[发明专利]将铝电阻点焊到钢的方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求美国临时专利申请No. 62/320,081和No. 62/320,163的权益，所述临时专利申请中的每个于2016年4月8日提交。上述临时专利申请中每个的全部内容通过引用被合并在本文中。

技术领域

本公开的技术领域一般地涉及一种对工件叠堆进行电阻点焊的方法，所述工件叠堆包括铝工件以及相邻重叠的钢工件。

背景技术

电阻点焊是许多工业所使用的以将两个或更多的金属工件连结到一起的过程。例如，汽车工业经常在制造结构框架构件（例如，车身侧部和横梁）和车辆闭合构件（例如，车辆的门、发动机罩、行李箱盖、以及提升式门）以及其他的期间使用电阻点焊将金属工件连结到一起。经常在金属工件的外围边缘周围的各种地方或一些其它结合区域形成许多焊点，以确保该部件在结构上是牢固的。虽然点焊通常已被实践用于将某些具有相似组成的金属工件连结到一起（例如，将钢连结到钢以及将铝连结到铝），但将较轻重量材料并入车身结构的期望已引起了对通过电阻点焊将钢工件连结到铝工件的兴趣。上述对此类不相似的金属工件进行电阻点焊的期望并非是汽车工业所特有的；实际上，其延伸到其它行业，包括航空、海运、铁路、以及建筑施工行业。

电阻点焊依赖于对经过重叠的金属工件并且跨过它们的（一个或多个）接合界面的电流流动的阻抗以便产生热。为了实施这种焊接过程，抵靠工件叠堆的相对侧以面对准的方式挤压一组相对焊接电极，该工件叠堆通常包括以重叠构造而布置的两个或三个金属工件。然后，使电流从一个焊接电极穿过金属工件至另一个焊接电极。对该电流的流动的阻抗在金属工件内以及在它们的（一个或多个）接合界面处产生热。当该工件叠堆包括铝工件和相邻重叠的钢工件时，产生在接合界面处以及这些不相似的金属工件的主体材料内的热使熔融铝焊池开始形成在铝工件内并使该熔融铝焊池在铝工件内生长。熔融铝焊池将钢工件的相邻接合表面湿化，并且当电流终止时凝固成将两个工件结合到一起的焊接连结部。

然而，在实践中，将铝工件点焊到钢工件是具有挑战性的，因为这两种金属的许多特性会对焊接连结部的强度产生不利影响，最显著地，对剥离强度和横向拉伸强度产生不利影响。就其中一个而言，铝工件通常包括在机械上韧性的、电绝缘的、且自愈合难熔氧化物表面层。该氧化物表面层通常由氧化铝化合物构成，但也可以包括其它金属氧化物化合物，例如，当铝工件由含镁的铝合金构成时包括氧化镁的化合物。由于其性质，难熔氧化物表面层具有在接合界面处保持完好的倾向，其中，该表面层不仅阻碍熔融铝焊池使钢工件湿化的能力，而且在正在增长的焊池内部提供界面附近的缺陷的起因。此外，氧化物表面层的绝缘性质提高铝工件的接触电阻（即，在其接合表面处和在其电极接触点处），从而使得难以有效地将热控制并集中在铝工件内。

当在接合界面处在铝工件与钢工件的接合表面之间存在中间有机材料层（例如尚未固化的热固化粘合剂、密封物、隔音层等）时，由铝工件的难熔氧化物表面层而产生的复杂状况会得到放大。具体地，所认为的是，来自有机材料层的可能包括灰炭、填料颗粒（例如，二氧化硅、橡胶等）残留物以及其它衍生材料最终与残留氧化物膜结合而形成粘固性更强的复合残留物膜，与原来的难熔氧化物表面层相比，该复合残留物膜在电流流动期间对机械分解和分散的耐受性更强。与铝和钢工件之间不存在中间有机材料层的情况相比，韧性更强的复合残留物膜的形成以破坏性大得多的形式导致该膜的碎片在接合界面处并且沿接合界面保留成组并汇集。例如，该复合残留物膜会阻碍铁扩散到熔融铝焊池中，这会导致硬且脆的Fe-Al金属间化合物层的过度增厚。另外地，该复合残留物膜可沿焊接连结部与钢工件的结合界面提供易生成裂纹的路径。这些事件的每个事件可使焊接连结部弱化。

除了由铝工件的难熔表面氧化物层所引起的挑战外，无论是否连同有中间有机材料层，铝工件和钢工件都具有会对焊接连结部的强度和性能造成不利影响的不同性质。具体地，铝具有相对低的熔点（~600°C）及相对低的电阻率和热阻率，而钢具有相对高的熔点（~1500°C）及相对高的电阻率和热租率。由于在材料性质方面的这些差异，所以在电流流动期间大部分的热产生在钢工件内，以使得在钢工件（较高温度）与铝工件（较低温度）之间存在热不平衡。电流流动期间所形成的热不平衡与铝工件的高热导率相结合意味着紧接在终止电流流动后发生如下情况：热量从焊接区不对称地传播。相反，热量从较热的钢工件经过铝工件朝这铝工件另一侧上的焊接电极进行传导，这在该方向上形成陡峭的热梯度。