TWI624323B

TWI624323B - 金屬片的集合以及用於凸焊金屬片的方法

Info

Publication number: TWI624323B
Application number: TW103131472A
Authority: TW
Inventors: 卡瑞爾皮特曼
Original assignee: ＡｌＳ科技公司
Priority date: 2013-09-16
Filing date: 2014-09-12
Publication date: 2018-05-21
Also published as: US9718143B2; BR112016005366B1; CL2016000626A1; PT3046716T; NL2011446C2; CN105829009B; EA201690607A1; WO2015037986A1; EP3046716A1; CA2922623C; AR097664A1; JP6110023B2; SI3046716T1; MX2016003390A; KR101678807B1; AU2014319088B2; JP2016530999A; PL3046716T3; US20160221109A1; CN105829009A

Abstract

本發明係關於一第二金屬片在一第一金屬片上方之凸焊，其中該第一金屬片具有主成份為鋁或鎂之一非含鐵金屬或金屬合金，其中該第一金屬片包含在該第一金屬片之主要上部表面上方局部地延伸以與該第二金屬片之主要下部表面接觸的一伸長突出物，其中該突出物包含一上部表面，該上部表面具有在其中間關於該第一金屬片之該主要上部表面界定該上部表面之頂高的一第一半徑之一凸出之第一區段，及具有沿著合併為該第一區段之兩個伸長側之一第二半徑的一凸出之第二區段，其中該第一半徑大於該第二半徑。

Description

金屬片的集合以及用於凸焊金屬片的方法

本發明係關於金屬片之凸焊。

例如在門之凸緣焊接在一起之汽車製造工業中，長期以來已知用於將薄的鐵片焊接於彼此上方的凸焊。中空突出物係藉由在執行焊接之前將衝頭及壓模按壓抵靠下部鐵片而在該片中形成。該等片隨後在焊接槍之兩個電焊條之間經按壓。在焊接期間，突出物逐漸地塌陷且強固的結構焊縫在突出物之位置處形成。

特別是，在汽車工業中，針對由非含鐵金屬片，特別是鋁或鎂及其合金之片製成之零件存在增長之需求。此等輕量之零件具有相同良好之機械性質。然而，當針對鐵片之已知凸焊製程應用於此等金屬時，並未獲得強固的結構焊縫。相反地，突出物在開始形成焊縫之之前已塌陷。

在公開之專利申請案中，已描述凸焊鋁片之先前嘗試。然而，此等初始嘗試尚未帶給成功之實施，此係由於申請人現已發現獲得強固之結構焊縫的關鍵製程參數仍並非已知的。一般而言，對凸焊鋁片之所描述發展僅為用於鐵片之製程的輕微修改，而現發現完全不同的方法對獲得良好之結果係必要的。在下文中概述在公開之專利申請案中的發展。

以Newcor Inc.之名義的WO 99/03634揭示鋁片之凸焊，其中下部片中之突出物具有圓頂的形式。突出物具有約為片厚度之四倍的高度，藉此突出物在下部片之主要上部表面上方係極薄壁的且中空的。此結構上薄弱之突出物將導致大的初始壓印或將甚至在施加壓力之後立即塌陷，藉此初始焊接接觸區域未經界定。焊接電流直接自基本為正弦形式的習知單相460伏特、60Hz交流電網(alternating current mains)獲得，其中焊接脈衝係藉由破壞其半循環波而產生。藉由將後續的交替焊接脈衝施加至未界定的初始焊接接點上，特別是在焊接循環之開始所引入的焊接能量之量並非處於控制中或為低的，因此獲得薄弱的焊縫。

以Newcor Inc.之名義的WO 01/00363揭示如上文所述之製程的進一步發展。環形突出物包含具有曲率之中空豎直壁。突出物限定盲開口，該開口不可避免地封閉在焊接循環期間迅速地擴張之一定空氣量。此引起源自封閉之空氣的裂紋、內含物及污染，從而導致薄弱的焊縫。

EP 0 102 927揭示凸焊製程，其中兩個鋁片具備在交叉方位上彼此鄰接之伸長突出物。歸因於兩個鄰接之突出物的存在，焊點將在產品之兩側上可見。此技術僅可應用於諸如所揭示之管道的低成本公用事業產品。突出物之上部表面具有曲率，其中在交叉之突出物之間的初始小焊接接點將初始焊接電流保持為低的。焊接電流在突出物之塌陷期間逐漸地增大。此暗示電流僅取決於熔融之橫截面，從而將焊接循環之控制保持為相當低。

US 4 495 397揭示具有環形突出物之鋁片的凸焊，其在焊縫中引起源自所封閉空氣之裂紋、內含物及污染。突出物係在衝頭與壓模之間形成，其具有彼此在一角度下的筆直之冷鍛造面。突出物具有藉由壓模所強加的良好界定之筆直的側表面，而頂部表面及其曲率留著未經界定。此係用於焊接鋼片之衝頭及壓模的直接應用，其將不適用於鋁。在焊接循環期間，施加引起8%之永久冷變形的第一壓力。第一壓力隨後在焊接電流已達到高峰之後立即增大。焊接電流由此藉由隨著主導參數改變壓力而受控制。此已指示焊接電流自身並非良好地處於控制下。除此以外，實務上不可能在短的焊接循環內以此方式控制壓力，此係由於壓力係藉由機械上緩慢之系統施加。看起來壓力係在焊接循環期間改變以便以某種方式補償其他缺點。

JP 2002-103056揭示使用在焊縫中引起裂紋、內含物及污染之環形突出物的類似於US 4 495 397之焊接製程的用於鋁之凸焊製程。該焊接製程應用於厚的鋁零件，而非用於薄片。

DE 30 24 333揭示用於焊接鋁零件之錐形突出物，其係以與上文所述之方式相同的直接方式得自鋼片之焊接。

DE 100 29 352描述具有類似於如WO 99/03634中所揭示之突出物的突出物之鋁片的凸焊。突出物具有約為片厚度之兩倍的高度，藉此突出物在下部片之主要上部表面上方係極薄壁的且中空的。此突出物將遭受初始壓印或將甚至在施加壓力之後立即塌陷。突出物之頂部具有恆定的半徑及筆直的側表面。此形狀直接來自鋼片之凸焊。出於此等原因，此針對鋁將失效。

在已知的技術中，待焊接之物件的任何氧化需要在焊接之前移除。就此而言，JP06-170549揭示一製程，其中待焊接之鋁物件在焊接之前針對氧化之局部移除在環形突出物的位點處往復地移動及旋轉。然而，此不可於突出物焊縫係在相同的物件之間順序地製成時應用，此係由於較早之焊縫使物件相互地固定。

本發明之目標為提供突出物及用於焊接至少一金屬片係非含鐵金屬片之金屬片的凸焊方法。

根據第一觀點，本發明提供一種一第一金屬片及待藉由凸焊焊接於該第一金屬片上方之一第二金屬片的集合，其中該第一金屬片具有主成份為鋁或鎂之一非含鐵金屬或金屬合金，其中該第一金屬片包含在該第一金屬片之主要上部表面上方局部地延伸以與該第二金屬片之主要下部表面接觸的一伸長突出物，其中該突出物包含一上部表面，該上部表面具有具在其中間關於該第一金屬片之該主要上部表面界定該上部表面之頂高的一第一半徑之一凸出之第一區段、具沿著合併為該第一區段之兩個伸長側之一第二半徑的一凸出之第二區段，及沿著合併為該等第二區段及該第一金屬片之該主要上部表面的兩個伸長側之一第三區段，其中該凸出之第一區段轉為該等第二凸出區段之第一轉變界定該上部表面的一第一寬度且其中該等凸出之第二區段轉為該等第三區段之第二轉變界定該上部表面的一第二寬度，且其中該等第三區段轉為該第一金屬片之該主要上部表面的第三轉變界定該上部表面之一第三寬度，其中該第一半徑大於該第二半徑。

該第二片可由鐵製成，或該第二金屬片可如同該第一片由主成份為鋁或鎂之一非含鐵金屬或金屬合金製成。在焊接期間，一電焊條在該突出物之位置處將一壓力施加至該等片上。該下部非含鐵金屬片之突出物根據本發明包含一上部表面，該上部表面具有合併至具有該第二半徑之該等凸出之第二區段中的在頂部具有一第一半徑的一凸出之第一區段，其中該第一半徑大於該第二半徑。以此方式，該突出物具有一相對廣的凸出之第一區段，此歸因於片材料之局部的彈性及塑膠凹痕而在頂部產生一逐步增長的初始接觸表面。該焊接電流將經由此初始接觸表面極好地局部地傳導，而該突出物自身可承受及抵消一壓力，在焊接期間施加該壓力以至形成一強固的結構焊縫。該突出物在焊接該等金屬片期間不會過早地塌陷。此突出物允許在無氧化之先前移除之情況下的該等片之直接焊接。

在經量化具體實例中，第一半徑/第二半徑的比率至少為4。

特別是，第一半徑/第二半徑的該比率為4至5。

更特定地，第一半徑/第二半徑的該比率為4、5。

在另外經量化具體實例中，第一寬度/第二寬度的比率為0.60 至0.90。

特別是，第一寬度/第二寬度的該比率為0.70至0.80。

更特定地，第一寬度/第二寬度的該比率為0.75。

在具體實例中，該第三區段為具有一第三半徑之一凹入之第三區段，其中該第三半徑等於該第二半徑。以此方式，該上部表面逐漸地合併至該第一金屬片之該主要上部表面中，藉此在焊接製程期間抵抗該突出物之過早塌陷的阻力得以改良。

在具體實例中，該突出物在該第一金屬片之該主要上部表面上方充滿該第一金屬片之金屬。金屬在該主要上部表面上方之此部分提供材料以形成焊縫，且其改良在該焊接製程期間抵抗該突出物之過早塌陷的該阻力。

在具體實例中，該突出物在該第一金屬片之下部主表面中包含一凹痕。此凹痕經形成以提供該突出物之該材料在該主要上部表面上方鍛造的該部分。

在具體實例中，其中該凹痕之最深點位於該第一金屬片之該主要上部表面下方。

在經量化具體實例中，該突出物在其上部表面與其凹痕之間具有至少0.3毫米之一材料厚度。

在經量化具體實例中，該第三寬度為1至4毫米。

特別是，該第三寬度為1.8毫米。

在經量化具體實例中，該突出物在該轉變與該第一金屬片之該主要上部表面之間的長度為2至12毫米。

特別是，該突出物在該轉變與該第一金屬片之該主要上部表面之間的該長度為6毫米。

在具體實例中，該第二金屬片具有主成份為鋁或鎂之一非含鐵金屬或金屬合金。

根據第二觀點，本發明提供一種用於用一凸焊裝置藉由凸焊在一第一金屬片上方凸焊一第二金屬片之方法，其中該第一金屬片具有主成份為鋁或鎂之一非含鐵金屬或金屬合金，其中該第一金屬片包含在該第一金屬片之主要上部表面上方局部地延伸以與該第二金屬片之主要下部表面接觸的一伸長突出物，其中該凸焊裝置包含在該突出物之位置處嚙合至該第一金屬片及該第二金屬片上以將一壓力施加至該等金屬片上且隨後將一電流饋送通過該等金屬片的一第一電焊條及一第二電焊條，其中該方法包含根據一脈衝將一焊接電流饋送通過該等電焊條，其中該脈衝串聯地包含在該電流自零上升至一最大電流之一第一時間間隔內的一第一軌跡、在該最大電流存在之一第二時間間隔內的一第二軌跡、該電流在一第三時間間隔內逐漸地減小回至零之一第三軌跡，及該焊接電流在該壓力仍被施加的同時在一第四時間間隔內保持為零之一第四軌跡。

此方法特定地係關於一突出物焊縫係在該兩個電焊條之間製成的一雙面單焊縫組態。該第二片可由鐵製成，或該第二金屬片可如同該第一片由主成份為鋁或鎂之一非含鐵金屬或金屬合金製成。該脈衝串聯地包含該最大焊接電流存在之該第二軌跡，繼之以該焊接電流逐漸地減小回至零之該第三軌跡。此被發現對於藉由凸焊在此等金屬片中獲得一強固之結構焊縫為必要的。在該焊接期間，該突出物塑性地塌陷，此為熱鍛造製程而非熔融製程，其中該焊接電流返回至零之該逐漸減小改良熱鍛造接頭的性質。

在具體實例中，該焊接電流係作為一個單脈衝饋送，藉此該必要量之能量在該突出物之該位置處有效地施加至該等金屬片的區域。

在具體實例中，該焊接電流為一直流電流，其具有一高能量密度且其實現在與該突出物接觸之線處在該等金屬片的外面上破壞一氧化層。

在經量化具體實例中，該第一時間間隔最大為10毫秒。

特別是，該第一時間間隔最大為5毫秒。

更特定地，該第一時間間隔最大為1毫秒。

藉由將該第一時間間隔保持為相對短的，更多的時間保留以針對以下熱鍛造製程施加最大焊接電流。

在經量化具體實例中，該第二時間間隔為10至20毫秒，其中該突出物經熱鍛造為平坦的。

特別是，該第二時間間隔為15毫秒。

在經量化具體實例中，該第三時間間隔至少為5毫秒，藉此該熱鍛造接頭及藉此一強固之結構焊縫在無或有一可接受的最小量之收縮裂紋或內含物的情況下得以獲得。

在具體實例中，其中該第三時間間隔最大為該第二時間間隔之持續時間。

在具體實例中，該第四時間間隔至少長達該第一時間間隔、該第二時間間隔及該第三時間間隔之總和，藉此一強固之結構焊縫在無或有一可接受的最小量之收縮裂紋或內含物的情況下得以獲得。

在經量化具體實例中，其中該第四時間間隔至少為100毫秒。

特別是，該第四時間間隔至少為300毫秒。

在經量化具體實例中，該壓力在垂直於該第一金屬片之該主表面的突出物中為該突出物之每平方毫米70至280牛頓。此壓力在與鐵片之凸焊相比時實質上較高。

特別是，該壓力在垂直於該第一金屬片之該主表面的突出物中為該突出物之每平方毫米160牛頓。

在經量化具體實例中，最大焊接電流在垂直於該第一金屬片之該主表面的突出物中為該突出物之每平方毫米2.5至5千安培。此焊接電流在與鐵片之凸焊相比時實質上較高。

特別是，該最大焊接電流在垂直於該第一金屬片之該主表面的突出物中為該突出物之每平方毫米4千安培。

根據第三觀點，本發明提供一種用於用一凸焊裝置藉由凸焊在一第一金屬片上方凸焊一第二金屬片之方法，其中該第一金屬片具有主成份為鋁或鎂之一非含鐵金屬或金屬合金，其中該第一金屬片包含在該第一金屬片之主要上部表面上方局部地延伸以與該第二金屬片之主要下部表面接觸的多個伸長突出物，其中該凸焊裝置包含在兩個突出物之位置處同時嚙合至該第二金屬片上以將一壓力施加至該等金屬片上且隨後將一電流饋送通過該等金屬片的一第一電焊條及一第二電焊條，其中該方法包含根據一脈衝將一焊接電流饋送通過該等電焊條，其中該脈衝串聯地包含在該電流自零上升至一最大電流之一第一時間間隔內的一第一軌跡、在該最大電流存在之一第二時間間隔內的一第二軌跡、該電流在一第三時間間隔內逐漸地減小回至零之一第三軌跡，及該焊接電流在該壓力仍被施加的同時在一第四時間間隔內保持為零之一第四軌跡。

此方法係關於一單面串聯焊縫組態，其中兩個突出物焊縫係藉由處於工件之同一側面處的該等電焊條同時製成。該第二片可由鐵製成，或該第二金屬片可如同該第一片由主成份為鋁或鎂之一非含鐵金屬或金屬合金製成。此方法與如之前所述之該雙面單焊縫組態具有相同的性質及優點，且因此在此處並未重複。

在經量化具體實例中，在此單面串聯焊縫組態中，該第二時間間隔為20至40毫秒。

特別是，該第二時間間隔為30毫秒。

說明書中所描述及展示之各種觀點及特徵可在無論何處可能之情況下個別地應用。此等個別觀點，特別是在所附附屬申請專利範圍中所述之觀點及特徵，可成為分割的專利申請案之標的。

本發明將以所附圖式中所示之例示性具體實例為基礎來闡釋。

圖1A至圖1C為用於在雙面單焊縫組態中根據本發明之凸焊鋁片的根據本發明之凸焊裝置的等角視圖、側視圖及細節；圖1D為具有如圖1A中所示之突出物的下部鋁片之等角視圖；圖2A至圖2C為用於在單面串聯焊縫組態中根據本發明之凸焊鋁片的根據本發明之凸焊裝置的等角視圖、側視圖及細節；圖3A及圖3B展示突出物在圖1A至圖1C、圖2A至圖2C之鋁片中之一者中的形成；圖4A及圖4B展示圖3A及圖3B之突出物之形成的細節；圖5A及圖5B展示突出物在比圖1A至圖1C、圖2A至圖2C之鋁片厚的鋁片中之形成的細節；圖6A及圖6B展示圖1C之鋁片中的突出物之上部面的橫截面及等角視圖；圖7展示在焊接期間藉由凸焊裝置所施加之焊接電流的圖；及圖8A及圖8B為在突出物參數及焊接參數皆在根據本發明之特定範圍內施加時及在此等參數中之一些參數分別在此等範圍外部施加時的所得焊縫之微觀橫截面。

圖1A至圖1C為用於在雙面單焊縫組態中進行焊接的根據本發明之凸焊裝置1的等角視圖、側視圖及細節。凸焊裝置1經組態以用於根據本發明之非含鐵金屬片的凸焊，特別是用於凸焊鋁或鎂及其合金之片，該等片具有其重量之至少80%、較佳90%的鋁或鎂作為主成份，及額外部或供給(dotation)之銅、錳、矽、鋅或其組合。鋁合金具有大體上指示為1xxx、2xxx、3xxx、4xxx、5xxx、6xxx、7xxx及8xxx之國際四字母代碼，其中特定實例為鋁合金1050、1080、1200、2017、2024、3003、3004、3103、4043、5000、5005、5052、5082、5083、5086、5180、5240、5251、5356、5454、5556、6005、6060、6061、6063、6082、6111、6161、6262、7020及7075。鎂合金具有大體上指示為XX yy之代碼，其中yy以指示額外部分或供給之XX的整數指示重量的百分比，其中A為鋁，C為銅，E為稀土元素，H為釷，K為鋯，L為鋰，M為錳，Q為銀，S為矽，W為釔且Z為鋅。特定實例為鎂合金AZ 31、AZ 61、AZ 80、AZ 80、ZK 60及ZM 21。此等片(較佳為類型5xxx、6xxx及AZ yy)可在用於製造汽車之輕量主體零件以及汽車之輕量懸掛零件(諸如，門及擋泥板)兩者的汽車工業中使用。此等零件可完全由此等片製成，但亦需要組合此等片與鐵片之汽車零件。其實例為具有鋁片車頂之鐵車身。該等片之厚度係在0.5毫米與5毫米之間，且通常約0.8至2毫米。

在下文所述之例示性具體實例中，凸焊裝置1經描述為用於凸焊此等類型之非含鐵金屬片至彼此或至鐵片，其中實例係針對焊接6xxx系列之兩個鋁合金片而給予。

如圖1A至圖1C中所示之凸焊裝置1包含承載於機械臂(其並未進一步展示)上待沿著待焊接之工件操縱的焊接單元或焊接槍2。或者，焊接槍2為固定安裝的，且工件藉由機械臂相對於焊接槍2來操縱。作為又一替代例，焊接槍2為固定安裝的且工件夾持於夾具中。焊接槍2 包含安裝於機械臂上的具有顎夾之形狀的導電框架3，以及可相對於框架3移動之導電壓頭15。框架3及壓頭係由銅或鋁製成。壓頭15包含第一固持器16，其中可替換之第一電焊條20安裝為具有平坦之下部焊接表面21。框架3在其下側處包含第二固持器4，其中可替換之第二電焊條10安裝為具有平坦之上部焊接表面11。第一電焊條20及第二電焊條10係由針對長的服務壽命經最佳化之銅合金製成。凸焊裝置1用以在兩個疊置之金屬片之間進行凸焊，其中與第一電焊條20之接觸表面保持為無污點的。片之此側面已在並無諸如點修補及拋光之中間處理的情況下準備用塗層修整。

第一電焊條20及第二電焊條10係相互對準的，其中上部焊接表面11面對底部焊接表面21。壓頭15係沿著框架3可滑動地導引以用於相對於框架3在方向A上線性移動。此衝程係藉由氣動驅動來提供動力。氣動動力驅動串聯地包含氣壓缸、彈簧及驅動桿14，驅動桿14經由壓力感測器17連接至壓頭15而僅展示其末端。氣壓缸朝向工件向下移動驅動桿14。當上部電焊條20觸碰工件時，氣壓缸將會將彈簧壓縮至預設壓力F。經壓縮彈簧在焊接期間實現第一電焊條20之小位移的快速跟進。在壓頭15及框架3上，設置兩個合作的錨25、26，其彼此嚙合以在將壓力F施加至工件的同時保持電焊條10、20對準。電焊條10、20可形成冷卻水電路之部分以在短循環焊接處冷卻電焊條10、20。壓力感測器17監視壓力F及其過程以確保如下文所述之恰當的焊接製程。

電焊條10、20連接至示意性地指示於圖1B中之電源電路30。電源電路30包含輸入端32連接至習知電網之反相器31，該習知電網在此實例中為三相230/400V、50Hz電網。反相器31經組態以將三相電網轉換為具有約1kHz之高頻率的單相交流電流輸出。反相器31之輸出端連接至接近於電焊條10、20安裝於框架3上的變壓器33。變壓器33將來自反相器31之高電壓高頻率交流電流變換為低電壓、高電流、同一高頻率輸出。變壓器33之輸出端連接至將交流電流變換為直流電流之整流器34。整流器34之兩個輸出端35、36與兩個電焊條10、20連接。反相器31之電壓及電流在時間上得到精確地控制，此產生具有特性的通過電焊條10、20之特定焊接電流，其中參數係在下文描述。應理解，「上部」及「下部」，及「第一」及「第二」為針對兩個片50、51之非限制性相對術語，片50、51中之一者具備突出物60。片50、51在後續的突出物60之間具有恆定之厚度。片50、51在整個主平面之上可具有恆定的厚度，亦即，除了突出物60實際上存在之位點。片50、51在面對之外表面處可具有外氧化層。

如圖1A至圖1C中所示，待焊接在一起之兩個鋁片50、51在電焊條10、20之間疊置定位。下部鋁片50亦單獨地展示於圖1D中。如圖1C及圖1D中所示，下部鋁片50包含朝向上部鋁片51之下部表面突出的多個突出物60。突出物60係在如下文將描述之較早階段中形成於鋁片50中。

圖2A至圖2C展示用於單面串行焊接之組態。在此替代性組態中，下部鋁片51具備捲邊部分52，捲邊部分52彎曲回以封閉具備突出物60之所封閉鋁片50的邊緣。在此組態中，凸焊裝置1包含同時起作用之兩個焊接槍2。焊接槍2各自包含第一固持器16中之電焊條10、20，且非導電插腳12安裝於第二固持器4中。或者，第二固持器4係藉由在焊接期間將片50、51固持為相互定位的用於工件之支撐構架來替換。整流器34之兩個輸出端35、36與兩個電焊條10、20連接。如圖2A至圖2C中所示之凸焊裝置1的組態亦可用於如圖1A至圖1C中所示之工件的單面串行焊接。

針對所有組態，該(等)上部固持器16中之該(等)電焊條(10)20被使得在方向A上向下以鄰接上部鋁片51或在突出物60之位置處的捲邊部分52。在焊接製程期間，特定壓力F及根據在時間上之特定特性的焊接電流得以施加，藉此突出物60完全塌陷且藉由熱鍛造而變為具有如下文將描述之最佳材料性質的強固之結構焊縫。在焊接之後，上部片51之下部表面或捲邊部分52與圍繞塌陷之突出物60的表面緊密鄰接。針對所有組態，針對每一焊點存在在片50、51之間形成焊縫的僅一個突出物60。換言之，在突出物60之整個長度的正上方，上部鋁片51面對突出物60之下部表面係筆直的且平行於上部鋁片51之主平面而延伸。在根據圖1A至圖1C之第一組態中，焊接電流主要通過限定於電焊條10、20之間的突出物60。在根據圖2A至圖2C之第二組態中，焊接電流經由上部片50通過串聯之兩個突出物60，而且大部分之電流直接通過與其平行之捲邊部分52。此係在電流特性方面得到補償，如下文所述。

在所有組態中，工件具有包含散佈式結構焊縫的具有寬度B之凸緣，其中在此項技術中需要將凸緣之寬度B保持為儘可能小的。凸焊裝置1在所有組態中經調適以焊接具有寬度4至10毫米，較佳6至8毫米之凸緣。

突出物60係藉由在第一成型塊80與硬化鋼之第二成型塊90(如圖3A及圖3B中所示)之間按壓鋁片50在較早階段中形成。第一成型塊80包含具有伸長凹坑82之平坦的底部表面81。第二成型塊90包含平坦之頂部表面91及突出之衝頭92，衝頭92具有筆直的三角形橫截面及與凹坑82對準的尖的但圓化之頂部邊緣。在此項技術中，有時，整個第一成型塊80被稱為「壓模」且整個第二成型塊90被稱為「衝頭」。在形成突出物60時，鋁片50抵靠第一成型塊80之平坦的底部表面81而定位，且第二成型塊90在方向K上移動且經按壓抵靠鋁片50，直至平坦之頂部表面91與鋁片50的底部表面緊密鄰接為止。在此形成衝程處，衝頭92穿透鋁片50且局部地塑性變形或冷鍛造材料以完全填滿凹坑82內部之空間，藉此突出物60之上部表面的形狀與凹坑82的內表面完全互補。在此項技術中，突出物60之上部表面因此有時被稱為「凹坑」。在穿透期間及之後的情形詳細地展示於圖4A及圖5A中。

圖5A及圖5B展示根據本發明之突出物60在具有不同(在此實例中較高)的厚度之鋁片50a中的形成。在形成突出物60時，具有同一凹坑82之同一第一成型塊80得以使用，同時替代性第二成型塊90a得以使用，第二成型塊90a具有同一上部表面91及替代性衝頭92a，衝頭92a具有筆直的三角形橫截面及尖的但圓化之頂部邊緣。與用於較薄之鋁片的衝頭90相比，衝頭90a較高且基底較廣。在該形成衝程處，衝頭92a穿透鋁片50且使材料局部地塑性變形以完全填充凹坑82內部之空間，藉此突出物60之上部表面的形狀與凹坑82的內表面再次互補。

凹坑82針對所有片厚度具有同一特定幾何結構，該幾何結構互補地傳送至如所形成之突出物60的上部表面。突出物60之幾何參數詳細地展示於圖6A及圖6B中。如圖6B中所示，伸長突出物在其縱向方向上實質上為筆直的或直線的。如圖6A中亦展示，突出物60具有在鋁片50之主要上部表面53上方延伸的上部表面61。上部表面61包含：伸長之稜柱形中間部分62，其中恆定的橫截面展示於圖6A中；及兩個末端部分63，其中中間部分62之末端對稱地合併至鋁片50的主要上部表面53中。

如圖6A中所示，上部表面61之中間部分62包含凸出之第一區段65，第一區段65具有並非無限之第一半徑R1。凸出之第一區段65在其中間關於鋁片50之主要上部表面53界定上部表面61的頂高H1。針對所有片厚度，頂高係在0.35毫米與0.55毫米之間，較佳地約0.45毫米。凸出之第一區段65在兩側對稱地合併至具有較小之第二半徑R2的凸出之第二區段64中。自第一凸出區段65轉為第二凸出區段64之此等第一轉變T1係平滑的。就數學而言，合併區段64、65之切線在第一轉變T1處重合。凹入之第一區段65在第一轉變T1之間具有第一寬度W1。

凸出之第二區段64對稱地合併至具有第三半徑R3的凹入之第三區段63中。自凸出之第二區段65轉為凹入之第三區段64的此等第二轉變T2係平滑的。就數學而言，合併區段64、65之切線在第二轉變T2處重合且改變其方向。凸出之第一區段65及凸出之第二區段64在第二轉變T2之間具有總的第二寬度W2。凹入之第三區段63對稱地合併至鋁片50之主要上部表面53中。自凹入之第三區段63轉為筆直的主要上部表面53之此等第三轉變T3係平滑的。就數學而言，合併區段63及筆直的主要上部表面之切線在第三轉變T3處重合。上部表面61在第三轉變T3之間具有總的第三寬度W3，第三寬度W3為突出物60在鋁片50之主要上部表面53上方的總寬度。

上述轉變T1、T2、T3為如圖6A中所示之橫截面中的假想點及平行於鋁片50之主要上部表面53而延伸的假想線。第三轉變T3沿著突出物60之長側形成上部表面61的基線。兩個末端部分63在縱向截面中具有且自中間部分62截取與中間部分62之橫截面相同的外輪廓。突出物60之上部表面61具有總的長度L1。如圖6A中所示，突出物60具有在上部表面61與凹痕66之表面之間截取的最小材料厚度Q。突出物60在片材料中形成局部窄化。

針對上述幾何參數，特定的值及比率適用：第一半徑R1/第二半徑R2的比率至少為4。較佳地，第一半徑R1/第二半徑R2的比率為4至5。更佳地，第一半徑R1/第二半徑R2的比率為約4.5。第一寬度W1/第二寬度W2的比率係在0.60與0.90之間。較佳地，第一寬度W1/第二寬度W2的比率為約0.70及0.80。更佳地，第一寬度W1/第二寬度W2的比率為約0.75。幾何參數之此等比率產生在頂部具有相對廣的凸出之第一區段65但在其中間仍具有最大高度H1的上部表面61，此形成與鋁片51之下部表面或待焊接至具有突出物60之片50的捲邊部分52接觸的初始線，且因此形成用於初始焊接電流的通路。業已，當施加壓力F時，廣的凸出之第一區段65歸因於冷材料之局部的彈性及塑膠凹痕而在頂部產生逐步增長的初始接觸表面。焊接電流將僅經由此接觸表面極好地局部傳導。

第三寬度W3係在1毫米與4毫米之間。較佳地，第三寬度W3為約1.8毫米。長度L1係在2毫米與12毫米之間。較佳地，長度L1為6毫米。

最小材料厚度Q大於0.3毫米。較佳地，最小材料厚度Q大於0.45毫米。此已適用於0.8至1毫米之片厚度。藉由衝頭92留下之凹痕66的頂部67始終位於鋁片50之主要上部表面53下方，其係藉由圖4B及圖5B中之假想線C指示，藉此突出物60在鋁片50之主要上部表面上方延伸的部分充滿金屬。藉此獲得之最小材料厚度確保突出物60承受冷材料之初始局部凹痕。當電焊條10、20被使得與工件接觸時，第二固持器16關於第一固持器4之壓力F在時間上經監視以核實突出物60的結構完整性。當壓力F及其在時間上之過程並非處於規定之極限內時，結論為突出物60不可用於無污點焊接。焊接電流接著並未施加。此可因為突出物60已塌陷或突出物根本不存在。

圖7展示在焊接期間饋送通過凸焊裝置1之電焊條10、20的焊接電流之圖式。焊接電流係在時間t作為具有針對焊接電流I之特定參數的單極直流電流之一個單脈衝或連續脈衝來施加。當前脈衝係在恆定的壓力F經施加之後開始且突出物60之結構完整性已得以證實。在最初施加恆定的壓力F之時刻，頂高歸因於冷材料之局部的彈性及塑膠凹痕的減小限於2%。此係藉由突出物60之特定成型特徵獲得，特別是所應用之第一半徑R1及第二半徑R2以及其間的比率，且此係由於突出物60在第一鋁片50之主要上部表面53上方係固體的。歸因於在所施加壓力F下抵抗凹痕之極佳的阻力，在接觸表面之間的任何氧化得以消除。因此，如此項技術中已知的氧化之移除的先前步驟並非必要的。

當前脈衝串聯地包含焊接電流(安培)在時間間隔t1內自0安培迅速地增大至最大電流Imax之第一軌跡P1、焊接電流在第二時間間隔t2內實質上恆定或恆定之第二軌跡P2、焊接電流在時間間隔t3內自最大電流Imax成比例地減小(根據圖式中具有線性尺度之直線)至0安培的第三軌跡P3。此後立即接著焊接電流在剩餘的時間間隔t4內保持處於0安培之第四軌跡P4，同時壓力F仍藉由電焊條10、20施加。在此第四軌跡P4之後，電焊條10、20縮回且位於下一焊接位置上。針對上述脈衝參數，特定的值及比率適用。

第一軌跡P1具有極短的上升時間或最大10毫秒之第一時間間隔t1。較佳地，第一時間間隔t1最大為5毫秒。更佳地，第一時間間隔t1最大為1毫秒。

針對雙面單焊縫組態，具有恆定電流之第二軌跡P2具有在10毫秒與20毫秒之間的第二時間間隔t2。較佳地，第二時間間隔t2為約15毫秒。針對如參看圖2A至圖2C所述之單面串聯焊縫組態，具有恆定電流之第二軌跡P2具有在20毫秒與40毫秒之間的第二時間間隔t2。較佳地，第二時間間隔t2為約30毫秒。

具有成比例減小之第三軌跡P3具有至少5毫秒的第三時間間隔t3。較佳地，第三時間間隔t3最大等於第二時間間隔t2。

第一軌跡P1及第三軌跡P3形成非對稱梯形，其中第一時間間隔t1短於第三時間間隔t3。較佳地，第一時間間隔t1短於第三時間間隔t3之一半。

第四軌跡P4具有至少與電流已經饋送之第一時間間隔t1、第二時間間隔t2及第三時間間隔t3的總和一樣長的第四時間間隔t4。較佳地，第四時間間隔t4至少為100毫秒。更佳地，第四時間間隔t4為約300毫秒。

此等特定脈衝參數確保，在最後，具有極佳的材料性質之結構焊縫在突出物60的較早位置處獲得。突出物60自身使得焊接電流在突出物60之位置處通過，且並不通過具有突出物60之片50的鄰近區域。第一軌跡P1之相對短的初始第一時間間隔t1確保第二時間間隔t2之長度可在全部的焊接電流經饋送之第一時間間隔t1、第二時間間隔t2及第三時間間隔t3內最佳化，且因此電能饋送至焊縫。此短的第一持續時間t1係在壓力F經施加之後在廣的凸出之第一區段65處藉由相對大的初始接觸表面確保，該相對大的初始接觸表面形成主表面以傳導焊接電流。第一軌跡P1中之焊接電流的急劇上升係藉由電焊條10、20之間約25伏至40伏之相對高的焊接電壓及如下文所指定之相對高的壓力F引起。與在與如此項技術中已知的兩個鐵片之凸焊比較時相比，焊接電壓、焊接電流及壓力係較高的。在第一持續時間t1之末尾，經加熱之突出物60的塑膠塌陷開始。塌陷係藉由在第二軌跡P2之上所施加的電焊接能量引起。在第二軌跡P2之末尾，突出物60完全塌陷，且第二鋁片51之下部表面完全鄰接第一鋁片50的上部表面53。經加熱之突出物60的塌陷在電焊接能量連續地饋送至焊縫之一單一連續衝程中發生。突出物60之逐漸塌陷並非熔融製程而是突出物60維持足夠的強度以抵消其強加之塌陷的良好控制之熱鍛造製程，藉此材料焊接在一起。在下一第三軌跡P3期間，電流成比例地減小，藉此饋送至焊縫之能量的量亦逐漸地減小以改良熱鍛造接頭。

在第四軌跡P4期間，不再饋送有電焊接能量，同時電焊條10、20使焊縫冷卻且繼續施加壓力F。在第四軌跡P4中，焊接能量在第四時間間隔t4內以加速的但受控制之方式撤回，第四時間間隔t4約為與電焊接電流之前經施加之持續時間相同的持續時間。以此方式，具有高品質之結構焊縫係在具有最小收縮缺陷之情況下獲得。

針對在基底處具有6毫米之長度L1及1.8毫米之寬度W3的較佳突出物60之焊接電流係處於在30kA與50kA之間且較佳地約40kA的絕對值。基底之大小在鋁片50之主要上部表面53的平面中界定突出物60之上部表面61的突出區域。當與突出區域相關時，焊接電流係在2.5kA/mm²與5kA/mm²之間，較佳地約4kA/mm²之突出區域。第二軌跡P2在串聯焊縫組態中在與單焊縫組態相比時長度約為兩倍，以允許同一量之能量引入至突出物60。

針對在基底處具有6毫米之長度L1及1.8毫米之寬度W3的較佳突出物60之壓力F係處於在800N與3000N之間且較佳地約1750N的絕對值。當與突出區域相關時，壓力F係在70N與280N之間，較佳地約160N/mm²之突出區域。所施加壓力F在焊接循環期間(亦即，在第一軌跡P1、第二軌跡P2、第三軌跡P3及第四軌跡P4內或期間)係恆定的或實質上恆定的。

圖8A為在焊接參數係在如之前所述之範圍內施加時的結構焊縫之微觀視圖。該焊縫係無裂紋的，且展示為黑點101之內含物及孔隙之量係最小的。此係具有高結構完整性之焊縫。此焊縫甚至強於鋁片50、51自身之材料。

圖8B為在焊接參數中之一些參數係在如之前所述之範圍外部施加時的焊縫之微觀視圖。特別是，在此實例中，第二持續時間t2及第三持續時間t3已被選擇為遠在指定範圍外部。結果，材料之完整性已改變，其中焊縫包含展示為黑線100之散佈式伸長收縮裂紋，及展示為黑點101的眾多內含物及孔隙。裂紋及內含物已導致不可承受如工業中所要求之機械負載的弱焊縫。

應理解，以上描述被包括以說明較佳具體實例之操作且並不意謂限制本發明之範疇。自以上論述，迄今藉由本發明之精神及範疇所包含的許多變化將對於熟習此項技術者顯而易見。

Claims

一種一第一金屬片及待使用凸焊焊接於該第一金屬片上方之一第二金屬片的集合，其中該第一金屬片具有主成份為鋁或鎂之一非含鐵金屬或金屬合金，其中該第一金屬片包含在該第一金屬片之主要上部表面上方局部地延伸以與該第二金屬片之主要下部表面接觸的一伸長突出物，其中該突出物包含一上部表面，該上部表面具有在其中間關於該第一金屬片之該主要上部表面界定該上部表面之頂高的一第一半徑之一凸出之第一區段，具有沿著合併為該第一區段之兩個伸長側之一第二半徑的一凸出之第二區段，及沿著合併為該等第二區段及該第一金屬片之該主要上部表面的兩個伸長側之一第三區段，其中該凸出之第一區段轉為該等第二凸出區段之第一轉變界定該上部表面的一第一寬度且其中該等凸出之第二區段轉為該等第三區段之第二轉變界定該上部表面的一第二寬度，且其中該等第三區段轉為該第一金屬片之該主要上部表面的第三轉變界定該上部表面之一第三寬度，其中該第一半徑大於該第二半徑。
如申請專利範圍第1項之集合，其中第一半徑/第二半徑的比率至少為4。
如申請專利範圍第1項之集合，其中第一半徑/第二半徑的該比率為4至5。
如申請專利範圍第1項之集合，其中第一寬度/第二寬度的比率為0.60至0.90。
如申請專利範圍第1項之集合，其中該第三區段為具有一第三半徑之一凹入之第三區段，其中該第三半徑等於該第二半徑。
如申請專利範圍第1項之集合，其中該突出物在該第一金屬片之該主要上部表面上方充滿該第一金屬片之金屬。
如申請專利範圍第1項之集合，其中該突出物在該第一金屬片之下部主表面中包含一凹痕。
如申請專利範圍第1項之集合，其中該第二金屬片具有主成份為鋁或鎂之一非含鐵金屬或金屬合金。
一種用於用一凸焊裝置使用凸焊在一第一金屬片上方凸焊一第二金屬片之方法，其中該第一金屬片具有主成份為鋁或鎂之一非含鐵金屬或金屬合金，其中該第一金屬片包含在該第一金屬片之主要上部表面上方局部地延伸以與該第二金屬片之主要下部表面接觸的一或多個伸長突出物，其中一或多個突出物包含一上部表面，該上部表面具有在其中間關於該第一金屬片之該主要上部表面界定該上部表面之頂高的一第一半徑之一凸出之第一區段，具有沿著合併為該第一區段之兩個伸長側之一第二半徑的一凸出之第二區段，及沿著合併為該等第二區段及該第一金屬片之該主要上部表面的兩個伸長側之一第三區段，其中該凸出之第一區段轉為該等第二凸出區段之第一轉變界定該上部表面的一第一寬度且其中該等凸出之第二區段轉為該等第三區段之第二轉變界定該上部表面的一第二寬度，且其中該等第三區段轉為該第一金屬片之該主要上部表面的轉變界定該上部表面之一第三寬度，其中該第一半徑大於該第二半徑，其中該凸焊裝置包含在該突出物之位置處嚙合至該第一金屬片及該第二金屬片上以將一壓力施加至該等金屬片上且隨後將一電流饋送通過該等金屬片的一第一電焊條及一第二電焊條，其中該方法包含根據一脈衝將一焊接電流饋送通過該等電焊條，其中該脈衝串聯地包含在該電流自零上升至一最大電流之一第一時間間隔內的一第一軌跡，在該最大電流存在之一第二時間間隔內的一第二軌跡，該電流在一第三時間間隔內逐漸地減小回至零之一第三軌跡，及該焊接電流在該壓力仍被施加的同時在一第四時間間隔內保持為零之一第四軌跡。
如申請專利範圍第9項之方法，其中將該焊接電流作為一個單脈衝來饋送。
如申請專利範圍第9項之方法，其中該焊接電流為一直流電流。
如申請專利範圍第9項之方法，其中該第一時間間隔短於該第三時間間隔。
如申請專利範圍第9項之方法，其中該第一時間間隔最大為10毫秒。
如申請專利範圍第9項之方法，其中該第一時間間隔最大為1毫秒。
如申請專利範圍第9項之方法，其中該第三時間間隔最大為該第二時間間隔之持續時間。
如申請專利範圍第9項之方法，其中該第四時間間隔至少長達該第一時間間隔、該第二時間間隔及該第三時間間隔之總和。
如申請專利範圍第9項之方法，其中最大焊接電流在垂直於該第一金屬片之該主要上部表面的突出物中為每平方毫米之該突出物2.5至5千安培。
如申請專利範圍第9項之方法，其中該第二金屬片具有主成份為鋁或鎂之一非含鐵金屬或金屬合金。