用于不同金属的电阻点焊的电极制造技术

本发明专利技术公开了用于不同金属的电阻点焊的电极。一种点焊包括钢工件和铝合金工件的工件叠堆方法包括使电流传递通过工件以及在构造成影响电流的电流密度的焊接电极之间传递。更具体地，焊接电极构造成致使电流密度在钢工件中比在铝合金工件中大。这种电流密度差别能够通过使电流至少初始地在与钢工件接触的焊接电极的焊接面和与铝合金工件接触的焊接电极的焊接面的周围区域之间传递而实现。

【技术实现步骤摘要】

本公开的
大体涉及电阻点焊，并且更具体地涉及电阻点焊钢工件和铝合金工件。
技术介绍
电阻点焊是由许多工业使用以将两个或更多个金属工件结合在一起的工艺。例如，汽车工业在制造用于除了其它部件以外的车门、引擎罩、行李箱盖或提升门的车辆车身面板期间通常使用电阻点焊将预制板金属层结合在一起。许多点焊点典型地沿着板金属层或一些其他焊接区域的外周边缘形成以确保车身面板在结构上是可靠的。尽管典型地已经实施点焊以将某些组成类似的金属工件一一诸如钢对钢以及铝合金对铝合金一一结合在一起，但是将较轻重量的材料合并到车辆平台中的渴望已经对通过电阻点焊将钢工件结合至铝合金工件产生兴趣。电阻点焊通常依赖于电流通过接触的金属工件以及跨过它们的接合界面(也即金属工件的接触界面)的流动的电阻以产生热量。为了执行这样一种焊接工艺，一对相对的点焊电极在预定的焊点位置处典型地被夹在位于工件的相对侧面上的完全对准的点处。电流随后从一个电极流过金属工件至另一个电极。该电流流动的电阻在金属工件内以及在它们的接合界面处产生热量。当正被焊接的金属工件是钢工件和铝合金工件时，在接合界面处产生的热量在铝合金工件中引发熔化的焊池。该熔化的铝合金焊池润湿钢工件的相邻表面，并且在电流流动停止的情况下，固化为焊点接头。在点焊工艺已经完成之后，焊接电极从它们各自的工件表面缩回，并且在另一焊点位置处重复该点焊工艺。将钢工件点焊至铝合金工件造成一些挑战。这两种类型金属具有倾向于中断焊接工艺的数个相当大的不同特性。具体地，钢具有相对高的熔点(?1500°C)和相对高的电阻率，而铝合金具有相对低的熔点(?600°C)和相对低的电阻率。作为这些物理差别的结果，铝合金在电流流动期间以比钢更快速且在低得多的温度下熔化。铝合金在电流流动已经终止之后也比钢更快速地冷却下来。因此，在焊接电流停止之后，立即发生这样的情形，其中热量不是对称地从焊点位置散布，而是相反地从更热的钢工件传导通过铝合金工件朝向铝合金侧上的电极。在钢工件与铝合金侧焊接电极之间的陡峭热梯度的发展被相信以两个主要方式弱化了得到的焊点接头的完整性。首先，因为钢工件在焊接电流已经停止之后比铝合金工件保留热量更长的持续时间，所述熔化的铝合金焊池定向地固化，从最靠近与铝合金工件相关联的较冷焊接电极的区域开始并且朝向接合界面传播。这种类型的固化路径倾向于迫使缺陷一一诸如气孔、收缩、微裂缝和氧化物残留物一一在焊点接头内朝向并且沿着接合界面。其次，钢工件中持续升高的温度在接合界面处并且沿着接合界面引起脆性Fe-Al金属间化合物的生长。沿着接合界面具有熔核缺陷的分散连同过量Fe-Al金属间化合物倾向于降低在工件之间建立的焊点接头的剥离强度。在两种金属之间的另一显著不同点在于，铝合金在其表面上包含在研磨操作(例如退火、溶剂处理、铸造等等)和环境暴露期间产生的一个或多个难熔氧化物层(下文中共同地称作“氧化物层”)。主要由氧化铝构成的该氧化物层是电绝缘的、机械强韧的和在空气中自我恢复的。这样的特性对将钢工件点焊至铝合金工件的机械学没有益处。特别地，表面氧化物层增大了铝合金工件的电接触电阻一一也即在其接合界面处以及在其电极接触点处一一使其难以有效地控制和集中在铝合金工件内的热量。表面氧化物层的机械强韧性也阻碍了钢工件的润湿。由铝合金工件表面上的难熔氧化物层导致的问题由氧化物层能够自我恢复或存在氧气时如果破裂就会再生的事实而进一步变得复杂。此外，为了在钢工件与铝合金工件之间获得合理的焊点接合面积，通常需要采用与钢至钢的点焊相比指定更高电流、更长焊接时间或两者(这些会损伤焊接电极)的焊接程序表。例如，如果将涂覆了锌的钢工件在这些更加侵蚀性的焊接程序表下正被点焊至铝合金工件，那么与钢工件接触的焊接电极具有与锌涂层反应以形成黄铜层的趋势。如果施加的焊接电流太高，则在钢工件与接触的焊接电极的界面处也会发生表面喷溅。对于与铝合金工件接触的焊接电极，当使用延长的焊接时间时，熔化铝合金焊池的过度渗透会引起电极上的蚀损和磨损。
技术实现思路
公开了一种用于电阻点焊包括钢工件和铝合金工件的叠堆的方法。该方法包括在预定焊点位置处将钢工件的表面和铝合金工件的表面与相对的焊接电极接触。接触钢工件表面的电极通常称作钢焊接电极，以及类似地，接触铝合金工件表面的电极通常称作铝合金焊接电极。足够强度和持续时间(恒定或脉冲)的电流在焊接电极之间穿过叠堆以在铝合金工件内和在工件的接合界面处引发并且生长熔化的铝合金焊池。在该时刻期间，电极压印并且压入它们各自工件表面以形成接触斑点。最终，在电流已经停止之后，熔化的铝合金焊池冷却并且在接合界面处固化成焊点接头。用于使电流流过叠堆的焊接电极被构造成使得电流的密度在钢工件中比在铝合金工件中大。电流密度的这种差别能够通过以下方式完成:至少初始地使电流在钢焊接电极的焊接面与铝合金焊接电极的焊接面的围绕凹陷的周围区域之间流过，从而使得电流流动通过其的截面面积沿着从接合界面朝向铝合金焊接电极的方向径向膨胀。许多钢和铝合金焊接电极设计能够被采用以实现这样的效果。例如，在一个实施例中，铝合金焊接电极的焊接面的周围区域可以是围绕并且划界凹陷的环形周围基底表面。作为另一示例，铝合金焊接电极的焊接面的周围区域可以是从焊接面的基底表面向上升起的环状突起以在其内部限定凹陷。当前的点焊方法被相信对焊点接头的强度和完整性具有积极的效果。举例来说，在点焊事件的过程中铝合金焊接电极的焊接面压入铝合金工件中引起了软化的铝合金工件以至少部分地填充了凹陷，这导致在铝合金侧接触斑点中形成凸出部分。围绕凹陷的电极焊接面的周围区域进而增强了铝合金工件的下层部分的塑性形变并且促进了在工件之间在它们接合界面处的相对移动。这些动作帮助使在铝合金工件的表面上位于接合界面处可能存在的复杂表面氧化物层破裂和分解。此外，钢和铝合金工件中经受的不同电流密度(钢工件中电流密度更大)与铝合金工件相比在钢工件中的更小区域内集中热量。在钢工件中的更小区域内集中热量的动作一一可能达到引发钢焊池的程度一一修改了在两个工件内的径向温度梯度以帮助熔化的铝合金焊池以更希望的方式固化成焊点接头。方案1.一种点焊包括钢工件和铝合金工件的工件叠堆的方法，所述方法包括: 提供叠堆，所述叠堆包括重叠以提供接合界面的钢工件和铝合金工件； 将钢焊接电极的焊接面与所述钢工件的表面接触； 将铝合金焊接电极的焊接面与所述铝合金工件的表面接触，所述铝合金焊接电极的焊接面包括凹陷以及围绕所述凹陷的周围区域；以及 使电流在所述钢焊接电极与所述铝合金焊接电极之间传递，所述电流至少初始地流过所述铝合金焊接电极的所述周围区域，以使得所述焊接电流在所述钢工件中具有比在所述铝合金工件中大的电流密度。方案2.根据方案I所述的方法，其中，所述铝合金焊接电极的焊接面的周围区域包括围绕并且界定所述凹陷的环形周围基底表面。方案3.根据方案2所述的方法，其中，所述凹陷由底部和锥形外围侧壁限定，所述锥形外围侧壁在所述凹陷的开口处将所述底部与所述环形周围基底表面连接。方案4.根据方案2所述的方法，其中，所述凹陷由凹入底部限定，所述凹入底部在所述凹陷的开口处与所述环形周围基底表面连接。方案5.根据方案2所述的方法，其中，所述凹陷本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种点焊包括钢工件和铝合金工件的工件叠堆的方法，所述方法包括：提供叠堆，所述叠堆包括重叠以提供接合界面的钢工件和铝合金工件；将钢焊接电极的焊接面与所述钢工件的表面接触；将铝合金焊接电极的焊接面与所述铝合金工件的表面接触，所述铝合金焊接电极的焊接面包括凹陷以及围绕所述凹陷的周围区域；以及使电流在所述钢焊接电极与所述铝合金焊接电极之间传递，所述电流至少初始地流过所述铝合金焊接电极的所述周围区域，以使得所述焊接电流在所述钢工件中具有比在所述铝合金工件中大的电流密度。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：D杨，DR西勒，BE卡尔森，JG施罗思，MJ卡拉古利斯，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US