采用电极插件的电阻点焊钢和铝工件的制作方法
【技术领域】
[0001]本公开的技术领域大体涉及电阻点焊，以及更确切地涉及电阻点焊钢工件和铝或铝合金工件。
【背景技术】
[0002]电阻点焊是许多行业中用来将两个或两个以上金属工件接合在一起的工艺。例如，汽车产业常常在制造车门、引擎盖、后备箱盖或升降门以及其它车辆部件期间使用电阻点焊来将金属工件接合在一起。通常沿金属工件的外围或在一些其它位置处进行多次电阻点焊。虽然通常已执行点焊以将一些成分类似的金属层(例如，钢-钢和铝合金-铝合金)接合在一起，但是将更轻质材料并入至车辆平台中的需要已对通过电阻点焊来将钢工件接合到铝或铝合金(为了简洁性，下文统称为“铝”)工件产生了兴趣。此外，使用一件设备来电阻点焊含有不同工件组合(例如，铝/铝、钢/钢以及铝/钢)的工件叠层的能力将提高生产灵活性且降低制造成本。
[0003]—般来说，电阻点焊依赖于对经过相接触的金属工件和穿过其接合界面以产生热量的电流流动的阻力。为实施电阻焊接工艺，在焊接部位处将一对相对的焊接电极夹持在位于金属工件的相对侧上的对准点处。然后使电流从一个焊接电极穿过工件到另一焊接电极。对电流流动的阻力在金属工件内以及在其接合界面处产生热量。当正进行点焊的工件是钢工件和铝工件时，在接合界面处产生的热量通常引起从接合界面渗透到铝工件中的焊接熔池。焊接熔池使钢工件的邻近表面变湿，且在电流流动停止之后即刻固化成焊核，所述焊核形成焊接接头的全部或一部分。在完成了点焊工艺之后，将焊接电极从工件表面收回，并且在另一焊接部位处重复点焊工艺。
[0004]然而，电阻点焊钢和铝工件会是一项挑战，因为这两种金属具有往往使焊接工艺变复杂的不同性质。具体地，钢具有相对高的熔点(~1500°C)以及相对高的电阻率和热阻率，而铝具有相对低的熔点(~600°C )以及相对低的电阻率和热阻率。结果，在电流流动期间，大多数热量在钢工件中产生。这种热量不平衡在钢工件(更高温度)和铝工件(更低温度)之间产生引起铝工件快速熔化的温度梯度。在电流流动期间所产生的温度梯度与铝工件的高热导率的组合意味着:在电流已停止之后立即出现热量并未从焊接部位对称地散布的情形。相反，热量从更热的钢工件传导穿过铝工件朝向接触铝工件的焊接电极，从而在那个方向上产生相对急剧变化的热梯度。
[0005]据信，在钢工件和接触铝工件的焊接电极之间的急剧变化的热梯度的形成以两种主要方式弱化所产生焊接接头的完整性。第一，由于在电流已停止之后钢工件保存热量所持续的时间长于铝工件，所以在铝工件中已引发且生长的焊接熔池定向固化，其从距与铝工件相关联的较冷焊接电极(常常水冷却)最近的区域开始且朝向接合界面传播。此类固化前沿往往在铝焊核内朝向接合界面以及沿着接合界面清除或驱赶缺陷，例如，气孔、收缩空隙、微裂纹和氧化物残渣。第二，钢工件中所维持的升高温度促进脆性的Fe-Al金属间化合物在接合界面处以及沿着其生长。金属间化合物趋向于在铝焊核和钢工件之间形成薄反应层。如果存在，则这些金属间层一般被认为是焊接接头以及焊核的一部分。使焊核缺陷分散以及使Fe-Al金属间化合物沿着接合界面的过度生长被认为会减小最终焊接接头的剥离强度。
【发明内容】
[0006]公开了电阻点焊工件叠层的方法，所述工件叠层包括钢工件和铝或铝合金工件(再次说明，为了简洁性，在本公开中统称为“铝”)。所述方法涉及使用嵌在暴露在电极焊接面处的焊接电极的本体内的插件，使得该插件在电阻点焊期间与铝工件接触。插件作用来限制或消除进入到电极本体中的热通量。它这样做是通过使至少外围部分邻近于周围电极本体，其展现出小于或等于如由国际退火铜标准(IACS)所定义的市售退火纯铜的电导率的接近20%的电导率，以及小于或等于市售退火纯铜的热导率的接近20%的热导率。
[0007]插件能够具有满足上述电导率和热导率参数的多种构造。例如，在一个实施例中，插件能够完全由低电/热导率材料(即，电导率和热导率分别小于市售退火纯铜的电导率和热导率的20%)构成，例如低碳钢、工具钢、不锈钢、白铜金属、Hastelloy?金属、Inconel?金属、钛以及其它金属。列举另一示例，插件能够是缺乏传导电流能力的电绝缘体。电绝缘体材料的示例包括氧化铝、熔融石英、堇青石和一些低压陶瓷及高压陶瓷。更进一步地，插件能够包括绝缘的或低电/热导率的壳体以及位于壳体内的内部件，该内部件可具有远超过市售退火纯铜的电导率和热导率的20%的电导率和热导率，但并非必须的。内部件能够具有相对高的电导率和热导率，因为最终壳体用作屏障，以明显地最小化或消除从插件进入到周围电极本体中的热通量。在一个特定实施例中，壳体能够由例如Teflon? (PTFE)或高温环氧树脂粘附剂的材料构成，以及内部件能够由耐火金属构成，例如，钼、钼合金、钨或
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[0008]由于插件相对于其所嵌入的周围电极本体具有更低的电导率和热导率，所以其以两种方式中的至少一种方式改变铝焊接熔池周围的温度梯度。第一，插件中所含有的任何热量(由电阻加热产生或者通过从铝焊接熔池传导所产生，或通过两者而产生)不容易传输到周围电极本体。因此，插件将热量保持在位于下面并且接触插件的铝工件内，否则在没有插件的情况下其将不存在。第二，插件的外围部分的高电阻率使电流在焊接电极之间传递，以在铝工件内和插件周围呈现锥形流型。这两个效应以单独或者一起的方式能够有益地使铝焊接熔池周围的温度梯度变化。特别地，据信变化的温度梯度改变了铝焊接熔池的固化行为，以阻止在工件叠层的接合界面处及沿着其的缺陷的不期望的积聚。此外，如果插件产生足够热量，则能够减少需要在钢工件中产生的热量，因此抑制脆性的Fe-Al金属间层在接合界面处的生长。
[0009]根据本发明，其还存在以下技术方案:
1.一种电阻点焊钢工件和铝或铝合金工件的方法，所述方法包括:
提供工件叠层，所述工件叠层包括钢工件和铝或铝合金工件；
提供大体面对所述铝或铝合金工件的第一焊接电极以及大体面对所述钢工件的第二焊接电极，所述第一焊接电极具有电极本体和位于所述第一焊接电极的焊接面处或与其邻近的插件，所述插件具有邻近所述周围电极本体的至少外围部分，其具有的电导率小于或等于如由IACS定义的市售退火纯铜的电导率的接近20%，以及其具有的热导率小于或等于市售退火纯铜的热导率的接近20% ;
使所述第一焊接电极和所述第二焊接电极接触所述工件叠层的相对侧，其中所述第一焊接电极接触所述铝或铝合金工件且所述第二焊接电极接触所述钢工件；以及将所述铝或铝合金工件与所述钢工件电阻点焊在一起。
[0010]2.根据技术方案I所述的方法，其中，所述插件的材料是低碳钢、工具钢、不锈钢、白铜金属、Hastelloy?金属、Inconel?金属、钛、银、钽或隹凡。
[0011]3.根据技术方案I所述的方法，其中，所述插件是电绝缘体。
[0012]4.根据技术方案3所述的方法，其中，所述插件的材料是氧化铝、熔融石英、堇青石或陶瓷。
[0013]5.根据技术方案I所述的方法，其中，当所述第一焊接电极和所述第二焊接电极达到接触所述工件叠层的相对侧时，所述电极本体的第一区域以表面对表面的方式接触所述铝或铝合金工件，且所述插件的第二区域以表面对表面的方式接触所述铝或铝合金工件，所述第一区域是所述第二区域的75%到2500%。
[0014]6.根据技术方案5所述的方法，其中，在所述钢工件和铝或铝合金工件的电阻点焊期间电流在所述第一焊接电极和所述第二焊接电极之间传递，与所述插件的表面对表面接触相比，所述电流更容易流动通过所述电极本体的表面对表面接触，使得所述电流在所述铝或铝合金工件中呈现锥形流型。
[0015]7.根据技术方案I所述的方法，其中，所述插件包括壳体和内部件，所述壳体至少部分或完全地包封所述内部件以使所述内部件与所述电极本体物理上隔离开，并且其中，所述壳体具有的电导率小于或等于如由IACS定义的市售退火纯铜的电导率的接近20%，以及其热导率小于或等于市售退火纯铜的热导率的接近20%。
[0016]8.根据技术方案7所述的方法，其中，所述壳体是还将所述内部件附接到所述周围电极本体的粘附材料。
[0017]9.根据技术方案7所述的方法，其中，所述壳体由PTFE构成。
[0018]10.一种电阻点焊和工件叠层组件，所述组件包括:
招或招合金工件；
钢工件，所述钢工件和铝或铝合金工件重叠彼此以提供接合界面；
第一焊接电极，其大体面对所述铝或铝合金工件，所述第一焊接电极具有电极本体和嵌在所述电极本体内的插件，所述电极本体和所述插件中的每者在所述第一焊接电极被按压以接触所述铝或铝合金工件时以表面对表面的方式接触所述铝或铝合金工件；以及第二焊接电极