電阻焊接電極和利用其點(diǎn)焊鋼和鋁合金工件的方法
【專利摘要】公開了電阻焊接電極和利用其點(diǎn)焊鋼和鋁合金工件的方法。電阻焊接電極至少包括由耐火基材料構(gòu)成的焊接面，所述耐火基材料展示的導(dǎo)電率小于或等于由國際退火銅標(biāo)準(zhǔn)(IACS)限定的商用純退火銅的導(dǎo)電率的65％。還公開了使用電阻焊接電極電阻點(diǎn)焊工件堆疊的方法，工件堆疊包括在接合界面處彼此重疊并接觸的鋁合金工件和鋼工件。
【專利說明】電阻焊接電極和利用其點(diǎn)焊鋼和鋁合金工件的方法
相關(guān)申請的交叉引用
[0001 ] 本申請要求2015年3月27日提交的美國臨時(shí)申請N0.62/139197的權(quán)益，通過參考將其全部內(nèi)容并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本公開的技術(shù)領(lǐng)域通常涉及電阻點(diǎn)焊，并且更確切地說，涉及電阻點(diǎn)焊鋁合金工件和鋼工件。
【背景技術(shù)】
[0003]電阻點(diǎn)焊是由許多行業(yè)使用以將兩個(gè)或更多個(gè)金屬工作連接在一起的過程。例如汽車工業(yè)尤其在車輛的閉合部件(例如，車門、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、車尾行李箱蓋或升降門)和車輛車身結(jié)構(gòu)(例如，車身側(cè)面和橫梁)的制造過程中，經(jīng)常采用電阻點(diǎn)焊將預(yù)制的金屬工件連接到一起。沿著金屬工件的外周邊緣或另外一些結(jié)合區(qū)域通常形成許多點(diǎn)焊縫以確保部件在結(jié)構(gòu)上是完好的。盡管點(diǎn)焊通常用于將一些相似構(gòu)成的金屬工件(例如鋼-鋼，以及鋁合金_鋁合金)連接到一起，但是將輕質(zhì)材料結(jié)合到車輛平臺內(nèi)的期望對通過電阻點(diǎn)焊將鋁合金工件連接到鋼工件產(chǎn)生關(guān)注。前述對于電阻點(diǎn)焊異種金屬工件的期望不僅僅是在汽車工業(yè)中；而是也延伸到可以采用點(diǎn)焊作為連接工藝的其他工業(yè)中，包括尤其是航空制造業(yè)、海運(yùn)業(yè)、鐵路工業(yè)和建筑施工業(yè)。
[0004]電阻點(diǎn)焊依靠電阻使電流流過重疊的金屬工件并橫跨它們的接合界面以產(chǎn)生熱量。為了實(shí)現(xiàn)這種焊接工藝，將一組相對的點(diǎn)焊電極夾在位于工件堆疊的相對側(cè)上對準(zhǔn)的位置處，通常工件堆疊包括布置成重疊的結(jié)構(gòu)的兩個(gè)或三個(gè)金屬工件。然后電流通過金屬工件從一個(gè)焊接電極到達(dá)另一焊接電極。電流流動(dòng)的電阻在金屬工件中以及金屬工件的接合界面處產(chǎn)生熱量。當(dāng)工件堆疊包括鋁合金工件和相鄰的鋼工件時(shí)，在接合界面和那些異種金屬工件的塊狀材料內(nèi)產(chǎn)生的熱量生成并增長熔融的鋁合金熔池，所述熔池從接合界面延伸到鋁合金工件內(nèi)。該熔融的鋁合金熔池潤濕了鋼工件的相鄰的接合表面，并且在電流中斷時(shí)凝固成使兩個(gè)工件結(jié)合到一起的焊接接頭。
[0005]然而，在實(shí)踐中，將鋁合金工件點(diǎn)焊到鋼工件是具有挑戰(zhàn)性的，原因是這兩種金屬的許多特性可以相反地影響焊接接頭的強(qiáng)度，最顯著的是剝離和橫向拉伸強(qiáng)度。舉例來說，鋁合金工件在其表面上通常包含一個(gè)或多個(gè)機(jī)械上堅(jiān)韌、電絕緣和自恢復(fù)耐火氧化層。氧化層通常含有氧化鋁，但也可包括其它金屬復(fù)合氧化物，當(dāng)鋁合金工件由包含有鎂的鋁合金構(gòu)成時(shí)包括氧化鎂。由于它們的物理特性，耐火氧化層具有在接合界面處保持完整性的趨勢，在該接合界面它們會(huì)阻礙熔融的鋁合金熔池潤濕鋼工件的能力以及提供接近界面的缺陷的來源。過去，已經(jīng)致力于在點(diǎn)焊之前從鋁合金工件上去除氧化層。盡管這種去除的實(shí)踐可能是不切實(shí)際的，由于氧化層在氧氣存在時(shí)具有再生的能力，特別是在應(yīng)用來自點(diǎn)焊操作的熱量的情形下。
[0006]鋁合金工件和鋼工件還具有使得點(diǎn)焊工藝變得復(fù)雜的不同的特性。特別是，鋼具有相對高的熔點(diǎn)(?1500°C)以及相對高的電阻率和熱阻率，而鋁合金材料具有相對低的熔點(diǎn)(?600°C)以及相對低的電阻率和熱阻率。由于這些物理差異，在電流流動(dòng)期間，大部分的熱量在鋼工件中產(chǎn)生。這種熱量的不平衡在鋼工件(較高溫度)和鋁合金工件(較低溫度)之間建立了溫度梯度，使得鋁合金工件開始快速熔化。在電流流動(dòng)期間產(chǎn)生的溫度梯度和鋁合金工件的高熱導(dǎo)率的組合意味著:就在電流中斷之后，發(fā)生熱量從焊接區(qū)域不對稱傳播的情況。相反，熱量從更熱的鋼工件通過鋁合金工件朝向與鋁合金工件接觸的焊接電極傳導(dǎo)，這在鋼工件和該特定焊接電極之間產(chǎn)生了陡峭的熱梯度。
[0007]鋼工件和與鋁合金工件接觸的焊接電極之間陡峭的熱梯度的生成被認(rèn)為以兩個(gè)主要方式削弱了所得焊接接頭的完整性。首先，由于在電流的通過中斷后，相比于鋁合金工件，鋼工件保持熱量持續(xù)更長的持續(xù)時(shí)間，因此熔融的鋁合金焊接池定向凝固，從最靠近與鋁合金工件相關(guān)聯(lián)的較冷的焊接電極(通常水冷)的區(qū)域開始并向接合界面蔓延。這種凝固前沿趨向于在焊接接頭中朝向和沿著接合界面(在該處已經(jīng)存在氧化物膜殘留物缺陷)伸展或推進(jìn)缺陷，諸如氣孔、縮孔以及微裂紋。其次，鋼工件中持續(xù)的升高溫度促使易碎的Fe-Al金屬間層在接合界面處和沿著接合界面增長。具有焊接缺陷的分散以及Fe-Al金屬間層的過度增長趨向于降低焊接接頭的剝離強(qiáng)度和橫向拉伸強(qiáng)度。
[0008]根據(jù)前述挑戰(zhàn)，對點(diǎn)焊鋁合金工件和鋼工件的之前的努力已采用指定較高的電流、較長的焊接時(shí)間或兩者(與點(diǎn)焊鋼-鋼相比)的焊接方案，以試圖并獲得合理的焊接結(jié)合區(qū)域。這些努力在制造設(shè)置上極大地不成功，并且具有損壞焊接電極的趨勢。由于之前的點(diǎn)焊努力不是特別成功，因此諸如自穿孔式鉚釘和自攻螺釘?shù)臋C(jī)械緊固件已經(jīng)占優(yōu)勢地替代使用。然而，相比于點(diǎn)焊，機(jī)械緊固件花費(fèi)較長的時(shí)間放置就位并且具有高消耗成本。它們還向車輛車身結(jié)構(gòu)增加了重量(當(dāng)通過點(diǎn)焊實(shí)施連接時(shí)避免的重量)，這抵消了一開始通過使用鋁合金工件獲得的重量節(jié)省。因此，其中能使工藝更能夠連接鋁合金和鋼工件的進(jìn)步的點(diǎn)焊對于現(xiàn)有技術(shù)是非常受歡迎的增加。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]披露了一種電阻焊接電極和采用該電阻焊接電極電阻點(diǎn)焊工件堆疊的方法，工件堆疊包括重疊并在接合界面處相互接觸的鋁合金工件和鋼工件。電阻焊接電極至少包括由耐火基材料構(gòu)成的焊接面，所述耐火基材料展現(xiàn)的導(dǎo)電率小于或等于商用純退火銅的導(dǎo)電率(如由國際退火銅標(biāo)準(zhǔn)(IACS)限定的)的65%。由IACS限定的商用純退火銅的導(dǎo)電率(也稱為100% IACS)是5.80 X 107S/m。電阻焊接電極的各種結(jié)構(gòu)是可能的:包括例如完全由耐火基材料形成的單一的電極結(jié)構(gòu)或者多件式電極結(jié)構(gòu)，在該多件式電極結(jié)構(gòu)中，至少包含焊接面的組成部件由耐火基材料形成。
[00?0] 耐火基材料包括至少35wt%并且優(yōu)選至少50wt%的耐火金屬。例如，耐火基材料可以是滿足上述導(dǎo)電率限制的元素耐火金屬(盡管包含工業(yè)上接受的雜質(zhì)，但稱為100wt%的元素耐火金屬)，諸如鉬或鎢。耐火基材料還可以是滿足上述導(dǎo)電率限制的金屬復(fù)合物，諸如分別包含大于35wt%的鉬或鎢的鉬的金屬復(fù)合物或鎢的金屬復(fù)合物。當(dāng)然，可以至少構(gòu)成電阻焊接電極的焊接面的一種特別優(yōu)選的耐火基材料是鎢-銅金屬復(fù)合物。適合的鎢-銅金屬復(fù)合物的一個(gè)特定示例是含有50wt%-90wt%2間的分散在銅基體中的媽顆粒相，該銅基體構(gòu)成了在50wt %-1Owt %之間的剩余余量。
[0011]當(dāng)點(diǎn)焊工件堆疊時(shí)可以使用電阻焊接電極，所述工件堆疊包括重疊并相互接觸以建立接合界面的鋁合金工件和鋼工件。在此實(shí)例中，電阻焊接電極壓在堆疊的緊接鋁合金工件的第一側(cè)上，并且第二焊接電極壓在堆疊的緊接的鋼工件的第二側(cè)上。電阻焊接電極和第二焊接電極在施加的夾緊力下軸向?qū)?zhǔn)地壓靠在其工件堆疊的相應(yīng)側(cè)上。在焊接電極被牢固地就位后，電流在電阻焊接電極和第二焊接電極之間通過并穿過工件堆疊。電流使鋼工件變熱，這接著在鋁合金工件中生成并增長熔融的鋁合金熔池，熔池潤濕相鄰的鋼工件的接合表面。最終，當(dāng)電流中斷時(shí)，熔融的鋁合金熔池凝固成焊接接頭，焊接接頭在兩個(gè)工件的接合界面處將兩個(gè)工件連接在一起。
[0012]電阻焊接電極可以有助于提高所形成的焊接接頭的強(qiáng)度，特別是剝離強(qiáng)度和橫向拉伸強(qiáng)度。特別地，由于其相對低的導(dǎo)電率，電阻焊接電極在電流流動(dòng)期間產(chǎn)生熱量。其還具有比傳統(tǒng)的高導(dǎo)電率的銅合金焊接電極保持熱量更長時(shí)間的趨勢。因此電阻焊接電極可用于將熱量保持在位于電極下方并與之接觸的鋁合金工件內(nèi)，否則這是不存在的，如果例如傳統(tǒng)的銅-鋯焊接電極(0.1 -0.2wt %的Zr和余量Cu)替代電阻焊接電極的話。在電流流動(dòng)的過程中，保持在鋁合金工件中的熱量接著改變?nèi)廴诘匿X合金熔池周圍的溫度梯度，這樣被認(rèn)為以這樣的方式促進(jìn)了熔池的凝固:使得在工件堆疊的接合界面處以及沿著該接合界面處的不期望的焊接缺陷的累積最小化。此外，如果電阻焊接電極產(chǎn)生了足夠的熱量，那么就能夠減少需要由電流通過焊接電極之間而在鋼工件中產(chǎn)生的熱量，這樣因此有助于抑制接合界面處易碎的Fe-Al金屬間層的增長。
[0013]電阻焊接電極除了其將熱量保持在招合金工件內(nèi)的能力之外，還可以在電流流動(dòng)過程中以另外的方式改變?nèi)廴诘匿X合金熔池周圍的溫度梯度。具體地，在電流流動(dòng)的過程中，電阻焊接電極的焊接面凹進(jìn)工件堆疊的第一側(cè)中比第二焊接電極的焊接面凹進(jìn)堆疊的第二側(cè)中更大的程度。發(fā)生這種情況是因?yàn)橛捎陲@然的是鋁合金和鋼在其相應(yīng)熔點(diǎn)方面相對大的差異，所以鋁合金與鋼相比在低得多的溫度下軟化。因此，當(dāng)在焊接電極之間流動(dòng)的電流中斷時(shí)，在表面面積方面，由電阻焊接電極形成的接觸面積大于由第二焊接電極形成的接觸面積。實(shí)際上，由電阻焊接電極形成的接觸面積的表面面積可以比由第二焊接電極形成的接觸面積的表面面積大，以1.5:1至16:1的比例，或者更精細(xì)地以1.5:1至5:1的比例。
[0014]相比于第二焊接電極的焊接面，建立在電阻焊接電極的焊接面之間的較大的接觸面積使得在焊接電極之間通過的電流呈現(xiàn)其中電流的流動(dòng)路徑從第二焊接電極向電阻焊接電極徑向擴(kuò)展的錐形流動(dòng)圖案。這導(dǎo)致在鋼工件中的電流的電流密度大于鋁合金工件中的電流密度。電流密度上的差別使得熱量集中在鋼工件中較小區(qū)域內(nèi)(相比于鋁合金工件)，由此改變了電流流動(dòng)期間熔融的鋁合金熔池周圍的溫度梯度。確實(shí)，通過將熱量集中在與熔融的鋁合金熔池相鄰的鋼工件中的較小區(qū)域內(nèi)，將鋼工件用作熱源，這有助于阻礙在電流流動(dòng)中斷時(shí)熔融的鋁合金熔池朝向接合界面的定向地凝固。
[0015]電阻焊接電極還可以用于對包括相鄰的、重疊的并接觸的鋁合金工件以及相鄰的重疊的并接觸的鋼工件的工件堆疊進(jìn)行電阻點(diǎn)焊。這種寬泛的性能允許電阻焊接電極能結(jié)合不同的金屬工件組合使用，需要時(shí)，以用助于提高焊接生產(chǎn)效率以及制造設(shè)置內(nèi)的成本遏制。此外，在所有這些可能的用途中，特別是當(dāng)以要求壓靠接觸鋁合金工件的方式使用時(shí)，相比于傳統(tǒng)的銅-鋯焊接電極，電阻焊接電極展示出一定程度的惰性。特別重要的是，電阻焊接電極在重復(fù)點(diǎn)焊的過程中沒有與鋁發(fā)生冶金反應(yīng)以形成金屬間化合物、氧化物和/或其它雜質(zhì)，金屬間化合物、氧化物和/或其它雜質(zhì)如果產(chǎn)生且沒有被除去的話，則有在電極焊接面中剝落或形成凹陷的趨勢。該反應(yīng)惰性減少了重新修整電阻焊接電極的焊接面的需要，并且有助于使電極保持較長的操作壽命。
本發(fā)明包括下列技術(shù)方案:
1.一種電阻焊接電極，包括:
電極主體；以及
設(shè)置在電極主體的前端上的焊接面，并且其中至少焊接面由耐火基材料構(gòu)成，耐火基材料包含至少35wt %的耐火金屬并且具有的導(dǎo)電率小于或等于3.8 X 107S/m。
2.根據(jù)技術(shù)方案I所述的電阻焊接電極，其中所述耐火基材料是元素鉬或元素鎢。
3.根據(jù)技術(shù)方案I所述的電阻焊接電極，其中所述耐火基材料是包括35^%或更多的鉬或鎢的金屬復(fù)合物。
4.根據(jù)技術(shù)方案3所述的電阻焊接電極，其中所述耐火基材料是鎢-銅金屬復(fù)合物，其包括分散在銅基體中的50wt %至90wt %的媽顆粒相。
5.根據(jù)技術(shù)方案I所述的電阻焊接電極，其中所述焊接面具有基礎(chǔ)焊接面表面，基礎(chǔ)焊接面表面具有從6mm至20mm的范圍變化的直徑以及從15mm至300mm的范圍變化的球面曲率半徑。
6.根據(jù)技術(shù)方案5所述的電阻焊接電極，其中所述焊接面包括多個(gè)直立的、徑向間隔的圓形脊，所述圓形脊圍繞焊接面的中心并從基礎(chǔ)焊接面表面向外突出。
7.根據(jù)技術(shù)方案I所述的電阻焊接電極，其中所述電極主體和所述焊接面整體地形成，并且兩個(gè)部分均由相同的耐火基材料構(gòu)成。
8.根據(jù)技術(shù)方案I所述的電阻焊接電極，其中所述電極包括固定地緊固在一起的兩個(gè)組成部件，兩個(gè)組成部件包括至少具有電阻焊接電極的焊接面的第一組成部件和至少包含電阻焊接電極的電極主體的第二組成部件。
9.根據(jù)技術(shù)方案8所述的電阻焊接電極，其中所述第一組成部件過盈配合在由第二組成部件限定的內(nèi)孔中，以將兩個(gè)組成部件固定地緊固在一起形成電阻焊接電極。
10.—種電阻點(diǎn)焊工件堆疊的方法，所述工件堆疊包括鋁合金工件和相鄰的鋼工件，所述方法包括:
提供工件堆疊，工件堆疊包括重疊并接觸以建立接合界面的鋁合金工件和鋼工件，工件堆疊具有緊接鋁合金工件的第一側(cè)和緊接鋼工件的第二側(cè)；
使工件堆疊的第一側(cè)與電阻焊接電極的焊接面接觸，并且其中至少電阻焊接電極的焊接面由耐火基材料構(gòu)成，所述耐火基材料包含至少35wt%的耐火金屬并具有小于或等于3.8X107S/m的導(dǎo)電率；
使工件堆疊的第二側(cè)與第二焊接電極的焊接面接觸；以及
使電流在電阻焊接電極的焊接面和第二焊接電極的焊接面之間通過，并通過工件堆疊，以在與鋼工件相鄰定位的鋁合金工件內(nèi)產(chǎn)生熔融的鋁合金熔池；以及
中斷電流的通過以允許熔融的鋁合金熔池凝固成焊接接頭，焊接接頭將相鄰的鋁合金和鋼工件在其接合界面處結(jié)合在一起。
11.根據(jù)技術(shù)方案10所述的方法，其中所述耐火基材料是元素鉬或元素鎢。 12.根據(jù)技術(shù)方案1所述的方法，其中所述耐火基材料是包含35wt%或更多的鉬或鎢的金屬復(fù)合物。
13.根據(jù)技術(shù)方案12所述的方法，其中所述耐火基材料是包含分散在銅基體中的50wt %至90wt %的媽顆粒相的媽-銅金屬復(fù)合物。
14.根據(jù)技術(shù)方案10所述的方法，其中所述電阻焊接電極的焊接面具有基礎(chǔ)焊接面表面，基礎(chǔ)焊接面表面具有從6mm至20mm的范圍變化的直徑以及從15mm至300mm的范圍變化的球面曲率半徑。
15.根據(jù)技術(shù)方案14所述的方法，其中所述電阻焊接電極的焊接面包括多個(gè)直立的、徑向間隔的圓形脊，所述圓形脊圍繞焊接面的中心并從基礎(chǔ)焊接面表面向外突出。
16.根據(jù)技術(shù)方案10所述的方法，其中所述電阻焊接電極進(jìn)一步包括與焊接面整體形成的電極主體，并且其中整個(gè)電阻焊接電極由耐火基材料形成。
17.根據(jù)技術(shù)方案10所述的方法，其中電阻電極由至少具有焊接面的第一組成部件和具有支撐焊接面的電極主體的第二組成部件形成，并且其中第一組成部件過盈配合在由第二組成部件限定的內(nèi)孔中，以將兩個(gè)組成部件固定地緊固在一起
18.根據(jù)技術(shù)方案10所述的方法，其中所述工件堆疊僅包括彼此重疊并且接觸以建立接合界面的鋁合金工件和鋼工件，以使得鋁合金工件的外表面提供工件堆疊的第一側(cè)并且鋼工件的外表面提供工件堆疊的第二側(cè)。
19.根據(jù)技術(shù)方案10所述的方法，其中所述工件堆疊包括彼此重疊并且接觸以建立接合界面的鋁合金工件和鋼工件，再加上額外的鋁合金工件，以使得額外的鋁合金工件的外表面提供工件堆疊的第一側(cè)并且鋼工件的外表面提供工件堆疊的第二側(cè)。
20.根據(jù)技術(shù)方案10所述的方法，其中所述工件堆疊包括彼此重疊并且接觸以建立接合界面的鋁合金工件和鋼工件，再加上額外的鋼工件，以使得鋁合金工件的外表面提供工件堆疊的第一側(cè)并且額外的鋼工件的外表面提供工件堆疊的第二側(cè)。
【附圖說明】
[0016]圖1是根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的電阻焊接電極的透視圖；
[0017]圖2是圖1所示電阻焊接電極的焊接面的截面圖；
[0018]圖3是根據(jù)本公開的另一個(gè)實(shí)施例的電阻焊接電極的分解透視圖；
[0019]圖4是包括鋁合金工件和鋼工件的工件堆疊的側(cè)視圖和用于電阻點(diǎn)焊該堆疊的焊槍的局部視圖；
[0020]圖4A是位于焊接位置的電阻焊接電極、工件堆疊和第二焊接電極的分解視圖；
[0021]圖5示出了電阻點(diǎn)焊方法的一部分，其中電阻焊接電極和第二焊接電極中的每一個(gè)分別壓靠在工件堆疊的第一側(cè)和第二側(cè)上；
[0022]圖6示出了電阻點(diǎn)焊方法的一部分，并示出了在接合界面處已生成并增長的熔融的鋁合金熔池；
[0023]圖7示出了已經(jīng)從熔融的鋁合金熔池得到焊接接頭之后，焊接接頭將鋁合金工件和鋼工件結(jié)合在一起。
[0024]圖8示出了電阻焊接電極和第二焊接電極已與鋁合金工件和鋼工件分離之后的工件堆疊；
[0025]圖9是通過沒有采用本公開所述的電阻焊接電極的傳統(tǒng)的電阻點(diǎn)焊工藝在鋁合金工件和鋼工件之間形成的典型的焊接接頭的顯微照片；以及
[0026]圖10A-10B是采用電阻焊接電極已形成的焊接接頭的顯微照片；
[0027]圖11示出了在電流在焊接電極之間以及在工件堆疊內(nèi)呈現(xiàn)錐形流動(dòng)圖案的那些實(shí)例中的直流電流的流動(dòng)路徑的概括圖解；
[0028]圖12示出了圖4所示工件堆疊的替代實(shí)施例，其中工件堆疊包括額外的鋁合金工件；以及
[0029]圖13示出了圖4所示工件堆疊的替代實(shí)施例，其中工件堆疊包括額外的鋼工件。
【具體實(shí)施方式】
[0030]以下描述的電阻焊接電極至少包括由耐火基材料構(gòu)成的焊接面(該焊接面可以是平滑的或者包含突起的表面特征)，所述耐火基材料展示的導(dǎo)電率小于或等于由國際退火銅標(biāo)準(zhǔn)(IACS)限定的商用純退火銅的導(dǎo)電率的65%。換言之，耐火基材料具有小于3.8X107S/m的導(dǎo)電率。電阻焊接電極的若干實(shí)施例如圖1-3所示。當(dāng)用于電阻點(diǎn)焊工件堆疊(其包括鋁合金工件，其設(shè)置成與鋼工件重疊接觸的結(jié)構(gòu)，其示例在圖5-8大體示出)時(shí)，電阻焊接電極接觸并壓靠在鋁合金工件上，而第二焊接電極接觸并壓靠在鋼工件上。此外，如圖12-13所示以及如下所描述的，工件堆疊可以包括至少額外的鋁合金工件或至少額外的鋼工件。
[0031]現(xiàn)在參照圖1-2，電阻焊接電極10包括電極主體12和焊接面14。電極主體12為圓柱形并在后端18限定出用于插入和附接電極柄(未示出)的可進(jìn)入的中空凹槽16。電極主體12的另一端或者前端20具有圓周120，圓周120具有直徑122優(yōu)選在12_至22mm的范圍變化，或者更精確地在16mm至20mm的范圍變化。焊接面14設(shè)置在電極主體12的前端20上并且具有與電極主體12的圓周120重合的圓周140(術(shù)語稱之為“全斷面電極”)，或者是如圖所示從主體12的圓周120向上移位出過渡凸出部22的圓周140。如果具有過渡凸出部22，則兩個(gè)圓周120，140可以在此如圖1所示是平行的，或者它們可以偏置以使得焊接面14的圓周140相對于焊接主體12的前端20的圓周120傾斜。
[0032]焊接面14是電阻焊接電極10在工件堆疊的第一側(cè)處與鋁合金工件接觸并部分或全部地壓到鋁合金工件中的部分，如以下相對于圖5-8所描述的，所述工件堆疊還包括與鋁合金工件重疊并接觸的鋼工件。如圖2中最好地所示，焊接面14具有基礎(chǔ)焊接面表面24，該基礎(chǔ)焊接面表面24為從焊接面14的圓周140上升的圓頂形?；A(chǔ)焊接面表面24可以是平滑的，或者可選的，它可以包括圍繞著焊接面14的中心28并從基礎(chǔ)焊接面表面24向外突出的多個(gè)直立的圓形脊26。在許多應(yīng)用中，焊接面14可以具有在其圓周140處測量的6mm至20mm的直徑142，并且圓頂?shù)幕A(chǔ)焊接面表面24可以是曲率半徑為15mm至300mm的球形。在優(yōu)選實(shí)施方案中，焊接面14的直徑142在8mm至12mm的范圍變化，并且球形基礎(chǔ)焊接面表面24的曲率半徑在20_至150_的范圍變化，或者更精確地說，在20_至50_的范圍變化。
[0033]基礎(chǔ)焊接面表面24構(gòu)成了焊接面14的名義表面。當(dāng)焊接面包含多個(gè)直立的圓形脊26時(shí)，基礎(chǔ)焊接面表面24占焊接面14的表面面積的50%或以上，并優(yōu)選在50%至80%之間。焊接面14的其余表面面積屬于多個(gè)直立的圓形脊26，多個(gè)直立的圓形脊26可以包括在基礎(chǔ)焊接面表面24上彼此徑向間隔開的位于任何位置上的2至10個(gè)脊26，或者更精確地說包含3至5個(gè)脊26。因此，當(dāng)從最接近地圍繞著焊接面14的中心28的最內(nèi)部的直立的脊26移動(dòng)到最接近焊接面14的圓周140的最外部的直立的脊26時(shí)，直立的圓形脊26的直徑變得更大。并且位于直立的圓形脊26之間的基礎(chǔ)焊接面表面24的部分，以及位于多個(gè)圓形脊26的徑向向內(nèi)和徑向向外的部分可以是彎曲的或平面的，從而為基礎(chǔ)焊接面表面24提供其整個(gè)圓頂形。
[0034]直立的圓形脊26的尺寸和形狀被設(shè)計(jì)以提高機(jī)械穩(wěn)定性以及減少鋁合金工件上的電極/工件接合處的電接觸阻抗和熱接觸阻抗，特別如果出現(xiàn)一層或多層耐火氧化層的情況下，盡管同時(shí)是易于可重新修整的。在一個(gè)實(shí)施例中，如圖所示，每個(gè)直立的圓形脊26都具有閉合的圓周，意味著脊26的圓周沒有被顯著分隔地中斷，具有的截面輪廓沒有銳角，而且具有彎曲的(如圖2所示)或平坦的頂表面。每個(gè)圓形脊26還具有向上延伸并且在橫截面內(nèi)觀看時(shí)從基礎(chǔ)焊接面表面24正向移位的脊高度260(在脊26的中心處取得)。每個(gè)脊26的脊高度260優(yōu)選在20μπι至400μπι的范圍變化，或者更精確地說，在50μπι至300μπι的范圍變化。并且如在相鄰的脊26的中心之間測量的，脊26的間距優(yōu)選在50μπι至1800μπι的范圍變化，或者更精確地說，在80μπι至1500μπι的范圍變化。
[0035]圖1-2所示的電阻焊接電極10是完全由耐火基材料構(gòu)成的整體的電極結(jié)構(gòu)。換句話說，電極主體12和焊接面14由相同的耐火基材料構(gòu)成，并且它們不能被不破壞地相互分離。用于制成電阻焊接電極的耐火基材料包括至少35被％的并且優(yōu)選至少50^%的耐火金屬。在一個(gè)實(shí)施例中，例如，整個(gè)電阻焊接電極10可以由諸如鉬或鎢的元素耐火金屬(100^%的元素耐火金屬，盡管含有工業(yè)上可接受的雜質(zhì))構(gòu)成。在另一實(shí)施例中，整個(gè)電阻焊接電極10可以由金屬復(fù)合物構(gòu)成，例如鉬的金屬復(fù)合物或鎢的金屬復(fù)合物，其包括大于35被％的其主要耐火金屬成分。在一個(gè)特別優(yōu)選的實(shí)施例中，電阻焊接電極10完全由鎢-銅金屬復(fù)合物構(gòu)成，該媽-銅金屬復(fù)合物包含分散在銅基體中的5(^1:%至9(^1:%之間的媽顆粒相，銅基體構(gòu)成復(fù)合物的剩余的50wt %和I Owt %。
[0036]圖3示出了電阻焊接電極(其由附圖標(biāo)記1(T表示)的替代變體。這里示出的電阻焊接電極1(/在許多方面類似于圖1-2中示出的電阻焊接電極10，并且同樣地，下面僅討論兩個(gè)電極10，1(Τ之間的主要區(qū)別。因此，除非另外特別說明，圖1-2所示的電阻焊接電極10的各個(gè)特征的上述描述同樣地應(yīng)用于此處圖3所示的電阻焊接電極1(Τ的相同特征。在電阻焊接電極1(/的此替代方案中體現(xiàn)的主要差別為電極1(Τ由固定地緊固在一起的兩個(gè)或更多個(gè)分離的且不同的組成部件構(gòu)成。
[0037]現(xiàn)在特別參照圖3，電阻焊接電極1(Τ包括第一組成部件30和第二組成部件32。第一組成部件30至少包括電阻焊接電極1(Τ的整個(gè)焊接面14'并且第二組成部件32包括焊接電極1(/的其余部分。第一和第二組成部件30，32可以以任何方式固定地緊固在一起，只要部件30，32(當(dāng)被緊固在一起時(shí))在正常電阻點(diǎn)焊條件下被放置成電連通和熱連通并且不會(huì)相對彼此移動(dòng)。因?yàn)榈谝唤M成部件30和第二組成部件32是彼此分離和不同的，所以需要時(shí)兩個(gè)組成部件30，32可以由不同的材料構(gòu)成。例如，第一和第二組成部件30，32中的每一個(gè)可以由相同或不同的耐火基材料構(gòu)成，或者第一組成部件30由耐火基材料構(gòu)成，而第二組成部件32由非耐火基材料構(gòu)成，例如傳統(tǒng)的銅-鋯合金(0.1-0.2wt%的Zr和余量Cu)。
[0038]如這里特別所示，第一組成部件30和第二組成部件32可以通過過盈配合的方式固定地緊固在一起以提供電阻焊接電極10'。為了支撐這種類型的固定連接，第二組成部件32包括具有后端18'和前端2(T的電極主體12'。因此，如果電阻焊接電極1(T被設(shè)計(jì)成包括過渡凸出部22'，則第二組成部件32優(yōu)選還包括一直到焊接面14'的圓周140'的整個(gè)的過渡凸出部22'。為了支撐第一組成部件30的固定的緊固，第二組成部件32限定出具有入口36的內(nèi)孔34 ο內(nèi)孔34為圓柱形，并具有直徑340，直徑340在6mm至20mm的范圍變化，或者更精確地在8mm至12mm的范圍變化，取決于第一組成部件30上的焊接面If的直徑142'以及在最終構(gòu)成的電阻焊接電極1(/中的電極主體12'的圓周12(T和焊接面14'的圓周140'之間是否存在過渡凸出部22'。
[0039]第一組成部件30具有與內(nèi)孔34配合的橫截面形狀，并且直徑的大小確定為允許部件30被壓入或過盈配合到孔34中。第一組成部件30至少在一個(gè)軸向端部38包括整個(gè)的焊接面14\因此，為了將第一組成部件30和第二組成部件32固定地緊固在一起以構(gòu)成電阻焊接電極10'，通過足夠的力以克服兩個(gè)組成部件30，32之間的摩擦力，將與端部38(其包括焊接面If )相對的軸向端部40通過第二組成部件32的入口36插入到孔34中。迫使第一組成部件30—直插入到孔34中，或者直到與一些其他止擋機(jī)構(gòu)接合，以便相對于過渡凸出部221如果有的話)或電極主體12'(如果沒有過渡凸出部22'的話)正確地設(shè)置焊接面14'。當(dāng)然除了這里所示和描述的特定的實(shí)施方式外，還可以以多種其它方式將第一組成部件30和第二組成部件32過盈配合在一起，盡管存在那些其他方式?jīng)]有在附圖中示出和/或在本文字中明確描述的事實(shí)。
[0040]參照圖4-8描述使用電阻點(diǎn)焊電極10，1(Τ對工件堆疊52進(jìn)行點(diǎn)焊的方法，工件堆疊至少包括鋁合金工件和相鄰的鋼工件。在這些附圖中用參考數(shù)字50標(biāo)識電阻點(diǎn)焊電極，并且其焊接面由參考數(shù)字54標(biāo)識，并且這種指定旨在包含如上所述的特定變型10，1(Τ以及至少包含由滿足上述電阻率的限制的耐火基材料構(gòu)成的焊接面其它變型。此外，圖9是通過傳統(tǒng)的電阻點(diǎn)焊工藝(其不使用如本公開所述的電阻焊接電極)在鋁合金工件和鋼工件之間形成的典型焊接接頭的顯微照片。這里包含圖9的討論用于比較的目的，并有助于更好地理解電阻焊接電極50的影響。
[0041]現(xiàn)在參照圖4，示出了工件堆疊52以及焊槍56的一部分，所述焊槍56機(jī)械地并且電力地構(gòu)造成進(jìn)行電阻點(diǎn)焊。工件堆疊52包括鋁合金工件58和鋼工件60，它們在意圖實(shí)施點(diǎn)焊的焊接位置62處彼此重疊并接觸。鋁合金工件58和鋼工件60分別提供可與焊槍56接近的工件堆疊52的第一和第二側(cè)64，66。以及，盡管在圖4-8中未示出，但需要時(shí)工件堆疊52也可以包括額外的工件，諸如單個(gè)的鋁合金工件和一對相鄰的鋼工件，或者單個(gè)的鋼工件和一對鋁合金工件，以構(gòu)成總共三個(gè)工件的堆疊，除了其它可能性。包含三個(gè)工件的工件堆疊的幾個(gè)示例如圖12-13所示。術(shù)語“工件”和其鋁合金以及鋼的變型在此描述中被廣泛使用以指示任何可電阻點(diǎn)焊的材料，包括但不限于乳制的金屬片層、鑄件或擠壓件，除了別的以夕卜，包括可以可選地存在的任何表面層。
[0042]鋁合金工件58包括被涂覆或未涂覆的鋁合金基底。涂覆或未涂覆的鋁合金基體可以由招-鎂合金、招-娃合金、招-鎂-娃合金或招-鋅合金構(gòu)成。例如，招合金基體可以由4 XXX、5 XXX、6 XXX或7 XX X系列的鍛造鋁合金片層構(gòu)成，或者由4 X X.X、5Χ X.X或7Χ X.X系列的鋁合金鑄件構(gòu)成，并且可以進(jìn)一步用于各種回火中，包括退火(0)、應(yīng)變硬化(H)和固溶熱處理(Τ)。能夠被用作鋁合金基底的一些更加特殊類型的鋁合金包括但不限于:ΑΑ5754和ΑΑ5182鋁-鎂合金、ΑΑ6022和ΑΑ6111鋁-鎂-硅合金、ΑΑ7003和ΑΑ7055鋁-鋅合金以及Al-1OS1-Mg鋁壓鑄合金。此外，這些和其它合適的鋁合金基底可以被涂覆有其固有的耐火氧化層、鋅或轉(zhuǎn)化涂層，以及還可以存在通常用在電阻點(diǎn)焊操作中的通過焊接形成的粘合劑或密封材料。鋁合金工件58至少在焊接位置62處具有厚度580，其優(yōu)選在0.3mm至約6.0mm的范圍變化，在0.5mm至4.0mm的范圍變化，并且更精確地在0.5mm至3.0mm的范圍變化。
[0043]鋼工件60包括可以被涂覆或未涂覆的鋼制基底。涂覆的或未涂覆的鋼制基底可以由任意的寬泛類型的鋼構(gòu)成，包括:低碳鋼(也稱作軟鋼)、無間隙原子(IF)鋼、高強(qiáng)度低合金(HSLA)鋼或高級高強(qiáng)度鋼(AHSS)，諸如用在壓力硬化(PHS)鋼工件中的雙相(DP)鋼、相變誘導(dǎo)塑性(TRIP)鋼、孿生誘發(fā)塑性(TWIP)鋼、復(fù)相(CP)鋼、馬氏體(MART)鋼或硼鋼。如果被涂覆，鋼基底可以涂覆有如通常用在壓力硬化鋼中的鋅(鍍鋅的)、鋅-鐵合金(鍍鋅層退火處理)、鋅-鎳合金或鋁-硅合金，這里僅列舉幾個(gè)示例。鋼工件60至少在焊接位置62處具有厚度600，其優(yōu)選在0.3mm至6.0mm的范圍變化，在0.5mm至4.0mm的范圍變化，或者更精確地在0.6mm至2.5mm的范圍變化。
[0044]當(dāng)堆疊用于點(diǎn)焊時(shí)，鋁合金工件58包括接合表面68和外表面70。同樣的，鋼工件60也包括接合表面72和外表面74。兩個(gè)工件58，60的接合表面68，72彼此重疊并接觸在焊接位置62處建立接合界面76。如這里所使用的，接合界面76包括鋁合金工件58的接合表面68與鋼工件60的接合表面72之間直接接觸的情形以及其中接合表面68，72并不接觸但彼此足夠緊密接近(諸如當(dāng)存在有粘結(jié)劑、密封材料的薄層或一些其它中間材料時(shí))以使仍然能夠?qū)嵤╇娮椟c(diǎn)焊的間接接觸的情形。鋁合金工件58的外表面70和鋼工件60的外表面74通常在相反的方向上彼此背離，并構(gòu)成工件堆疊52的第一側(cè)64和第二側(cè)66。
[0045]圖4中局部地示出的焊槍56是在制造設(shè)置中是自動(dòng)焊接操作的一部分。例如，焊槍56可以安裝在定位在傳送機(jī)或其它傳送裝置附近的機(jī)器人上，傳送機(jī)或其它傳送裝置被設(shè)置成將工件堆疊52(以及其它類似的)傳送給焊槍56。機(jī)器人可以被構(gòu)造成使焊槍56沿著工件堆疊52移動(dòng)，從而能夠在多個(gè)不同的焊接位置62執(zhí)行快速連續(xù)地點(diǎn)焊事件。焊槍56也可以是固定的基座型焊槍，其中操縱工件堆疊52并且相對于焊槍56移動(dòng)，從而能夠在堆疊52周圍的不同焊接位置62處快速執(zhí)行多個(gè)點(diǎn)焊事件。圖4所示的焊槍56的局部視圖意圖表示寬泛類型的焊槍，包括C型和X型焊槍，以及沒有特別提到的其他焊槍類型，只要它們能夠點(diǎn)焊工件堆疊52即可。
[0046]焊槍56包括第一焊槍臂78和第二焊槍臂80，它們被機(jī)械和電力地構(gòu)造成根據(jù)預(yù)定的焊接方案重復(fù)執(zhí)行電阻點(diǎn)焊活動(dòng)。如圖所示，第一焊槍臂78配備有保持電阻焊接電極50的第一柄82，并且第二焊槍臂80配備有保持第二焊接電極86的第二柄84。因此，電阻焊接電極50被定位成在堆疊52的第一側(cè)64處經(jīng)受與鋁合金工件58壓靠接合，而第二焊接電極86(其可以采用任意的寬泛類型的結(jié)構(gòu))被定位成在堆疊52的第二側(cè)66處經(jīng)受與鋼工件60壓靠接合。此外，如現(xiàn)有技術(shù)中已知的，用于向電阻焊接電極50和第二焊接電極86提供冷卻水的機(jī)構(gòu)通常被并入到焊槍臂78，80和電極柄82，84中，以防止點(diǎn)焊期間焊接電極50，86過熱。
[0047]第二焊接電極86可以是任意寬泛類型的電極設(shè)計(jì)。通常，如圖4A中最好所示，第二焊接電極86包括電極主體88和焊接面90。電極主體88優(yōu)選為圓柱形，并具有可進(jìn)入的中空凹槽(類似于電阻焊接電極50)，以用于插入電極柄(例如圖4中的第二柄84)并與其連接。電極主體88的前端92具有圓周880，其具有在12mm至22mm的范圍變化或更精確地在16mm至20mm的范圍變化的直徑882。以及如前所述，焊接面90設(shè)置在主體88的前端92上，并具有圓周900，圓周900與主體88前端92的圓周880重合(“全斷面電極”)，或者從主體88的圓周880向上平移出過渡凸出部94。如果存在過渡凸出部94，則兩個(gè)圓周880，900可以如這里的圖5中所示是平行的，或者它們可以偏置以使焊接面90的圓周900相對于電極主體88前端92的圓周880傾斜。
[0048]焊接面90是第二焊接電極86的在工件堆疊52的第二側(cè)66處接觸鋼工件60并且部分或全部地壓到鋼工件60中的部分。焊接面90優(yōu)選地具有在其圓周900處測量的3mm至16mm或更精確地4mm至8mm的直徑902。在其輪廓方面，焊接面90包括基礎(chǔ)焊接面表面96，基礎(chǔ)焊接面表面96可以是平坦的或者具有從焊接面90的圓周900上升的圓頂形。如果基礎(chǔ)焊接面表面96為圓頂形，則表面96優(yōu)選為具有曲率半徑在20mm至400mm的范圍變化或者更精確地在25mm至10mm的范圍變化的球形。此外，焊接面90可以包括(但不是必須包括)位于焊接面90的中心98片或其周圍的突起的表面特征。這些突起的表面特征可以包括中心高臺(所述中心高臺具有圍繞著焊接面90的中心98在基礎(chǔ)焊接面表面96之上正向移位的高臺表面)、圓形凸起(圍繞焊接面90的中心98，在基礎(chǔ)焊接面表面96之上突起)、類似于如上所述的多個(gè)直立的圓形脊或一些其他突起的特征。
[0049]第二焊接電極86可以由任何適宜的導(dǎo)電和導(dǎo)熱材料構(gòu)成。例如，第二焊接電極86可以由銅合金構(gòu)成，其具有的導(dǎo)電率是由IACS限定的商用純退火銅的導(dǎo)電率的至少80%(即，至少4.65 X 107S/m)。這種銅合金的一個(gè)特定示例是銅-鋯合金(CuZr)，其包含大約
0.1(^1:%至0.20wt%的錯(cuò)和余量銅。通常優(yōu)選符合該構(gòu)成成分并被標(biāo)識為Cl5000的銅合金。也可以采用這里未明確描述的擁有適宜的機(jī)械特性和導(dǎo)電導(dǎo)熱特性的其他銅合金復(fù)合物以及其它金屬復(fù)合物。
[0050]在圖5所示的電阻點(diǎn)焊方法的開始，工件堆疊52位于電阻焊接電極50和相對的第二焊接電極86之間。然后操作焊槍56(圖4)，以使電阻焊接電極50和第二焊接電極86相對于彼此會(huì)聚，從而使它們各自的焊接面54，90在焊接位置62與工件堆疊52的相對的第一側(cè)64和第二側(cè)66接觸并壓靠在其上，這里，所述第一側(cè)和第二側(cè)是鋁合金和鋼工件58，60的相反面向的外表面70，74。在施加的夾緊力的作用下，這兩個(gè)焊接面54，90在焊接位置62處彼此徑向?qū)?zhǔn)地壓靠在其各自的工件外表面70，74上，夾緊力例如在4001b至20001b或更精確地在6001b至13001b之間的范圍變化。該夾緊力足以開始將焊接面54，90壓入到其各自的堆疊10的第一和第二側(cè)64，66中(表面70，74)，從而形成第一接觸面100(在第一側(cè)64上)和第二接觸面102(在第二側(cè)66上)。此時(shí)第一和第二接觸面100，102相對較小，并且僅焊接面54，90的部分凹入到鋁合金工件和鋼工件58，60的外表面70，74中。
[0051]在電阻焊接電極50和第二焊接電極86在焊接位置62處壓靠在其各自的鋁合金和鋼工件58，60的外表面70，74上之后，直流電流穿過工件堆疊52以及焊接電極50，86的相對的焊接面54，90之間，如圖6所示。直流電流的通過在更加導(dǎo)電和導(dǎo)熱的鋼工件60中以及在接合界面76處快速產(chǎn)生熱量，這導(dǎo)致熔融的鋁合金熔池104在鋁合金工件58中的開始和增長。熔融的鋁合金熔池104潤濕了鋼工件60的相鄰的接合表面72，并從接合界面76滲入到鋁合金工件58中。更確切地說，熔融的鋁合金熔池104滲透的距離通常為鋁合金工件58厚度580的20%至100% (即一直穿過工件58)的范圍，鋁合金工件58的厚度580是在第一接觸面100內(nèi)的接合界面76和鋁合金工件58的外表面70之間測量得到的。
[0052]通過由焊接控制器108(圖4)控制的電源106，可以使直流電流在焊接電極50，86之間傳送通過。電源106優(yōu)選是與電阻焊接電極50和第二焊接電極86電連通的中頻直流(MFDC)逆變器電源，盡管當(dāng)然也可以采用其他類型的電源。焊接控制器108通過以這樣的方式指示來控制電源106:基于包含預(yù)定焊接方案的程序指令使直流電流在電阻焊接電極50和第二焊接電極86之間交換。直流電流的程序特征可以指令直流電流以具有恒定的電流電平，或者是隨時(shí)間產(chǎn)生脈沖，或者是二者的一些組合，并且通常要求電流電平從開始到中斷維持在5kA至50kA之間(除了可能用于脈沖間的非周期之外)并持續(xù)40ms至2500ms的持續(xù)時(shí)間，以便使熔融的鋁合金熔池104增長到所期望的尺寸。
[0053]電阻焊接電極50和第二焊接電極86保持它們的夾緊力，抵靠在工件堆疊52的相反的第一和第二側(cè)64，66上直到直流電流的通過中斷之后。在直流電流通過的時(shí)間期間，第一和第二接觸面100，102不均衡地增長，這是因?yàn)殇X合金工件58比鋼工件60更大程度地軟(因?yàn)殇X合金工件的相對低的熔點(diǎn))。同樣，與第二焊接電極86關(guān)聯(lián)的第二接觸面102幾乎不增長，而與電阻焊接電極50關(guān)聯(lián)的第一接觸面100相當(dāng)多地增長，由于電阻焊接電極50的焊接面54凹入到軟化的鋁合金工件58中。例如，在直流電流的流動(dòng)中斷之后，形成在鋁合金工件58的外表面70內(nèi)的第一接觸面100的表面面積通常大于形成在鋼工件60的外表面74中的第二接觸面102的表面面積，以比例為1.5:1至16:1，或者更精確地為1.5:1至5:1。接觸面尺寸上的這種區(qū)別導(dǎo)致呈現(xiàn)為錐形流動(dòng)圖案的直流電流通過工件52堆疊(在鋼工件60中出現(xiàn)比鋁合金工件58中更大的電流密度)，這可以有助于提高最終焊接接頭的剝離強(qiáng)度和橫向抗伸強(qiáng)度，如下面將更詳細(xì)說明的。
[0054]在電阻焊接電極50的焊接面54和第二焊接電極86的焊接面90之間的直流電流的通過中斷后，熔融鋁合金熔池104凝固成焊接接頭110，該焊接接頭110將鋁合金工件58和鋼工件60連接在一起，如圖7所示。焊接接頭110包括鋁合金點(diǎn)焊熔核112和通常一層或多層Fe-Al金屬間層114。鋁合金點(diǎn)焊熔核112延伸至鋁合金工件58中一段距離，該距離通常在鋁合金工件58的厚度580的約20%至約100% (即完全穿透)的范圍變化，如在第一接觸面100內(nèi)在接合界面76和鋁合金工件58的外表面70之間測量的。一層或多層Fe-Al金屬間層114位于鋁合金點(diǎn)焊熔核112和接合界面76處的鋼工件60的接合表面72之間。該層或多層114通常由于在電流流動(dòng)期間并在電流流動(dòng)之后持續(xù)較短的時(shí)期(此時(shí)鋼工件60仍然是熱的)熔融鋁合金熔池104和鋼工件60之間的反應(yīng)形成。所述一層或多層Fe-Al金屬間層114可以包括FeAl3、Fe2Al5以及其他化合物，并且當(dāng)沿與兩個(gè)工件58，60的厚度580，600相同的方向測量時(shí)，通常具有約為Iym至給5μπι的組合高度(即，所有金屬間層的總高度)。
[0055]如圖8所示，電阻焊接電極50和第二焊接電極86最終與其各自的接觸面100，102分離以釋放工件堆疊52?，F(xiàn)在可以相對于焊槍56重新定位工件堆疊52，從而使電阻焊接電極50和第二焊接電極86以軸向面面對的對準(zhǔn)的方式定位在另一個(gè)的焊接位置62處，在該處重復(fù)點(diǎn)焊方法?；蛘?，不必重新定位，可以移動(dòng)工件堆疊52遠(yuǎn)離焊槍56，從而為需要電阻點(diǎn)焊的另外類似的工件堆疊52留出空間。在焊接電極50，86與其各自的工件58，60分離之后，并如圖8概括地所示，第一接觸面100比第二接觸面102具有明顯大的表面面積，因?yàn)樵陔娏髁鲃?dòng)期間，相比于第二焊接電極86的焊接面90凹入到鋼工件60中的程度，電阻焊接電極50的焊接面54更遠(yuǎn)地凹入到鋁合金工件58中。
[0056]通過最終使得在工件堆疊52的接合界面76處以及沿著工件堆疊52的接合界面76焊接缺陷的不期望的積聚最小化，證實(shí)采用電阻焊接電極50點(diǎn)焊工件52堆疊能提高焊接接頭110的強(qiáng)度，特別顯著的是剝離強(qiáng)度和橫向拉伸強(qiáng)度。為了提供一些背景，圖9示出了通過未使用如上所述的電阻焊接電極50的傳統(tǒng)的電阻點(diǎn)焊工藝形成在鋁合金工件(頂部工件)和鋼工件(底部工件)之間的典型的焊接接頭200的顯微照片。這里，已發(fā)現(xiàn)在接合界面202處以及沿著接合界面202的焊接缺陷D。這些焊接缺陷D可能包括尤其是縮孔、氣孔、氧化膜殘留和微裂紋。當(dāng)沿著接合界面202出現(xiàn)和分布時(shí)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)焊接缺陷D可能降低焊接接頭200的剝離強(qiáng)度和橫向拉伸強(qiáng)度。此外，除了焊接缺陷D，一層或多層易碎的Fe-Al金屬間層(太小而不能示出)在鋁合金工件和鋼工件之間在接合界面202處和沿著接合界面202可以形成和增長到比所期望的更大的程度。
[0057]不受理論的限制，可以認(rèn)為焊接缺陷D在接合界面202處以及沿著接合界面202積聚和分布是至少部分地由于當(dāng)先前存在的熔融的鋁合金熔池轉(zhuǎn)變成焊接接頭200時(shí)其固化行為而導(dǎo)致。特別地，由于兩種材料的不同的物理特性，即鋼具有大得多的導(dǎo)熱率和導(dǎo)電率，在更熱得多的鋼工件(底部工件)和鋁合金工件(頂部工件)之間可以形成熱量不均衡。因此，鋼工件充當(dāng)了熱源，而鋁合金工件充當(dāng)了熱導(dǎo)體，從而沿豎直方向產(chǎn)生了強(qiáng)烈的溫度梯度，這導(dǎo)致熔融的鋁合金熔池從緊鄰較冷(即水冷的)的焊接電極(接觸鋁合金工件)的區(qū)域朝向接合界面202冷卻和凝固。凝固前沿的路徑和方向在圖9中由箭頭P表示，并且焊接接頭200的邊界用虛線B表示。當(dāng)凝固前沿沿著路徑P行進(jìn)時(shí)，焊接缺陷D被朝著接合界面202拖曳或伸展，并在焊接接頭200中沿著接合界面202分散結(jié)束。
[0058]現(xiàn)在返回圖7-8，使用電阻焊接電極50用于避免在熔融的鋁合金熔池104的凝固期間焊接缺陷朝著以及沿著接合界面76廣泛地和不想要地分散。這是因?yàn)殡娮韬附与姌O50(并且特別是其焊接面54)在直流電流穿過其時(shí)產(chǎn)生了熱量(即電阻加熱)并積聚從熔融的鋁合金熔池104傳遞來的熱量(即傳導(dǎo)加熱)。并且由于其相對低的導(dǎo)熱率(相比于傳統(tǒng)的CuZr焊接電極)，它能夠容易地將該熱量轉(zhuǎn)移遠(yuǎn)離工件堆疊52，所以電阻焊接電極50的焊接面54將熱量保持在焊接位置62處的下面的招合金工件58中。該保持的熱量通過在恪融的招合金熔池104周圍形成三維徑向溫度梯度和/或提高已經(jīng)存在的三維徑向溫度梯度改變了焊接位置62中的溫度分布。這些溫度梯度減緩定向熱量從熔融的鋁合金熔池104流入電阻焊接電極50內(nèi)，并有助于促進(jìn)橫向熱量流入到鋁合金工件58和鋼工件60中。
[0059]現(xiàn)在參照圖10A-10B所示的焊接接頭110，其替代了如圖9所示以及如上所述的當(dāng)熔融的鋁合金熔池轉(zhuǎn)化成焊接接頭110時(shí)朝著接合界面76行進(jìn)的凝固前沿，電阻焊接電極50在先前存在的熔融的鋁合金熔池周圍形成三維徑向溫度梯度和/或提高了已經(jīng)存在的三維徑向溫度梯度，這使得熔池冷卻并從其外周邊向中心區(qū)域向內(nèi)凝固。在圖10A-10B中凝固前方的路徑和方向大體由箭頭P表示，并且焊接接頭110的邊界由虛線B標(biāo)識。由于改變的凝固路徑，因此在每種情況下路徑P總是指向焊接接頭110的中心區(qū)域，改變的凝固路徑因此朝著焊接接頭110的中心拖曳或伸展焊接缺陷D，其中焊接缺陷在接合界面76處或在接合界面76之上聚結(jié)并停留(與廣泛分散相反)。特別地，在凝固過程中，位于焊接接頭110中的接合界面76處的氧化膜殘留物能夠向接頭110的中心伸展，并變得對機(jī)械性能無害。
[0060]電阻焊接電極50的焊接面54基本上形成了熔融的鋁合金熔池104內(nèi)升溫的位置(圖7)，該位置凝固持續(xù)，從而使得氣孔、縮孔、微裂紋和其他焊接缺陷積聚在那里。由于存在于熔融的鋁合金熔池104中的焊接缺陷朝向熔池104的中心區(qū)域伸展或拖曳，并最終到達(dá)焊接接頭110，因此它們主要遠(yuǎn)離接合界面76定位或者主要在焊接接頭110的中心位置中的接合界面76處。圖10A-10B就描述和示出了熔融的鋁合金熔池104的凝固行為，此外，在直流電流中斷之后且在焊接面54仍然熱著時(shí)，可以通過保持電阻焊接電極50的焊接面54與鋁合金工件58的外表面70的按壓地接觸來增進(jìn)。
[0061]在電阻焊接電極50中產(chǎn)生熱量以及將該熱量保持在招合金工件58中的能力還能夠減少由直流電流在鋼工件60中必須產(chǎn)生以生成和增長熔融的鋁合金熔池104的熱量的量(圖7)。因此能夠減小直流電流的量和/或持續(xù)時(shí)間來試圖和限制可以形成在焊接接頭110中和接合界面76處的任意Fe-Al金屬間層的厚度。由于通過將熱量保持在鋁合金工件58中而改變了熔融的鋁合金熔池104的凝固行為，以及減小穿過工件堆疊52和橫跨接合界面76的直流電流的量和/或持續(xù)時(shí)間的可能性，焊接接頭110很可能證明在經(jīng)受載荷時(shí)良好的總強(qiáng)度和耐用性(包括足夠的剝離強(qiáng)度和橫向拉伸強(qiáng)度)。
[0062]除了其在鋁合金工件58中產(chǎn)生和保持熱量的能力，電阻焊接電極50還可以在熔融的鋁合金熔池104周圍以單獨(dú)的方式產(chǎn)生或者至少有助于產(chǎn)生三維徑向溫度梯度。也就是說，在電流流動(dòng)期間，如圖11概括地所示，穿過焊接位置62和在焊接電極50，86之間的直流電流呈現(xiàn)錐形流動(dòng)圖案120，因?yàn)樾纬稍阡X合金工件58的外表面70中的第一接觸面100與形成在鋼工件60的外表面74中的第二接觸面102相比在表面面積上不均衡地增長更大。由于錐形流動(dòng)圖案120，通過直流電流的路徑從第二焊接電極86的焊接面90到電阻焊接電極50的焊接面54徑向擴(kuò)展，從而使鋼工件60中的電流密度大于鋁合金工件58中的電流密度。
[0063]通過使直流電流呈現(xiàn)錐形流動(dòng)圖案120 (并因此減小了直流電流沿朝向鋁合金工件58的方向上的電流密度)，相比于鋁合金工件58，熱量集中在鋼工件60中的較小區(qū)域內(nèi)。熱量集中在鋼工件60中的較小區(qū)域內(nèi)的作用是在兩個(gè)工件58，60所處的平面內(nèi)以及在熔融的鋁合金熔池104周圍形成三維徑向溫度梯度和/或提高已經(jīng)存在的三維徑向溫度梯度作用，這最終促進(jìn)了熱量橫向散布遠(yuǎn)離熔池104。熔融的鋁合金熔池104周圍的溫度分布的這種影響有助于改變以上述方式生成并增長在接合界面76處的熔融的鋁合金熔池104的凝固行為，以使得最終形成的焊接接頭110中的缺陷被拖曳或伸展至焊接接頭110中更加不會(huì)產(chǎn)生危害的位置。
[0064]基于至少構(gòu)成焊接面54的耐火基材料的相對高的熔化溫度，電阻焊接電極50還具有又一工作優(yōu)點(diǎn)。特別地，電阻焊接電極50的焊接面54對于在鋁合金工件58中存在的鋁合金成分是相當(dāng)惰性的，即使是在多次快速點(diǎn)焊事件的過程中在接近鋁合金工件58的熔點(diǎn)的溫度下也是如此。例如，焊接面54不會(huì)與鋁合金輕易地冶金地反應(yīng)以形成金屬間化合物、氧化物和/或有趨勢在焊接面54中剝落或形成凹陷的其他雜質(zhì)(如果產(chǎn)生并且沒有除去的話)。因此，電阻焊接電極50能夠相比于例如傳統(tǒng)的銅-鋯焊接電極(0.1-0.2wt %的Zr和余量Cu)在重新修整操作之間經(jīng)受更多次點(diǎn)焊操作，與其他更多傳統(tǒng)的銅合金焊接電極相比，這有助于最大化并延長電阻焊接電極50的操作壽命。
[0065]如上所述的以及如圖4-11示出的實(shí)施例均指向下述情形:其中工件堆疊52僅僅是相鄰成對的鋁合金工件58和鋼工件60，以使鋁合金工件58的外表面70提供工件堆疊52的第一側(cè)64，以及鋼工件60的外表面74提供工件堆疊52的第二側(cè)66。然而，在另外的實(shí)施例中，工件堆疊52可以包括至少額外的鋁合金工件或至少額外的鋼工件，只要該額外的鋁合金工件與鋁合金工件58重疊并與其相鄰定位，以及該額外的鋼工件與鋼工件60重疊并與其相鄰定位。換言之，如果期望在焊接位置62處有三個(gè)重疊的工件，那么工件堆疊52可以構(gòu)造為鋁合金/鋁合金/鋼堆疊或鋼/鋼/鋁合金堆疊。鋁合金工件58和鋼工件60的上面的描述同樣可分別適用于額外的鋁合金工件和額外的鋼工件。
[0066]例如，如圖12所示，工件堆疊52可以包括如上所述的相鄰成對的鋁合金工件58和鋼工件60以及額外的鋁合金工件180。這里，如圖所示，額外的鋁合金工件180與相鄰成對的鋁合金工件58和鋼工件60重疊，并與鋁合金工件58相鄰定位。當(dāng)額外的鋁合金工件180被如此定位時(shí)，如前所述，鋼工件60的外表面74提供工件堆疊52的第二側(cè)66，而與鋼工件60相鄰定位的鋁合金工件58現(xiàn)在包括成對的相對的接合表面68，182。面向鋼工件60的接合表面68繼續(xù)與鋼工件60的面對的接合表面72—起建立接合界面76，如前所述。另外的接合表面182與額外的鋁合金工件180的接合表面184重疊并接觸。同樣的，在重疊的工件58，60，180的該特定布置中，額外的鋁合金工件180的外表面186提供了工件堆疊52的第一側(cè)64。
[0067]在另一示例中，如圖13所示，工件堆疊52可以包括如上所述的相鄰的成對的鋁合金工件58和鋼工件60以及額外的鋼工件190。這里，如圖所示，額外的鋁合金工件190與相鄰的成對的鋁合金工件58和鋼工件60重疊，并與鋼工件60相鄰定位。當(dāng)額外的鋼工件190被如此定位時(shí)，如前所述，鋁合金工件58的外表面70提供了工件堆疊52的第一側(cè)64，而與鋁合金工件58相鄰定位的鋼工件60現(xiàn)在包括成對的相對的接合表面72，192。面向著鋁合金工件58的接合表面72繼續(xù)與鋁合金工件58的面對的接合表面78—起建立接合界面76，如前所述的。另外的接合表面192與額外的鋼工件190的接合表面194重疊并接觸。同樣地，在重疊的工件58，60，190的該特定布置中，額外的鋼工件190的外表面196提供了工件堆疊52的第二側(cè)66。
[0068]優(yōu)選示例性實(shí)施方案和相關(guān)示例的以上描述實(shí)質(zhì)上僅僅是描述性的；其并不意圖限制所附隨的權(quán)利要求的范圍。所附權(quán)利要求中使用的每個(gè)術(shù)語都應(yīng)當(dāng)給予其普通的和常規(guī)的含義，除非在本說明書中另外有特殊的和明確的陳述。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種電阻焊接電極，包括: 電極主體；以及 設(shè)置在電極主體的前端上的焊接面，并且其中至少焊接面由耐火基材料構(gòu)成，耐火基材料包含至少35wt %的耐火金屬并且具有的導(dǎo)電率小于或等于3.8 X 107S/m。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電阻焊接電極，其中所述耐火基材料是元素鉬或元素鎢。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電阻焊接電極，其中所述耐火基材料是包括35^%或更多的鉬或鎢的金屬復(fù)合物。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電阻焊接電極，其中所述耐火基材料是鎢-銅金屬復(fù)合物，其包括分散在銅基體中的50wt %至90wt %的媽顆粒相。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電阻焊接電極，其中所述焊接面具有基礎(chǔ)焊接面表面，基礎(chǔ)焊接面表面具有從6mm至20mm的范圍變化的直徑以及從15mm至300mm的范圍變化的球面曲率半徑。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電阻焊接電極，其中所述焊接面包括多個(gè)直立的、徑向間隔的圓形脊，所述圓形脊圍繞焊接面的中心并從基礎(chǔ)焊接面表面向外突出。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電阻焊接電極，其中所述電極主體和所述焊接面整體地形成，并且兩個(gè)部分均由相同的耐火基材料構(gòu)成。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電阻焊接電極，其中所述電極包括固定地緊固在一起的兩個(gè)組成部件，兩個(gè)組成部件包括至少具有電阻焊接電極的焊接面的第一組成部件和至少包含電阻焊接電極的電極主體的第二組成部件。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電阻焊接電極，其中所述第一組成部件過盈配合在由第二組成部件限定的內(nèi)孔中，以將兩個(gè)組成部件固定地緊固在一起形成電阻焊接電極。10.—種電阻點(diǎn)焊工件堆疊的方法，所述工件堆疊包括鋁合金工件和相鄰的鋼工件，所述方法包括: 提供工件堆疊，工件堆疊包括重疊并接觸以建立接合界面的鋁合金工件和鋼工件，工件堆疊具有緊接鋁合金工件的第一側(cè)和緊接鋼工件的第二側(cè)； 使工件堆疊的第一側(cè)與電阻焊接電極的焊接面接觸，并且其中至少電阻焊接電極的焊接面由耐火基材料構(gòu)成，所述耐火基材料包含至少35wt%的耐火金屬并具有小于或等于.3.8X107S/m的導(dǎo)電率； 使工件堆疊的第二側(cè)與第二焊接電極的焊接面接觸；以及 使電流在電阻焊接電極的焊接面和第二焊接電極的焊接面之間通過，并通過工件堆疊，以在與鋼工件相鄰定位的鋁合金工件內(nèi)產(chǎn)生熔融的鋁合金熔池；以及 中斷電流的通過以允許熔融的鋁合金熔池凝固成焊接接頭，焊接接頭將相鄰的鋁合金和鋼工件在其接合界面處結(jié)合在一起。
【文檔編號】B23K11/11GK106041284SQ201610474484
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年3月24日
【發(fā)明人】D·R·西勒, B·E·卡爾森, M·J·卡拉國利斯, D·P·凱利
【申請人】通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作有限責(zé)任公司