改進(jìn)鋁鋼點(diǎn)焊的具有侵入結(jié)構(gòu)特征的蓋板的制作方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】改進(jìn)鋁鋼點(diǎn)焊的具有侵入結(jié)構(gòu)特征的蓋板
[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)?zhí)?2/010，204的權(quán)益，所述申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容以引用方式并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本公開(kāi)的技術(shù)領(lǐng)域一般涉及電阻點(diǎn)焊，并且更具體來(lái)說(shuō)涉及電阻點(diǎn)焊鋼工件和鋁合金工件。
【背景技術(shù)】
[0003]電阻點(diǎn)焊是許多工業(yè)用來(lái)將兩個(gè)或更多個(gè)金屬工件連結(jié)在一起的工藝。例如，汽車(chē)工業(yè)通常在制造車(chē)門(mén)、引擎蓋、行李箱蓋或提升式后欄板等等期間使用電阻點(diǎn)焊來(lái)將預(yù)制金屬工件連結(jié)在一起。許多點(diǎn)焊縫通常沿金屬工件的周邊邊緣或一些其它結(jié)合區(qū)域形成以確保該部分是結(jié)構(gòu)可靠的。雖然通常已經(jīng)實(shí)踐點(diǎn)焊以將某些類(lèi)似組成的金屬工件一如鋼到鋼和鋁合金到鋁合金一連結(jié)在一起，但將較輕量材料并入車(chē)體結(jié)構(gòu)中的期望已經(jīng)對(duì)通過(guò)電阻點(diǎn)焊將鋼工件連結(jié)至鋁合金工件產(chǎn)生了興趣。具體地，因?yàn)樵S多車(chē)輛組裝廠已經(jīng)具有點(diǎn)焊基礎(chǔ)設(shè)施就位，所以電阻點(diǎn)焊包含不同工件組合物(例如包括鋼/鋼、鋁合金/鋼以及鋁合金/鋁合金)的工件層疊的能力將促進(jìn)生產(chǎn)靈活性并降低制造成本。上述電阻點(diǎn)焊相異金屬工件的期望不是汽車(chē)工業(yè)所特有的；實(shí)際上，該期望擴(kuò)展至可利用點(diǎn)焊作為連結(jié)工藝的其它工業(yè)，包括航空、海事、鐵路和建筑構(gòu)建工業(yè)等等。
[0004]一般來(lái)說(shuō)，電阻點(diǎn)焊依賴(lài)于對(duì)流過(guò)重疊金屬工件并且穿過(guò)它們的緊連界面的電流流動(dòng)的阻力來(lái)產(chǎn)生熱量。為執(zhí)行這種焊接工藝，一組兩個(gè)相對(duì)的點(diǎn)焊電極在預(yù)先確定的焊接位點(diǎn)處在工件層疊的相反側(cè)上的對(duì)準(zhǔn)點(diǎn)處被夾緊，工件層疊通常包括以疊蓋構(gòu)型布置的兩個(gè)或更多個(gè)金屬工件。電流隨后從一個(gè)焊接電極穿過(guò)金屬工件到達(dá)另一個(gè)。對(duì)此電流流動(dòng)的阻力在金屬工件內(nèi)和它們的緊連界面處產(chǎn)生熱量。當(dāng)工件層疊包括鋼工件和相鄰鋁合金工件時(shí)，在這些相異金屬工件的緊連界面處和塊體材料內(nèi)所產(chǎn)生的熱量引發(fā)從緊連界面延伸至鋁合金工件中的熔融鋁合金焊池并使其擴(kuò)大。此熔融鋁合金焊池潤(rùn)濕鋼工件的相鄰緊連界面，并且在中斷電流流動(dòng)之后固化成形成將兩個(gè)工件結(jié)合在一起的焊縫的全部或一部分的焊接熔核。
[0005]然而，在實(shí)踐中，將鋼工件點(diǎn)焊至鋁合金工件是具有挑戰(zhàn)性的，因?yàn)檫@兩種金屬的許多特性可能不利地影響焊縫的強(qiáng)度一最顯著地是剝離強(qiáng)度。例如，鋁合金工件通常在其表面上包括一個(gè)或多個(gè)機(jī)械結(jié)實(shí)、電絕緣且自愈耐熔的氧化層。氧化層通常由鋁氧化物組成，但也可包含其它金屬氧化物，包括鋁合金工件由含鎂鋁合金組成時(shí)的鎂氧化物。由于耐熔氧化層的物理性質(zhì)，它們傾向于在緊連界面處保持未受損傷，在緊連界面處，耐熔氧化層可能妨礙熔融鋁合金焊池潤(rùn)濕鋼工件的能力并且還在擴(kuò)大的焊池內(nèi)提供近界面缺陷源。表面氧化層的絕緣性質(zhì)還招致鋁合金工件的接觸電阻一也就是在其緊連表面和其電極接觸點(diǎn)處，從而使得難以有效控制并集中鋁合金工件內(nèi)的熱量。在過(guò)去已經(jīng)進(jìn)行嘗試在點(diǎn)焊之前從鋁合金工件移除氧化層。但是此類(lèi)移除實(shí)踐可能是不切實(shí)際的，因?yàn)檠趸瘜幽軌蛟诖嬖谘醯那闆r下再生，尤其是在因點(diǎn)焊操作而施加熱量的情況下。
[0006]鋼工件和鋁合金工件還擁有趨于使點(diǎn)焊工藝復(fù)雜化的不同性質(zhì)。確切地，鋼具有相對(duì)高的熔點(diǎn)(~1500° C)和相對(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)和相對(duì)低的電阻率和熱阻率。由于這些物理差異，在電流流動(dòng)期間大部分熱量是在鋼工件中產(chǎn)生。這種熱量不平衡在鋼工件(較高溫度)與鋁合金工件(較低溫度)之間建立溫度梯度，從而引發(fā)鋁合金工件的快速熔化。電流流動(dòng)期間形成的溫度梯度和鋁合金工件的高導(dǎo)熱率的組合意味著:緊接在電流中斷之后，出現(xiàn)熱量未從焊接位點(diǎn)對(duì)稱(chēng)地散布的情況。實(shí)際上，熱量通過(guò)鋁合金工件從較熱的鋼工件朝向鋁合金工件另一側(cè)上的焊接電極傳導(dǎo)，這在鋼工件與那個(gè)特定焊接電極之間形成陡峭熱梯度。
[0007]鋼工件與鋁合金工件另一側(cè)上的焊接電極之間的陡峭熱梯度的產(chǎn)生被認(rèn)為會(huì)以?xún)煞N主要方式減弱所得焊縫的完整性。第一，因?yàn)殇摴ぜc鋁合金工件相比在中斷電流之后保持熱量持續(xù)更長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間，熔融鋁合金焊池有方向地固化，即從最接近與鋁合金工件相關(guān)聯(lián)的較冷焊接電極(通常是水冷)的區(qū)域開(kāi)始并朝向緊連界面?zhèn)鞑?。這種固化前沿趨于朝向并沿著緊連界面在焊接熔核內(nèi)趕走或推動(dòng)缺陷一諸如氣孔、收縮孔隙、微裂紋和表面氧化物殘?jiān)?。第二，鋼工件中的持續(xù)的升高溫度促進(jìn)脆弱Fe-Al金屬間化合物在緊連界面處或沿著緊連界面生長(zhǎng)。金屬間化合物趨于在焊接熔核與鋼工件之間形成薄反應(yīng)層。如果存在的話，這些金屬間層通常被認(rèn)為是焊縫的除了焊接熔核之外的部分。焊接熔核缺陷的散布連同F(xiàn)e-Al金屬間化合物沿著緊連界面的過(guò)度生長(zhǎng)一起趨于降低最終焊縫的剝離強(qiáng)度。
[0008]鑒于前述挑戰(zhàn)，先前對(duì)點(diǎn)焊鋼工件和鋁基工件的嘗試已經(jīng)采用指定較高電流、較長(zhǎng)焊接時(shí)間或兩者(與點(diǎn)焊鋼到鋼相比)的焊接排程，以便試圖獲得合理的焊接結(jié)合區(qū)域。此類(lèi)嘗試在制造環(huán)境中遠(yuǎn)遠(yuǎn)尚未成功并且趨向于損壞焊接電極?？紤]到先前點(diǎn)焊嘗試尚未特別成功，而替代地已經(jīng)主要使用機(jī)械緊固件，如自沖鉚釘和自攻螺絲。然而，此類(lèi)機(jī)械緊固件與點(diǎn)焊相比花費(fèi)長(zhǎng)得多的時(shí)間來(lái)落實(shí)到位并且具有高的耗材成本。它們還增加車(chē)體結(jié)構(gòu)的重量一在通過(guò)點(diǎn)焊完成連結(jié)時(shí)所避免的重量一這在一定程度上抵消了起初通過(guò)使用鋁合金工件所獲得的重量減輕。點(diǎn)焊將使得工藝更能夠連結(jié)鋼和鋁合金工件的進(jìn)展因此將是本領(lǐng)域所歡迎的補(bǔ)充。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]披露一種電阻點(diǎn)焊至少包括鋼工件和重疊的相鄰鋁合金工件的工件層疊的方法。工件層疊還可以包括另外的工件，如另一個(gè)鋼工件或另一個(gè)鋁合金工件，只要鋁合金工件提供工件層疊的一側(cè)并且鋼工件提供層疊的另一側(cè)。因此，工件層疊可包括僅一個(gè)鋼工件和一個(gè)重疊的鋁合金工件，或它可包括鄰近一個(gè)鋁合金工件設(shè)置的兩個(gè)相鄰鋼工件或鄰近一個(gè)鋼工件設(shè)置的兩個(gè)相鄰鋁合金工件。另外，當(dāng)工件層疊包括三個(gè)工件時(shí)，具有類(lèi)似組成的兩個(gè)工件可由單獨(dú)且不同的部分提供，或可替代地，它們可由相同部分提供。
[0010]所披露的方法包括在焊接位點(diǎn)處鄰近工件層疊一側(cè)上的鋁合金工件定位包括侵入結(jié)構(gòu)特征的蓋板。蓋板可被構(gòu)建成與其緊鄰定位的鋁合金工件相比具有更高熱阻率和電阻率，但不一定必須如此。隨后使焊接電極在蓋板的侵入結(jié)構(gòu)特征上與蓋板形成接觸并且抵壓在蓋板上，同時(shí)使另一個(gè)焊接電極與工件層疊的相反側(cè)形成接觸并且抵壓在相反側(cè)上。具有足夠幅值和持續(xù)時(shí)間的電流(恒定電流或脈沖電流)在焊接電極之間穿過(guò)工件和蓋板。電流的穿過(guò)在與鋼工件鄰近定位的鋁合金工件內(nèi)引發(fā)熔融鋁合金焊池并使其擴(kuò)大。熔融鋁合金焊池潤(rùn)濕鋼工件的相鄰緊連表面，并且從相鄰工件的緊連界面延伸至鋁合金工件中并有可能穿過(guò)鋁合金工件。最后，在中斷電流之后，熔融鋁合金焊池冷卻并固化成將相鄰的鋼和鋁合金工件結(jié)合在一起的焊縫。
[0011]點(diǎn)焊方法通過(guò)蓋板中所限定的侵入結(jié)構(gòu)特征而得到輔助。具體地，在點(diǎn)焊期間，侵入結(jié)構(gòu)特征使得在焊接電極之間交換的電流在電流流動(dòng)開(kāi)始時(shí)并且在一些情況下對(duì)于電流流動(dòng)的整個(gè)持續(xù)時(shí)間來(lái)說(shuō)，在鄰近鋼工件定位的鋁合金工件內(nèi)呈現(xiàn)錐形流型。錐形流型導(dǎo)致鋁合金工件內(nèi)的電流密度降低一與相鄰鋼工件相比一這在熔融鋁合金焊池周?chē)纬扇S溫度梯度，從而幫助焊池以更期望的方式固化成焊縫。當(dāng)蓋板由與鄰近鋼工件定位的鋁合金工件相比具有更大熱阻率和電阻率的材料構(gòu)建時(shí)，這種更期望的固化行為得到進(jìn)一步促進(jìn)，因?yàn)樵谶@種情況下，蓋板產(chǎn)生另外的熱量并且還在中斷電流流動(dòng)之后與鋁合金工件相比保持熱量持續(xù)更長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間。此外，如果蓋板被放置成與鄰近鋼工件定位的鋁合金工件直接接觸并且侵入結(jié)構(gòu)特征開(kāi)向相鄰鋁合金工件，那么侵入結(jié)構(gòu)特征提供開(kāi)放空間或容積，其允許熔融鋁合金焊池在電流流動(dòng)期間移動(dòng)，這幫助打碎并重新分配由緊連界面附近的氧化物殘?jiān)鸬娜毕?，從而改進(jìn)焊縫的機(jī)械性質(zhì)。
[0012]眾多焊接電極設(shè)計(jì)可與蓋板結(jié)合使用。這促進(jìn)工藝靈活性。確切地，無(wú)需使用滿足嚴(yán)苛尺寸和形狀要求以便成功點(diǎn)焊包括相鄰的鋼和鋁合金工件的工件層疊的焊接電極。因此，可鑒于其它目的、如點(diǎn)焊鋼到鋼或鋁合金到鋁合金來(lái)構(gòu)建焊接電極中的每個(gè)。這樣，通常用于將鋁合金工件點(diǎn)焊至鋁合金工件的相同焊接電極也可用于在蓋板的輔助下將鋼工件點(diǎn)焊至鋁合金工件，這意味著:相同焊槍設(shè)置可用于點(diǎn)焊兩組工件層疊而無(wú)需取代焊接電極中的任一個(gè)或兩個(gè)。這同樣適用于通常用于點(diǎn)焊鋼到鋼的焊接電極。事實(shí)上，一些焊接電極甚至可用于點(diǎn)焊全部三組層疊，即，鋼到鋼、鋁合金到鋁合金以及鋼到鋁合金(在蓋板的輔助下)。
[0013]本發(fā)明包括以下方案:
1.一種點(diǎn)焊包括鋼工件和相鄰鋁合金工件的工件層疊的方法，所述方法包括:
提供包括鋼工件和鋁合金工件的工件層疊，所述鋁合金工件與所述鋼工件重疊并且鄰近定位以在焊接位點(diǎn)處建立緊連界面，所述工件層疊具有第一側(cè)和第二側(cè)，所述工件層疊的所述第一側(cè)接近所述鋼工件并且所述工件層疊的所述第二側(cè)接近所述鋁合金工件；鄰近所述工件層疊的所述第二側(cè)定位蓋板，所述蓋板具有面對(duì)所述工件層疊的所述第二側(cè)的內(nèi)部表面以及以與所述內(nèi)部表面相反方向朝向的外部表面，所述蓋板進(jìn)一步包括與所述焊接位點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)的侵入結(jié)構(gòu)特征；
將第一焊接電極的第一焊接面按壓抵靠在所述工件層疊的所述第一側(cè)上并且在所述侵入結(jié)構(gòu)特征上方將第二焊接電極的第二焊接面按壓抵靠在所述蓋板的所述外部表面上，所述第一焊接電極和所述第二焊接電極的所述第一焊接面和所述第二焊接面在所述焊接位點(diǎn)處面對(duì)地對(duì)準(zhǔn)；以及
在所述焊接位點(diǎn)處使電流在所述第一焊接電極與所述第二焊接電極之間流過(guò)并穿過(guò)所述工件層疊，以在所述鋁合金工件內(nèi)形成熔融鋁合金焊池，所述熔融鋁合金焊池