相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用

本申請(qǐng)要求于2016年3月1日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?2/301,690的優(yōu)先權(quán)。上述臨時(shí)申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容以其整體并入本文。

背景技術(shù)：

將鋼工件接合到較輕質(zhì)的鋁工件(非合金鋁或具有85％重量百分比或更多鋁的鋁合金)在許多制造品中提供重量減輕同時(shí)保持適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度。該實(shí)踐諸如像在用于機(jī)動(dòng)車輛的車身面板和其他車身結(jié)構(gòu)構(gòu)件的制造中提供了許多減輕重量的機(jī)會(huì)。許多這樣的部件具有內(nèi)板和外板，該內(nèi)板和外板互補(bǔ)地成形以提供更堅(jiān)固得多的剛性結(jié)構(gòu)以及包圍窗戶、閉合構(gòu)件、絕緣體、電線等。這種內(nèi)板和外板具有例如從約0.3mm至6mm的厚度。鋼工件和鋁工件通常成形為具有類似形狀的外周邊緣或凸緣，這使得它們能夠通過沿其外周策略地定位的一系列適當(dāng)間隔的電阻焊點(diǎn)接合?？晒袒澈蟿┮部梢栽诎褰Y(jié)構(gòu)的閉合時(shí)施加在待接合的面對(duì)的表面之間，以提供另外的結(jié)合強(qiáng)度。

在電阻焊點(diǎn)的形成中，鋼工件和鋁工件在要形成焊點(diǎn)的每個(gè)位置處利用接合的貼合表面以面對(duì)面接觸的方式被堆疊并固定在一起。被以共線面對(duì)置的方式布置抵靠在其相應(yīng)的工件堆疊組件的外表面上的兩個(gè)焊接電極，然后通過重疊和相鄰的鋼工件和鋁工件傳送焊接電流。通過的焊接電流瞬間在鋁工件內(nèi)形成熔融焊池，熔融焊池又使鋼工件的相鄰的貼合表面潤(rùn)濕。鋼工件不熔化并有助于熔融焊池。在短時(shí)段的電流流動(dòng)(通常不長(zhǎng)于一秒或兩秒)之后，焊接電流在相對(duì)的電極仍然壓靠在其相應(yīng)的工件疊層外表面上的情況下終止。鋼工件和鋁工件在周圍環(huán)境中冷卻(盡管兩種材料的熱導(dǎo)率的差異導(dǎo)致熱量從焊接位置通過工件不同地散播)并且熔融焊池在鋁工件中固化以形成結(jié)合到鋼工件的焊接接頭。焊接接頭包括焊接熔核以及通常包括在焊接熔核和鋼工件之間的脆性金屬間層。金屬間層可以包括各種fe-al金屬間化合物。

雖然將鋁工件與互補(bǔ)的鋼工件接合可以減少正被制造的部件的重量，但是由于可以追溯到工件的不同特性的幾個(gè)因素，在鋼鋁貼合界面處形成一個(gè)或多個(gè)電阻焊點(diǎn)是挑戰(zhàn)性的嘗試。這些因素包括在鋁工件上存在表面氧化物層，鋼和鋁工件的熔點(diǎn)的顯著差異(鋼是約1300℃-1500℃而鋁是約600℃)，與鋼工件相比鋁工件明顯更高的熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率，以及鋁和鋼在升高的溫度下在緊密接觸下彼此反應(yīng)以在焊接接頭和鋼工件的結(jié)合界面處形成脆性金屬間層的傾向。更具體地，鋼和鋁工件的不同特性可導(dǎo)致焊接缺陷在焊接接頭和鋼工件的結(jié)合界面處并沿著接合面生成和散布，這對(duì)接頭的強(qiáng)度(包括剝離強(qiáng)度和橫向拉伸強(qiáng)度)具有不利影響。在這種破壞性散布中最常見的焊接缺陷包括表面氧化物殘留、氣孔、微裂紋、縮孔和來自殘留在焊接位置處的任何剩余粘結(jié)劑膜的熱分解的殘余物。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的在包括鋼工件和相鄰的重疊的鋁工件的工件堆疊組件中形成電阻焊點(diǎn)的方法包括若干步驟。首先，提供了一種工件堆疊組件，其包括鋼工件和相鄰的鋁工件，該鋁工件與鋼工件重疊以在其間建立貼合界面。工件堆疊組件具有緊接鋁工件的第一外表面和緊接鋼工件的相反的第二外表面。接下來，第一點(diǎn)焊電極壓靠在工件堆疊組件的第一外表面上，而第二點(diǎn)焊電極壓靠在組件的第二外表面上。第一點(diǎn)焊電極包括具有中心上升凸面的焊接面，該中心上升凸面升起高于圍繞中心上升凸面的環(huán)形表面，使得至少最初，中心上升凸面接觸工件堆疊組件的第一外表面，而第一焊接電極的焊接面的圍繞的環(huán)形表面不接觸。第二點(diǎn)焊電極包括具有中心下降凹面的焊接面，該中心下降凹面降低低于圍繞下降凹面的環(huán)形表面，使得至少最初，第二焊接電極的焊接面的環(huán)形表面接觸工件堆疊組件的第二外表面，而下降凹面不接觸。

該特定實(shí)施例的方法還要求在第一和第二點(diǎn)焊電極的焊接面之間穿過鋼和鋁工件的貼合界面通過電流，以使得鋁工件熔化，并在鋁工件內(nèi)形成熔融焊池，其濕潤(rùn)鋼工件的相鄰表面。最后，在已經(jīng)形成所需尺寸的熔融焊池之后，終止在第一和第二點(diǎn)焊電極的焊接面之間通過的電流，使得熔融焊池固化成焊接接頭，其在點(diǎn)焊位置處將鋼和鋁工件結(jié)合到一起。形成的焊接接頭包括與鋼工件的相鄰表面的結(jié)合界面，其朝向第二點(diǎn)焊電極的焊接面的中心下降凹面變形。

根據(jù)前述實(shí)施例的方法可以以各種方式實(shí)現(xiàn)。例如，工件堆疊組件可以僅包括鋼工件和鋁工件。在這種情況下，鋁工件的外工件表面提供工件堆疊組件的第一外表面，而鋼工件的外工件表面提供工件堆疊組件的第二外表面。這樣，第一點(diǎn)焊電極壓靠在鋁工件的外工件表面上，而第二點(diǎn)焊電極壓靠在鋼工件的外工件表面上。在另一個(gè)示例中，鋁工件可以包括其上具有表面氧化物層的鋁合金基板。此外，第一焊接電極的焊接面的中心上升凸面可以是具有50mm至5mm之間的曲率半徑的球體的截面部分，而第二焊接電極的焊接面的中心下降凹面可以是具有50mm至5mm之間的曲率半徑的球體的截面部分的下沉凹陷。在上述實(shí)施例的方法的其它方面中，在電流通過第一和第二點(diǎn)焊電極之間期間，在中心上升凸面和中心下降凹面之間保持等于工件堆疊組件的總厚度的恒定間隙。

在上述實(shí)施例的方法的另一些方面中，在第一焊接電極的焊接面和第二焊接電極的焊接面之間通過的電流可以沿著徑向向外擴(kuò)展的流動(dòng)路徑分配，該流動(dòng)路徑從第一點(diǎn)焊電極向第二點(diǎn)焊電極延伸，使得在與中心上升凸面的界面處的鋁工件中的電流密度高于在與環(huán)形表面的界面處的鋼工件中的電流密度。此外，在電流流動(dòng)通過期間，第一焊接電極的焊接面的環(huán)形表面可以與工件堆疊組件的第一外表面接觸，由此造成徑向向外擴(kuò)展的電流流動(dòng)路徑停止存在。

根據(jù)本公開的另一個(gè)實(shí)施例的在包括鋼工件和相鄰的重疊的鋁工件的工件堆疊組件中形成電阻焊點(diǎn)的方法包括若干步驟。首先，第一點(diǎn)焊電極的焊接面的中心上升凸面壓靠在工件堆疊組件的第一外表面上，該工件堆疊組件包括鋼工件和與鋼工件重疊的相鄰的鋁工件。同時(shí)，第二點(diǎn)焊電極的焊接面的環(huán)形表面壓靠在工件堆疊組件的與第一外表面相反的第二外表面上。工件堆疊組件的第一外表面緊接鋁工件，而工件堆疊組件的第二外表面緊接鋼工件。通過在第一點(diǎn)焊電極的焊接面的中心上升凸面和第二點(diǎn)焊電極的焊接面的環(huán)形面之間通過電流，形成將鋼工件和鋁工件結(jié)合在一起的電阻焊點(diǎn)，使得在第一焊接電極的焊接面和第二焊接電極的焊接面之間通過的電流沿著徑向向外擴(kuò)展的流動(dòng)路徑分配，該流動(dòng)路徑從第一點(diǎn)焊電極向第二點(diǎn)焊電極延伸，使得在與中心上升凸面的界面處的鋁工件中的電流密度高于在與環(huán)形表面的界面處的鋼工件中的電流密度。

根據(jù)前述實(shí)施例的方法可以以各種方式實(shí)現(xiàn)。例如，焊點(diǎn)可以由完全包含在鋁工件內(nèi)的焊接接頭組成，其包括朝向第二點(diǎn)焊電極變形的與鋼工件的相鄰表面的結(jié)合界面。作為另一示例，第一點(diǎn)焊電極的焊接面還可以包括圍繞中心上升凸面的環(huán)形表面。并且第一焊接電極的焊接面的中心上升凸面可以是具有50mm至5mm之間的曲率半徑的球體的截面部分。此外，第二點(diǎn)焊電極的焊接面還可以包括被環(huán)形表面圍繞的中心下降凹面。第二焊接電極的焊接面的中心下降凹面可以是具有50mm至5mm之間的曲率半徑的球體的截面部分的下沉凹陷。

在上述實(shí)施例的方法的其它方面中，工件堆疊組件可以僅包括鋼工件和鋁工件。在那種情況下，鋁工件的外工件表面提供工件堆疊組件的第一外表面，而鋼工件的外工件表面提供工件堆疊組件的第二外表面。這樣，第一點(diǎn)焊電極壓靠在鋁工件的外工件表面上，而第二點(diǎn)焊電極壓靠在鋼工件的外工件表面上。

在上述實(shí)施例的方法的其他方面中，第一點(diǎn)焊電極的焊接面可以包括圍繞中心上升凸面的環(huán)形表面，以使得中心上升凸面升起高于第一點(diǎn)焊電極的焊接面的環(huán)形表面，而第二點(diǎn)焊電極的焊接面可以包括被第二點(diǎn)焊電極的焊接面的環(huán)形表面圍繞的中心下降凹面。此外，在電流流動(dòng)期間，第一焊接電極的焊接面的環(huán)形表面可以與工件堆疊組件的第一外表面接觸，從而致使電流的徑向向外擴(kuò)展的流動(dòng)路徑停止存在。在上述實(shí)施例的方法的其它方面中，在電流在第一和第二點(diǎn)焊電極之間通過期間，在中心上升凸面和中心下降凹面之間保持等于工件堆疊組件的總厚度的恒定間隙。

本發(fā)明包括如下解決方案：

1、一種在工件堆疊組件中形成電阻焊點(diǎn)的方法，所述工件堆疊組件包括鋼工件和相鄰的重疊的鋁工件，所述方法包括：

提供工件堆疊組件，所述工件堆疊組件包括鋼工件和與所述鋼工件重疊以在其間建立貼合界面的相鄰的鋁工件，所述工件堆疊組件具有緊接所述鋁工件的第一外表面和緊接所述鋼工件的相反的第二外表面；

將第一點(diǎn)焊電極壓靠在所述工件堆疊組件的第一外表面上，第一點(diǎn)焊電極包括具有中心上升凸面的焊接面，所述中心上升凸面升起高于圍繞所述中心上升凸面的環(huán)形表面，其中至少最初，所述中心上升凸面接觸所述工件堆疊組件的第一外表面，而第一焊接電極的焊接面的圍繞的環(huán)形表面不接觸所述工件堆疊組件的第一外表面；

將第二點(diǎn)焊電極壓靠在所述工件堆疊組件的第二外表面上，第二點(diǎn)焊電極包括具有中心下降凹面的焊接面，所述中心下降凹面下降低于圍繞所述下降凹面的環(huán)形表面，其中至少最初，第二焊接電極的焊接面的環(huán)形表面接觸所述工件堆疊組件的第二外表面，而所述下降凹面不接觸所述工件堆疊組件的第二外表面；

使電流在第一點(diǎn)焊電極和第二點(diǎn)焊電極的焊接面之間穿過鋼工件和鋁工件的貼合界面通過，以致使鋁工件熔化并在鋁工件內(nèi)形成潤(rùn)濕鋼工件的相鄰表面的熔融焊池；并且之后，

終止電流在第一點(diǎn)焊電極和第二點(diǎn)焊電極的焊接面之間通過，以使得熔融焊池固化成在焊點(diǎn)位置將鋼工件和鋁工件結(jié)合在一起的焊接接頭，并且其中所述焊接接頭包括與所述鋼工件的相鄰表面接合的結(jié)合界面，所述結(jié)合界面朝向第二點(diǎn)焊電極的焊接面的中心下降凹面變形。

2、根據(jù)方案1所述的方法，其中所述鋁工件的外工件表面提供所述工件堆疊組件的第一外表面，而所述鋼工件的外工件表面提供所述工件堆疊組件的第二外表面，并且其中第一點(diǎn)焊電極壓靠在所述鋁工件的外工件表面上，而第二點(diǎn)焊電極壓靠在所述鋼工件的外工件表面上。

3、根據(jù)方案1所述的方法，其中所述鋁工件包括其上具有表面氧化物層的鋁合金基板。

4、根據(jù)方案1所述的方法，其中第一焊接電極的焊接面的中心上升凸面是具有50mm至5mm之間的曲率半徑的球體的截面部分。

5、根據(jù)方案1所述的方法，其中第二焊接電極的焊接面的中心下降凹面是具有50mm至5mm之間的曲率半徑的球體的截面部分的下沉凹陷。

6、根據(jù)方案1所述的方法，其中在電流在第一點(diǎn)焊電極和第二點(diǎn)焊電極之間通過期間，在所述中心上升凸面和所述中心下降凹面之間保持等于所述工件堆疊組件的總厚度的恒定間隙。

7、根據(jù)方案1所述的方法，其中在第一焊接電極的焊接面和第二焊接電極的焊接面之間通過的電流沿著徑向向外擴(kuò)展的流動(dòng)路徑分配，所述流動(dòng)路徑從第一點(diǎn)焊電極向第二點(diǎn)焊電極延伸，以使得在與第一點(diǎn)焊電極的焊接面的中心上升凸面的界面處的鋁工件中的電流密度高于在與第二點(diǎn)焊電極的焊接面的環(huán)形表面的界面處的鋼工件中的電流密度。

8、根據(jù)方案7所述的方法，其中在電流在第一點(diǎn)焊電極和第二點(diǎn)焊電極的焊接面之間通過期間，第一焊接電極的焊接面的環(huán)形表面與第一外表面接觸，從而導(dǎo)致電流的徑向向外擴(kuò)展的流動(dòng)路徑停止存在。

9、一種在工件堆疊組件中形成電阻焊點(diǎn)的方法，所述工件堆疊組件包括鋼工件和相鄰的重疊的鋁工件，所述方法包括：

將第一點(diǎn)焊電極的焊接面的中心上升凸面壓靠在所述工件堆疊組件的第一外表面上，所述工件堆疊組件包括鋼工件和與所述鋼工件重疊的相鄰鋁工件，所述工件堆疊組件的第一外表面緊接所述鋁工件；

將第二點(diǎn)焊電極的焊接面的環(huán)形表面壓靠在所述工件堆疊組件的與第一外表面相反的第二外表面上，所述工件堆疊組件的第二外表面緊接所述鋼工件，并且其中第一點(diǎn)焊電極的焊接面和第二點(diǎn)焊電極的焊接面關(guān)于公共軸線對(duì)準(zhǔn)并居中；

形成將鋼工件和鋁工件結(jié)合在一起的電阻焊點(diǎn)，其中形成電阻焊點(diǎn)包括使電流在第一點(diǎn)焊電極的焊接面的中心上升凸面和第二點(diǎn)焊電極的焊接面的環(huán)形表面之間通過，以使得在第一焊接電極的焊接面和第二焊接電極的焊接面之間通過的電流沿著徑向向外擴(kuò)展的流動(dòng)路徑分布，所述流動(dòng)路徑從第一點(diǎn)焊電極向第二點(diǎn)焊電極延伸，以使得在與第一點(diǎn)焊電極的焊接面的中心上升凸面的界面處的鋁工件中的電流密度高于在與第二點(diǎn)焊電極的焊接面的環(huán)形表面的界面處的鋼工件中的電流密度。

10、根據(jù)方案9所述的方法，其中所述焊點(diǎn)由完全包含在所述鋁工件內(nèi)的焊接接頭組成，所述焊接接頭包括與所述鋼工件的相鄰表面的結(jié)合界面，所述結(jié)合界面朝向第二點(diǎn)焊電極變形。

11、根據(jù)方案9所述的方法，其中第一點(diǎn)焊電極的焊接面還包括圍繞所述中心上升凸面的環(huán)形表面。

12、根據(jù)方案11所述的方法，其中第一焊接電極的焊接面的中心上升凸面是具有50mm至5mm之間的曲率半徑的球體的截面部分。

13、根據(jù)方案9所述的方法，其中第二點(diǎn)焊電極的焊接面還包括由環(huán)形表面圍繞的中心下降凹面。

14、根據(jù)方案13所述的方法，其中第二焊接電極的焊接面的中心下降凹面是具有50mm至5mm之間的曲率半徑的球體的截面部分的下沉凹陷。

15、根據(jù)方案9所述的方法，其中所述鋁工件的外工件表面提供所述工件堆疊組件的第一外表面，而所述鋼工件的外工件表面提供所述工件堆疊組件的第二外表面，并且其中第一點(diǎn)焊電極壓靠在所述鋁工件的外工件表面上，而第二點(diǎn)焊電極壓靠在所述鋼工件的外工件表面上。

16、根據(jù)方案9所述的方法，其中第一點(diǎn)焊電極的焊接面包括圍繞中心上升凸面的環(huán)形表面，以使得中心上升凸面升起高于第一點(diǎn)焊電極的焊接面的環(huán)形表面，并且其中第二點(diǎn)焊電極的焊接面包括中心下降凹面，所述中心下降凹面由第二點(diǎn)焊電極的焊接面的平的環(huán)形表面圍繞。

17、根據(jù)方案16所述的方法，其中在電流在第一點(diǎn)焊電極和第二點(diǎn)焊電極的焊接面之間通過期間，第一焊接電極的焊接面的環(huán)形表面與第一外表面接觸，從而導(dǎo)致電流的徑向向外擴(kuò)展的流動(dòng)路徑停止存在。

18、根據(jù)方案9所述的方法，其中在電流在第一點(diǎn)焊電極和第二點(diǎn)焊電極之間通過期間，在所述中心上升凸面和所述中心下降凹面之間保持等于所述工件堆疊組件的總厚度的恒定間隙。

附圖說明

圖1是工件堆疊組件的截面形式的放大示意側(cè)視圖，工件堆疊組件包括在鋼工件頂部上的鋁工件，其中上部第一點(diǎn)焊電極(其包括具有中心上升凸面和圍繞的環(huán)形表面的焊接面)定位成緊接鋁工件地與堆疊組件接合，并且下部第二點(diǎn)焊電極(其包括具有中心下降凹面和圍繞的環(huán)形表面的焊接面)定位成緊接鋼工件地與堆疊組件接合；

圖2是圖1的點(diǎn)焊電極和工件堆疊組件的截面形式的放大示意側(cè)視圖，其中電極已經(jīng)被壓成與根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的工件堆疊組件的相反的外表面初始接合，并且電流在焊點(diǎn)位置處穿過工件在相對(duì)的點(diǎn)焊電極之間通過；

圖3是圖1-2所示的點(diǎn)焊電極和工件堆疊組件的截面形式的放大示意側(cè)視圖，其中通過在相對(duì)的點(diǎn)焊電極之間并且通過工件堆疊瞬時(shí)通過電流，在焊點(diǎn)位置處形成包括完全包含在鋁工件內(nèi)的焊接接頭的焊點(diǎn)；和

圖4是類似于圖1所示的工件堆疊組件和相對(duì)的第一和第二點(diǎn)焊電極的截面形式的放大示意側(cè)視圖，盡管此處中心上升凸面和中心下降凹面的幾何形狀不同于圖1所示的幾何形狀。

具體實(shí)施方式

本公開涉及一種用于在鋁工件和鋼工件之間形成電阻焊點(diǎn)的相對(duì)的點(diǎn)焊電極的設(shè)計(jì)，鋁工件和鋼工件在工件堆疊組件中彼此相鄰定位。用于在鋁工件和鋼工件之間形成焊點(diǎn)的點(diǎn)焊電極包括配合的焊接面。具體地，一個(gè)電極具有帶有凸形中心部分的焊接面，用于緊接鋁工件地與堆疊組件的外表面接合，而另一相對(duì)電極具有帶有互補(bǔ)地成形和確定尺寸的凹形中心部分焊接面，用于緊接鋼工件地與堆疊組件的相反外表面接合。帶有其配合的焊接面的點(diǎn)焊電極的組合沿著徑向向外擴(kuò)張的流動(dòng)路徑分配電流通過面對(duì)的焊接面之間，該流動(dòng)路徑從緊接鋁工件的電極向緊接鋼工件的電極延伸。由上述點(diǎn)焊電極形成的焊點(diǎn)的特征在于更堅(jiān)固、更耐剝離和橫向拉伸的焊接接頭，其包括在點(diǎn)焊位置處的與其相鄰的鋼工件的貼合表面的變形的非平面(離開表面平面)的結(jié)合界面(例如，彎曲或成角度的)和更薄的金屬間層，這取決于實(shí)施的相對(duì)焊接面的配合的幾何形狀。

本文描述的相對(duì)的協(xié)作的點(diǎn)焊電極的配合的焊接面已經(jīng)被特別地修改，以適應(yīng)電阻點(diǎn)焊重疊和相鄰的鋼工件和鋁工件的實(shí)踐，盡管融合了伴隨不同金屬材料的點(diǎn)焊的復(fù)雜考慮。如上所述，在鋁工件和鋼工件之間在一致的基礎(chǔ)上形成良好質(zhì)量的電阻焊點(diǎn)不是簡(jiǎn)單的任務(wù)，其只能通過采用在過去開發(fā)的用于類似組成的工件(例如，鋼與鋼或鋁與鋁)的傳統(tǒng)點(diǎn)焊技術(shù)來解決?？梢钥隙ǖ氖?，鋁工件和鋼工件的點(diǎn)焊引起了許多必須處理的問題，包括例如鋁和鋼的不同成分，鋁和鋼的明顯不同的物理性質(zhì)(包括它們的熔點(diǎn)以及熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率)以及在鋁工件上存在機(jī)械堅(jiān)硬和電絕緣的表面氧化物層，否則所獲得的構(gòu)成焊點(diǎn)的焊接接頭的強(qiáng)度和其他機(jī)械性能可能受損。

現(xiàn)在參考圖1-3，描述了具有配合的焊接面的點(diǎn)焊電極以及使用那些點(diǎn)焊電極的方法。在圖1的放大示意圖中，示出了工件堆疊組件32，其包括鋼工件板10的一部分和鋁工件12的相鄰重疊部分。組裝的鋼工件10和鋁工件12可以分別是，例如，用于機(jī)動(dòng)車輛的鋁外部車身側(cè)面板和鋼內(nèi)體側(cè)面板的部分。每個(gè)面板可以已經(jīng)被預(yù)先成形。鋼工件和鋁工件10，12在延伸通過需要接合的焊點(diǎn)位置的貼合界面34處進(jìn)行界面接觸。工件10，12之間在它們的貼合界面34處經(jīng)歷的接觸可以是直接接觸或間接接觸，例如像當(dāng)存在通過粘合劑或密封墊或其它薄中間材料的焊接時(shí)。工件的所示部分可以位于例如堆疊組件32的周邊，其中沿著周邊邊緣以間隔分開對(duì)齊的方式形成一系列電阻焊點(diǎn)。

鋼工件10包括來自寬泛種類的強(qiáng)度和等級(jí)中任一種的鋼基板，其被涂覆或未被涂覆。鋼基板可以是熱軋或冷軋的，并且可以由鋼組成，諸如低碳鋼、無間隙鋼、烘烤硬化鋼、高強(qiáng)度低合金(hsla)鋼、雙相(dp)鋼、復(fù)合相(cp)鋼、馬氏體(mart)鋼、轉(zhuǎn)變誘導(dǎo)塑性(trip)鋼、纏繞誘導(dǎo)塑性(twip)鋼和諸如當(dāng)鋼工件10包括加壓硬化鋼(phs)時(shí)的硼鋼。如果被涂覆，則鋼基板優(yōu)選包括鋅(鍍鋅)表面層、鋅-鐵合金(合金化熱鍍鋅)表面層、鋅-鎳合金表面層、鎳表面層、鋁表面層、鋁-鎂合金表面層、鋁-鋅合金表面層或鋁-硅合金表面層，其中任何一種表面層可以具有高達(dá)50μm的厚度，并且可以存在于鋼基板的每一側(cè)上?？紤]到鋼基板的厚度和可能存在的任何可選的表面層，至少在焊點(diǎn)位置，鋼工件10可以具有范圍為從0.3mm至6.0mm或更窄地從0.6mm至2.5mm的厚度。

鋁工件12包括涂覆或未涂覆的鋁基板。鋁基板可以由非合金鋁或包含至少85％重量百分比的鋁的鋁合金組成?？梢詷?gòu)成涂覆或未涂覆的鋁基板的一些著名的鋁合金是鋁-鎂合金、鋁-硅合金、鋁-鎂-硅合金和鋁-鋅合金。如果被涂覆，則鋁基板可以包括由氧化鋁化合物和可能的其它氧化物化合物(諸如如果鋁基板是鋁-鎂合金的情況下的氧化鎂化合物)組成的耐熔氧化物材料的表面層。鋁基板也可以涂覆有鋅、錫層或由鈦、鋯、鉻或硅的氧化物組成的金屬氧化物轉(zhuǎn)化涂層，如在美國(guó)專利公開物no.2014/0360986中所描述的。表面層可以具有范圍從1nm至10μm的厚度，并且可以存在于鋁基板的每一側(cè)上?？紤]到鋁基板的厚度和可能存在的任何可選表面層，至少在焊點(diǎn)位置，鋁工件12可以具有范圍從0.3mm至約6.0mm或更窄地從0.5mm至3.0mm的厚度。。

鋁工件12的鋁基板可以以鍛造或鑄造形式提供。例如，鋁基板可以由4xxx，5xxx，6xxx或7xxx系列鍛造鋁合金板層、擠壓件、鍛冶件或其他加工的制品組成?；蛘?，鋁基板可以由4xx.x，5xx.x，6xx.x或7xx.x系列鋁合金鑄件組成?？梢詷?gòu)成鋁基板的一些更具體種類的鋁合金包括但不限于aa5754和aa5182鋁-鎂合金，aa6111和aa6022鋁-鎂-硅合金，aa7003和aa7055鋁-鋅合金以及al-10si-mg鋁壓鑄合金。如果需要，鋁基板還可以用于各種鍛煉中，包括退火(o)，應(yīng)變硬化(h)和固溶熱處理(t)。

工件堆疊組件32包括緊接鋁工件12的第一外表面36和緊接鋼工件10的第二外表面38。在此上下文中使用的術(shù)語“緊接”意思是實(shí)際鋁工件10或鋼工件12的表面，或者堆疊組件32中與鋁工件10或鋼工件12相同側(cè)的附近工件的表面。例如，當(dāng)在堆疊組件32中僅存在鋼工件10和鋁工件12(例如，“2t”疊層)時(shí)，此處如圖1-3所示，鋁工件12的外工件表面12′提供第一外表面36，并且鋼工件10的外工件表面10′提供第二外表面38。然而，在其他實(shí)施例中，可以將另外的工件設(shè)置在相鄰的鋼工件10和鋁工件12的一側(cè)或兩側(cè)上，只要另外的工件具有與其直接相鄰的鋼工件10或鋁工件12相同的基體金屬類型即可。例如，工件堆疊組件32可以包括鄰近并覆蓋鋁工件12的與鋼工件10相鄰放置的外工件表面12′設(shè)置的另外的鋁工件，和/或其可以包括鄰近并覆蓋鋼工件10的與鋁工件12相鄰放置的外工件表面10′設(shè)置的另外的鋼工件。當(dāng)存在另一個(gè)另外的工件時(shí)，堆疊組件32的第一和/或第二外表面的36，38可以由另外的工件提供。

除了重疊以形成貼合界面34的相鄰的鋼工件10和鋁工件12之外工件堆疊組件32還可以包括至少一個(gè)其它另外的工件的事實(shí)，并不改變配合的焊接電極的基本功能或它們對(duì)相鄰鋼工件和鋁工件10，12之間形成的焊點(diǎn)的作用。在任一情況下，如下面將進(jìn)一步說明的，包括包含在鋁工件12內(nèi)的焊接接頭的焊點(diǎn)由在點(diǎn)焊電極之間傳送的電流形成，并且固化后得到的焊接接頭結(jié)合到鋼工件10的相鄰貼合表面。因此，為了簡(jiǎn)單起見，圖1-3所示的工件堆疊組件32的整體描述僅利用相鄰的鋼工件10和鋁工件12說明，原因是在這兩個(gè)工件10，12之間發(fā)生的結(jié)合動(dòng)作實(shí)際上是相同的，而無論是否另外的工件緊挨工件10，12的一者或兩者設(shè)置。但是，點(diǎn)焊電極的結(jié)構(gòu)以及它們結(jié)合工件堆疊組件32的使用也完全適用于僅包括相鄰的鋼工件和鋁工件10，12的組件以及包括另外的一個(gè)工件或多個(gè)工件的其他組件。

在圖1中，第一中空?qǐng)A柱形電阻點(diǎn)焊電極14定位成面對(duì)堆疊組件32的第一外表面36，其如圖所示也可以是鋁工件12的外工件表面12′。另外，第二中空?qǐng)A柱形電阻點(diǎn)焊電極16定位成面對(duì)堆疊組件32的第二外表面38，其如圖所示可以是鋼工件10的外工件表面10′。第一電阻點(diǎn)焊電極14包括第一焊接面40，而第二電阻點(diǎn)焊電極16包括第二焊接面42。第一和第二焊接電極14，16的第一和第二焊接面40，42關(guān)于公共中心軸線18(其還延伸通過預(yù)期的焊點(diǎn)位置的中心)對(duì)準(zhǔn)，但不必與電極14，16的主體對(duì)準(zhǔn)，因?yàn)楹附用?0，42可相對(duì)于主體傾斜以更好地接近。每個(gè)電極14，16的主體部分44(其可以具有15mm至20mm之間的直徑)被加工或成形以形成相似的中空內(nèi)部20，用于將電極14，16附接到單獨(dú)的、可移動(dòng)的、相對(duì)的焊接臂(未示出)，該焊接臂被構(gòu)造成在電極14，16之間傳送設(shè)計(jì)的電流。冷卻劑也可以通過每個(gè)焊接臂輸送，以將附接的焊接電極14，16保持在合適的溫度。焊接臂的相應(yīng)運(yùn)動(dòng)被設(shè)計(jì)為將兩個(gè)點(diǎn)焊電極14，16定位在工件堆疊組件30的相對(duì)側(cè)上，以使得焊接面40，42關(guān)于公共軸線18對(duì)準(zhǔn)以形成電阻焊點(diǎn)。

第一和第二點(diǎn)焊電極14，16的形狀不同主要在于它們的焊接面40，42的設(shè)計(jì)。對(duì)于第一和第二點(diǎn)焊電極14，16中的每一個(gè)，其端部之一從圓柱形主體44的外徑變細(xì)成截頂圓錐體22或截頂球體的形狀，具有環(huán)形表面(第一焊接電極14上的表面24，和第二焊接電極16上的表面26)，用于容納電極14，16的中心焊接面部分。在與工件堆疊組件32的第一外表面36接合的第一點(diǎn)焊電極14中，焊接面40具有中心上升凸面28，其升起高于圍繞并鄰接凸面28的環(huán)形表面24。中心上升凸面28可以是具有50mm至5mm之間以及更窄地25mm至8mm之間的曲率半徑的球體的截面部分。環(huán)形表面24可以是標(biāo)稱平的，可以垂直于公共軸線18取向，如圖所示，或者它可以相對(duì)于公共軸線18成角度。此外，環(huán)形表面26可以是標(biāo)稱平的(其平面性水平允許通過噴砂等方法進(jìn)行隨機(jī)表面粗糙化)，或者其可以包括進(jìn)一步限定的表面下沉部或突起，例如直立的徑向間隔開的直立的圓形隆起。中心上升凸面28在其最寬尺寸處的直徑可以是2mm至15mm或者更窄地是3mm至10mm的范圍，而由環(huán)形表面24的周邊限定的整個(gè)第一焊接面40的直徑可以是3mm至20mm或更窄地是4mm至12mm的范圍。

相反，在與工件堆疊組件32的第二外表面38接合的第二點(diǎn)焊電極16中，焊接面42具有中心下降凹面30，其下降低于圍繞并鄰接凹面30的環(huán)形表面26。中心下降凹面30可以形成為具有也位于50mm至5mm之間，或者更窄地位于25mm至8mm之間的曲率半徑的球體的截面部分的下沉的凹陷。環(huán)形表面26可以是標(biāo)稱平的，可以垂直于公共軸線18限向，如圖所示，或者其可以相對(duì)于公共軸線18成角度。此外，環(huán)形表面26優(yōu)選是標(biāo)稱平的。中心下降凹面30在其最寬尺寸處的直徑可以是2mm至15mm或者更窄地是3mm至10mm的范圍，而由環(huán)形表面26的周邊限定的整個(gè)第二焊接面42的直徑可以是3mm至20mm或者更窄地是4mm至12mm的范圍。第二焊接面42的中心下降凹面30和第一焊接面40的中心上升凸面28的尺寸和形狀被設(shè)定為具有配合關(guān)系，即使兩個(gè)焊接面40，42在電阻點(diǎn)焊期間實(shí)際上彼此不接合。

第一點(diǎn)焊電極14的焊接面40和第二點(diǎn)焊電極16的焊接面42之間的配合關(guān)系可以是互補(bǔ)的，其中中心上升凸面28和中心下降凹面30是匹配的配對(duì)物，以使得接合在一起時(shí)焊接面40，42的中心部分的凸面28緊貼地配合在凹面30內(nèi)。在另一個(gè)實(shí)施例中，第一點(diǎn)焊電極14的焊接面40和第二點(diǎn)焊電極16的焊接面42之間的配合關(guān)系可以適應(yīng)工件堆疊組件32的總厚度；即中心上升凸面28和中心下降凹面30的尺寸使得在點(diǎn)焊期間(并且更具體地是在電流流動(dòng)期間)可以在表面28，30之間保持等于堆疊組件32的總厚度的恒定間隙。例如，如果中心上升凸面28和中心下降凹面30是球體形成的，則兩個(gè)中心焊接面部分40，42的曲率半徑的差優(yōu)選地是在1mm至8mm之間，但是更大或者更小的差可以根據(jù)堆疊組件32的總厚度采用。實(shí)際上，如果1mm的鋁工件被焊接到2mm的鋼工件，因此產(chǎn)生3mm的總疊層厚度，則第一點(diǎn)焊電極14的焊接面40的中心上升凸面28可以具有17mm的曲率半徑，而第二點(diǎn)焊電極16的焊接面42的中心下降凹面30可以具有20mm的曲率半徑。

第一和第二點(diǎn)焊電極14，16可以由任何合適的導(dǎo)電和導(dǎo)熱材料形成。例如，點(diǎn)焊電極14，16可以由具有至少45％iacs的電導(dǎo)率和至少180w/mk的熱導(dǎo)率的材料構(gòu)成。符合該標(biāo)準(zhǔn)的一些材料類別包括銅合金和包括至少35％重量百分比，并且優(yōu)選地包括至少50％重量百分比的難熔金屬的耐熔基材料。合適的銅合金的具體示例包括c15000銅-鋯(cuzr)合金、c18200銅-鉻(cucr)合金和c18150銅-鉻-鋯(cucrzr)合金，而合適的耐熔基材料可包括鉬或鎢微粒相，例如鎢-銅金屬?gòu)?fù)合材料，其含有分散在銅基體(其構(gòu)成復(fù)合材料的余量(50％重量百分比至10％重量百分比之間))中的50％重量百分比至90％重量百分比之間的鎢微粒相。當(dāng)然，也可以使用滿足適用的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率標(biāo)準(zhǔn)的這里未明確列出的其他材料。

現(xiàn)在參考圖2-3中呈現(xiàn)的截面視圖，示出了第一和第二點(diǎn)焊電極14，16在工件堆疊組件32上執(zhí)行電阻點(diǎn)焊的使用。首先，如圖2所示，并且在焊接面40，42關(guān)于公共軸線18對(duì)準(zhǔn)并居中的情況下，第一點(diǎn)焊電極14的中心上升凸面28緊接鋁工件12地接觸工件堆疊組件32的第一外表面36，并且圍繞第二點(diǎn)焊電極16的中心下降凹面30的優(yōu)選平的環(huán)形表面26緊接鋼工件10地接觸組件32的第二外表面38。如果需要與工件直接接觸(即凸面28與鋁工件12的外表面12′之間的直接接觸或者環(huán)形表面26和鋼工件10的外表面10′之間的直接接觸)或與覆蓋在所討論的工件上的相同基材金屬類型的另一工件表面接觸，則焊接電極14，16的接觸是“緊接”其相應(yīng)的工件10，12。圍繞中心上升凸面28的環(huán)形表面24和中心下降凹面30在初始接觸時(shí)不接觸它們相應(yīng)的工件堆疊組件32的表面36，38。兩個(gè)點(diǎn)焊電極14，16對(duì)工件堆疊組件32的相應(yīng)表面36，38施加400lb至2000lb，或更窄地600lb至1300lb的初始相對(duì)的壓力，正如在點(diǎn)焊電極14，16的焊接面40，42之間并穿過工件10，12通過典型地在5ka至50ka之間并且總持續(xù)時(shí)間為40ms至2500ms或者更窄地為200ms至1000ms的電流。

通過的電流將具有更高的電阻和熱阻的鋼工件10快速加熱到高于鋁工件12的相鄰部分的熔點(diǎn)或范圍的溫度。來自鋼工件10的熱量被傳遞到鋁工件12的相鄰部分以在鋁工件12中產(chǎn)生熔融焊池，其潤(rùn)濕鋼工件10的相鄰貼合表面。通過熔融鋁對(duì)鋼工件貼合表面的這種潤(rùn)濕傾向于致使熔融鋁與來自鋼工件10的鐵反應(yīng)或融化鐵，同時(shí)沿著鋼工件10的表面同時(shí)地生長(zhǎng)脆性金屬間層，其可以包括feal3化合物，fe2al5化合物，以及可能的其它fe-al金屬間化合物。在第一和第二點(diǎn)焊電極14，16的焊接面40，42之間的電流流動(dòng)終止時(shí)，在鋁工件12內(nèi)產(chǎn)生的熔融焊池固化成包括焊接接頭52的焊點(diǎn)50(圖3)。焊接接頭52包括重新固化的鋁工件材料的熔核(其通常具有6mm至8mm范圍內(nèi)的標(biāo)稱直徑)以及沿著焊接接頭52和鋼工件10的結(jié)合界面54的金屬間層。因?yàn)檫^厚的金屬間層被認(rèn)為在剝離和橫向拉伸兩方面不利地影響焊點(diǎn)的強(qiáng)度，所以期望的金屬間層的厚度不超過4μm，并且更優(yōu)選地保持2μm以下的厚度。

現(xiàn)在返回參考圖2，可以看出，第一點(diǎn)焊電極14的中心上升凸面28和圍繞第二點(diǎn)焊電極16的中心下降凹面30的優(yōu)選平的環(huán)形表面26的組合協(xié)作，以分配電流沿著徑向向外擴(kuò)展的流動(dòng)路徑56在焊接面40，42之間通過，該流動(dòng)路徑從第一點(diǎn)焊電極14向第二點(diǎn)焊電極16延伸。這導(dǎo)致在鋁工件12中的與第一點(diǎn)焊電極14的焊接面40的中心上升凸面28的界面處的非常高的電流密度，和在鋼工件10中的與第二點(diǎn)焊電極16的焊接面42的環(huán)形表面26的界面處的低得多的電流密度，這意味著在建立流動(dòng)路徑56的同時(shí)，實(shí)際上沒有電流流動(dòng)通過熔融焊池的中心區(qū)域。

鋼工件10內(nèi)減小的電流密度有助于減小橫跨焊接接頭52的整個(gè)結(jié)合界面54的金屬間層的厚度，但是在焊接接頭52的中心區(qū)域處這樣做是特別有效的。此外，由于避免了在熔融焊池中心處的熱集中，所以更少涉及液態(tài)鋁的過熱和排出。圍繞第一點(diǎn)焊電極14的焊接面40的上升凸面28的環(huán)形表面24可以最終以高水平的片材下沉與堆疊組件32的第一外表面34接觸。如果發(fā)生這種接觸，則徑向向外擴(kuò)展的流動(dòng)路徑56將開始消失并且實(shí)際上可以停止存在，特別是如果第一點(diǎn)焊電極14的焊接面40的環(huán)形表面24是平的以匹配第二點(diǎn)焊電極16的焊接面42的優(yōu)選平的環(huán)形表面，以導(dǎo)致更均勻的圓柱形電流流動(dòng)路徑和焊接面40的進(jìn)一步下沉的停止。

現(xiàn)在參考圖3，已經(jīng)完成并終止了設(shè)計(jì)電流流動(dòng)，并且形成了焊接接頭焊點(diǎn)52。如圖所示，第一和第二焊接電極14，16通過其配合的焊接面40，42的使用在鋁工件12內(nèi)形成了焊接接頭52，并且導(dǎo)致焊接接頭52和鋼工件10的結(jié)合界面54朝向中心下降凹面30變形成非平面輪廓，例如彎曲或成角度的輪廓。沿結(jié)合界面54接合的焊接接頭52和鋼工件10的相鄰的焊接結(jié)合部分58在焊點(diǎn)位置處已經(jīng)從工件10，12的原始平面輪廓變形為球形彎曲的形狀。鋁工件12的大部分厚度已經(jīng)橫跨焊接接頭52維持，同時(shí)由于感應(yīng)電流流動(dòng)路徑56造成的熔融焊池內(nèi)的更均勻、擴(kuò)展的溫度分布已經(jīng)使沿著結(jié)合界面54的fe-al金屬間化合物的形成最小化并重新分布，從而使金屬間層的厚度最小化。除了幫助抑制脆生金屬間層的生長(zhǎng)之外，還認(rèn)為由配合的焊接面40，42的壓力產(chǎn)生的剪切力有助于破壞并重新定位可能原本存在于鋁工件12上的氧化物膜殘留物，因此最小化氧化膜的有害影響。此外，通過形成彎曲的結(jié)合界面54，其在圖3中理想地示出，由剝離強(qiáng)度和橫向拉伸強(qiáng)度測(cè)量的接頭強(qiáng)度可以被增強(qiáng)，因?yàn)榱鸭y不容易沿著非平的結(jié)合界面54傳播。

在上面的描述中，描述了第一點(diǎn)焊電極14的焊接面40的中心上升凸面28和第二點(diǎn)焊電極16的焊接面42的中心下降凹面30的一個(gè)特定實(shí)施例，其中那些面28，30中的每一個(gè)可以是球形的。然而，中心上升凸面28和中心上升凹面30的形狀不僅限于配合的球形幾何形狀，因?yàn)槠渌浜系膸缀涡螤羁筛鶕?jù)上述原理和教導(dǎo)而起作用。例如，中心上升凸面28可以升起高于它的圍繞的環(huán)形表面24，同時(shí)形成為橢圓體的截面部分、截頂球體的截面部分(即，具有平頂表面的部分球體)、截頂錐體或一些其它幾何形狀。同樣地，中心下降凹面30可以形成為橢圓體的截面部分、截頂球體的截面部分、截頂錐體或者根據(jù)需要與中心上升凸面28配合的一些其他幾何形狀的下沉凹陷。圖4具體地示出了一個(gè)實(shí)施例，其中中心上升凸面28是截頂圓錐的截面部分，而中心下降凹面30是截頂圓錐的截面部分的下沉凹陷，以使得兩個(gè)焊接面40，42具有配合關(guān)系。因此，在本發(fā)明中使用的術(shù)語“凸”和“凹”不必限于球形幾何形狀，甚至是由連續(xù)彎曲輪廓限定的幾何形狀。

優(yōu)選示例性實(shí)施例和具體示例的上述描述本質(zhì)上僅是描述性的；它們不意圖限制以下權(quán)利要求的范圍。應(yīng)當(dāng)給予所附權(quán)利要求中使用的每個(gè)術(shù)語其普通和習(xí)慣的意義，除非在說明書中另有明確說明。