本發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域總體上涉及電阻點(diǎn)焊，并且更具體地涉及鋼工件和鋁或鋁合金工件的電阻點(diǎn)焊。

背景技術(shù)：

電阻點(diǎn)焊是在許多工業(yè)中用于將兩個(gè)或多個(gè)金屬工件接合在一起的工藝。例如，汽車工業(yè)通常使用電阻點(diǎn)焊在車輛門、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、行李箱蓋或升降門的制造期間將預(yù)制金屬工件與其它車輛部件接合在一起。多電阻點(diǎn)焊通常沿著金屬工件的周邊或在某些其它位置進(jìn)行。雖然點(diǎn)焊通常被用來(lái)將某些類似組成的金屬層(例如鋼-鋼和鋁合金-鋁合金)接合在一起，將較輕重量的材料接合到車輛平臺(tái)中的愿望已經(jīng)產(chǎn)生了對(duì)通過電阻點(diǎn)焊將鋼工件接合到鋁或鋁合金(以下統(tǒng)一簡(jiǎn)稱為“鋁”)工件的興趣。此外，由于許多車輛組裝廠已經(jīng)有點(diǎn)焊基礎(chǔ)設(shè)施，因此使用一件設(shè)備對(duì)包含不同工件組合(例如，鋁/鋁、鋼/鋼和鋁/鋼)的工作堆疊件進(jìn)行電阻點(diǎn)焊的能力將提高生產(chǎn)靈活性并降低制造成本。電阻點(diǎn)焊異質(zhì)金屬工件的愿望不是汽車工業(yè)所特有的；它存在于其它工業(yè)中，例如航空航天、船舶、鐵路、建筑物建造和工業(yè)設(shè)備應(yīng)用等。

電阻點(diǎn)焊通常依賴于通過接觸金屬工件并跨過它們的接合界面的電流流動(dòng)的阻力以產(chǎn)生熱量。為了進(jìn)行電阻點(diǎn)焊，在焊接部位處的金屬工件的相對(duì)側(cè)上的對(duì)準(zhǔn)點(diǎn)處夾持一對(duì)相對(duì)的焊接電極。然后，電流通過工件從一個(gè)焊接電極到另一個(gè)焊接電極。電流流動(dòng)的阻力在金屬工件內(nèi)和在它們的接合界面處產(chǎn)生熱量。當(dāng)被點(diǎn)焊的工件是鋼工件和鋁工件時(shí)，在接合界面處產(chǎn)生的熱量通常形成從接合界面進(jìn)入鋁工件的熔融焊池。熔融焊池潤(rùn)濕鋼工件的相鄰表面，并且在電流停止時(shí)，固化成焊點(diǎn)熔核，其形成焊接接頭的全部或部分。在點(diǎn)焊過程完成之后，焊接電極從工件表面縮回，并且在另一焊接部位處重復(fù)點(diǎn)焊過程。

然而，電阻點(diǎn)焊鋼和鋁工件是有挑戰(zhàn)性的，因?yàn)閮煞N金屬具有不同的性質(zhì)，這使焊接過程復(fù)雜化。具體地，鋼具有相對(duì)較高的熔點(diǎn)和相對(duì)較高的電和熱電阻率，而鋁具有相對(duì)較低的熔點(diǎn)和相對(duì)較低的電和熱電阻率。因此，大部分熱量在電流流動(dòng)期間在鋼工件中產(chǎn)生。這種熱不平衡在鋼工件(更高的溫度)和鋁工件(更低的溫度)之間建立溫度梯度，其引起鋁工件的快速熔化。在電流流動(dòng)期間產(chǎn)生的溫度梯度和鋁工件的高熱導(dǎo)率的組合意味著，在電流剛剛停止之后，出現(xiàn)熱不從焊接部位處對(duì)稱地散布的情況。相反，熱量從較熱的鋼工件通過鋁工件傳導(dǎo)到與鋁工件接觸的焊接電極，在該方向上產(chǎn)生相對(duì)陡的熱梯度。

在鋼工件和與鋁工件接觸的焊接電極之間的陡的熱梯度的發(fā)展被認(rèn)為以兩種主要方式削弱了所得到的焊接接頭的完整性。首先，由于鋼工件在電流停止之后保持比鋁工件更長(zhǎng)的熱持續(xù)時(shí)間，已經(jīng)在鋁工件中形成和增長(zhǎng)的熔融焊池被定向固化，從與鋁工件相關(guān)聯(lián)的最靠近較冷焊接電極(通常為水冷卻)的區(qū)域開始并向接合界面?zhèn)鞑ァ＿@種固化前沿傾向于朝向和沿著鋁焊接熔核中的接合界面清理或摒棄缺陷，例如氣孔、縮孔、微裂紋和氧化殘?jiān)５诙?，鋼工件中的持續(xù)升高的溫度促進(jìn)脆性fe-al金屬間化合物在接合界面處和沿著接合界面的生長(zhǎng)。金屬間化合物傾向于在鋁焊接熔核和鋼工件之間形成薄反應(yīng)層。如果存在，這些金屬間層與焊接熔核通常被認(rèn)為是焊接接頭的一部分。具有焊接熔核缺陷的分散以及沿著接合界面的fe-al金屬間化合物的過度生長(zhǎng)被認(rèn)為會(huì)降低最終焊接接頭的剝離強(qiáng)度。

鑒于上述挑戰(zhàn)，以前對(duì)點(diǎn)焊鋼工件和鋁工件的工作采用了規(guī)定較高電流、較長(zhǎng)焊接時(shí)間或兩者(例如，與點(diǎn)焊鋼-鋼相比)的焊接方案，以試圖獲得合理的熔合區(qū)面積。這些工作在制造設(shè)置中基本上是不成功的，并且具有損壞焊接電極的趨勢(shì)。由于先前的點(diǎn)焊工作沒有特別成功，主要使用機(jī)械緊固件，如自穿鉚釘和流鉆螺釘代替。然而，與點(diǎn)焊相比，機(jī)械緊固件需要更長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)放置并且具有高消耗成本。它們還增加了車輛部件重量-這些重量在當(dāng)通過點(diǎn)焊的方式實(shí)現(xiàn)接合時(shí)能夠被避免-這抵消了通過首先使用鋁工件獲得的一些重量減輕。因此，使該工藝能更強(qiáng)連接鋼和鋁工件的點(diǎn)焊的進(jìn)步將是對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)的可喜的補(bǔ)充。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

公開了一種電阻點(diǎn)焊工件堆疊件的方法，所述工件堆疊件包括鋼工件和鋁或鋁合金工件(為了簡(jiǎn)潔在此統(tǒng)稱為“鋁”)，并且還公開了在該方法中使用的焊接電極。該方法包括使用位于焊接電極的主體內(nèi)的插入件。插入件的使用最終提供了表現(xiàn)出改善的總強(qiáng)度和耐久性(包括改善的剝離強(qiáng)度)的焊接接頭。這些改進(jìn)被認(rèn)為是由熔融鋁合金焊池的所改變的固化行為引起的。首先，插入件由具有相對(duì)較高的電阻率的材料構(gòu)成，其在電阻點(diǎn)焊中產(chǎn)生熱量。插入件還保存鋁工件內(nèi)的熱量，所述鋁工件在電阻點(diǎn)焊期間與插入件接觸。第二，在焊接電極(包括具有插入件的焊接電極)之間交換的dc電流由于插入件的相對(duì)較高的電阻率而呈現(xiàn)工件堆疊件中的錐形流動(dòng)圖案。與鋁工件中的熱量相比，錐形流動(dòng)圖案具有將熱量集中在鋼工件中的較小區(qū)域內(nèi)的效果。

通過在其周圍產(chǎn)生三維徑向溫度梯度，或通過擴(kuò)大已經(jīng)存在的三維徑向溫度梯度，產(chǎn)生的、保留的和集中的熱量用于改變?nèi)廴阡X合金焊池處的溫度分布。這些溫度梯度緩慢定向熱流進(jìn)入具有插入件的焊接電極，并且有助于促進(jìn)側(cè)向熱傳遞。當(dāng)其固化成為焊接接頭的一部分時(shí)，所得到的改進(jìn)的熱平衡和更均勻的熱分布改變了熔融鋁合金焊池的冷卻作用。

為了具有相對(duì)較高的電阻率，插入件能夠由具有小于或等于國(guó)際退火銅標(biāo)準(zhǔn)(iacs)定義的商業(yè)純退火銅的導(dǎo)電率的約65％的導(dǎo)電率的耐火材料構(gòu)成。例如，插入件能夠由鉬金屬、鉬金屬?gòu)?fù)合材料、鎢金屬或鎢金屬?gòu)?fù)合材料組成。此外，在焊接電極的焊接面處，插入件的表面構(gòu)成與鋁工件表面對(duì)表面接觸的焊接面的一部分。同樣，主體的表面構(gòu)成焊接面的另一部分，其在電阻點(diǎn)焊中與鋁工件進(jìn)行表面對(duì)表面接觸。

附圖說(shuō)明

圖1是電阻點(diǎn)焊組件的側(cè)視圖；

圖2是不使用如本發(fā)明中詳述的插件通過電阻點(diǎn)焊工藝在鋁合金工件和鋼工件之間形成的代表性焊接接頭的顯微照片；

圖3是在工件堆疊件上方的一對(duì)焊接電極的側(cè)視圖，其中一個(gè)焊接電極具有插入件的實(shí)施例，焊接電極和插入件以截面輪廓描繪以用于說(shuō)明目的；

圖4是在工件堆疊件上方的一對(duì)焊接電極的側(cè)視圖，其中一個(gè)焊接電極具有插入件的另一實(shí)施例，焊接電極和插入件以截面輪廓描繪以用于說(shuō)明目的；

圖5是具有圖4的插入件的焊接電極的透視圖；

圖6描繪使用具有圖4的插入件的焊接電極的電阻點(diǎn)焊過程的實(shí)施例的一部分；

圖7類似于圖6，但示出了固化的焊接接頭；以及

圖8是通過電阻點(diǎn)焊工藝使用如本發(fā)明中詳述的插件的實(shí)施例的插入件在鋁合金工件和鋼工件之間形成的預(yù)期焊接接頭的顯微照片。

具體實(shí)施方式

本說(shuō)明書中詳細(xì)描述的方法和組件解決了當(dāng)電阻點(diǎn)焊對(duì)包括一個(gè)或多個(gè)鋁工件和一個(gè)或多個(gè)鋼工件的工件堆疊件進(jìn)行焊接時(shí)所遇到的幾個(gè)挑戰(zhàn)。雖然在下面更詳細(xì)地進(jìn)行描述，通常，所描述的方法和組件能夠改變?cè)阡X工件內(nèi)產(chǎn)生的熔融鋁焊池的固化行為，以便限制或完全排除在鋼和鋁工件之間的接合界面處的缺陷的積聚和擴(kuò)散。該方法和組件還能夠最小化在接合界面處形成的任何fe-al金屬間層的尺寸和厚度。這些措施共同或單獨(dú)地有助于確保在鋁和鋼工件之間建立的焊接接頭的足夠的強(qiáng)度，特別是足夠的剝離強(qiáng)度。雖然下面在車輛車身部件的背景下描述了方法和組件，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將知道并理解這樣的方法和組件可以用于其它背景下，例如航空航天、船舶、鐵路、建筑結(jié)構(gòu)和工業(yè)設(shè)備應(yīng)用等。

圖1示出了電阻點(diǎn)焊組件10的一個(gè)示例，其能夠用于對(duì)工件堆疊件12進(jìn)行電阻點(diǎn)焊，所述工件堆疊件包括彼此重疊的鋼工件14和鋁工件16。雖然在圖1中未示出，但是如果需要，工件堆疊件12可以包括附加工件，例如附加的鋁工件(鋁-鋁-鋼)或附加的鋼工件(鋁-鋼-鋼)，只要由相同的基底金屬(即鋁或鋼)組成的這兩個(gè)工件在堆疊件12中彼此相鄰即可；即任何附加的鋁工件設(shè)置為鄰近鋁工件16，并且任何附加的鋼工件設(shè)置為鄰近鋼工件14。關(guān)于附加工件的特性，下面描述的鋼工件14和鋁工件16的描述適用于包括在工件堆疊件12中的任何附加的鋼或鋁工件。然而，應(yīng)當(dāng)注意，雖然使用相同的一般描述，但是不要求三個(gè)工件堆疊件的兩個(gè)鋁工件或兩個(gè)鋼工件在組成、厚度或形式(例如鍛造或鑄造)方面是相同的。鋼和鋁工件14、16可以在被組裝到工件堆疊件12之前或之后被加工或變形，這取決于正被制造的零件和用于該特定零件的整個(gè)制造過程的細(xì)節(jié)。術(shù)語(yǔ)“工件”及其鋼和鋁變體在本說(shuō)明書中廣泛使用，是指軋制的金屬板層、鑄件、擠壓件或任何其它可電阻點(diǎn)焊的件。

鋼工件14包括涂覆或未涂覆(即，裸露)的鋼基材。涂覆或未涂覆的鋼基材可以是熱軋或冷軋的，并且可以由多種鋼中的任一種構(gòu)成，包括低碳鋼、無(wú)間隙鋼、烘烤可硬化鋼、高強(qiáng)度低合金(hsla)鋼、雙相(dp)鋼，復(fù)相(cp)鋼、馬氏體(mart)鋼、轉(zhuǎn)變誘發(fā)塑性(trip)鋼、纏繞誘發(fā)塑性(twip)鋼和壓淬鋼(phs)。并且，如果涂覆，鋼基材優(yōu)選包括鋅、鋅-鐵(合金化熱鍍鋅)、鋅-鎳合金、鎳、鋁或鋁硅合金的表面層。術(shù)語(yǔ)“鋼工件”因此包括各種不同等級(jí)和強(qiáng)度的涂覆或未涂覆的鋼基材，并且還包括已經(jīng)經(jīng)過諸如退火、淬火和/或回火的預(yù)焊接處理的那些，例如在加壓淬火鋼的生產(chǎn)中。此外，鋼工件14具有在其焊接部位處獲得的厚度，該厚度在約0.3mm和6.0mm之間，在約0.5mm和4.0mm之間，并且更窄地在約0.6mm和2.5mm之間，盡管其他的厚度尺寸也是可能的。

另一方面，鋁工件16包括可以涂覆或未涂覆(即，裸露)的鋁合金基材。鋁基材可以由單質(zhì)鋁或包括至少85wt％鋁的鋁合金組成?？梢詷?gòu)成涂覆或未涂覆的鋁基材的一些著名的鋁合金是鋁-鎂合金、鋁硅合金、鋁鎂-硅合金或鋁鋅合金。如果涂覆，鋁基材優(yōu)選包括其天然耐火氧化物層的表面層，或者可選地，其可以包括鋅、錫的表面層或由鈦、鋯、鉻或硅的氧化物組成的金屬氧化物轉(zhuǎn)化涂層，如美國(guó)專利申請(qǐng)公開號(hào)2014/0360986中所述。此外，鋁工件16具有在其焊接部位處獲得的厚度，該厚度在約0.3mm和6.0mm之間，在約0.5mm和4.0mm之間，并且更窄地在約0.5mm和3mm之間，盡管其他的厚度尺寸也是可能的。

鋁工件16的鋁基材可以以鍛造或鑄造形式提供。例如，鋁基材可以由4xxx、5xxx、6xxx或7xxx系列鍛造鋁合金片層、擠出件、鍛件或其它加工制品組成?；蛘?，鋁基材可以由4xx.x、5xx.x、6xx.x或7xx.x系列鋁合金鑄件組成?？梢詷?gòu)成鋁基材的一些更具體種類的鋁合金包括aa5754鋁鎂合金，aa6022鋁鎂-硅合金，aa7003鋁-鋅合金和al10simg鋁壓鑄合金。如果需要，鋁基材可以進(jìn)一步用于各種回火，包括退火(o)、應(yīng)變硬化(h)和固溶熱處理(t)。因此，術(shù)語(yǔ)“鋁工件”包括單質(zhì)鋁和各種各樣的鋁合金基材，無(wú)論是涂覆的還是未涂覆的，以不同的可點(diǎn)焊形式包括鍛造板層、擠壓件、鍛件等以及鑄件，并且還包括已經(jīng)經(jīng)過諸如退火、應(yīng)變硬化和固溶熱處理等預(yù)焊接處理的那些。

仍然參考圖1，電阻點(diǎn)焊組件10通常是更大的自動(dòng)化焊接操作的一部分，其包括機(jī)械地和電氣地構(gòu)造成重復(fù)地形成電阻點(diǎn)焊的第一焊槍臂18和第二焊槍臂20。在一個(gè)示例中，第一焊槍臂和第二焊槍臂18、20安裝在位于傳送器或其它傳送裝置附近的機(jī)器人上，該傳送器或其他傳送裝置被設(shè)置成將工件堆疊件12傳送到附隨的焊槍。不同類型的焊槍是適合的，包括c型和x型焊槍，以及其他類型。第一焊槍臂18具有固定第一焊接電極24的第一電極夾持器或柄22，同樣地，第二焊槍臂20具有固定第二焊接電極28的第二電極夾持器或柄26。另外，如本領(lǐng)域中已知的，用于向第一焊接電極24和第二焊接電極28供應(yīng)冷卻水的機(jī)構(gòu)通常并入第一焊槍臂18和第二焊槍臂20中并且并入第一電極夾持器22和第二電極夾持器26，以便在電阻點(diǎn)焊過程期間避免焊接電極24、28過熱。

下面更詳細(xì)地描述第一焊接電極24。第二焊接電極28可以是由合適的銅合金材料(例如通常稱為c15000的銅-鋯合金)組成的常規(guī)電極。也可以使用具有合適的機(jī)械性能和合適的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能的其他銅合金組合物，以及本發(fā)明未明確列舉的其他金屬組合物。第二焊接電極28可以具有各種各樣設(shè)計(jì)中的任何一種。一般而言，并參照?qǐng)D6，第二焊接電極28包括主體29和焊接面31。主體29優(yōu)選地具有圓柱形形狀。主體29的直徑200可以在約12mm至22mm的范圍內(nèi)，或者更確切地在約16mm至20mm的范圍內(nèi)。焊接面31組成第二焊接電極28與鋼工件14表面對(duì)表面接觸的部分，并且部分地或完全地被壓入鋼工件14中。焊接面31的直徑300可以在約3mm至16mm的范圍內(nèi)，或者更確切地在約4mm至8mm的范圍內(nèi)。焊接面31的外表面可以是如圖6所示的圓頂形狀，或者可以是平面的。如果焊接面31是圓頂形狀，優(yōu)選地是球形形狀，曲率半徑為約25mm至400mm，或更確切地約25mm至100mm。

重新參照?qǐng)D1，當(dāng)進(jìn)行電阻點(diǎn)焊時(shí)，焊槍臂18、20在焊接部位30處將它們各自的焊接電極24、28壓靠在重疊工件14、16的相對(duì)側(cè)和外表面15、17上，同時(shí)焊接電極24、28的焊接面37、31彼此交錯(cuò)并彼此對(duì)準(zhǔn)。在焊接部位30處施加的夾緊力可以在約400磅(lb)至2，000磅的范圍內(nèi)，或者更確切地在約600lb至1，300lb的范圍內(nèi)。夾緊力可以足以開始將焊接電極24、28的焊接面37、31壓入外表面15、17中，并形成第一接觸片33(圖6)和第二接觸片35(圖6)。參照?qǐng)D6，一旦焊接電極24、28在焊接部位30處被壓靠在外表面15、17上，那么直流電流通過堆疊工件12并在焊接電極24、28的焊接面37、31之間流過。通常，通過的直流電流在更耐電耐熱的鋼工件14內(nèi)以及在接合界面32處快速生成熱量，從而使熔融鋁合金焊池39在鋁工件16內(nèi)形成和增長(zhǎng)。熔融鋁合金焊池39浸濕鋼工件14的相鄰內(nèi)表面19，并從接合界面32滲透入鋁工件16。更確切地，熔融鋁合金焊池39的穿透距離是鋁工件16厚度400的20％至100％(即，完全穿透鋁工件16)，該距離是在第一接觸片33處在鋁工件16的內(nèi)表面21與鋁工件16的外表面17之間測(cè)量出來(lái)的。

再次參照?qǐng)D1，可以通過由焊接控制器43控制的電源41輸送直流電流，電流通過焊接電極24、28之間。盡管也可以采用其他類型的電源，但是電源41優(yōu)選地是中頻直接控制器(mfdc)逆變器電源，其與焊接電極24、28電連通。根據(jù)包括規(guī)定焊接程序的編程指令，焊接控制器43通過引導(dǎo)直流電流在焊接電極24、28之間交換的方式來(lái)控制電源41。直流電流的編程特性可以使直流電流具有恒定電流水平或者隨時(shí)間脈沖，或兩者的某種組合，并且通常要求電流水平從開始到結(jié)束大體保持在5ka至50ka之間，并持續(xù)40ms至2500ms的時(shí)間，以便使熔融鋁合金焊池39增長(zhǎng)到所需大小。

焊接電極24、28保持它們對(duì)堆疊工件12的外表面15、17的夾持力，直到停止通直流電流為止。在直流電流通過的這段時(shí)間內(nèi)，第一和第二接觸片33、35不成比例增長(zhǎng)，因?yàn)殇X工件16的熔點(diǎn)較低，其軟化的程度比鋼工件14大得多。因此，隨著第一焊接電極24的焊接面37凹入軟化的鋁工件16，與第二焊接電極28相關(guān)的第二接觸片35增長(zhǎng)很少，而與第一焊接電極24相關(guān)的第一接觸片33大大增長(zhǎng)。例如，停止通直流電流后，外表面17中形成的第一接觸片33的表面積通常大于外表面15中形成的第二接觸片35的表面積，兩者的比率為1.5:1至16:1，或更確切地為1.5:1至5:1。這種接觸片尺寸的差異使直流電流以錐形流動(dòng)模式通過堆疊工件12，鋼工件14內(nèi)的電流密度比鋁工件16內(nèi)的電流密度大，這可有助于提高最終焊接接頭的完整性和剝離強(qiáng)度，如以下所詳細(xì)描述。

焊接面37、31之間不再通直流電流后，熔融鋁合金熔池39凝固成焊接接頭45，其將鋁工件16和鋼工件14結(jié)合在一起，如圖7所示。焊接接頭45包括鋁合金焊接熔核47以及通常一個(gè)或多個(gè)fe-al金屬間層49。鋁合金焊接熔核47跨越鋁工件16的距離通常為鋁工件16的厚度400的約20％至約100％(即，完全穿透)的范圍內(nèi)，該距離是在第一接觸片33處在鋁工件16的內(nèi)表面21與鋁工件16的外表面17之間測(cè)量出來(lái)的。fe-al金屬間層49位于鋁合金焊接熔核47和鋼工件14的內(nèi)表面19之間。當(dāng)鋼工件14仍然具有升高的溫度時(shí)，fe-al金屬間層49通常是由于在電流流動(dòng)期間以及電流流動(dòng)后的短時(shí)間內(nèi)熔融鋁合金焊池39和鋼工件14之間反應(yīng)而產(chǎn)生的。fe-al金屬間層49可以包括feal3、fe2al5和其他化合物，并且當(dāng)在相同方向上測(cè)量時(shí)，作為厚度400的組合厚度(即，所有金屬間層的總厚度)通常為約1μm至約5μm。

焊接電極24、28最終與它們各自的接觸片33、35分離，以釋放堆疊工件12。堆疊工件12現(xiàn)在可以相對(duì)于焊槍臂18、20重新定位，使得焊接電極24、28在重復(fù)點(diǎn)焊方法的另一個(gè)焊接部位處定位為軸向面向?qū)?zhǔn)?；蛘撸询B工件12可以從焊槍臂18、20移走，而不是重新定位，以便給需要電阻點(diǎn)焊的另一個(gè)相似堆疊工件騰出空間。焊接電極24、28與其各自的工件14、16分離后，第一接觸片33的表面積比第二接觸片35的表面積大得多，因?yàn)樵陔娏髁鲃?dòng)期間，與第二焊接電極28的焊接面31凹入鋼工件14的程度相比，第一焊接電極24的焊接面37凹入鋁工件16的程度更大。

參照?qǐng)D6，接合界面32位于鋼工件14和鋁工件16之間，在面對(duì)和鄰接工件14、16的內(nèi)表面19、21處。術(shù)語(yǔ)“接合界面”在本發(fā)明中廣泛使用，旨在包括工件14、16的內(nèi)表面19、21之間直接和間接接觸的情況。當(dāng)內(nèi)表面19、21物理地鄰接并且沒有被離散介質(zhì)材料層隔開的情況下，它們彼此直接接觸。當(dāng)內(nèi)表面19、21通過離散介質(zhì)材料層隔開時(shí)，它們彼此間接接觸，因此，不是直接接觸中出現(xiàn)的界面物理鄰接的類型，而是彼此足夠接近，由此仍然可以實(shí)施電阻點(diǎn)焊。由于鋼和鋁工件14、16的內(nèi)表面19、21之間間接接觸，所以通常在堆疊工件12形成期間，在工件14、16彼此疊置之前，在內(nèi)表面19、21之間施加任選的中間材料層(未示出)。

可存在于鋼和鋁工件14、16的內(nèi)表面19、21之間的中間材料層是未固化但可熱固化的結(jié)構(gòu)粘合劑。這種中間材料的厚度通常為0.1mm至2.0mm，或更確切地為0.2mm至1.0mm，使通過中間層進(jìn)行點(diǎn)焊很容易。結(jié)構(gòu)粘合劑可以設(shè)置在鋼和鋁工件14、16的內(nèi)表面19、21之間，以便在點(diǎn)焊之后，堆疊工件12可以在elpo烘箱或其他裝置中加熱來(lái)固化粘合劑并在工件14、16之間實(shí)現(xiàn)輔助結(jié)合。可熱固化結(jié)構(gòu)粘合劑的合適具體示例是可熱固化的環(huán)氧樹脂，其可以包括填料顆粒，例如二氧化硅顆粒，用于在固化時(shí)改變粘合劑的粘度或其他機(jī)械性能。各種可熱固化的環(huán)氧化物可從市場(chǎng)買到，包括dowbetamate1486、henkel5089和uniseal2343。其他類型的材料當(dāng)然也可作為可熱固化的結(jié)構(gòu)粘合劑組成中間材料層。

圖2示出了通過電阻點(diǎn)焊工藝形成的鋁焊接熔核34的微結(jié)構(gòu)，該電阻點(diǎn)焊工藝不使用以下所述的第一焊接電極24及其插入件，而使用一對(duì)通16千安(ka)電流超過500毫秒(ms)焊接時(shí)間的常規(guī)銅合金焊接電極。雖然在一些情況下可以不使用第一焊接電極24及其插入件而形成合適的焊接熔核，但是在該示例中，缺陷d已在接合界面32處出現(xiàn)并沿著接合界面32擴(kuò)散。在其他可能的情況下，缺陷d可以包括縮孔、氣孔、氧化物殘?jiān)臀⒘鸭y。當(dāng)存在并沿接合界面32分散時(shí)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)缺陷d可以減少鋼和鋁工件14、16之間形成的焊接接頭的剝離強(qiáng)度，可能負(fù)面地影響并削弱接頭的整體完整性。此外，除了缺陷d之外，一個(gè)或多個(gè)fe-al金屬間層(對(duì)于圖2的微結(jié)構(gòu)，清晰度太小)也與鋁焊接熔核34一起被認(rèn)為是焊接接頭的一部分，可以在鋼和鋁工件14、16之間并在接合界面32處增長(zhǎng)。fe-al金屬間層可以由feal3和fe2al5以及其他化合物組成，在這種情況下，它通常堅(jiān)硬、易脆。同樣，本發(fā)明中，如果允許fe-al金屬間層過充增長(zhǎng)，那么它可能對(duì)焊接接頭的整體完整性產(chǎn)生負(fù)面影響。

不受特定因果理論的局限，目前認(rèn)為缺陷d沿著接合界面32的累積和擴(kuò)散很大程度上是由熔融鋁焊池在它過渡到焊接熔核34的過程中發(fā)生凝固而導(dǎo)致的。也就是說(shuō)，由于兩種金屬的物理性質(zhì)不同，即鋼的電阻和熱阻比較大，所以在較熱的鋼工件14和較冷的鋁工件16之間可能產(chǎn)生熱不平衡。因此，鋼作為熱源，而鋁作為熱導(dǎo)體，在垂直方向上產(chǎn)生強(qiáng)的溫度梯度，結(jié)果，隨著來(lái)自熔融鋁焊池的熱量通過與鋁工件16接觸的水冷焊接電極被定向提取，熔融鋁焊池從其外周邊向接合界面32冷卻和凝固。凝固前沿的路徑和方向在圖2中通常由箭頭p表示，焊接熔核34的邊界通常由虛線b表示。路徑p指向接合界面32，更傾斜的邊界b(相對(duì)于圖8所示的邊界b)是由朝向接合界面32凝固導(dǎo)致的。以這種方式定向，當(dāng)凝固前沿沿路徑p前進(jìn)時(shí)，焊池缺陷d向接合界面32漫延或進(jìn)行，終止于并沿著接合界面32。此外，最初位于鋁工件16上的表面氧化物層變?yōu)閵A帶在焊接熔核34內(nèi)，不被凝固前沿移向接合界面32而破壞；在接合界面32附近捕獲的氧化物層碎片可以是缺陷的另一個(gè)根源。此外，目前認(rèn)為，fe-al金屬間層的增長(zhǎng)至少部分是因?yàn)樵陔娮椟c(diǎn)焊過程中鋼工件14的溫度升高。

現(xiàn)在參照?qǐng)D3-6，為了限制并在一些情況下完全排除缺陷d在接合界面32處和沿著接合界面32累積和擴(kuò)散，使用插入件36并使其位于第一焊接電極24的環(huán)繞主體38內(nèi)。本文所使用的術(shù)語(yǔ)“插入件”并不一定意味著其所指的部件必須在構(gòu)造第一焊接電極24的過程中物理地插入其合適的位置；相反，該部件可以通過插入或通過插入以外的技術(shù)定位在第一焊接電極24中，其中一些將在下面描述。

插入件36由耐火材料組成，該耐火材料的導(dǎo)電性小于或等于根據(jù)國(guó)際退火銅標(biāo)準(zhǔn)(iacs)規(guī)定的工業(yè)純退火銅的導(dǎo)電性的約65％。根據(jù)iacs(也被稱為100％iacs)的規(guī)定，工業(yè)純退火銅的導(dǎo)電性為5.8×10⁷s/m。用于制造插入件36的耐火材料包括，至少35wt％，優(yōu)選至少50wt％的主要耐火金屬。在一個(gè)示例中，插入件36可以由主要耐火金屬(100wt％主要耐火金屬，盡管含有工業(yè)可接受的雜質(zhì))組成，例如鉬金屬或鎢金屬。在另一個(gè)示例中，插入件36可以由金屬?gòu)?fù)合材料組成，例如鉬金屬?gòu)?fù)合材料或鎢金屬?gòu)?fù)合材料，包括大于35wt％的其主要耐火金屬成分。在一個(gè)優(yōu)選示例中，插入件36由鎢銅金屬?gòu)?fù)合材料組成，其包含，50wt％至90wt％的鎢微粒相，鎢微粒相分散在構(gòu)成復(fù)合材料的剩余50wt％至10wt％的銅基質(zhì)中。另一方面，環(huán)繞主體38可以由與第二焊接電極28相似的材料組成；也就是說(shuō)，主體38可以由銅合金材料組成，該銅合金材料具有的導(dǎo)電性是根據(jù)iacs定義的商業(yè)純退火銅(例如銅鋯合金c15000)的導(dǎo)電性的80％或更大。因此，插入件36材料的導(dǎo)電性比環(huán)繞主體38的導(dǎo)電性低，也比第二焊接電極28的導(dǎo)電性低；由此，插入件36材料的電阻率比環(huán)繞主體38的電阻率高，也比第二焊接電極28的電阻率高。

如圖所示，插入件36幾乎完全位于主體38內(nèi)的第一焊接電極24的構(gòu)造可以以不同的方式實(shí)現(xiàn)，而且可以受插入件36的材料和主體38的材料影響。雖然這樣構(gòu)造，但插入件36和主體38之間的固定應(yīng)該足夠堅(jiān)固，以承受在汽車制造應(yīng)用及其他應(yīng)用中常用的自動(dòng)焊接操作。在一個(gè)示例中，插入件36和主體38通過兩者之間的過盈配合固定在一起。插入件36的形狀和尺寸與限定在主體38內(nèi)部的孔40(圖6)互補(bǔ)。在該示例中，插入件36具有圓柱形形狀，并且孔40形成匹配的圓柱形腔，其他形狀也仍適用。插入件36被用力按壓通過孔40的開口端并進(jìn)入孔40，直到插入件36和孔40的表面42、44(圖3)彼此鄰接并不再進(jìn)一步插入。在另一個(gè)示例中，插入件36和主體38可以通過使用匹配的陰陽(yáng)螺紋的螺紋接合而固定在一起。在又一個(gè)示例中，第一焊接電極24可以被構(gòu)造為通過共擠出工藝具有插入件36和環(huán)繞主體38，其中主體38的材料圍繞插入件36的材料擠出。不過，構(gòu)造第一焊接電極24的其他方式也是適用的。

插入件36定位在主體38的中心區(qū)域處，因此構(gòu)成第一焊接電極24的中心部分；或者插入件36可偏心地定位在主體38內(nèi)。一旦就位，在附圖中呈現(xiàn)的實(shí)施例中，在插入件36的外表面和孔40的內(nèi)表面之間存在表面對(duì)表面鄰抵和接觸。參照?qǐng)D3，這包括表面42、44之間的表面對(duì)表面接觸以及在插入件36的圓柱形外側(cè)表面46和孔40的圓柱形內(nèi)側(cè)表面48之間的表面對(duì)表面接觸。這些表面對(duì)表面接觸可消除其間的任何明顯的間隙和空間，并且可消除其間的任何中間和介入結(jié)構(gòu)或材料。雖然在附圖中并未示出，但插入件36可在主體38內(nèi)具有軸向深度(即，圖3中的垂直向上方向)，該軸向深度跨越裝備在第一焊接電極24中的冷卻機(jī)構(gòu)或冷卻凹窩并且與其鄰抵和連通。然而，插入件36的軸向深度無(wú)需跨越冷卻機(jī)構(gòu)/凹窩，但同時(shí)仍構(gòu)成第一焊接電極24在焊接面37和冷卻機(jī)構(gòu)/凹窩之間測(cè)得的軸向深度的相當(dāng)大的比例。實(shí)際上，在一些示例中優(yōu)選的是，主體38的一部分可使得插入件36分開而以免與任何冷卻機(jī)構(gòu)/凹窩的直接鄰抵和連通，由此用作它們之間的屏障；將插入件36暴露于與冷卻機(jī)構(gòu)/凹窩相關(guān)聯(lián)的焊接水環(huán)境會(huì)導(dǎo)致例如在主體38和插入件36之間出現(xiàn)不期望的電化腐蝕。在一示例中，插入件36的軸向深度可占據(jù)第一焊接電極24的在焊接面37和冷卻機(jī)構(gòu)/凹窩之間測(cè)得的軸向深度的大部分，并且能構(gòu)成第一焊接電極24的在焊接面37和冷卻機(jī)構(gòu)/凹窩之間測(cè)得的軸向深度的大約51％至80％。在一個(gè)示例中，插入件36的軸向深度是大約10mm；當(dāng)然，軸線深度的其它數(shù)值也是可能的。已發(fā)現(xiàn)插入件36的軸向深度有助于有益地影響所產(chǎn)生的熔融鋁焊池的固化性能，例如下文更詳細(xì)地闡述。插入件36的軸向深度在圖5中由附圖標(biāo)記900指代。

具體地參照?qǐng)D5，第一焊接電極24的主體部分50在形狀上是圓柱形的并且可在后端處具有可通入凹部(未示出)，用以聯(lián)接于第一焊接電極22。主體部分50的直徑500可以在約12mm至22mm的范圍內(nèi)，或者更確切地在約16mm至20mm的范圍內(nèi)。第一焊接電極24的焊接面37構(gòu)成第一焊接電極24的與鋁工件16形成表面對(duì)表面接觸的部分，且該部分部分地或完全地壓印到該鋁工件上。焊接面37駐留在第一焊接電極24的前端處并且具有周緣600，該周緣與主體部分50的周緣700(稱為“整面電極”)相一致，或者由過渡鼻部52從周緣700垂直地移位。如果實(shí)際上存在過渡鼻部52，周緣600、700就可如圖中所示是平行的，或者可彼此偏移，藉此周緣600相對(duì)于周緣700傾斜。焊接面37可具有從周緣600升起的圓頂形狀。焊接面37具有在其周緣600處測(cè)得的直徑800，該直徑可以在約6mm至20mm的范圍內(nèi)，或者更確切地在約8mm至12mm的范圍內(nèi)。焊接面37的圓頂形狀可以是具有如下曲率半徑的球形，該曲率半徑可用在從約15mm至300mm的范圍內(nèi)、或者更確切地在約20mm至150mm的范圍內(nèi)、或者甚至更確切地在約20mm至50mm的范圍內(nèi)。附加地并且雖然并未在附圖中示出，焊接面37可具有意圖穿透形成在鋁工件16的外表面17上的任何氧化層的表面特征。例如，如果期望的話，焊接面37可以是有紋理、粗糙的或者具有一組突出環(huán)。這些類型的表面特征的示例在美國(guó)專利號(hào)6,861,609；8,222,560；8,274,010；8,436,269；8,525,066；以及8,927,894中描述。

仍參照?qǐng)D5，插入件36位于主體38內(nèi)，以使得插入件36的露出表面54構(gòu)成焊接面37的與鋁工件16進(jìn)行表面對(duì)表面接觸的部段。焊接面37的剩余部件由主體38的表面56構(gòu)成。這樣，焊接面37由第一部段58和第二部段60構(gòu)成，該第一部段由插入件36的露出表面54限定，而該第二部段由主體38的表面56限定。第一部段58在形狀上是圓形的并且具有插入件36的材料，用于在電阻點(diǎn)焊期間與鋁工件16相接觸。另一方面，第二部段60在形狀上是環(huán)形的并且具有主體38的材料，用于在電阻點(diǎn)焊期間與鋁工件16相接觸。在圖3的實(shí)施例中，插入件36具有與圖4的插入件36的直徑相比減小的直徑，并且由此圖3的插入件36具有相對(duì)較小的第一部段58和較大的第二部段60。插入件36在圖3和4中的大小上的這些差別會(huì)影響所產(chǎn)生的熔融鋁焊池的固化性能，例如下文更詳細(xì)地闡述。

例如在圖5的實(shí)施例中所示，第一部段58駐留在焊接面37的中心區(qū)域處，但這并非是必需的并且也可偏心地駐留在焊接面37處。第二部段60圍繞第一部段58并且由此駐留在焊接面37的周界區(qū)域處。因此，焊接面37的整個(gè)表面積分成第一部段58的表面積和第二部段60的表面積。作為整個(gè)表面積的分配，第一部段58可占據(jù)焊接面37的大約5％和60％之間的整個(gè)表面積，而第二部段60可進(jìn)而占據(jù)焊接面37的大約95％和40％之間的整個(gè)表面積。在尺寸方面，第一部段58可具有范圍在大約7mm²和64mm²之間的總體表面積，而第二部段60可具有范圍在大約50mm²和106mm²之間的總體表面積。仍然，其它示例可具有其它所占據(jù)的百分比并且可具有其他表面積尺寸。

例如所描述地那樣，第一焊接電極24與插入件36的使用通過改變?nèi)廴阡X合金焊池39的固化性能來(lái)排除缺陷d沿著接合界面32的積聚和傳播。首先，由于插入件36的相對(duì)較低導(dǎo)電性，該插入件由于電阻點(diǎn)焊而產(chǎn)生熱量。隨著電流流過插入件36，會(huì)在該插入件中生成熱量(電阻加熱)，并且插入件36可通過從熔融鋁合金焊池39的熱傳導(dǎo)而加熱。由于插入件36所具有的導(dǎo)電性低于環(huán)繞主體38的導(dǎo)電性，因而插入件36內(nèi)的熱量可能高于環(huán)繞主體38處的熱量。此外，由于插入件36具有相對(duì)較低的導(dǎo)熱性(與傳統(tǒng)的cuzr焊接電極相比)，因而插入件36內(nèi)的熱量無(wú)法容易地傳遞至環(huán)繞主體38。因此，插入件36保留位于插入件36和露出表面54下方并且與該插入件和露出表面相接觸的鋁工件16內(nèi)的熱量。否則，在缺少插入件36的情形下，所保留的熱量不會(huì)發(fā)生。與環(huán)繞主體38下方并且與該環(huán)繞主體相接觸的鋁工件16相比，插入件36下方并且與該插入件相接觸的鋁工件16內(nèi)的熱量得以保留較長(zhǎng)的時(shí)間段。所保留的熱量通過圍繞熔融鋁合金焊池39產(chǎn)生三維徑向溫度梯度或者擴(kuò)大已存在的三維徑向溫度梯度來(lái)改變焊接部位30內(nèi)的溫度分布。這些溫度梯度減緩從熔融鋁合金焊池39到第一焊接電極24中的定向熱量流動(dòng)，并且有助于促進(jìn)鋼和鋁工件14、16內(nèi)的側(cè)向熱傳遞和傳播。在熔融鋁合金焊池39固化成焊接接頭45時(shí)，所產(chǎn)生的熱量分布改變?cè)撊廴阡X合金焊池的冷卻作用。

其次，在電流流動(dòng)下，在第一和第二焊接電極24、28之間交換的dc電流在鋼和鋁工件14、16內(nèi)并且在第一焊接電極24處圍繞插入件36呈現(xiàn)錐形流動(dòng)型式(該錐形流動(dòng)型式示意地并且大體在圖6中由附圖標(biāo)記62指代的帶箭頭的線表示)。由于環(huán)繞主體38的材料具有比插入件36的材料較低的導(dǎo)電性，因而通過的電流自然地傾向于流過由主體38的材料所限定的環(huán)形第二部段60。這意指，與經(jīng)由插入件36相比，經(jīng)由主體38在第一焊接電極24中交換較大的電流量。如上所述，錐形流動(dòng)型式62部分地由于第一接觸片33在鋁工件16處的表面積在尺寸上大于第二接觸片35在鋼工件14處的表面積而產(chǎn)生。例如由帶箭頭的線62所示，使得電流通過的路徑從第二焊接電極28的焊接面31朝向第一焊接電極24的焊接面37徑向地?cái)U(kuò)張，以使得與在鋁工件16中相比，電流密度在鋼工件14中較大。與鋁工件16相比，電流密度上的差異使得熱量在鋼工件14內(nèi)部的較小區(qū)域內(nèi)聚集。所聚集的熱量圍繞熔融鋁合金焊池39產(chǎn)生三維徑向溫度梯度，或者擴(kuò)大圍繞該熔融鋁合金焊池的已存在的三維徑向溫度梯度，且由此有助于促進(jìn)從熔融鋁合金焊池39到鋼和鋁工件14、16中的側(cè)向熱傳遞和傳播。

如所描述地那樣，所產(chǎn)生并保留且聚集的熱量用于通過圍繞熔融鋁合金焊池39產(chǎn)生三維徑向溫度梯度或者擴(kuò)大圍繞該熔融鋁合金焊池的已存在三維徑向溫度梯度來(lái)改變焊接部位30內(nèi)的溫度分布。這些溫度梯度減緩進(jìn)入第一焊接電極24的定向熱量流動(dòng)并且有助于促進(jìn)側(cè)向熱傳遞和傳播。隨著熔融鋁合金焊池39固化以變位鋁合金焊接熔核47，所產(chǎn)生的改進(jìn)熱平衡和更均勻的熱量分布改變?nèi)廴阡X合金焊池的冷卻作用。圖8示出期望的鋁焊接熔核64的微結(jié)構(gòu)，該鋁焊接熔核通過使用具有插入件36的第一焊接電極24并且使用第二焊接電極28的電阻點(diǎn)焊形成。代替固化前沿如圖2所示并且如上所述朝向接合界面32傳播，插入件36的效應(yīng)致使熔融鋁合金焊池39從其外周界向內(nèi)朝向中心區(qū)域冷卻并固化。固化前沿的路徑和方向在圖8中通常由箭頭p表示，且鋁焊接熔核64的邊界由虛線b表示。路徑p由于交替的固化路徑而指向鋁焊接熔核64的中心區(qū)域，該固化路徑于是將焊池缺陷d朝向鋁焊接熔核64牽拉或掃掠，在此它們?cè)诮雍辖缑?2處聚結(jié)并沉淀(與廣泛地散布相比)，或者如圖8所示從接合界面32偏移。邊界b比圖2中示出的邊界相對(duì)于接合界面32更正交地指向，這也是交替溫度梯度和所產(chǎn)生的固化路徑的結(jié)果。

更進(jìn)一步地，圖3和4的不同尺寸插入件36可在熔融鋁合金焊池39的冷卻和固化上具有細(xì)微差別的效果，同時(shí)仍排除缺陷d在接合界面32處并且沿著該接合界面的積聚和傳播，如前在圖2中所觀察到的。在圖3中，減小直徑的插入件36導(dǎo)致程度更大的徑向指向的冷卻和固化，其將缺陷d更大程度地朝向產(chǎn)生的鋁焊接熔核的中心牽拉和掃掠，在此，它們更大程度地靠近接合界面32聚結(jié)和沉淀，當(dāng)前認(rèn)為這是由于與圖4的插入件36相比所產(chǎn)生并且保留的減小熱量所引起的。在圖4中，另一方面，增大直徑的插入件36導(dǎo)致更大程度的軸向指向的冷卻和固化，其將缺陷d更大程度地垂直地朝向(如圖4中所示)插入件36并且遠(yuǎn)離接合界面32牽拉和掃掠，當(dāng)前認(rèn)為這是由于與圖3的插入件36相比所產(chǎn)生并保留的增大熱量所引起的。此外，在dc電流停止之后并且在焊接面37仍保留熱量的同時(shí)，剛剛在圖3、4和8中描述并示出的熔融鋁合金焊池39的固化性能可通過保持焊接面37和第一部段58與鋁工件16的外表面17受壓接觸而增大。

產(chǎn)生、保留并且聚集熱量的能力也可減少為了啟動(dòng)和生長(zhǎng)熔融鋁合金焊池39而需要由dc電流在鋼工件14中產(chǎn)生的熱量。因此，dc電流的幅值和/或持續(xù)時(shí)間可減小，以視圖并且限制可能在焊接接頭45內(nèi)和在接合界面32處形成的任何fe-al金屬間層的厚度。由于這一切，焊接接頭45可能表現(xiàn)出良好的總體強(qiáng)度和耐久性，包括當(dāng)經(jīng)受標(biāo)準(zhǔn)剝離強(qiáng)度測(cè)試時(shí)足夠的剝離強(qiáng)度。

最后，第一焊接電極24和插入件36具有又一工作優(yōu)點(diǎn)，其源自插入件36的耐火基材料的相對(duì)較高熔融溫度。確切地說(shuō)，甚至在接近鋁工件16的熔點(diǎn)的溫度下的許多快速電阻點(diǎn)焊事件的過程中，焊接面37的第一部段58對(duì)于在鋁工件16內(nèi)發(fā)現(xiàn)的鋁合金組分是相當(dāng)惰性的。例如，第一部段58并不容易地與鋁合金冶金地起反應(yīng)以形成金屬間化合物、氧化物和/或其它污染物，它們?nèi)绻a(chǎn)生且并未移除的話就會(huì)具有剝落或在焊接面37中形成凹坑的傾向。因此，例如與傳統(tǒng)的銅-鋯焊接電極相比，第一焊接電極24可在校正操作期間承受更多的電阻點(diǎn)焊事件，這可有助于與其它更傳統(tǒng)的銅合金焊接電極相比、最大化并且延長(zhǎng)第一焊接電極24的操作壽命。

優(yōu)選示例性實(shí)施例和相關(guān)示例的上文描述僅僅在本質(zhì)上是說(shuō)明性的；它們并不意圖限制以下權(quán)利要求的范圍。應(yīng)賦予所附權(quán)利要求中使用的每個(gè)術(shù)語(yǔ)普通且習(xí)慣的含義，除非在說(shuō)明書中另有具體地且明確地陳述。