似的方式形成。与图2C相比，所形成的IMC显示出明显更少的裂纹和空隙。

图5A是表示用于形成IMC的替代方法的流程图，其中焊接工艺具有多个预加热步骤以更好地控制工件的加热。

图5B是图5A中所示流程图的焊接图。电流差显示为在两个不间断的电流中执行。

图5C是图5A中所示流程图的焊接图。电流差显示为以交替方式执行，类似于脉冲函数或交流电。

图6A是表示用于形成IMC的替代方法的流程图，其中焊接工艺具有多个连续焊接步骤以更好地控制材料之间的热平衡。

图6B是图6A中所示流程图的焊接图。电流差显示为在两个不间断的电流中执行。

图6C是图6A中所示流程图的焊接图。电流差显示为以交替方式执行，类似于脉冲函数或交流电。

图7A是表示用于形成IMC的替代方法的流程图，该方法跳过回火步骤并通过用冷却的焊接尖端夹持工件而立即进入冷却。

图7B是图7A中所示流程图的焊接图。

图8A是表示用于形成IMC的替代方法的流程图，其中焊接工艺具有多个回火步骤以更好地控制工件的冷却。

图8B是图8A中所示流程图的焊接图。电流差显示为在两个不间断的电流中执行。

图8C是图8A中所示流程图的焊接图。电流差显示为以交替方式执行，类似于脉冲函数或交流电。

图9A是焊接图，图9A以与直流电焊接程序一致的方式将图5C、6C和8C中所示的多种电流和脉冲函数组合到一个焊接计划中。

图9B是焊接图，图9B采用了图9A并以与交流电焊接程序一致的方式应用类似的计划。

图10A是表示用于形成IMC的替代方法的流程图，该方法跳过了预加热层(preheating tiers)和焊接层(weld tiers)之间的倾斜步骤，并从预加热层立即进入焊接层。

图10B是图7A中所示流程图的焊接图。

具体实施方式

对于本领域技术人员，即对于那些在这一技术领域具有知识或经验的人来说，显而易见的是，本文所公开的改进的系统和方法可以有许多用途和设计变化。以下对各种替代和优选实施例的详细论述将说明本发明的总体原理。鉴于本公开的好处，适用于其他应用的其他实施例对于本领域技术人员来说将是显而易见的。

本文论述的实施例描述了一种使用电流电阻点焊工具将异质材料连接在一起的新工艺。一些实施例描述了用于将两种材料连接在一起的不同电极。选择这些电极是为了通过平衡电流在材料之间流动时的热流来抵消不同材料的热特性。由于热导率和熔点等特性的差异，导电性更强的材料的电极直径明显大于电阻性更强的材料的电极直径。这些实施例结果是充分加热电阻侧，同时避免熔融物从导电侧排出。在一些情况下，热流平衡也可以通过使用不同材料和/或不同接触面几何形状的电极接触表面或尖端以及以单侧方式在任一侧施加力或电流来实现。

本文公开的其他实施例描述了一种焊接工艺，该焊接工艺以新颖的方式使用现有技术，形成一致的IMC来热连接异质材料。这样的实施例包括使用复杂的、多层的(multi-tiered)焊接程序，该焊接程序包含组合成一个连续程序的多个点焊程序，在整个焊接界面上分配热量，以产生均匀的IMC。这种多层的焊接程序有助于将热量分配在整个界面上，以形成一致且完整的IMC。与传统的电阻点焊相比，这种方法不仅提高了机械强度，而且有可能以比其他方法更快的方法实现这一点。

目前公开的实施例以可控方式在异质材料之间提供分布式热量。这些实施例有助于平衡异质材料之间的不同热特性，以传递合适的热量将它们连接在一起。本公开的方法发生的同时避免了不利的焊接状况，例如排出(expulsion)的形成或不一致的IMC的形成。由此产生的IMC具有最佳厚度，并以一致的方式在整个焊接表面扩散。该IMC还包含显著减少的开裂量，因此适用于工业生产。

与现有技术中的现有工艺相比，这些方法将使用现有的焊接工具将两种不同的导电材料有效地连接在一起，同时不需要紧固件来最初将两块材料连接在一起。这些方法也不需要在焊接工具上附加任何额外的附件来重定向热量，或在材料之间放置覆层材料。这些方法也是连续的，在继续之前不需要任何停止来重新形成熔融材料。本文所述的多层焊接程序发生在一个连续的电流中，使用传统的焊机，通过有效分配热量的方式，使异质材料与所连接材料的不同热特性一致，从而有效地连接异质材料(dissimialr material)。

通常，多层焊接程序将为焊接工艺的每一层保持不间断的电流流动。然而，电流能够以被认为适用于任何所连接的异质材料的堆叠的方式变化。这包括，但不限于，对直流或交流焊机，以倾斜的方式增加电流、交替脉冲函数(alternating pulse function)等。只要电流从开始到结束持续以不间断的方式运行，这是允许的。这些方法可在多个堆叠中重复使用，并且比传统焊接更有效，同时可能比现有的其他解决方案更快、更有效。

图1示出了根据本主题的电阻焊机或系统100的示例。焊机100可以利用各种机器人或非机器人焊接装置，并且通常可以包括能够向所连接材料的界面提供必要焊接程序的任何类型的焊机。在一些示例中，焊机100是伺服驱动的焊机，而在其他示例中，焊机100是气动驱动的焊机；然而，在不偏离本公开的情况下，可以使用能够执行类似技术的任何其他类型的焊接装置。流过焊机的电流可以是直流电(DC)、交流电(AC)或任何其他将电流施加到工件的组合和/或方法。

如图所示，焊机100包括上电极110和相对的下电极120。当下电极120与下金属工件的下金属表面142接触时，上电极110与上金属工件的上金属表面132接触。图示的金属工件是金属板，但也可以是任何其他合适的类型。这个工艺，目前被描绘为两块板，也有可能在连接工艺中增加两块以上的板。上电极110和下电极120都被描绘为具有圆柱体外形，两者都具有不同的均匀半径和成形面(shaped face)。图1示出了具有平坦焊接表面的电极110、120。然而，在其他情况或实施例中，电极110、120的焊接表面可以具有平坦、向内或向外特征的任何组合。

无论是上电极110，和/或下电极120，可以包括任何种类的几何形状。例如，上电极110和/或下电极120的任何组合可以各自具有特定的外形，使得上电极接触表面112或下电极接触表面122是位于截头圆锥形主体末端的圆形焊接表面，并由圆柱形主体末端的截头端半径限定。在异种焊接的大多数实施例中，上电极110的几何形状不同于下电极120的几何形状。上电极110和下电极120可以包括任何种类的外形和几何形状。无论电极的几何形状和焊接表面形状如何，电极接触表面112、122可以提供为平坦的焊接表面或具有向内或向外突出的曲率。电极表面112、122可以是光滑的，或者它们可以是具有包括多个凸形或凹形定向特征的纹理表面，凸形或凹形定向特征从一组凸起或凹陷特征(齿、滚花、突起、凹陷、脊、微凸体、交叉纹、平行或非平行线、星形、三角形、六边形等以及相同的组合)中选择。这种纹理有助于在适当的情况下破坏表面上的氧化层。有关纹理焊接表面的更多信息，请参阅专利公开号WO/2020/068575、国际申请号PCT/US2019/052094，其全部内容通过引用明确并入本文。

在典型的电阻点焊操作期间，上电极110的上电极接触表面112以设定的力压在上金属部件或工件130上，以传递最佳压力，与上电极110同时，下电极120的下电极表面122以设定或预定的力压在下金属部件140的下金属表面142上，以传递最佳压力。电极110、120以设定的力同时将工件130、140压在一起。如图所示，上电极110的上电极接触表面112压在上金属部件130的上金属表面132上，同时下电极120压在下金属部件140的下金属表面142上。然后，焊机100在上电极110和下电极120之间以及在上金属部件130和下金属部件140的界面上通过足够的电流，以创造IMC151作为焊接工艺的最终产品。

由于焊接计划(weld schedules)在形成的接头质量中所起的作用，焊接计划是形成IMC不可或缺的组成部分。正确平衡的焊接计划形成了一致的、坚固的、厚度最佳的IMC。厚度最佳的、一致的IMC减少了合金中在异质材料之间形成的裂纹数量，从而减少了可能发生内部失效的点的数量。这导致异质材料的焊接可达到更高的强度水平，并提高了在疲劳和其他形式的周期性测试中的性能。图示的焊机包括合适的系统处理器和存储器，其利用软件或编程代码来执行焊接计划或程序以及下文中公开的其他步骤。

图2A和图2B示出了传统钢对钢焊接中使用的典型现有技术焊接程序的示例。这个工艺的特征是电极将工件挤压在一起，当设定量的电流在给定时间内流过电极的尖端和工件时，就会发生焊接工艺。这个工艺从开始到结束都是连续的。图2A是示出的工艺步骤210、220、230和240的示例的流程图，图2B是示例的焊接图。图2B通过绘制从工艺步骤210到工艺步骤240中流过工件的电流随时间的进展情况来展示焊接图。当传统的焊接程序用于连接异质材料时，形成的IMC在尺寸和形状方面是不一致且不稳定的。在某些情况下，IMC可能不会形成，而会形成其他东西代替它。这些不规范行为(irregularities)导致了过多的缺陷，例如空隙和裂纹，并降低了将异质材料固定在一起的合金的潜在强度。图2C示出了由这种传统焊接程序产生的焊缝的示例性SEM图像，并示出了使用传统电阻点焊方法连接异质材料的缺点。这种IMC包含许多缺陷，例如空隙和裂纹，并可能导致焊接强度不足。图2D示出了类似尺寸的焊接电极的侧视图，该焊接电极用于钢工件之间的传统焊接。

图3A和图3B示出了本发明优选实施例的连续焊接程序的示例。本文公开的各种优选实施例将遵循相同的大致流程，正确地分配热量以正确地形成IMC。热量分配在焊接工艺的几个阶段，以形成坚固且结构功能良好的IMC。图3A是具有工艺步骤210、310、320、220、330、230和240的示例的流程图。图3B是该示例的焊接图，示出了从工艺步骤210到工艺步骤240中流过工件的电流随时间的进展情况。图3C示出了所需的不同尺寸焊接电极的侧视图，以抵消异质工件之间的热导率差异。

上焊接电极110和下焊接电极120以设定的或预定的压力将接触表面112、122处的金属部件或工件130、140挤压在一起，持续预定时间210。这种对焊接电极接触表面112、122的挤压使上电极110和下电极120能够破坏它们各自材料表面132、142的外部氧化层，如果外部氧化层存在的话。上电极110在上金属部件130的氧化物中创造开口，以促进更有效的电流流动，同时通过防止电极表面112粘在所连接的上金属部件120上而维持尖端寿命。下电极120在下金属部件140的氧化物(如果存在氧化层)中创造开口，以促进更有效的电流流动。这种方法有可能扩展到连接两块以上的异质材料板。

以铝和钢作为异质材料的示例，焊接程序利用预加热程序310均匀地加热上金属部件130和下金属部件140之间的区域。然后，电流逐渐向上倾斜，320，以熔化钢上的涂层并促进从体心立方相到面心立方相的相变。需要注意的是，虽然示例性斜率是恒定的，以提供一条直斜线，但可替代地使用任何其他合适的上升，例如但不限于凹形曲线、凸形曲线、台阶等。这种倾斜步骤可以在不同的电流和时间段内操作，以更好地与所连接材料的电阻率、焊接性和厚度相关联。还应注意的是，如果需要，也可以取消预加热层和焊接层之间的倾斜阶段。在该相变之后，铁离子将扩散到铝中，以促进IMC的产生。在焊接铝和钢的情况下，铝可以是不同回火性和厚度的5xxx、6xxx、7xxx、8xxx或任何其他铝合金，也可以是无涂层或具有不同类型的表面涂层。同样，钢可以有不同厚度的涂层或无涂层，并且可以具有不同的材料强度(例如但不限于低碳钢、中强度钢、高强度钢、热冲压硼钢、不锈钢等)。其他异质材料的组合(除铝和钢外)也可以通过这种方法连接。如果不同的材料在电流和压力下以类似于铝和钢的方式相互作用，则它们可以连接起来。相和晶体结构的变化将取决于所连接的异质材料。可以使用各种合适的时间和电流，并且电流级数(progression)与预加热阶段或焊接阶段中使用的电流值无关。

在产生IMC期间，倾斜阶段320的电流将转变为连续的预定电流220，并将异质材料焊接在一起以形成薄的、一致的IMC。这里可以使用各种合适的电流和焊接时间。

在IMC形成之后，开始对金属部件130、140进行冷却。回火阶段330在与焊接电极110、120的焊接界面上进行。金属部件130、140的回火是在比焊接阶段或时期更低的电流下进行的，并允许温度逐渐下降。这种逐渐下降允许在整个材料中进行可控材料转变，由于熔点较低而首先熔化的材料会以可控的方式凝固成冷却区域，以限制IMC上的热应力。这种对热应力的限制减少了IMC中的裂纹，从而减少了失效的传播点。

在回火阶段或时期结束时，当焊接程序结束运行电流通过金属部件130、140时，电极110、120将金属部件130、140固定在一起持续规定或预定的时间230。在这个保持时间(hold time)内，水或任何其他冷却剂将继续流过电极110、120以冷却金属部件130、140和电极110、120。一旦金属部件130、140被固定设定或预定的时间，上焊接电极表面112和下焊接电极表面122在时间240释放具有完全形成的IMC151的样品，标志着焊接工艺的结束。

图4A至图4C示出了如上文关于图3A和图3B所述的执行成功焊接工艺后的接头的截面图。异质材料之间形成了IMC，成功地将它们焊接在一起。导电性更强的材料在电流流过IMC顶部的区域内熔化并重新形成。图4A给出了此处产生的横截面的技术图。以上金属部件130是铝而下金属部件140是钢为例，这是在将区域150处的铝熔化并重新凝固后得到的，作为凝固的沉积物位于IMC151的顶部。用作下金属部件130的钢从体心立方(BCC)相转变为面心立方(FCC)相，然后在冷却时回到BCC相。晶体结构的变化将取决于所连接的材料。上电极表面112和下电极表面122可以具有为特定焊接应用设计的规定的硬度和轮廓。图4B给出了此处产生的横截面的微观视图。图4C给出了由上述公开方法所产生的焊缝的SEM图像，并示出了如何利用复杂的、多层的焊接程序来解决传统焊接所产生的问题，以产生坚固的、功能良好的IMC。这导致了高强度的异种焊接，并提高了在疲劳和其他形式的周期性测试中的性能。

焊接电极110、120最好各自具有接触表面112、122，接触表面112、122定向为使得工件130、140中的电流流动促进珀尔帖效应。珀尔帖效应是一种热电效应，当电流通过两种接触导电但异质的材料时，就会发生这种效应。由于这种效应，一种材料会将热量传递给另一种材料，以平衡化学势的差距。因此，电流可以按某一方向排列，以促进珀尔帖效应。虽然这个工艺也可以在没有根据帕尔帖效应排列的方向上工作，但值得注意的是，与不这样做相比，利用帕尔帖效应将允许显著提高一致性水平。

接触异质材料工件130、140中导电性较强的一种的焊接电极110、120的接触表面112、122与接触异质材料工件130、140中导电性较弱的一种的焊接电极110、120的接触表面112、122优选地具有等效直径比率，以抵消异质材料之间在热导率和热膨胀方面的差距。选择用于导电性较强的一侧的接触表面112、122必须至少是与应用于导电性较弱的材料的接触表面112、122的等效直径比率，以便可以正确抵消异质材料之间在热导率和热膨胀方面的差距。在一些情况下，热流平衡也可以通过使用不同材料和/或不同接触面几何形状的焊接电极110、120来实现。

本文论述的材料以及将它们连接在一起的IC中某些固有的复杂性偶尔需要更高水平的程序差异(variance)以促进正确的键合。影响焊接程序复杂性的一些因素是(但不限于)材料的表面状况(氧化皮、碎屑、污染物等)、所连接材料的等级和厚度、所连接材料的几何形状、材料之间存在的中间层(粘合剂、密封剂等)，以及所连接板材的数量。可能还有其他几个因素会对焊接计划产生影响。程序差异通过在多层的焊接计划中引入额外的电流变化来表现。这些变化在图5-10中公开，这些变化可以增加或减少焊接层。本文公开的工艺不限于以下附图。图5-10是公开的工艺的进一步示例。焊接程序可以包含各种电流水平，这些电流水平会随着时间的推移而发生不同数量的变化。实际程序可能和这里论述的附图之间有所不同。

图5A至5C表示从图3A和3B的焊接工艺中改进的焊接工艺，其中焊接工艺在倾斜到焊接阶段或步骤220之前要经历多层预加热阶段或步骤310、510。在材料对热负荷变化敏感的情况下，可以使用多个预加热层对异质材料进行更高水平的控制。只要电流不中断，预加热层可以增加或减少以满足所连接材料的需求，并且最后的预加热步骤通过倾斜的电流进入焊接步骤。虽然所示的示例具有两个预加热步骤310、510，但需要注意的是，如果需要，可以替代地使用任何其他合适的多个预加热步骤。图5A是该示例的流程图，而图5B是具有工艺步骤210、310、510、320、220、330、230和240的示例的焊接图。图5B通过绘制从工艺步骤210到工艺步骤240中流过焊接材料的电流随时间的进展情况来展示焊接图。预加热的层数可取决于发生的相变类型以及形成IMC所需的相关扩散速率(在形成IMC的情况下)。预加热电流的不同层可以是任意数量的模式，例如，如图5B所示的两个不间断的预加热电流，或者如图5C所示的交替/脉冲方式。预加热可能有一些额外的好处，这取决于所焊接的金属部件130、140。

图6A至6C表示从图3A和3B的焊接工艺中改进的焊接工艺，其中焊接工艺在冷却之前要经历多层焊接220、610。可以利用多层焊接来对组成IMC的相的类型和浓度保持更高水平的控制。只要电流不中断，焊接层可以增加或减少以满足所连接材料的需求，并且最后的焊接步骤进入冷却阶段。虽然所示的本示例具有两个焊接步骤220、610，但需要注意的是，如果需要，可以替代地使用任何其他合适的多个焊接步骤。图6A是具有工艺步骤210、310、320、220、610、330、230和240的示例的流程图。图6B是该示例的焊接图。图6B通过绘制从工艺步骤210到工艺步骤240中流过金属部件130、140的电流随时间的进展情况来展示焊接图。焊接电流的不同层可以是任意数量的模式，例如，如图6B所示的两个不间断的焊接电流，或者如图6C所示的交替/脉冲方式。

图7A和7B表示从图3A和3B的焊接工艺中改进的焊接工艺，其中焊接工艺绕过了任何回火阶段，直接到达焊接表面固定焊接材料，而没有电流流过它们，以冷却连接材料。某些材料组合可能不需要回火阶段来促进IMC的正确形成。这可以通过减少工艺时间来节省大量成本。图7A是具有工艺步骤210、310、320、220、230和240的示例的流程图。图7B是具有工艺步骤210、310、320、220、230和240的示例的焊接图。图7B通过绘制从工艺步骤210到工艺步骤240中流过金属部件130、140的电流随时间的进展情况来展示焊接图。

图8A至8C表示从图3A和3B的焊接工艺中改进的焊接工艺，其中焊接工艺在停止电流流动之前要经历多层回火810。只要电流不中断，多层回火可以增加或减少时间或电流，以进一步控制材料的冷却速率，来满足所连接材料的需求。该工艺仍然将通过利用来自电极表面112、122的压力将金属部件130、140固定在一起并持续指定的时间而结束。虽然所示的本示例具有两个回火步骤330、810，但需要注意的是，如果需要，可以替代地使用任何其他合适的多个回火步骤。图8A是具有工艺步骤210、310、320、220、330、810、230和240的示例的流程图。图8B是该示例的焊接图。图8B通过绘制从工艺步骤210到工艺步骤240中流过金属部件130、140的电流随时间的进展情况来展示焊接图。回火电流的不同层可以是任意数量的模式，例如，如图8B所示的两个一致的回火电流，或者如图8C所示的交替/脉冲方式。

图9A和9B采用了图5C、6C和8C中所示的脉冲电流并将它们组合成一个脉冲焊接程序。图9A在与直流电(DC)一致的焊接计划中显示了该方法。图9B在与交流电(AC)一致的焊接计划中显示了该方法。

图10A和10B表示从图3A和3B的焊接工艺中改进的焊接工艺，其中焊接工艺绕过了预加热层和焊接层之间的任何倾斜阶段，直接进入焊接层以形成IMC。某些材料组合可能不需要倾斜阶段来促进IMC的正确形成。这可以通过减少工艺时间来节省大量成本。图10A是具有工艺步骤210、310、1020、330、230和240的示例的流程图。图10B是具有工艺步骤210、310、1020、330、230和240的示例的焊接图。图10B通过绘制从工艺步骤210到工艺步骤240中流过金属部件130、140的电流随时间的进展情况来展示焊接图。

虽然这些附图是用于焊接异质材料的成功程序的示例，但是本文公开的发明不只限于上面给出的附图。只要焊接程序是连续的、多层的工艺，就可以使用任意数量和组合的步骤。只要电流持续流过工件130、140，提供给工件130、140的电流不需要控制在恒定的电流水平并且可以以脉冲或倾斜的方式波动。

上述实施例和变体的任何特征或属性可以根据需要与上述实施例和变体的任何其他特征和属性组合使用。

目前公开的实施例为焊接操作提供了相当高的效率，例如节省成本和时间。例如，在不使用紧固件的情况下成功连接异质材料的能力，这在使用它的大多数应用中节省了资金。从每一个接合处移除紧固件的简单但新颖的工作，将给应用此工艺的实体带来优势，因为它消除了传统上将异质材料连接在一起的每一个紧固件的成本和重量。没有紧固件以及能够使用传统的焊接工具和线路布局，随着时间的推移，节省大量开支。与其他焊接解决方案相比，这种解决方案还通过保持恒定的能量流流过界面来节省大量的时间。因为我们在输送电流时没有间歇性的停止，这允许在更短的时间跨度内输送更多的能量。

因此，所公开的系统和方法很好地适于实现所提到的目的和优点，以及其中固有的目的和优点。上面公开的特定实施例仅是说明性的，因为本公开的教导可以以不同但等效的方式进行修改和实践，这对于受益于本文教导的本领域技术人员来说是显而易见的。此外，除了下面的权利要求中所描述的之外，不打算对本文所示的结构或设计的细节进行限制。因此，很明显的是，上面公开的特定说明性实施例可以被改变、组合或修改，并且所有这些变化都被视为在本公开的范围内。本文示例性公开的系统和方法可以在没有本文未具体公开的任何元素和/或本文公开的任何可选元素的情况下适当地实施。虽然组合物和方法是以“包括(comprising)”、“包含(containing)”或“包括(including)”各种组分或步骤来描述的，但组合物和方法也可以“基本上由”或“由”各种组分和步骤组成。上面公开的所有数字和范围可能会有一定的差异。每当公开具有下限和上限的数值范围时，都会具体公开落入该范围的任何数字和任何包含的范围。特别地，本文公开的每一个数值范围(形式为“从大约a到大约b”，或等效地，“从大约a到b”，或等效地，“从大约a-b”)都应理解为列出包含在更广泛的数值范围内的每个数字和范围。此外，除非专利权人另有明确和清晰地定义，否则权利要求中的术语具有其单纯、普通的含义。此外，权利要求中使用的不定冠词“a”或“an”在本文中被定义为表示其引入的一个或多个元素。如果本说明书中的词语或术语的用法与可能通过引用方式并入本文的一个或多个专利或其他文件有冲突，应采用与本说明书一致的定义。

如本文所使用的，在一系列项目(items)之前的短语“至少一个”，用术语“和”或者“或”来分隔任何项目，将列表(list)作为整体修改，而不是修改列表的每个成分(即每个项目)。短语“至少一个”允许的含义包括：任何一个项目中的至少一个，和/或任何项目组合中的至少一个，和/或每个项目中的至少一个。例如，短语“A、B和C中的至少一个”或“A、B或C中的至少一个”分别指的是只有A、只有B或者只有C；A、B和C的任意组合；和/或A、B和C中各自的至少一个。

Claims (20)

1.一种用于将异质材料工件连接在一起的电阻点焊方法，所述方法包括以下步骤：

用焊机的相对的焊接电极对所述工件施加压力，以将所述工件夹在一起；

在预加热阶段，所述工件由所述焊接电极施加压力并夹在一起，通过所述焊接电极向所述工件提供预定水平的电流并持续预定时间，以提供所述工件的逐渐加热；

在焊接阶段，所述焊接阶段在所述预加热阶段之后，所述工件由所述焊接电极施加压力并夹在一起，通过所述焊接电极向所述工件提供高于所述预加热阶段预定水平的电流并持续预定时间，以在所述工件之间形成金属间化合物(IMC)；并且

其中，从所述预加热阶段到焊接阶段，所述电流连续不间断地提供给所述工件。

2.根据权利要求1所述的电阻点焊方法，还包括：倾斜阶段，所述倾斜阶段在所述预加热阶段和所述焊接阶段之间，所述工件由所述焊接电极施加压力并夹在一起，其中，提供给所述工件的电流在预定时间内从所述预加热阶段的预定水平逐渐上升到所述焊接阶段的预定水平，其大小取决于所连接的所述材料。

3.根据权利要求2所述的电阻点焊方法，其中，所述预加热阶段具有多个，每个所述预加热阶段具有不同的电流预定水平。

4.根据权利要求1所述的电阻点焊方法，其中，所述焊接阶段具有多个，每个所述焊接阶段具有不同的电流预定水平。

5.根据权利要求1所述的电阻点焊方法，还包括：回火阶段，所述回火阶段在所述焊接阶段之后，并且所述工件由所述焊接电极施加压力并夹在一起，通过焊接电极以预定水平向所述工件提供电流，所述预定水平低于所述焊接阶段的预定水平，以逐渐冷却提供的所述工件。

6.根据权利要求5所述的电阻点焊方法，其中，所述回火阶段以恒定的电流预定水平冷却所述工件。

7.根据权利要求5所述的电阻点焊方法，其中，所述回火阶段的电流水平低于所述焊接阶段的电流水平，并且所述回火阶段的电流水平低于或等于所述预加热阶段的电流水平。

8.根据权利要求5所述的电阻点焊方法，其中，所述回火阶段具有多个，每个所述回火阶段具有不同的电流预定水平。

9.根据权利要求5所述的电阻点焊方法，还包括以下步骤：在所述回火阶段之后，使用在所述焊接电极中流动的冷却流体来提高所述工件的冷却速率，同时，在预定时间内，在保持压力恒定并且没有电流流向所述工件的情况下，所述焊接电极继续施加压力并将所述工件夹在一起。

10.根据权利要求1所述的电阻点焊方法，还包括以下步骤：在所述焊接阶段之后，使用在所述焊接电极中流动的冷却流体来提高所述工件的冷却速率，同时，在预定时间内，在保持压力恒定并且没有电流流向所述工件的情况下，所述焊接电极继续施加压力并将所述工件夹在一起。

11.根据权利要求10所述的电阻点焊方法，其中，从所述焊接电极第一次将所述工件夹在一起直到所述回火阶段结束，所述工件中的所述电流都没有停止，并且所述焊接电极继续夹紧所述工件，冷却流体流过所述焊接电极。

12.根据权利要求1所述的电阻点焊方法，其中，每个所述焊接电极均具有接触表面，所述接触表面定向为使得所述工件中的电流流动有助于珀尔帖效应，并通过对珀尔帖效应的理解和实施进行优化。

13.根据权利要求1所述的电阻点焊方法，其中，接触导电性较强的一种所述异质材料的所述焊接电极的接触表面与接触导电性较弱的一种所述材料的所述焊接电极的接触表面具有等效直径比率，以抵消所述异质材料之间在热导率和热膨胀方面的差距，并且所述比率也可以基于所述两种材料之间的厚度差异而改变。

14.根据权利要求1所述的电阻点焊方法，其中，提供给所述工件的所述电流在每个阶段中处于非恒定电流水平，并且以脉冲或倾斜的方式波动，同时，所述电流不断地流过所述工件。

15.根据权利要求1所述的电阻点焊方法，其中，异质材料为铝和钢。

16.一种用于将异质材料工件连接在一起的电阻点焊方法，所述方法包括以下步骤：

用焊机的相对的焊接电极对所述工件施加压力，以将所述工件夹在一起；

在预加热阶段，所述工件由所述焊接电极施加压力并夹在一起，通过所述焊接电极向所述工件提供预定水平的电流并持续预定时间，以提供所述工件的逐渐加热；

在焊接阶段，所述焊接阶段在所述预加热阶段之后，所述工件由所述焊接电极施加压力并夹在一起，通过所述焊接电极向所述工件提供高于所述预加热阶段预定水平的电流并持续预定时间，以在所述工件之间形成金属间化合物(IMC)；

在倾斜阶段，所述倾斜阶段在所述预加热阶段和所述焊接阶段之间，所述工件由所述焊接电极施加压力并夹在一起，其中，提供给所述工件的电流在预定时间内从所述预加热阶段的预定水平逐渐上升到所述焊接阶段的预定水平；

回火阶段，所述回火阶段在所述焊接阶段之后，在所述回火阶段以可控方式进行冷却，通过利用通常低于所述预加热阶段的电流水平来降低温度，从而减小对所述IMC的热冲击风险；并且

在所述回火阶段之后，使用在所述焊接电极中流动的冷却流体来提高所述工件的冷却速率，同时，在预定时间内，在保持压力恒定并且没有电流流向所述工件的情况下，所述焊接电极继续施加压力并将所述工件夹在一起；

其中，在整个所述预加热阶段、倾斜阶段和焊接阶段，所述电流连续不间断地提供给所述工件。

17.根据权利要求16所述的电阻点焊方法，还包括：回火阶段，所述回火阶段在所述焊接阶段之后并在所述提高冷却速率的步骤之前，并且所述工件由所述焊接电极施加压力并夹在一起，通过所述焊接电极以预定水平向所述工件提供电流，所述预定水平低于所述焊接阶段的预定水平，以逐渐冷却提供的工件。

18.根据权利要求17所述的电阻点焊方法，其中，所述回火阶段的电流水平低于所述焊接阶段的电流水平，并且所述回火阶段的电流水平低于或等于所述预加热阶段的电流水平。

19.根据权利要求17所述的电阻点焊方法，其中，从所述焊接电极第一次将所述工件夹在一起直到所述回火阶段结束，所述工件中的所述电流都没有停止。

20.根据权利要求16所述的电阻点焊方法，其中，所述异质材料为铝和钢。

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