使用可插入封蓋電阻點(diǎn)焊鋼和鋁工件的制作方法
【專利說(shuō)明】使用可插入封蓋電阻點(diǎn)焊鋼和鋁工件
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求2013年10月4日提交的申請(qǐng)?zhí)枮?1/886，866的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)的權(quán)益，其全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用結(jié)合到本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本公開(kāi)的技術(shù)領(lǐng)域總地涉及電阻點(diǎn)焊，并且更具體的，涉及電阻點(diǎn)焊鋼工件和鋁或鋁合金工件在一起。
【背景技術(shù)】
[0004]電阻點(diǎn)焊在許多行業(yè)中使用以將兩個(gè)或更多個(gè)金屬工件結(jié)合在一起。例如，汽車行業(yè)，是在車門(mén)、機(jī)罩、后備箱封蓋或提升門(mén)以及其它車輛部件的制造期間，通常使用電阻點(diǎn)焊以將預(yù)制金屬工件結(jié)合在一起。多個(gè)個(gè)體點(diǎn)焊點(diǎn)通常沿著工件的外圍區(qū)域或某種其他結(jié)合區(qū)域形成以保證車輛部件結(jié)構(gòu)良好。雖然點(diǎn)焊已經(jīng)通常被執(zhí)行以將特定相似組成的金屬工件結(jié)合在一起，例如鋼-鋼和鋁合金-鋁合金，但是將較輕重量材料納入到車身結(jié)構(gòu)中的需求已經(jīng)產(chǎn)生了對(duì)通過(guò)電阻點(diǎn)焊將鋼工件結(jié)合到鋁或鋁合金(以下簡(jiǎn)便起見(jiàn)合稱為“鋁”)工件的興趣。此外，使用一件設(shè)備電阻點(diǎn)焊包括不同工件組合(例如，鋁合金/鋁合金，鋼/鋼，以及鋁合金/鋼)的工件疊層的能力將增加生產(chǎn)靈活性并降低制造成本。
[0005]通常，電阻點(diǎn)焊依靠電流通過(guò)接觸的金屬工件并穿過(guò)它們的結(jié)合界面的流動(dòng)的電阻產(chǎn)生熱量。為了實(shí)現(xiàn)這種電阻焊接工藝，通常一對(duì)相對(duì)的焊接電極在預(yù)定的焊點(diǎn)位置夾在工件的相反側(cè)上處于對(duì)齊點(diǎn)上。電流隨后從一個(gè)焊接電極穿過(guò)工件到另一個(gè)焊接電極。該電流流動(dòng)的電阻在工件內(nèi)以及它們的結(jié)合界面處產(chǎn)生熱量。當(dāng)待焊接金屬工件是鋼工件和鋁工件時(shí)，在結(jié)合界面處產(chǎn)生的熱量在鋁工件中產(chǎn)生熔化焊池。該熔化鋁焊池潤(rùn)濕鋼工件的相鄰表面，并且在電流流動(dòng)停止時(shí)，凝固成為鋁焊接熔核，其形成兩個(gè)金屬工件之間的焊接接頭的全部或部分。
[0006]電阻點(diǎn)焊鋼工件到鋁工件存在某些難題。這些金屬具有趨向于破壞焊接過(guò)程的相當(dāng)大的差異。舉例來(lái)說(shuō)，鋼具有相對(duì)高的熔點(diǎn)和相對(duì)高的熱阻和電阻，而鋁具有相對(duì)低的熔點(diǎn)和相對(duì)低的熱阻和電阻。這些差異的結(jié)果是，在電流流動(dòng)期間鋁比鋼在低得多的溫度下更快的熔化。在電流流動(dòng)已經(jīng)停止后鋁還比鋼更快的冷卻。因此，在兩種金屬之間控制熱平衡以使熔化焊池能夠在鋁工件中快速產(chǎn)生并且凝固能夠成為挑戰(zhàn)。例如，已發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)實(shí)踐快速冷卻時(shí)，熔化鋁焊池中的缺陷，例如縮孔、氣孔、氧化物殘?jiān)?、和微觀裂紋，被朝向結(jié)合界面拖曳和在結(jié)合界面處聚集。此外，在電阻點(diǎn)焊期間延長(zhǎng)加熱——尤其是由于鋼工件相對(duì)更高的電阻引起的鋼工件中的升高的溫度一有益于在結(jié)合界面處在熔化鋁焊池與鋼工件之間脆性Fe-Al金屬間層的生長(zhǎng)。這兩個(gè)條件已經(jīng)顯示出降低最終形成的焊接接頭的剝離強(qiáng)度并且減弱該焊接接頭的的整體完整性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]公開(kāi)了一種電阻點(diǎn)焊包括鋼工件和鋁或鋁合金(再次地，本公開(kāi)中簡(jiǎn)便起見(jiàn)共同的稱為“鋁”)工件的工件疊層的方法。該方法包括在鋁工件和面向鋁工件的相鄰焊接電極之間插入封蓋。該封蓋隨后夾在鋁工件和它對(duì)應(yīng)的焊接電極之間，并接觸以上兩者。該封蓋優(yōu)選由具有比接觸鋁工件的焊接電極的電阻大的電阻的金屬制成，并且優(yōu)選具有比鋁工件自身電阻大的電阻。具有比鋁工件大的電阻的金屬材料的例子包括不銹鋼、鑰或鑰基合金、鈮或鈮基合金、或鎢或例如鎢-銅合金的鎢基合金。
[0008]該封蓋，當(dāng)被插入和使用時(shí)，在工件疊層的鋁側(cè)上，促進(jìn)至少兩個(gè)不同效果中的至少一種，在疊層的該側(cè)上的焊接電極被簡(jiǎn)單帶到與鋁工件直接接觸的相反情況下，這些效果將不會(huì)存在。第一，如果封蓋具有與相鄰鋁側(cè)焊接電極的焊接面不同的幾何形狀一尤其是如果封蓋在更大表面積上接觸鋁工件——相比于鋼工件提供的電流密度，封蓋會(huì)降低在鋁工件中的電流密度，這在壓力下不會(huì)變形以與接觸電極焊接面的形狀匹配。實(shí)際上，當(dāng)在電流流動(dòng)期間，切成圓弧的焊接電極被按壓抵靠封蓋的一側(cè)一取代被按壓直接抵靠鋁工件——在相對(duì)的焊接電極之間通過(guò)的電流在鋁工件內(nèi)具有降低密度，這是因?yàn)樵诜馍w和鋁工件之間建立的更寬的界面接觸面積。并且在鋁工件中相對(duì)于鋼工件降低電流密度具有改變圍繞在鋁工件中產(chǎn)生的熔化焊池的溫度梯度的效果，其促進(jìn)從熔化鋁焊池進(jìn)入工件疊層的側(cè)向熱傳播。
[0009]第二，如果封蓋由具有比相鄰焊接電極更大的電阻的金屬構(gòu)成，作為電流流過(guò)封蓋的結(jié)果，封蓋將產(chǎn)生熱量并提供該熱量給鋁工件，在其它情況下這是不存在的。并且當(dāng)構(gòu)造的金屬具有比鋁工件大的電阻時(shí)，封蓋將加熱達(dá)到相對(duì)更高的程度，因此在焊接位置引入更多熱量到鋁合金工件中。在電流流動(dòng)期間除了在鋼工件中發(fā)展的熱量之外，封蓋從與鋼工件中發(fā)展的熱量相反的方向提供額外熱量到鋁工件的能力具有抑制從熔化鋁焊池到鋁側(cè)焊接電極的快速定向熱傳播的效果。與以前一樣，這進(jìn)而通過(guò)改變圍繞在鋁工件中產(chǎn)生的熔化焊池的溫度梯度促進(jìn)從熔化鋁焊池進(jìn)入到工件疊層的側(cè)向熱傳播。通過(guò)設(shè)計(jì)封蓋幾何形狀與焊接面幾何形狀相匹配或封蓋足夠柔韌使得在壓力下它將變形以與接觸電極焊接面的幾何形狀相匹配的情況下，封蓋的主要作用是提供熱量到鋁工件而沒(méi)有必要改變電流密度。
[0010]封蓋的使用改變了鋁工件中的電流密度和/或提供額外熱量到鋁工件，并且因此促進(jìn)從熔化鋁焊池的側(cè)向熱傳播，被認(rèn)為是以在工件疊層的結(jié)合界面處并沿著工件疊層的結(jié)合界面排除缺陷的不想要的積聚的方式，改變了鋁工件中形成的熔化鋁焊池的凝固行為。特別是，代替朝向結(jié)合界面驅(qū)動(dòng)和掃掠，相信是歸功于封蓋的電流密度和/或加熱效應(yīng)推動(dòng)焊接缺陷朝著最終形成的焊接熔核的中心，在焊接熔核的中心，這些缺陷更少可能影響焊接接頭的強(qiáng)度。此外，如果由更大電阻的金屬制成，封蓋也能夠減少在鋼工件中產(chǎn)生的熱量，其因此抑制結(jié)合界面處脆性Fe-Al金屬間層的生長(zhǎng)。在工件之間建立的焊接接頭的整體強(qiáng)度和完整性因此能夠通過(guò)使用公開(kāi)的封蓋和伴隨方法被提高。
[0011]公開(kāi)了在鋁工件和焊接電極之間插入封蓋，并且隨后從其縮回封蓋的一些方式。一種方式包括在插入位置和移除位置之間樞轉(zhuǎn)的臂。其他方式能夠包括導(dǎo)軌、槽、導(dǎo)管、繞軸，或這些項(xiàng)目的結(jié)合，以及其他項(xiàng)目。封蓋本身能夠以不同的形式提供，包括封蓋板或封蓋帶形式。封蓋板或封蓋帶的每一個(gè)能夠構(gòu)造成促進(jìn)單個(gè)點(diǎn)焊事件或多個(gè)點(diǎn)焊事件。例如，封蓋板可以在單個(gè)點(diǎn)焊事件期間使用并且隨后丟棄或翻新?；蛘咚梢赃m用于多用途應(yīng)用，其中由于板的厚度和耐久性，多個(gè)焊接接頭能夠使用相同的封蓋板連續(xù)形成。在這種情況下，封蓋板的操作用途甚至能夠通過(guò)累積的污染物的間歇清潔而延伸。類似地，封蓋帶可以適用于單個(gè)用途應(yīng)用，其中形成單個(gè)焊接接頭，并且封蓋帶的使用過(guò)的部分被丟棄，或者記住它可以被構(gòu)造成具有相同的帶部分的多用途應(yīng)用。
[0012]封蓋按照需要被插入和縮回的能力導(dǎo)致點(diǎn)焊工藝和相關(guān)設(shè)備在制造環(huán)境中的靈活性。例如，由于其能夠被插入和縮回，封蓋提供電阻點(diǎn)焊鋁到鋁工件疊層、鋼到鋼工件疊層、和鋼到鋁工件疊層的能力，而不必要改變?cè)O(shè)備或做出其他會(huì)減緩制造的改變。當(dāng)點(diǎn)焊鋁到鋼時(shí)封蓋能夠被插入和使用，并且隨后當(dāng)點(diǎn)焊鋼到鋼或鋁到鋁時(shí)被縮回和不使用，如此等等基于制造計(jì)劃。這種能力擴(kuò)大了生產(chǎn)靈活性和降低了制造成本。
[0013]1、一種將鋼工件和鋁或鋁合金工件電阻點(diǎn)焊在一起的方法，所述方法包括:
[0014]提供包括鋼工件和鋁或鋁合金工件的工件疊層，并且提供面對(duì)所述鋼工件的第一焊接電極和面對(duì)所述鋁或鋁合金工件的第二焊接電極；
[0015]在所述鋁或鋁合金工件和第二焊接電極之間插入封蓋，所述封蓋由金屬制成；
[0016]在焊接位置按壓所述第一焊接電極抵靠所述鋼工件并且按壓所述第二焊接電極抵靠所述封蓋；和
[0017]使電流在所述第一和第二焊接電極之間通過(guò)，穿過(guò)所述工件疊層，并且穿過(guò)所述封蓋以在所述鋁或鋁合金工件內(nèi)產(chǎn)生和生長(zhǎng)熔化焊池。
[0018]2、如方案I所述的方法，其中，所述第二焊接電極由具有電阻的材料構(gòu)成，并且其中，所述封蓋具有比所述第二焊接電極的電阻大的電阻。
[0019]3、如方案2所述的方法，其中，所述封蓋由不銹鋼、鑰或鑰基合金、鈮或鈮基合金、或者鎢或鎢基合金制成。
[0020]4、如方案I所述的方法，其中，所述封蓋是封蓋板，其與所述鋁工件接觸的表面積比在沒(méi)有所述封蓋板的相反情況下所述第二焊接電極與所述鋁工件接觸的表面積大。
[0021]5、如方案4所述的方法，其中，所述封蓋板由不銹鋼、鑰或鑰基合金、鈮或鈮基合金、鎢或鎢基合金、或銅合金制成。
[0022]6、如方案I所述的方法，其中，所述封蓋是封蓋板，其通過(guò)連接到所述第二焊接電極的焊槍臂的臂承載。
[0023]7、如方案6所述的方法，其中，所述臂樞轉(zhuǎn)連接到所述焊槍臂，并且在所述鋁或鋁合金工件和所述第二焊接電極之間插入封蓋板包括圍繞所述臂至所述焊槍臂的樞軸連接在第一位置和第二位置之間旋轉(zhuǎn)所述臂，在所述第一位置中，封蓋板被插在所述鋁或鋁合金工件與所述第二焊接電極之間，在所述第二位置中，封蓋板沒(méi)有被插在所述鋁或鋁合金工件與所述第二焊接電極之間。
[0024]8、如方案6所述的方法，其中，所述封蓋板具有位于其本體中的至少一個(gè)轉(zhuǎn)彎。
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