[发明专利]通过限制钢板变形提高铝-钢焊缝的机械性能

说明书

一种电阻点焊包括钢质工件和一个或多个铝质工件的工件层叠件的方法涉及局部硬化钢质工件以抵抗钢制工件变形。钢制工件的局部硬化是通过将电极容纳壁与钢质工件的一个或多个集成的升高部分掺入到钢质工件中来实现的，升高部分至少部分地围绕电极容纳壁而设置。该电极容纳壁包括电极接触面和相对的界面接触面。在焊接期间，一个焊接电极的焊接面挤压在钢质工件的电极容纳壁的电极接触面上，在该焊接电极和工件层叠件的相对侧上的另一个焊接电极之间瞬间通过电流，以形成焊缝，该焊缝与电极容纳壁的界面接触表面粘接。

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，具体是通过限制钢板变形提高铝-钢焊缝的机械性能的方法。

背景技术

许多工业在制造较大组件期间利用电阻点焊将两个或多个金属工件连接在一起。例如，汽车工业经常在制造用于车辆白车身(BIW)的结构框架构件以及安装到BIW等的车辆闭合构件(例如车门、车蓬、行李箱盖和升降门)期间使用电阻点焊来将金属工件连接在一起。长期以来一直采用电阻点焊将类似组成的金属工件(诸如两个或多个钢质工件或两个或多个铝质工件的层叠件)熔接在一起。然而，最近，已经开发出能够使不同的金属工件(诸如钢质工件和重叠的铝质工件或铝合金工件)粘接在一起的电阻点焊技术。对诸如不同金属工件的层叠件进行电阻点焊的能力出现用于焊接为汽车工业提供了更大的灵活性，以在特定的定制位置利用车辆结构中的黑色金属和有色金属，而不会显著增加整体制造复杂性。其他行业 (除汽车工业之外)也可以受益于可靠的电阻点焊工件层叠件(其包括不同的金属工件)的能力。这些其他行业可能包括航空航天、海运、铁路、建筑施工和工业设备行业，仅举几例。

电阻点焊是一种金属连接工艺，其依赖于电流通过重叠金属工件的瞬时通道，以在焊接位置加热并连接工件。为了进行这种焊接工艺，将两个相对的焊接电极被夹在重叠工件的相对侧上的对准点处，并且电流在两个电极的相对焊接面之间穿过金属工件。对该电流流动的电阻在金属工件内和它们的接合界面处产生热量。电阻性地产生的热量迅速产生并且足够浓缩以熔化一个或多个重叠的金属工件。例如，当工件层叠件包括钢质工件和相邻的重叠铝质工件时，在接合界面处和在更耐电和热的钢质工件内产生的热量在铝质工件内产生熔铝焊池。铝焊池不会消耗钢质工件和铝质工件之间的接合界面，但是，相反，会涂抹并润湿钢质工件的相邻接合面。最后，一旦冷却，熔铝焊池凝固成焊缝，该焊缝在其接合界面处将钢质工件和铝质工件界面粘接或钎焊在一起。

然而，在实践中，电阻点焊包括至少一个钢质工件和相邻的重叠铝质工件的层叠件是具有挑战性的，因为这两种金属的许多特性会对性能产生不利影响—最明显的是拆掉试样或零件，以及剥离的机械试验和/或焊缝的横向拉伸强度。例如，铝质工件通常包含机械坚韧、电绝缘和自愈合的耐火氧化物表面层。该氧化物表面层通常由氧化铝化合物组成，但也可包括其它金属氧化物化合物，其包括当铝质工件由例如含镁铝合金组成时的氧化镁。由于其性能，耐火氧化物表面层在接合界面处具有保持完整的趋势，其不仅妨碍熔铝焊池润湿钢质工件的能力，而且也在不断增长的铝焊池中提供了近界面缺陷的源头。此外，耐火氧化物表面层的绝缘性质提高了铝质工件的电接触电阻—即，在其接合面和电极接触点处—使得难以有效地控制并聚集铝质工件内的热量。

除了铝质工件的耐火氧化物表面层所带来的挑战之外，钢质工件和铝质工件具有不同的物理性质，这能够不利地影响焊缝的强度和性能。具体而言，铝具有相对低的熔点(570℃ -600℃)和相对较低的电阻率和热阻率，而钢具有相对较高的熔点(1300℃-1500℃)和相对较高的电阻率和热阻率。由于材料特性的这些差异的结果，大部分的热量是在电流流动期间在钢质工件内产生，使得钢质工件(较高温度)和铝质工件(较低温度)之间存在热不平衡。在电流流动期间产生的热不平衡和铝质工件的高热导率的结合意味着：在电流终止后，立即发生热量没有从焊接区对称地散布的情况。相反，热量从较热的钢质工件通过铝质工件传导到与铝质工件接触的焊接电极，这在该方向上产生陡峭的热梯度。