[发明专利]钢至预涂布的铝的电阻点焊

说明书

本申请要求2013年6月7日提交的美国临时专利申请No. 61/832,482的权益，该美国临时专利申请的全部内容通过引用合并于此。

技术领域

本发明的技术领域总体涉及电阻点焊，更具体地，涉及将钢工件电阻点焊到铝或铝合金工件。

背景技术

电阻点焊是许多行业用于将两个或多个金属工件接合在一起的方法。例如，汽车行业在制造车门、引擎盖、后备箱盖或升降门等期间经常使用电阻点焊将预制的金属工件接合在一起。通常沿金属工件的周缘或一些其它结合区域形成许多焊点，以确保构件结构上可靠。尽管通常实施点焊来将某些类似组成的金属工件诸如钢至钢和铝合金至铝合金接合在一起，但将较轻重量的材料加入车身结构中的期望引起对通过电阻点焊将钢工件接合到铝或铝合金（为了简洁起见，在下文中总称为“铝”）工件的兴趣。

一般而言，电阻点焊依赖于对通过接触金属工件和横跨它们的配合界面的电流流动的阻碍来产生热量。为了执行这种焊接过程，一对相对的点焊电极通常被夹持在预定焊接位置处的工件的相对侧上的沿直径对齐的点处。于是电流通过金属工件从一个电极到达另一个电极。对此电流流动的阻碍在金属工件内和它们的配合界面处产生热量。当被焊接的金属工件是钢工件和铝工件时，在配合界面处产生的热量开始在铝合金工件中形成熔化的熔池。此熔化的铝合金熔池浸润钢工件的相邻表面，并且在停止电流流动时，固化为焊缝。在完成点焊过程之后，从焊接电极各自的工件表面缩回焊接电极，并且在另一焊接位置重复点焊过程。

将钢工件点焊到铝工件存在一些挑战。这两种类型的金属具有倾向于破坏焊接过程的若干显著的差异。其中一个差异是钢具有相对高的熔点（~1500°C）和相对高的电阻率，而铝具有相对低的熔点（~600°C）和相对低的电阻率。由于这些物理差别，在电流流动期间铝比钢熔化的更快并且在低很多的温度下熔化。在电流流动已经终止之后，铝还比钢更快地冷却。因此，在焊接电流停止之后立即发生下述情况，即，热量保持在钢工件中并最终朝向铝工件侧上的电极传导通过铝工件。钢工件中保持的高温和两个工件之间产生的陡峭的热梯度有利于在配合界面处生长脆弱的Fe-Al金属间化合物。如果Fe-Al金属间化合物的生长过度，则它们继而可降低焊缝的强度和延展性。

这两种金属之间的另一个显著差异是铝在其表面上包含在磨压操作（例如，退火、溶体处理、铸造等）和环境暴露期间产生的一个或多个耐高温氧化物层（为简洁起见，在下文中总称为单个氧化物层）。主要由氧化铝构成的该氧化物层是电绝缘的、机械坚固的和在空气中自我修复的。这些特征不利于将钢工件点焊到铝工件的运作方式。具体地，表面氧化物层升高铝工件（即，在其配合表面和电极/工件接触界面处）的电接触电阻，由此导致在那些界面处产生过多的热量，使得难以将热量有效地集中在铝工件内。表面氧化物层的机械坚固性也阻止浸润钢工件。此外，铝工件表面上的耐高温氧化物层所导致的问题由于氧化物层在存在氧被损坏时可自我修复或再生的事实而变得更加复杂。

发明内容

通过用不同的保护涂层替代铝工件的配合面上的至少耐高温氧化铝基层增强了电阻点焊钢工件和铝工件的能力。替代的保护涂层可以是熔点比铝（金属）的熔点低的金属涂层，或者可以是金属氧化物转化涂层。可用于制成金属涂层的金属的例子是锌和锡。可出现在金属氧化物转化涂层中的金属氧化物的例子是钛、锆、铬或硅的氧化物。根据涂层的类型，保护涂层的各处可以为约1nm至约10μm厚。

保护涂层防止基础的铝与空气中的氧反应以再生其自然形成的耐高温的氧化铝基的层。它也比它所替代的基于氧化铝的层对点焊过程的破坏小，这促进在工件之间形成更牢固的焊接。具体地，与耐高温的氧化铝基的层相比，保护涂层导电性更好并且在点焊过程所施加的热和机械应力下更容易熔化或破碎。保护涂层的这些性质使得熔化的铝合金熔池更容易直接接触和浸润钢工件的相邻部分。

通过电阻点焊将钢工件接合到铝工件的优选方法开始于用保护涂层替代在铝工件的配合面处的至少标准的基于氧化铝的层，焊接电流将通过该配合面。这可通过致使形成期望的特定保护涂层（例如，金属或金属氧化物转化）的任何合适的技术完成。然后，钢工件和铝工件被组装为工件层叠结构并相对于带有一对相对的点焊电极的焊枪安置。接着，点焊电极抵靠层叠结构的相反侧按压，一个抵靠钢工件，一个抵靠铝工件，并且焊接电流在其间通过。