利用在鋁工件處的熱焊接電極電阻點焊鋼和鋁工件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了利用在鋁工件處的熱焊接電極電阻點焊鋼和鋁工件。一種將鋼工件電阻點焊至鋁或鋁合金工件的方法被公開。所公開方法中的第一步驟涉及提供包括鋼工件和鋁工件的工件疊堆。另一步驟涉及預加熱焊接電極，該焊接電極應(yīng)該接觸鋁或鋁合金工件。所公開方法的又一步驟涉及按壓預加熱的焊接電極和另一個焊接電極抵靠工件疊堆的相對側(cè)，該預加熱的焊接電極鄰接鋁或鋁合金工件，并且在焊接點在兩個焊接電極之間傳送電流以在鋁或鋁合金工件內(nèi)開始和生長熔融焊池。
【專利說明】利用在鋁工件處的熱焊接電極電阻點焊鋼和鋁工件
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請要求2013年9月20日提交的申請?zhí)枮?1/880，564的美國臨時專利的權(quán)益，其全部內(nèi)容在此通過引用結(jié)合到本文。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明的【技術(shù)領(lǐng)域】總體上涉及電阻點焊，且更特別地，涉及將鋼工件電阻點焊至招或招合金工件。

【背景技術(shù)】
[0004]電阻點焊用在很多產(chǎn)業(yè)中來將兩個或更多金屬工件結(jié)合到一起。例如汽車工業(yè)在制造除了其它汽車配件以外的車門、護罩、后備箱蓋、或者提升式門期間，經(jīng)常使用電阻點焊以將預制的金屬工件結(jié)合到一起。多個單獨的電阻點焊點典型地沿著金屬工件的外圍區(qū)域或在一些其他連接區(qū)域形成，以保證汽車配件結(jié)構(gòu)良好。盡管點焊典型地已被執(zhí)行來將一些組成類似的金屬工件——如鋼與鋼和鋁合金與鋁合金——結(jié)合到一起，但是將重量更輕的材料引入汽車平臺的愿望已經(jīng)產(chǎn)生了通過電阻點焊將鋼工件結(jié)合到鋁或鋁合金(簡便起見此后統(tǒng)稱“鋁”)工件的興趣。
[0005]通常，電阻點焊依賴于對電流流動通過接觸的金屬工件和跨過其結(jié)合界面的阻力以產(chǎn)生熱量。為執(zhí)行這種電阻焊工藝，一對相對的焊接電極通常在預定焊接位置被夾持在工件的相對側(cè)上的對齊點上。瞬時電流隨后被傳送通過工件從一個焊接電極流向另一個焊接電極。該電流流動的電阻在工件內(nèi)和其結(jié)合界面處產(chǎn)生熱量。當待焊金屬工件是鋼工件和鋁工件時，在結(jié)合界面處產(chǎn)生的熱量在鋁工件中開始熔融焊池。該熔融鋁焊池潤濕鋼工件的相鄰表面，并且由于電流流動的中斷，凝固成鋁焊點熔核，期在兩個金屬工件之間形成全部的或部分的焊接接頭。
[0006]將鋼工件電阻點焊到鋁工件上產(chǎn)生一些挑戰(zhàn)。一個是，鋼具有相對高的熔點和相對高的熱阻率和電阻率，而鋁具有相對低的熔點和相對低的熱阻率和電阻率。這些差別的結(jié)果是，在電流流動期間，鋁比鋼熔化更快、并且熔化溫度較低。在電流流動停止后鋁也比鋼冷卻的更快?？刂苾煞N金屬之間的熱平衡以使得熔化的鋁焊池可迅速開始并凝固在鋁工件中因此能夠成為挑戰(zhàn)。例如，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在使用標準行業(yè)慣例的快速冷卻時，熔融鋁焊池中的缺陷，如縮孔、氣孔、氧化物殘留和微裂紋被朝著結(jié)合界面拉動并聚集在結(jié)合界面處。另夕卜，電阻點焊期間延長的加熱——更具體地是由于鋼工件的相對更高的電阻的原因在鋼工件中具有升高的溫度——對在熔融鋁焊池和鋼工件之間的結(jié)合界面處的脆性Fe-Al金屬間化合物層的生長是有益的。這兩種條件已經(jīng)顯示會降低剝離強度和削弱最終形成的焊接接頭的總體完整性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]公開了一種電阻點焊工件疊堆的方法，工件疊堆包括鋼工件和鋁或鋁合金工件(再次地，本發(fā)明中簡便起見共同地用“鋁”指代)。該方法包括預加熱將與鋁工件接觸的焊接電極。預加熱指的是，采取主動措施增加焊接電極的溫度，這是在該焊接電極在預定焊接點被壓靠工件疊堆并與位于工件疊堆的相對側(cè)上的另一焊接電極結(jié)合使用來在鋼和鋁工件之間形成焊接接頭之前。在被預加熱后，并且仍然是熱的時候，被預加熱的焊接電極被壓靠鋁工件，而另一相對的焊接電極被壓靠鋼工件，并且在焊接位置在電極之間傳送電流以在工件之間最終形成焊接接頭。
[0008]公開了兩種預加熱鋁側(cè)焊接電極的示例方法，但是其他的預加熱方法實際上也是可能的。一種方法涉及將焊接電極放到一起，它們的焊接面彼此直接接觸，并且然后在焊接電極之間傳送電流，同時限制或完全停止結(jié)合到鋁側(cè)焊接電極中的冷卻機構(gòu)(通常為水冷)。另一種方法涉及在板之上夾持焊接電極，其可從工件疊堆分離或與其成整體，并且然后在焊接電極之間傳送電流并通過板，同時與之前類似，限制或完全停止結(jié)合到鋁側(cè)焊接電極中的冷卻機構(gòu)。當執(zhí)行這些和他預加熱方法時，有可能將鋁側(cè)焊接電極加熱至高于200°C的溫度，并且優(yōu)選為200°C與900°C之間，其幫助促進隨后的點焊工藝。
[0009]在工件疊堆的電阻點焊期間，與其它情況下會提供的熱量相比，對最終鄰接鋁工件的焊接電極預加熱提供更多熱量給鋁工件。特別地，除了由于鋼的更高的熱阻率和電阻率(與鋁相比)導致的在鋼工件中發(fā)展的熱量外并從該熱量的相反方向，被加熱的焊接電極將熱量引入鋁工件。該額外的熱量被相信改變在鋁工件中產(chǎn)生的熔融鋁焊池的凝固行為，其排除了在工件疊堆的結(jié)合界面處并沿著該結(jié)合界面的缺陷的有害聚集。它也能減小需要產(chǎn)生在鋼工件內(nèi)的熱量，其結(jié)果是抑制結(jié)合界面處的脆的Fe-Al金屬間化合物層的生長。通過使用所公開的方法，工件之間構(gòu)建的焊接接頭的總體強度和完整性因此能被改善。
[0010]方案1.一種將鋼工件和鋁或鋁合金工件電阻點焊到一起的方法，所述方法包括:
[0011]提供工件疊堆，其包括鋼工件和鋁或鋁合金工件；
[0012]提供用于接觸鋼工件的第一焊接電極和用于接觸鋁或鋁合金工件的第二焊接電極；
[0013]通過在第一和第二焊接電極之間傳送電流以在第二焊接電極中產(chǎn)生熱量來預加熱第二焊接電極，同時第二焊接電極的冷卻被限制或停止；
[0014]在預加熱后，在焊接點處，按壓第一和第二焊接電極抵靠工件疊堆的相對側(cè)，第一焊接電極鄰接鋼工件并且第二焊接電極鄰接鋁或鋁合金工件；以及
[0015]在第一和第二焊接電極之間傳送電流并在焊接點處通過工件疊堆，以在鋁或鋁合金工件內(nèi)開始焊池并使之生長。
[0016]方案2.根據(jù)方案I所述的方法，其中，第二焊接電極由具有國際退火銅標準(IACS)的60%或更低的導電率的材料構(gòu)造成。
[0017]方案3.根據(jù)方案I所述的方法，其中，第二焊接電極包括嵌片，所述嵌片由電阻率高于第二焊接電極的材料的電阻率的金屬材料制成。
[0018]方案4.根據(jù)方案I所述的方法，其中，嵌片由不銹鋼、銅鎢合金或鑰制成。
[0019]方案5.根據(jù)方案I所述的方法，其中，在電流通行期間，預加熱第二焊接電極包括限制第二焊接電極的冷卻操作至全容量下的冷卻操作的50%或更少。
[0020]方案6.根據(jù)方案I所述的方法，其中，在電流通行期間，預加熱第二焊接電極包括完全停止第二焊接電極的冷卻操作。
[0021]方案7.根據(jù)方案I所述的方法，其中，預加熱使第二焊接電極達到在200°C與900°C之間的溫度。
[0022]方案8.根據(jù)方案7所述的方法，其中，在預加熱期間和通過鋁或鋁合金工件內(nèi)焊池的開始和生長，第二焊接電極被維持在位于200°C與900°C之間的溫度下。
[0023]方案9.根據(jù)方案I所述的方法，還包括:
[0024]在熔融焊池已經(jīng)開始和生長后，停止電流在第一和第二焊接電極之間并通過工件疊堆的通行；和
[0025]保持第一和第二焊接電極壓靠工件疊堆，直至在鋁或鋁合金工件內(nèi)開始和生長的熔融焊池已經(jīng)凝固成焊點熔核。
[0026]方案10.根據(jù)方案I所述的方法，其中，熱電偶裝置或光學紅外溫度測量裝置至少在第二焊接電極的預加熱期間測量第二焊接電極的溫度。
[0027]方案11.根據(jù)方案I所述的方法，其中，第二焊接電極的本體比第一焊接電極大。
[0028]方案12.根據(jù)方案I所述的方法，其中，預加熱第二焊接電極包括:
[0029]將第一和第二焊接電極放到一起，使得第一焊接電極的第一焊接面與第二焊接電極的第二焊接面直接接觸；
[0030]在第一和第二焊接電極之間傳送電流，同時第一和第二焊接面處于接觸中。
[0031]方案13.根據(jù)方案I所述的方法，其中，預加熱第二焊接電極包括:
[0032]按壓第一和第二焊接電極對齊地抵靠板的相對側(cè)，所述板由具有比第二焊接電極的電阻率大的電阻率的金屬材料制成；
[0033]在第一和第二焊接電極之間傳送電流并穿過所述板。
[0034]方案14.根據(jù)方案13所述的方法，其中，所述板是鋼工件的暴露區(qū)，其不是工件疊堆的一部分。
[0035]方案15.—種將鋼工件和鋁或鋁合金工件電阻點焊到一起的方法，所述方法包括:
[0036]提供工件疊堆，其包括鋼工件和鋁或鋁合金工件；
[0037]將第一焊接電極和第二焊接電極放到一起，使得第一焊接電極的第一焊接面與第二焊接電極的第二焊接面直接接觸；
[0038]在第一和第二焊接電極之間傳送電流，同時第一和第二焊接電極的焊接面直接接觸，并且同時第二焊接電極的冷卻被限制或停止以將第二焊接電極預加熱至在200°C與900°C之間的溫度；
[0039]將第一焊接電極和第二焊接電極彼此分離；
[0040]按壓第一和第二焊接電極抵靠工件疊堆的相對側(cè)，第一焊接電極鄰接鋼工件，并且第二焊接電極鄰接鋁或鋁合金工件；
[0041]在第一和第二焊接電極與在焊接點處的工件疊堆之間傳送電流，以在鋁或鋁合金工件內(nèi)開始并生長熔融焊池；和
[0042]在從工件疊堆縮回第一和第二焊接電極之前，停止電流在第一和第二焊接電極之間的通行，并且允許熔融焊池凝固成焊點熔核。
[0043]方案16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，當?shù)谝缓偷诙附与姌O的焊接面直接接觸時，通過限制第二焊接電極的冷卻操作至在全容量下的冷卻操作的50%或更少，來限制第二焊接電極的冷卻。
[0044]方案17.根據(jù)方案15所述的方法，其中，當?shù)谝缓偷诙附与姌O的焊接面直接接觸時，第二焊接電極的冷卻被停止。
[0045]方案18.根據(jù)方案15所述的方法，其中，在第一和第二焊接電極之間傳送來預加熱第二焊接電極的電流包括在1kA與50kA之間的范圍內(nèi)變化的電流水平。
[0046]方案19.根據(jù)方案18所述的方法，其中，在第一和第二焊接電極之間傳送電流在10ms 至 5000ms 之間。
[0047]方案20.根據(jù)方案15所述的方法，其中，在熔融焊池凝固期間，第二焊接電極被保持在200°C與900°C之間的溫度下。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0048]圖1是電阻點焊組件的側(cè)視圖；
[0049]圖2是不使用下面說明書中詳細描述的方法或焊接電極經(jīng)由電阻點焊工藝形成的焊點熔核的微觀結(jié)構(gòu)；
[0050]圖3是一對放在一起的焊接電極的側(cè)視圖；
[0051]圖4是圖3的焊接電極壓靠包括鋼工件和鋁工件的工件疊堆相對側(cè)的側(cè)視圖；
[0052]圖5是圖4的焊接電極和工件疊堆的側(cè)視圖，焊接電極從工件疊堆縮回；
[0053]圖6是具有嵌片的焊接電極側(cè)視圖；
[0054]圖7是使用在下面說明書中詳細描述的方法和/或焊接電極的一種或多種經(jīng)由電阻點焊工藝形成的焊點熔核的微觀結(jié)構(gòu)；和
[0055]圖8是圖3的焊接電極壓靠板的相對側(cè)的側(cè)視圖。

【具體實施方式】
[0056]在這說明書中詳細描述的方法和焊接電極，解決了電阻點焊包括鋁工件和鋼工件的工件疊堆時遇到的一些挑戰(zhàn)。盡管在下面進行更詳細描述，但總體而言所描述的方法和焊接電極可以改變產(chǎn)生的熔融鋁熔池的凝固行為，并因此限制或完全排除在鋁和鋼工件結(jié)合界面處的缺陷聚集。該方法和焊接電極也可最小化在結(jié)合界面處形成的Fe-Al金屬間化合物層的尺寸和厚度。當然，其他改進是可能的。全部或單獨地，這些措施有助于保持鋁和鋼工件之間形成的焊接接頭的合適剝離強度，并有助于保證接頭的總體強度和完整性。并且盡管在下面是在汽車車身面板的背景中描述該方法和焊接電極，但是有經(jīng)驗的技術(shù)人員將知曉并理解這樣的方法和焊接電極可以用在其他背景中，如工業(yè)設(shè)備應(yīng)用。
[0057]圖1顯示了電阻點焊組件10的一個示例，其可用于電阻點焊工件疊堆12，工件疊堆12包括重疊在彼此之上的鋼工件14和鋁工件16。盡管圖1中未顯示，但工件疊堆12可包括附加工件，如單個鋁工件和兩個鋼工件，組成總共三個工件的疊堆。鋼和鋁工件14、16的每一個可具有的厚度范圍在約0.3mm與6.0mm之間,在約0.5mm與4.0mm之間，以及更窄地在約0.6mm與2.5mm之間；其他厚度尺寸也是可能的。術(shù)語“工件”及其鋼與鋁的變體在本說明書中廣泛被使用以指片金屬層、鑄件、擠壓件或任何其他可電阻點焊的零件。
[0058]鋼構(gòu)件14可以是鍍鋅低碳鋼、鍍鋅先進高強鋼(AHSS)、鍍鋁鋼、低碳鋼、裸鋼或其他類型的鋼。一些特殊種類的鋼可用在鋼工件14中，包括但不限于，無間隙原子鋼(IF)、雙相鋼(DP)、相變誘發(fā)塑性鋼(TRIP)和壓力淬火鋼(PHS)。另一方面，鋁工件16可以是鋁、鋁鎂合金、鋁硅合金、鋁鎂硅合金、鋁鋅合金或者其他類型鋁基合金。一些更特殊種類的鋁合金可以用在鋁工件16中，包括但不限于，5754鋁鎂合金、6022鋁鎂硅合金、7003鋁鋅合金、以及Al-1OS1-Mg壓鑄鋁合金。另外，這些和其他合適的鋁合金(以及鋁)可鍍鋅或轉(zhuǎn)換涂層(convers1n coating),其通常用來提高粘接性能?？蛇x地,可以存在通常用在電阻點焊操作中的可焊透(weld-through)粘結(jié)劑或密封劑。
[0059]仍參考圖1，點焊組件10典型地是更大的自動焊接操作的一部分，其包括第一焊槍臂18和第二焊槍臂20，他們在機械上和電上配置成重復執(zhí)行點焊，正如本領(lǐng)域所公知的。第一焊槍臂18具有第一電極夾22，其固定第一焊接電極24，并且同樣地，第二焊槍臂20具有第二電極夾26，其固定第二焊接電極28。當從事電阻點焊時，焊槍臂18、20按壓它們各自的焊接電極24、28在焊接點30處抵著重疊工件14、16的相對側(cè)和外表面，伴隨電極24,28的焊接面一直彼此對齊。結(jié)合界面32位于鋼和鋁工件14、16之間在工件14、16的面對面且鄰接的內(nèi)表面處。
[0060]圖2示出了經(jīng)由不使用下面詳細描述的方法和焊接電極的電阻點焊工藝形成的鋁焊點熔核34的微觀結(jié)構(gòu)。盡管在一些情況下不使用下面的方法和電極可以形成合適的焊點熔核，但是在這個示例中，在結(jié)合界面32處并沿結(jié)合界面32已經(jīng)發(fā)現(xiàn)缺陷D。除了其它的可能性以外，缺陷D可包括縮孔、氣孔、氧化物殘留和微裂紋。當沿著結(jié)合界面32出現(xiàn)并積聚時，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)缺陷D可能降低在鋼和鋁工件14、16之間建立的焊接接頭的剝離強度一招焊點熔核34是焊接接頭的一部分一并可能產(chǎn)生負面影響，以及削弱焊接接頭的總的完整性。而且，除缺陷D外，一個或多個Fe-Al金屬間化合物層(未顯示)，其也被認為是焊接接頭的部分，可在結(jié)合界面32處在鋼和鋁工件14、16之間生長。Fe-Al金屬間化合物層可包括FeAl3、Fe2Al5W及其他化合物，并且在他們存在時通常是又硬又脆。同樣地，在這里，如果被允許大面積地生長，F(xiàn)e-Al金屬間化合物層能對焊接接頭的總體完整性具有負面影響。
[0061]盡管無意于限制在誘發(fā)性的特定理論，但目前相信，缺陷D在結(jié)合界面32處并沿結(jié)合界面32聚集是由于當其轉(zhuǎn)變?yōu)殇X焊點熔核34時熔融鋁焊池的凝固行為引起的。也就是，在熱得多的鋼工件14和鋁工件16之間能夠產(chǎn)生熱量不平衡，這是由于兩種金屬不同的物理特性一即，鋼的熱阻和電阻大得多。因此，鋼成為熱源，而鋁成為熱導體，意味著鋁工件16內(nèi)形成的熔融鋁焊池冷卻，并從其外周朝著結(jié)合界面32凝固，因為來自焊池的熱量通過與鋁工件接觸的水冷焊接電極被定向地抽走。凝固前沿的路徑和方向在圖2大致由虛線箭頭P表示，并且鋁焊點熔核34的邊界大致由虛線B表示。路徑P指向結(jié)合界面32，而更傾斜的邊界B(與圖7中所示的相比)是熔融鋁焊池朝向結(jié)合界面32凝固的結(jié)果。以這種方式定向，焊池缺陷D隨著凝固前沿沿路徑P推進而被朝向結(jié)合界面32拉動或掃過，并可沿結(jié)合界面32分散地結(jié)束。而且，目前相信，F(xiàn)e-Al金屬間化合物層的生長至少部分是由于電阻點焊工藝期間鋼工件14經(jīng)受的升高溫度引起的。
[0062]現(xiàn)在參考圖3-6，幾種方法和焊接電極將被描述，其限制并在一些情況下完全阻止缺陷D在鋁焊點熔核34內(nèi)在結(jié)合界面32處并沿著結(jié)合界面32分散，并使得Fe-Al金屬間化合物層的尺寸和厚度在其處最小化。通常，并且如下更詳細地描述的，所述方法和焊接電極在焊接電極處產(chǎn)生相對增加量的熱量，焊接電極被意圖與鋁工件16接觸并被按壓抵靠它(在這示例中，是第二焊接電極28)。這通過預加熱第二焊接電極28獲得，是在按壓第二焊接電極28在焊接點30處抵靠工件疊堆12和電阻點焊疊堆12以形成工件14、16之間的焊接接頭之前。加熱的第二焊接電極28，進而比其他情況為鋁工件16提供相對增加量的熱量。這種額外熱量輸入——除了鋼工件14中發(fā)展的熱量之外并在其相反方向上，額外的熱量輸入在焊接點30處從第二焊接電極28引入——影響熔融鋁焊池在其冷卻并凝固成鋁焊點熔核34時的凝固行為，其被相信提高剝離強度并幫助確保工件14、16之間建立的焊接接頭的總體強度和完整性。
[0063]例如，在在圖3中所示的實施例中，第一和第二焊接電極24、28，最初被放到一起，第一焊接電極24的第一焊接面42和第二焊接電極28的第二焊接面44彼此直接接觸。隨后在焊接面42、44接觸時電流穿過第一和第二焊接電極24、28。經(jīng)過的電流可以持續(xù)例如10ms至5000ms或更窄地從200ms至2000ms的持續(xù)時間；當然，其他持續(xù)時間也是可能的。在這個步驟中，電流水平在不同實施例中可變，但一些示例包括的電流水平為在1kA和50kA之間或更窄地在20kA與40kA之間。直接在第一和第二焊接電極24、28之間的電流通路在他們的焊接面42、44處以及在它們的電極體內(nèi)產(chǎn)生熱量。
[0064]第二焊接電極28中熱量的累積優(yōu)選通過限制或完全停止電極冷卻操作輔助進行，電極冷卻操作典型地以其他方式實施。結(jié)合到第二焊接電極28中的冷卻操作和系統(tǒng)可具有不同的設(shè)計、結(jié)構(gòu)以及部件，除了其他的可能性以外，這取決于點焊組件10的設(shè)計和結(jié)構(gòu)及焊接電極28本身的設(shè)計和結(jié)構(gòu)。在圖3的示例中，冷卻操作通過冷卻系統(tǒng)36完成，該系統(tǒng)包括位于第二焊接電極28中的冷卻劑腔38和與該冷卻劑腔38連通的冷卻劑管40。這種設(shè)計和結(jié)構(gòu)是有點普通的，并且盡管在附圖中示意性地描述，但是對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是公知的。在這個示例中，通過管40并在腔38中循環(huán)的冷卻劑可以是水。同樣的冷卻操作也可以在第一焊接電極24上執(zhí)行，如圖所示。
[0065]限制或停止第二焊接電極28中的冷卻操作可被控制以保證電極28被預加熱到所需程度。限制冷卻操作，如這里使用的，意味著電極冷卻操作被限制到低于正常執(zhí)行冷卻操作的某種程度上；例如，被限制的冷卻操作可以為這樣的操作:其在全容量冷卻操作的50%或更低下運行，并且因此允許電極溫度增加比它如果經(jīng)受全容量冷卻將會增加的要多。在另一方面，停止，如這里使用的，意味著對于第二焊接電極28電極冷卻操作完全不執(zhí)行或關(guān)閉。
[0066]如果在第二電極28而不是第一電極24中實行限制或完全停止電極冷卻操作，會有助于限制第一和第二焊接電極24、28的焊接面42、44之間的接觸面積，以便保證第一焊接電極24中的冷卻操作不會從第二焊接電極28抽走太多的熱量，并且本質(zhì)上排除預加熱。特別地，焊接面42、44的接觸面積足夠大以傳遞電流并因此產(chǎn)生熱量，但不會太大，產(chǎn)生的熱量在冷卻進行時容易傳導回到較冷的第一電極24中。例如焊接電極24、28可設(shè)計成使得焊接面42、44之間的接觸面積在預加熱期間具有的直徑最小為2mm，或更優(yōu)選地為3mm。這種接觸程度使得足夠電流在焊接電極24、28之間流動而不會導致它們焊接在一起。然而，焊接面42、44之間的接觸面積不應(yīng)大到使被冷卻的第一焊接電極24從預加熱的第二焊接電極28抽走太多熱量。為防止這種情況的發(fā)生，例如焊接電極24、28可設(shè)計成使得焊接面42、44之間的接觸面積直徑為15mm或更小，或更優(yōu)選地，為1mm或更小。
[0067]一旦第二焊接電極28被充分地預加熱，電流的通行就被中斷，并且焊接電極24、28彼此分開(即縮回)并被迅速操縱和移動到工件疊堆12的焊接點30。在焊接點30處，第一和第二焊接電極24、28被閉合并以適當?shù)牧ο蛳聣旱街丿B的鋼和鋁工件14、16上。這在圖4中所示。當被夾住時，瞬時電流通過焊接點30被傳送穿過工件14、16。由電流的通行產(chǎn)生的熱量開始熔融鋁焊池并使其生長，熔融鋁焊池在電流停止時凝固成鋁焊點熔核34。在鋁焊點熔核34形成之后，焊接電極24、28被打開且從工件14、16縮回并離開，如在圖5中所示。如果需要，在焊槍臂18、20定位在下一個焊接點之前，焊接面42、44可隨后被拉回到一起，并且電流可再次被在它們之間傳送以預加熱第二焊接電極28，而不會給該工藝增加明顯的時間。
[0068]如前所述，在上述利用附圖3-5描述的步驟期間第二焊接電極28的冷卻操作被限制或完全停止某個持續(xù)時間。以這種方式，等到第二焊接電極28被向下壓到工件14、16上準備電阻點焊時(圖4)，第二焊接電極比它使用常規(guī)冷卻時的通常情況要熱。在附圖的示例中，在電流被傳送通過第一和第二焊接電極24、28之前，同時焊接面42、44處于接觸中，立即限制或完全停止冷卻劑管40和設(shè)置在第二焊接電極28中的冷卻劑腔38中的冷卻劑流(圖3)。冷卻劑流可保持被限制或完全停止，直到焊接電極24、28被從工件14、16縮回(圖5)后，并且如果需要然后可重新開始。在其他實施例中，冷卻操作可被限制或停止一段時間，該時間超過執(zhí)行單個電阻點焊活動所需時間，并且相反地，可被限制或停止執(zhí)行一系列電阻點焊活動所必需的一段時間。
[0069]由于在這個時間內(nèi)冷卻沒有實施到其正常足量程度，因此熱量被產(chǎn)生并且大部分被維持在第二焊接電極28內(nèi)，這是由于電流流過焊接電極24、28導致的，同時焊接面42、44處于接觸中并且發(fā)生第二焊接電極28的預加熱(圖3)。在示例中，第二焊接電極28可被加熱到在2000C與9000C之間的溫度，或在400°C至700°C之間的溫度，但是其他溫度值是可能的，并且達到的精確溫度除了其它因素之外將取決于電流水平和其施加的持續(xù)時間以及第二焊接電流28的材料。在被預加熱后，第二焊接電極28被維持在升高的溫度，同時它正被用來點焊鋼和鋁工件14、16，在這些其涉及將焊接電極24、28保持就位，并且不將它們從工件14、16縮回，直到焊點熔核凝固發(fā)生。保持夾持并等待焊池凝固，可對凝固行為產(chǎn)生期望的影響，這在下面被更詳細的描述。在這個實施例中，只有第二焊接電極28的冷卻操作被限制或停止，而第一焊接電極24的冷卻操作可保持。
[0070]為幫助監(jiān)控和控制第二焊接電極28的溫度，電極28可配備有熱電偶裝置，以在如上所述的預加熱和電阻點焊步驟期間在不同時間測量其溫度。代替熱電偶裝置或除了熱電偶裝置之外，也可使用光學紅外溫度測量裝置(IR計量器)來測量第二焊接電極28的溫度。獲知的溫度然后可用來幫助管理第二焊接電極28的升高的溫度。例如，在某些情況下會期望將第二焊接電極28的溫度保持在一定范圍內(nèi)，該范圍被發(fā)現(xiàn)生成合適質(zhì)量的焊接接頭，或用于焊接一致性目的。如果溫度低于該范圍，熱量可被產(chǎn)生在焊接電極28內(nèi)。反之，如果溫度高于該范圍，焊接電極28可被允許冷卻或冷卻操作甚至可被短暫重新開始。在一些示例中，熱電偶裝置可被附接到第二焊接電極28的側(cè)表面，或可被埋入電極28體內(nèi)。如果使用光學紅外裝置，其可被簡單放置成在需要時具有到第二焊接電極28的視線通道。
[0071]在到此為止描述的實施例中，第一焊接電極24、第二焊接電極28或兩個電極可用通常用于焊接電極的銅合金材料制造，如銅鋯合金，其通常用符號C15000表示?；蛘撸诙附与姌O28可用銅合金材料制造，該材料比工業(yè)上使用的典型銅鋯合金具有更高的電阻率。這樣的更高電阻率銅合金在電流被傳送通過其時比典型銅合金材料產(chǎn)生更多熱量。具有比典型更高的電阻率的銅合金材料的示例是這些材料:具有60 %的導電率，并且低于國際退火銅標準(IACS)。與IACS (有時稱作100% IACS)有關(guān)的導電率是商業(yè)上純退火銅在20°C時的導電率，其被定義為5.8X107S/m。這些較高電阻率銅合金的具體示例包括Cu-Cr-N1-Si合金，其通常用符號C18000表示。而且，第二焊接電極28可用一些其他高溫金屬或合金制造，如之前，其也具有60%的導電率并低于國際退火銅標準(IACS)。這種高溫金屬的示例包括鑰(Mo)和鎢銅合金(如W-45CU)。這些類型的金屬可以展現(xiàn)的優(yōu)點是在升高的溫度下較少與鋁反應(yīng)。
[0072]第二焊接電極28還可配備有嵌片，其比第二焊接電極28的周圍材料具有更大的電阻率，以從電流的通行產(chǎn)生更多熱量?，F(xiàn)在參考圖6，嵌片46被埋入第二焊接電極28的體內(nèi)。在這個示例中，嵌片46偏離焊接面44，并與第二焊接電極的截頭圓錐體部段48隔開。在一些情況下這個位置會是更可取的，在這些情況下，焊接面44處集中的熱量是不期望的，因為它能導致過多的電極損耗或甚至能在鄰接表面處熔化鋁工件16，或會具有其他不利的結(jié)果。然而，在其他實施例(其在附圖中未顯示)中，嵌片46可安裝在圓柱狀凹槽中，其開口并定中在焊接面44處，并軸向延伸到進入到焊接電極28體內(nèi)的深度。在特定的示例中，圓柱凹槽可具有1mm直徑。無論在何種實施例中，嵌片46可由鋼材料如不銹鋼或裸低碳鋼構(gòu)成，或者可由銅合金材料之一構(gòu)成，具有上文所述的較高電阻率。嵌片46還可由難熔金屬構(gòu)成，如鑰或銅鎢合金材料。
[0073]另外，經(jīng)受預加熱的焊接電極(在這種情況下為第二焊接電極28)，可被設(shè)計并構(gòu)造成比典型使用的或比單獨電流傳遞所需的具有更大體積的本體。更大體積的本體可比第一焊接電極24具有更大的直徑。較大直徑可設(shè)在本體處，遠離第二焊接面44，并且無需修改第二焊接面44的尺寸。在預加熱期間，通過傳送電流通過該更大體積的焊接電極，生成的總熱量增加超過標準尺寸焊接電極產(chǎn)生的總熱量，并且因此當焊接電極24、28被放到一起并且電流被在他們之間傳送時，可用于加熱疊堆12的鋁工件16(圖3)。該更大體積焊接電極中增加的材料提供與上述電阻嵌片類似的功能。
[0074]上述的方法和焊接電極改變?nèi)廴阡X焊池的凝固行為，并由此限制或完全阻止缺陷D在結(jié)合界面32處在鋁焊點熔核34內(nèi)積聚。因為在電阻點焊執(zhí)行之前熱量產(chǎn)生在第二焊接電極28內(nèi)，所以與使用先前已知的方法和焊接電極產(chǎn)生的典型情況相比，更大量的熱量被提供給鋁工件16的外表面。當融融鋁焊池凝固變成鋁工件16內(nèi)的鋁焊點熔核34時，改進的熱量平衡和更均勻的熱量分布改變?nèi)廴阡X焊池的冷卻行為。
[0075]現(xiàn)在參考圖7的微觀結(jié)構(gòu)，取代如圖2中所展示的并在上面描述的凝固前沿朝著結(jié)合界面32推進，熔融鋁焊池冷卻并從其外周向內(nèi)凝固。凝固前沿的路徑和方向在圖7大體用虛線箭頭P表示，而鋁焊點熔核34的邊界用虛線B表示。路徑P指向焊點熔核34的中心區(qū)域，而由于改變的凝固路徑的結(jié)果，邊界B相對于結(jié)合界面32更垂直(與圖2中所示的比較)。出現(xiàn)在熔融鋁焊池中的缺陷D，因此被朝向焊池的中心區(qū)域掃過或拉動，并且最終焊點熔核34定位大大遠離結(jié)合界面32，如圖所描繪的。通過在熔融鋁焊池凝固期間保持第二焊接電極28與鋁工件16鄰接，這會更容易并被增強。第二焊接電極28由于其更熱，從鋁工件16沒有吸走與它在相反情況下將會吸走的熱量相同的熱量，或者根本沒有吸走熱量。相反，熱量橫向分散給鋁工件16的較冷部分。所有這一切的結(jié)果是，適當?shù)膭冸x強度被保持，并且工件14、16之間建立的焊接接頭的總體強度和完整性得以保證。
[0076]而且，如果需要，通過降低電阻點焊期間在焊接電極24、28之間和通過工件疊堆12流動的電流水平，改進的熱平衡還意味著工件疊堆12的鋼側(cè)上的熱量可被降低，這些降低最小化了 Fe和Al之間的反應(yīng)，并由此最小化可形成在結(jié)合界面32處的Fe-Al金屬間化合物層的伴隨尺寸和厚度。已經(jīng)確定，F(xiàn)e-Al金屬間化合物層的尺寸和厚度越大，這些層越脆。最小化這些層有助于維持合適的剝離強度和有助于保證焊接接頭的總體強度和完整性。
[0077]進行用于執(zhí)行迄今為止詳細描述的方法之一的模擬。在該模擬中，與鋼工件接觸的焊接電極(即對應(yīng)于第一焊接電極24)是被冷卻系統(tǒng)主動冷卻的ZrCuC15000電極，而與鋁工件接觸的焊接電極(即對應(yīng)于第二焊接電極28)是展示53% IACS的W-45CU電極。兩個焊接電極被放到一起，它們的焊接面彼此直接接觸并被預加熱。在這些情況下，可以發(fā)現(xiàn)，用于預加熱焊接電極的適宜條件是在200°C至900°C之間，并且更優(yōu)選地是在400°C與700 V之間，包括傳送處于1kA與50kA之間并且更優(yōu)選地20kA與40kA之間的水平的電流，持續(xù)時間在10ms與5000ms之間，并且更優(yōu)選地在200ms與2000ms之間。通過這種方式預加熱焊接電極顯示出維持合適的剝離強度并有助于保證已建立的接頭的總體強度和完整性。
[0078]現(xiàn)在參考圖8，顯示了另一種用于預加熱第二焊接電極28的技術(shù)。此處，第一和第二焊接電極24、28被壓對齊地抵靠板50的相對側(cè)，并且電流被傳送在第一和第二焊接電極24,28之間，并穿過板50，同時限制或完全停止結(jié)合在第二焊接電極28中的冷卻操作(如先前已經(jīng)描述的)。電流被傳送小于100ms、并且處于小于1kA的水平。如以前一樣，這些參數(shù)可將第二焊接電極28加熱至在200°C到900°C之間的溫度，或更窄地在400°C與700°C之間。板50可由金屬材料制造，其電阻率大于第二焊接電極28材料的電阻率。通過這種方式，板50在第二焊接電極28內(nèi)產(chǎn)生的熱量多于第二焊接電極28在相反情況下在其自身上會產(chǎn)生的熱量，因此在更少時間內(nèi)加熱第二焊接電極28，并且加快整個預加熱過程。用于板50的適宜金屬材料的示例包括鋼材料,如不銹鋼或鑰或銅鶴合金材料。在更大組件中，板50可被安裝至一夾具或其某種其他結(jié)構(gòu)上，其位于工件疊堆12附近或其可被攜帶在工件疊堆12上。鋼工件14的暴露區(qū)不是疊堆12的一部分一即，其不是以與鋁工件16重疊的方式布置——也可被用作該板，其會簡化加工并幫助降低費用。
[0079]最后，作為選擇，焊接電極24、28中的一者或兩者可在他們的焊接面42、44上配備有構(gòu)造，用于穿透會出現(xiàn)在鋁工件外表面上的氧化層。例如，如需要，焊接面可以為有紋理、粗糙的或具有一系列凸環(huán)。這些示例在美國專利N0.6，861，609,8, 222，560,8, 274，010、8，436，269和8，525，066、以及美國專利申請公開N0.2009/0255908中描述。
[0080]優(yōu)選示例性實施例和相關(guān)示例的上述描述本質(zhì)上僅是說明性的；他們無意限制隨后權(quán)利要求的范圍。在所附權(quán)利要求中使用的術(shù)語的每一個應(yīng)被給予其通常且慣例的含義，除非在說明書中有相反的具體且明確的陳述。
【權(quán)利要求】
1.一種將鋼工件和鋁或鋁合金工件電阻點焊到一起的方法，所述方法包括: 提供工件疊堆，其包括鋼工件和鋁或鋁合金工件； 提供用于接觸鋼工件的第一焊接電極和用于接觸鋁或鋁合金工件的第二焊接電極； 通過在第一和第二焊接電極之間傳送電流以在第二焊接電極中產(chǎn)生熱量來預加熱第二焊接電極，同時第二焊接電極的冷卻被限制或停止； 在預加熱后，在焊接點處，按壓第一和第二焊接電極抵靠工件疊堆的相對側(cè)，第一焊接電極鄰接鋼工件，并且第二焊接電極鄰接鋁或鋁合金工件；和 在第一和第二焊接電極之間傳送電流并在焊接點處通過工件疊堆，以在鋁或鋁合金工件內(nèi)開始并生長焊池。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，第二焊接電極由具有國際退火銅標準(IACS)的60%或更低的導電率的材料構(gòu)造成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，第二焊接電極包括嵌片，所述嵌片由電阻率高于第二焊接電極的材料的電阻率的金屬材料制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在電流通行期間，預加熱第二焊接電極包括限制第二焊接電極的冷卻操作至全容量下的冷卻操作的50 %或更少。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在電流通行期間，預加熱第二焊接電極包括完全停止第二焊接電極的冷卻操作。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，預加熱使第二焊接電極達到在200°C與900°C之間的溫度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在預加熱期間和通過鋁或鋁合金工件內(nèi)焊池的開始和生長，第二焊接電極被維持在位于200°C與900°C之間的溫度下。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括: 在熔融焊池已經(jīng)開始和生長后，停止電流在第一和第二焊接電極之間并通過工件疊堆的通行；和 保持第一和第二焊接電極壓靠工件疊堆，直至在鋁或鋁合金工件內(nèi)開始和生長的熔融焊池已經(jīng)凝固成焊點熔核。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，預加熱第二焊接電極包括: 將第一和第二焊接電極放到一起，使得第一焊接電極的第一焊接面與第二焊接電極的第二焊接面直接接觸； 在第一和第二焊接電極之間傳送電流，同時第一和第二焊接面處于接觸中。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中預加熱第二焊接電極包括: 按壓第一和第二焊接電極對齊地抵靠板的相對側(cè)，所述板由具有比第二焊接電極的電阻率大的電阻率的金屬材料制成； 在第一和第二焊接電極之間傳送電流并穿過所述板。
【文檔編號】B23K103/10GK104511687SQ201410719554
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2014年9月20日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月20日
【發(fā)明者】J·G·施羅思, D·R·西勒, T·A·佩里 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作有限責任公司