[发明专利]用于将铝焊接到钢的多梯级电极焊接面的几何形状

说明书

本发明涉及用于将铝焊接到钢的多梯级电极焊接面的几何形状，更具体地涉及一种利用电极对包括铝工件和相邻的重叠钢工件的工件叠堆进行电阻点焊的点焊电极和方法。该点焊电极包括具有多梯级锥形几何形状的焊接面，该多梯级锥形几何形状包括以焊接面轴线为中心的一系列梯级。这一系列梯级包括：采用中心凸台形式的最内部的第一梯级、以及环绕中心凸台且从中心凸台朝向焊接面的外周缘径向地向外层叠的一个或多个环形梯级。焊接面具有锥形剖面轮廓，其中中心凸台的凸台上表面的周界和一个或多个环形梯级中的每个的环形梯级上表面的周界被包含在锥形截面区内。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2016年6月16日提交的美国临时专利申请第62/351,110号的权益。前述临时专利申请的全部内容以参考的方式并入本文中。

技术领域

本公开的技术领域关于在铝工件与钢工件之间的电阻点焊接头的形成，更具体地关于具有促成这种焊接结合的多梯级焊接面几何形状的点焊电极，尤其是在将中间有机材料设置在铝工件和钢工件的接合表面之间时。

背景技术

电阻点焊是由若干行业用来将两个或多个金属工件连接到一起的工艺。例如，汽车工业常常在结构框架构件（例如，主体侧部和横向构件）和车辆闭合构件（例如，车门、发动机罩、行李箱盖、和提升式门）等的制造期间利用电阻点焊将各金属工件连接到一起。通常沿金属工件的外围边缘或者一些其它所选结合区域进行若干次点焊，以确保该部件的结构牢固。虽然点焊通常被实施从而将某些具有相似组成的金属工件连接到一起，例如将钢连接到钢和将铝连接到铝，但将较轻重量材料并入车辆主体结构中的愿望已产生在借助于电阻点焊将钢工件连接到铝工件的兴趣。

电阻点焊依赖于对经过重叠的金属工件并穿越它们的（多个）接合界面的电流流动的电阻而产生热。为了执行这种焊接工艺，将两个相对的点焊电极夹紧在预定焊接区的重叠工件的相对侧上的完全对准的点。该夹紧力通常是在约600-1200磅力的范围内。然后，使电流从一个电极经过金属工件到达另一个电极。对此电流流动的电阻在金属工件内部和它们的接合界面处产生热。当对包括铝工件和相邻定位的钢工件的金属工件进行点焊时，在该工件的主体内部和它们的接合界面处所产生的热迅速地使铝工件熔化并且在铝工件内部形成熔融铝焊接熔池。此熔融焊接熔池使钢工件的相邻的表面润湿，并且当电流流动终止时凝固成将铝工件与钢工件焊接结合到一起的焊接接头中。

然而，实际上将铝工件点焊到钢工件是具有挑战性的，因为这两种金属的若干特性可以对焊接接头的强度造成不利影响（尤其是剥离强度和横向拉伸强度）。就不同金属的性质而言，铝具有相对较低的熔点（~600℃）及相对较低的电阻率和热阻率，而钢具有相对较高的熔点（~1500℃）和相对较高的电阻率和热阻率。由于这些物理性质的差异，在电流流动期间大部分的热是在钢工件内部产生，因而在钢工件与铝工件之间存在热不平衡。在电流流动期间所产生的热不平衡与铝工件的高热导率的组合意味着：在电流的流动被终止之后不久出现其中热不能对称地从焊接区被传播的情况。相反，热从较热的钢工件经过铝工件被传导至在铝工件另一侧上的点焊电极，由此在该方向上形成陡的温度梯度。

在钢工件与在铝工件另一侧上的点焊电极之间形成陡的温度梯度被认为会以多种方式减弱所形成的焊接接头。首先，因为在电流流动终止之后钢工件与铝工件相比保持热达更长的时间，所以在电流流动期间所形成的熔融铝焊接熔池定向地凝固，从最接近紧邻铝工件的较冷点焊电极（常常被水冷却）的区域开始朝向铝工件与钢工件的接合界面扩散。此类型的凝固前沿往往会清除缺陷或者朝向接合界面且沿着接合界面推进缺陷（例如，气孔、缩孔、和微裂纹）。其次，在钢工件中的持续高温促进硬且脆的Fe-Al金属间层在接合界面处且沿接合界面的生长。焊接缺陷的分散连同Fe-Al金属中间层沿接合界面的过度生长往往会降低焊接接头的剥离强度和/或横向拉伸强度。