鋁合金工件中的侵入特征以改善鋁鋼點(diǎn)焊的制作方法
【專利說(shuō)明】鋁合金工件中的侵入特征以改善鋁鋼點(diǎn)焊
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
本申請(qǐng)要求2014年6月10日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)N0.62/010，192的權(quán)益，其全部?jī)?nèi)容由此通過(guò)引用并入。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域總體上涉及電阻點(diǎn)焊，且更具體地涉及對(duì)鋼工件和鋁合金工件進(jìn)行電阻點(diǎn)焊。
【背景技術(shù)】
[0003]電阻點(diǎn)焊是許多工業(yè)所使用的用于將兩個(gè)或更多個(gè)金屬工件聯(lián)接在一起的工藝。例如，汽車工業(yè)通常在車門(mén)、罩、行李箱蓋或升降門(mén)等的制造過(guò)程中使用電阻點(diǎn)焊將預(yù)制的金屬工件聯(lián)接在一起。許多點(diǎn)焊通常沿著金屬工件的外周邊緣或一些其它結(jié)合區(qū)域形成，以確保部件在結(jié)構(gòu)上是堅(jiān)固的。盡管通常將點(diǎn)焊實(shí)踐成將某些相似組成的金屬工件例如鋼與鋼和鋁合金與鋁合金聯(lián)接在一起，但是將較輕重量的材料并入到車體結(jié)構(gòu)中的期望在通過(guò)電阻點(diǎn)焊將鋼工件聯(lián)接到鋁合金工件方面產(chǎn)生興趣。對(duì)將不相似的金屬工件進(jìn)行電阻點(diǎn)焊的前述期望不唯一于汽車工業(yè)；事實(shí)上，其擴(kuò)展到可利用點(diǎn)焊作為聯(lián)接工藝的包括航空、航海、鐵路和建筑工業(yè)等的其它工業(yè)。
[0004]通常，電阻點(diǎn)焊依賴于對(duì)通過(guò)疊置的金屬工件且跨過(guò)其接合界面以產(chǎn)生熱的電流的流動(dòng)的阻力。為了實(shí)施這種焊接工藝，在預(yù)定的焊位處在工件層疊件的相反側(cè)上的對(duì)準(zhǔn)的點(diǎn)處夾持一組兩個(gè)相對(duì)的點(diǎn)焊電極，其中，工件層疊件通常包括以重疊構(gòu)造布置的兩個(gè)或三個(gè)金屬工件。然后，電流通過(guò)金屬工件從一個(gè)焊接電極傳遞到另一個(gè)焊接電極。對(duì)該電流流動(dòng)的阻力在金屬工件內(nèi)并在它們的接合界面處產(chǎn)生熱。當(dāng)工件層疊件包括鋼工件和相鄰的鋁合金工件時(shí)，在接合界面處且在這些不類似的金屬工件的塊體材料內(nèi)產(chǎn)生的熱引發(fā)并發(fā)展從接合界面延伸到鋁合金工件中的熔化鋁合金焊池。該熔化鋁合金焊池將鋼工件的相鄰的接合表面潤(rùn)濕，并且在電流流動(dòng)中斷時(shí)凝固成焊核，該焊核形成將這兩個(gè)工件結(jié)合在一起的全部或部分焊接頭。
[0005]然而，實(shí)際上，因?yàn)檫@兩種金屬的許多特性會(huì)不利地影響焊接頭的強(qiáng)度，最顯著地影響剝離強(qiáng)度，所以將鋼工件點(diǎn)焊到鋁合金工件存在挑戰(zhàn)。舉個(gè)例子，鋁合金工件通常在其表面上包括一個(gè)或多個(gè)機(jī)械上牢固的、電絕緣的和自愈合的難熔氧化物層。氧化物層通常包括氧化鋁，但也可以包括其它金屬氧化物化合物，當(dāng)鋁合金工件由含錳的鋁合金組成時(shí)，氧化物層包括氧化錳。由于其物理性質(zhì)，難熔氧化物層具有在接合界面處保持完好無(wú)損的趨勢(shì)，在這種情況下，它們會(huì)阻礙熔化鋁合金焊池將鋼工件潤(rùn)濕的能力，并且還在發(fā)展的焊池內(nèi)提供近界面缺陷的源。表面氧化物層的絕緣性質(zhì)還引起了鋁合金工件即在其接合表面處且在其電極接觸點(diǎn)處的電接觸電阻，從而難以有效地控制并集中鋁合金工件內(nèi)的熱。過(guò)去已經(jīng)做出努力以在點(diǎn)焊之前從鋁合金工件去除氧化物層。然而，這樣的去除實(shí)踐可能是不切實(shí)際的，因?yàn)檠趸飳釉谘醯拇嬖谙掠绕湓趹?yīng)用來(lái)自點(diǎn)焊操作的熱的情況下具有再生的能力。
[0006]鋼工件和鋁合金工件還具有趨于使點(diǎn)焊工藝復(fù)雜化的不同性質(zhì)。具體地，鋼具有相對(duì)高的熔點(diǎn)(~1500° C)以及相對(duì)高的電阻率和熱阻率，而鋁合金材料具有相對(duì)低的熔點(diǎn)(~600° C)以及相對(duì)低的電阻率和熱阻率。由于這些物理差異，在電流流動(dòng)期間在鋼工件中產(chǎn)生大多數(shù)熱。這種熱不平衡在鋼工件(較高的溫度)和鋁合金工件(較低的溫度)之間建立熱梯度，從而引發(fā)鋁合金工件的快速熔化。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，緊隨著電流中斷之后，發(fā)生熱從焊位不對(duì)稱地散布的情況。而是，熱從較熱的鋼工件通過(guò)鋁合金工件朝向位于鋁合金工件的另一側(cè)的焊接電極傳導(dǎo)，這在鋼工件和該特定的焊接電極之間產(chǎn)生陡峭的熱梯度。
[0007]鋼工件和位于鋁合金工件的另一側(cè)的焊接電極之間的陡峭的熱梯度的發(fā)展被認(rèn)為以兩個(gè)主要方式弱化得到的焊接頭的完整性。首先，因?yàn)樵陔娏髁鲃?dòng)中斷之后與鋁合金工件相比鋼工件保持更長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間的熱，所以熔化鋁合金焊池從最靠近與鋁合金工件相關(guān)聯(lián)的較冷的焊接電極(通常為冷卻的水)的區(qū)域開(kāi)始并朝向接合界面?zhèn)鞑ザㄏ蛐缘啬?。這種類型的凝固前沿趨于朝向并沿著焊核內(nèi)的接合界面掠掃或驅(qū)使缺陷例如氣孔、收縮孔隙、微裂紋和表面氧化物殘余。第二，鋼工件中的所維持的升高溫度促進(jìn)脆性Fe-Al金屬間化合物在接合界面處并沿著接合界面生長(zhǎng)。金屬間化合物趨于在焊核和鋼工件之間形成薄反應(yīng)層。如果存在的話，則這些金屬間層通常被視為除了焊核之外的焊接頭的一部分。具有焊核缺陷的散布與Fe-Al金屬間化合物沿著接合界面的過(guò)度生長(zhǎng)一起趨于降低最終的焊接頭的剝離強(qiáng)度。
[0008]鑒于上述挑戰(zhàn)，將鋼工件和鋁基工件進(jìn)行點(diǎn)焊的先前努力采用規(guī)定了較高電流、較長(zhǎng)焊接時(shí)間或二者(與將鋼與鋼進(jìn)行點(diǎn)焊相比)的焊接計(jì)劃，以試圖并獲得合理的焊接結(jié)合區(qū)域。這樣的努力在制造設(shè)置方面在很大程度上是不成功的，并具有損壞焊接電極的趨勢(shì)。考慮到先前的點(diǎn)焊努力并不特別成功，取而代之的是已經(jīng)主要使用諸如自沖鉚釘和流鉆螺釘(flow drill screw)的機(jī)械緊固件。然而，與點(diǎn)焊相比，這樣的機(jī)械緊固件需要更長(zhǎng)時(shí)間來(lái)設(shè)置到位，并且具有高消耗成本。它們還向車體結(jié)構(gòu)增加了重量，即當(dāng)通過(guò)點(diǎn)焊來(lái)實(shí)現(xiàn)聯(lián)接時(shí)所避免的重量，這抵消了通過(guò)原先使用鋁合金工件所實(shí)現(xiàn)的一些重量減輕。因此，點(diǎn)焊的將使工藝更能夠?qū)摵弯X合金工件聯(lián)接的進(jìn)步對(duì)于本領(lǐng)域來(lái)說(shuō)將是受歡迎的另外一點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]公開(kāi)了將至少包括鋼工件和相鄰的鋁合金工件的工件層疊件進(jìn)行電阻點(diǎn)焊的方法。工件層疊件還可包括額外的工件例如另一鋼工件或另一鋁合金工件，只要鋁合金工件提供工件層疊件的一側(cè)，并且鋼工件提供層疊件的另一側(cè)。這樣，工件層疊件可以僅包括鋼工件和疊置的鋁合金工件，或者其可以包括設(shè)置為與鋁合金工件相鄰的兩個(gè)相鄰的鋼工件或者設(shè)置為與鋼工件相鄰的兩個(gè)相鄰的鋁合金工件。另外，當(dāng)工件層疊件包括三個(gè)工件時(shí)，類似組成的兩個(gè)工件可以由分開(kāi)的且不同的部件來(lái)提供，或者替代地，它們可以由相同的部件來(lái)提供。
[0010]所公開(kāi)的方法包括使工件層疊件的相反側(cè)在焊位處與相對(duì)的且面對(duì)地對(duì)準(zhǔn)的焊接電極接觸。足夠的幅值和持續(xù)時(shí)間(恒定或脈沖)的電流在焊接電極之間穿過(guò)并穿過(guò)工件層疊件。電流的穿過(guò)在位于與鋼工件相鄰的鋁合金工件內(nèi)產(chǎn)生熔化鋁合金焊池。該熔化鋁合金焊池使鋼工件的相鄰的接合表面潤(rùn)濕，并從相鄰的鋼工件和鋁合金工件的接合界面延伸到鋁合金工件中并可能穿過(guò)鋁合金工件。在存在熔化鋁合金焊池的時(shí)間期間，焊接電極凹進(jìn)并壓印到其相應(yīng)的工件表面中，以形成接觸印跡。最終，在電流停止之后，熔化鋁合金焊池冷卻并凝固成將相鄰的鋼和鋁合金工件在它們的接合界面處結(jié)合在一起的焊接頭。
[0011]通過(guò)在工件層疊件的該特定側(cè)上由焊接電極接觸的鋁合金工件內(nèi)包括侵入特征來(lái)輔助點(diǎn)焊方法。具體地，在點(diǎn)焊期間，焊接電極在侵入特征上方抵靠鋁合金工件的表面被按壓，電流在層疊件的相反側(cè)上在該電極和另一電極之間交換從而形成焊接頭。侵入特征可以是完全地通過(guò)鋁合金工件延伸的孔，或者替代地，其可以是僅部分地橫過(guò)鋁合金工件的厚度的凹陷。并且一個(gè)以上的侵入特征可以被包括在鋁合金工件中，從而有助于在多個(gè)不同的焊位處在這兩個(gè)工件之間形成點(diǎn)焊。關(guān)于包括侵入特征并由焊接電極接觸的鋁合金工件，其可以是位于與鋼工件相鄰的鋁合金工件，在兩個(gè)工件層疊件或包括兩個(gè)相鄰的鋼工件的三個(gè)工件層疊件中便是這種情況，或者其可以是覆蓋在位于與鋼工件相鄰的鋁合金工件上的鋁合金工件，在包括鋼工件和兩個(gè)相鄰的鋁合金工件的三工件層疊件中便是這種情況。
[0012]在侵入特征上方按壓焊接電極并通過(guò)鋁合金工件的該部分交換電流被認(rèn)為出于至少若干原因而正面地影響焊接頭的強(qiáng)度。首先，侵入特征使在焊接電極之間交換的電流在電流流動(dòng)開(kāi)始時(shí)且在一些情況下在電流流動(dòng)的整個(gè)持續(xù)時(shí)段內(nèi)在鋁合金工件內(nèi)呈現(xiàn)圍繞侵入特征的錐形流動(dòng)模式。電流的錐形流動(dòng)模式導(dǎo)致與鋼工件相比至少在位于與鋼工件相鄰的鋁合金工件內(nèi)的電流密度減小，從而圍繞熔化鋁合金焊池形成三維溫度梯度，從而有助于焊池以更期望的方式凝固成焊接頭。第二，鋁合金工件的圍繞侵入特征的部分的塑性變形被增強(qiáng)，因?yàn)檐浕幕蛉刍匿X合金開(kāi)始填充該侵入部。該行為使覆蓋位于與鋼工件相鄰的鋁合金工件的接合表面的難熔氧化物層破裂，因此允許熔化鋁合金焊池更好地潤(rùn)濕該相鄰的鋼工件并破壞在發(fā)展的焊池內(nèi)提供近界面缺陷的源的氧化物殘余。如果包括侵入特征的鋁合金工件還是位于與鋼工件相鄰的鋁合金工件，則此種行為在相鄰的鋼工件和鋁合金工件之間的接合界面處尤其有效。
[0013]此外，如果侵入特征存在于位于與鋼工件相鄰的鋁合金工件中，并且在鋼工件處是開(kāi)放的，則侵入特征提供在電流流動(dòng)期間允許熔化鋁合金焊池移動(dòng)的開(kāi)放空間或體積，從而有助于破壞并重新分布由接近于接合界面的氧化物殘余導(dǎo)致的缺陷，因此改善焊接頭的機(jī)械性質(zhì)。如果侵入特征存在于額外的鋁合金工件中并且侵入特征對(duì)于位于與鋼工件相鄰的下方的鋁合金工件開(kāi)放，則也發(fā)生這種焊池移動(dòng)或攪動(dòng)作用。這尤其當(dāng)在位于與鋼工件相鄰的中間鋁合金工件內(nèi)產(chǎn)生完全地穿過(guò)的熔化鋁合金焊池時(shí)如此。
[0014]許多焊接電極設(shè)計(jì)可以與鋁合金工件中的侵入特征結(jié)合使用，從而有助于工藝靈活性。具體地，不需要使用滿足嚴(yán)格的尺寸和形狀要求的焊接電極來(lái)成功地對(duì)包括相鄰的鋼工件和鋁合金工件的工件層疊件進(jìn)行點(diǎn)焊。因此，每個(gè)焊接電極可以在考慮其它目的例如對(duì)鋼與鋼或鋁合金與鋁合金進(jìn)行點(diǎn)焊的情況下進(jìn)行構(gòu)造。這樣，通常用于將鋁合金工件點(diǎn)焊到鋁合金工件的相同焊接電極也可以用于在侵入特征的幫助下將鋼工件點(diǎn)焊到鋁合金工件，從而意味著可以使用相同的焊槍設(shè)置來(lái)點(diǎn)焊兩組工件層疊件而不必替換任一個(gè)或兩個(gè)焊接電極。對(duì)于通常用于點(diǎn)焊鋼與鋼的焊接電極來(lái)說(shuō)，同樣也是如此。事實(shí)上，甚至可以使用一些焊接電極來(lái)點(diǎn)焊所有三組層疊件，即，鋼與鋼、鋁合金與鋁合金以及鋼與鋁合金(利用侵入特征)。
[0015]本發(fā)明還提供如下方案:
1、一種對(duì)包括鋼工件和相鄰的鋁合金工件的工件層疊件進(jìn)行點(diǎn)焊的方法，所述方法包括:
提供具有第一側(cè)和相反的第二側(cè)的工件層疊件，所述工件層疊件包括具有提供并描繪出所述工件層疊件的所述第二側(cè)的外表面的鋁合金工件，并且還包括鋼工件，所述鋼工件與提供并描繪出所述工件層疊件的所述第二側(cè)的所述鋁合金工件的接合表面或所述工件層疊件內(nèi)的第二鋁合金工件的接合表面疊置、接觸并建立接合