CN114473164B - 对异种金属工件堆叠式总成电阻点焊的方法及电阻点焊的异种金属堆叠式总成 - Google Patents

Abstract

一种用于对异种工件堆叠式总成进行电阻点焊的方法。堆叠式总成包括由第一合金所制的第一工件、由第二合金所制的第二工件以及由第三合金所制且夹于第一工件和第二工件之间的第三工件。第三合金的电阻率小于第一合金的电阻率以及小于第二合金的电阻率。接合界面由第一工件的一部分通过第三工件直接接触第二工件的一部分来限定。第一工件通过焊核、钎焊或者焊核和钎焊的组合，在接合界面处接合至第二工件。第三合金的再凝固熔池的环状圈环绕接合界面，并且再凝固的区域部分地熔化环绕环状圈的第三合金。

Description

对异种金属工件堆叠式总成电阻点焊的方法及电阻点焊的异 种金属堆叠式总成

技术领域

本公开涉及一种用于对堆叠式总成进行电阻点焊的方法，具体涉及一种用于对异种金属工件堆叠式总成进行电阻点焊的方法，更具体涉及一种由异种金属通过电阻点焊形成的堆叠式总成。

背景技术

汽车行业通常采用电阻点焊将堆叠的金属工件总成连接在一起，也称之为堆叠式总成，其用于制作车柱、结构梁、内外主体面板、引擎罩以及后备箱盖等汽车结构主体组件。通常，堆叠式总成的外围边缘或其他一些焊接区域会有大量的焊缝存在以确保车体组件结构稳定。

一般地，电阻点焊主要是通过电流流动接触金属工件并穿过它们的接合界面所产生的电阻以产生热量。通常，一对相对的点焊电极夹于预定焊接处堆叠式总成的相对两侧上径向对齐的焊点处。电流从金属工件的一电极到达其他电极。电流流动所产生的电阻会在金属工件内部及其接合界面处产生热量。

对异种金属工件的点焊，比如将铁制工件焊到铝制工件上，面临着一些挑战。铁的熔点相对铝较高，大约1500度，而且其电阻率比铝更高。铝的熔点相对铁较低，大约660度，而且其电阻率比铁更低。因此，当较薄的铝制工件夹在两块铁制工件之间时，异种金属工件的点焊会面临更大的挑战。由于体电阻率的不同，通过传统电阻点焊连接铁-铝-铁堆叠式总成是有一定难度的，而且会有不均匀的热量产生并穿过工件。因此，对于通过电阻点焊的方式将铝制工件接至铁制工件而言，更大的挑战是在接合界面形成铁-铝金属间化合物以及在铝制焊核内形成的氧化膜夹杂物处。

因此，当现有对堆叠式总成进行电阻点焊的方法已实现其预期目的时，仍需一种用于对异种金属工件堆叠式总成进行电阻点焊的新的和改进的方法。

发明内容

根据几个方面，公开了一种用于对异种金属工件堆叠式总成进行电阻点焊的方法。该方法包括：设有具有外表面和相对接合面的第一工件；具有外表面和限定突起的相对的接合面的第二工件；和具有第一接合面和相对的第二接合面的第三工件，使得第一工件的接合面与第三工件的第一接合面相抵接，第二工件的接合面的突起与第三工件的第二接合面相抵接。该方法包括通过突起使电流从第一工件的外表面和第二工件的外表面之间穿过，以此对第一工件、第二工件和第三工件进行电阻点焊。

根据本公开另一方面，第三工件的电阻率和熔化温度低于第一工件和第二工件的电阻率和熔化温度。电流包括充足的直流电，以将与突起紧邻的第三工件的一部分熔化到熔池中。

根据本公开另一方面，该方法还包括对第一工件的外表面和第二工件的外表面施加一压缩力，以促使突起穿入，并使所述熔池移位以让位于第二工件的接合面，继而接触第一工件的接合面以限定接合面。其中电流包括充足的直流电，以在接合面处形成至少一个焊核来连接第一工件和第二工件，第三工件夹在第一工件和第二工件之间。

根据本公开的另一方面，压缩力足以促使突起将熔池移位至环绕接合界面的环状圈内。

根据本公开的另一方面，第一工件为第一铁合金，第二工件为第二铁合金，第三工件为铝合金、铜合金或镁合金。

根据本公开的另一方面，第三工件具有约0.4-0.5mm的厚度(T3)，突起具有约1.0-3.0mm的宽度(W)和约0.1-1.0mm的高度(H)。

根据本公开的另一方面，第一工件具有第一厚度(T1)，第二工件具有第二厚度(T2)，其中第一厚度(T1)和第二厚度(T2)分别约为0.9-3.0mm。

根据本公开的另一方面，直流电约为8-14kA(千安培)。

根据本公开的另一方面，压缩力约为2-5kN(千牛)。

根据本公开的另一方面，在第一工件和第三工件之间以及第二工件和第三工件之间使用熔透结构性胶黏剂。

根据几个方面，公开了一种对堆叠式总成进行电阻点焊的方法。该方法包括：通过将铝板夹在第一铁板和第二铁板之间形成堆叠式总成。第二铁板包括突起，该突起在预定焊接处与铝板搭接。在预定焊接处对堆叠式总成进行电阻点焊需要使用直流电穿过预定焊接处，以将紧邻突起的铝板的一部分熔化至铝熔池中，并且在预定焊接处施加压缩力，以促使突起穿入，并使所述熔池移位以让位于第二铁板的接合面，继而接触第一铁板的接合面以限定接合面。

根据本公开的补充方面，电阻点焊包括：使用充足的直流电和充足的压缩力在接合界面处形成钎焊，以将第一铁板连接至第二铁板，从而将铝板保持于二者之间。

根据本公开的另一方面，电阻点焊包括：使用充足的直流电和充足的压缩力于接合界面处形成焊核，以将第一铁板连接至第二铁板。

根据本公开的另一方面，第二铁板包括限定有与突起相对的凹陷的外表面，以定位预定焊接点。

根据本公开的另一方面，电阻点焊包括使用充足的直流电和充足的压缩力在第一铁板和铝板之间形成第二钎焊，以及在第二铁板和铝板之间形成第三钎焊。

根据几个方面，公开了一种堆叠式总成。该堆叠式总成包括：具有第一合金的第一板；具有第二合金的第二板；具有第三合金且夹于第一板和第二板之间的第三板，第三合金的电阻率和熔化温度均小于第一合金和第二合金的电阻率和熔化温度；接合界面，其由通过第三板使第一板的一部分与第二板的一部分直接接触所限定；焊核，其在接合界面将第一板连接至第二板；以及第三合金的再凝固熔池的环状圈，其环绕接合界面。

根据本公开的另一方面，堆叠式总成还包括位于接合界面的第一钎焊，其将第一板连接至第二板。

根据本公开的另一方面，堆叠式总成还包括位于第一板和第三板之间的第二钎焊，以及位于第二板和第三板之间的第三钎焊。

根据本公开的另一方面，堆叠式总成还包括根部缺口区域，该根部缺口区域由第一板和第二板经由接合界面的偏转所限定，根部缺口区域包括约10至30度的缺口根部角(α)。

根据本公开的另一方面，堆叠式总成还包括环绕所述环状圈的再凝固且部分熔化的第三合金中的区域。

通过上述说明书，本公开的应用领域越加明显。应当理解的是本说明书以及具体实例仅仅用来阐述，并不会限制本公开的范围。

附图说明

本文所述的附图仅出于说明的目的，并非旨在以任何方式限制本公开的范围。附图不一定是按比例绘制，为了展示细节，有些特征可能被夸大或缩小。

图1为根据示例性实施方案的由堆叠式异种金属工件的电阻点焊总成的横截面侧视图；

图2为根据示例性实施方案的点焊前的图1中堆叠式工件的分解透视图；

图3为根据示例性实施方案的堆叠式异种金属工件的点焊总成的一部分的显微示图；

图4为图3截面A-A的显微详图；

图5为图3截面B-B的显微详图；

图6为根据示例性实施方案的用于对堆叠式异种金属工件总成进行电阻点焊的方法的流程图；

图7A为根据示例性实施方案的图1中为电阻点焊安排的总成的示意图；

图7B为电阻点焊后的图7A中堆叠式总成的示意图；

图8A为根据另一示例性实施方案的图1中为电阻点焊安排的总成的示意图；

图8B为电阻点焊后的图8A中总成的示意图；以及

图9A-9D为图1中的总成进行电阻点焊的示范性电阻点焊图表。

具体实施方式

以下描述在本质上仅是示例性，并非旨在限制本公开、应用或用途。参照附图公开了所示实施方案，其中在所有附图中，相似的附图标记表示相应的部分。为显示具体特征的细节，并不一定按比例对附图进行绘制，而且可能会将某些特征放大或缩小。所公开的具体结构和功能细节并非旨在被释为具有限制性，而是作为一种代表性基础，指导本领域技术人员如何实践所公开的概念。

图1示出了电阻点焊总成100的横截面侧视图。电阻点焊总成100也称作堆叠式总成100，具有第一工件102、第二工件104以及夹在第一工件102和第二工件104之间的第三工件106。当用下面详细公开的方法600进行电阻点焊时，第二工件104具有独特特征。通过方法600产生坚固的点焊缝108，其能够连接具有不同材料特性的金属工件(也称作异种金属工件)。

第一工件102和第二工件104由铁合金，诸如无间隙原子钢(低碳钢)、高强度低合金钢(HSLA)、双相钢(DP)、相变诱发塑性钢(TRIP)、孪晶诱发塑性钢(TWIP)、第三代先进高强度钢(Gen 3)、多相钢、冲压硬化钢和马氏体钢形成。铁合金的电阻率范围通常为约10-50微欧姆/厘米，更常见为12-35微欧姆/厘米。第三工件106由铝合金，诸如铝镁合金、铝硅合金、铝镁硅合金、铝锌合金或铝金属形成。然而，第三工件也可由电阻率和熔点低于铁合金的其它合金形成。例如，第三工件106可由镁或铜合金形成。第一工件102、第二工件104和第三工件106的形状可以是片状、铸件或挤压式。在所公开的实施方案中，工件102、104和106是片状的，也称作面板。

为简明起见，铁合金和铝合金在本文中分别称作铁和铝。第一工件102和第二工件104也分别称作第一铁工件102和第二铁工件104。第三工件106也称作第三铝工件或铝工件。

图2示出了在进行组装和电阻点焊之前以搭接堆叠的方式布置的第一工件102、第二工件104和第三工件106。第一工件102包括外表面122和与外表面122相对的接合面124，并具有限定于外表面22和接合面124之间的厚度(T1)。同样地，第二工件104包括外表面126和与外表面126相对的接合面128，并具有其限定于外表面126和接合面128之间的厚度(T2)。第三工件106包括第一接合面134和与第一接合面相对的第二接合面136，并具有限定于第一接合面和第二接合面之间的厚度(T3)。

第一工件102的厚度(T1)可与第二工件104的厚度(T2)相同或不同。第一工件102的厚度(T1)和第二工件104的厚度(T2)在0.9-3.0mm的范围内。第三工件106的厚度(T3)在约0.4mm至等于或大于T1或T2的范围内。

第二工件104的接合面128将突起130限定在预定的点焊位置。突起130可以是圆形、方形、三角形或更复杂的几何形状，并且突起130包括与第二工件104的接合面隔开的远端131。突起130的宽度(W)为约0.5-5.0mm，优选为约1.0-3.0mm。突起130包括从远端131到第二工件104的接合面128所测的高度(H)，其为约0.1-1.0mm，优选为约0.25-0.5mm。突起130可通过挤压成型、冷喷涂、诸如金属惰性气体(MIG)保护焊或钨极惰性气体(TIG)保护焊的熔融焊或者增材制造形成。第二工件104的外表面126限定了与突起130相对的凹陷132，以协助识别该方法中突起130的位置。

第一工件102、第二工件104以及夹在它们之间的第三工件106可以表示金属子组件的重叠部分，将这些金属子组件装配并连接成用于机动车辆(未示出)的结构堆叠式总成100。所连接的重叠区域需要具有足以承受车辆正常运行所产生的应力和应变的强度和耐用性。例如，结构堆叠式总成100可以是一种车门总成，其中第一工件102代表车门内板，第二工件104代表车门外板，而第三工件106代表车门内板和车门外板之间的层板。车门内板和车门外板彼此相对地排列和堆叠。面板的重叠区域通过多个点焊缝接合起来，形成一个完整的车门总成。

以下是可用于制造车辆结构部件的板材示例：

1.)抗拉强度为980兆帕(MPa)的双相钢(即，DP980)。

屈服强度为340MPa的高强度低合金钢(HSLA 340LA)。

通过在焊接前将1.0mm的6022铝板放在两张钢板之间，可以将0.7mm的DP980板与1.4mm的HSLA 340LA板连接起来。

2.)通过将0.8mm的6022铝板放在两块钢板之间，可以将0.65mm的无间隙原子钢板与1.2mm的DP980钢板连接起来。

3.)通过将0.8mm的6022铝板放在两张钢板之间，可以将0.65mm的无间隙原子钢板与1.6mm的铝硅涂层压制硬化钢连接起来。

根据图6所示的方法600对第一工件102、第二工件104和第三工件106进行组装和焊接。参照图1和图3，所焊接的堆叠式总成100包括位于预定点焊位置的点焊缝108。电阻点焊方法600移动所夹的第三工件106的一部分，并在接合界面113处将具有焊核110、第一钎焊111或两者兼有的第一工件102和第二工件104连接起来。接合界面113的直径(F)约为第三工件106的厚度(T3)的5倍。第一钎焊111并非必然形成于第一工件102和第二工件104的接合界面。在某些情况下，如当第一工件102和第二工件104具有相似的厚度和电阻率时，会形成传统的焊核110。然而，在第一工件102和第二工件104的厚度和电阻率存在较大差异的情况下，如图3所示的情况，电阻点焊期间的热量聚焦在一个或另一个工件上。在这种情况下，如果发生焊缝熔透，在厚度较薄、电阻较小的工件中发生非常小的焊缝熔透(垂直生长)。在这些情况下，钎焊111会形成一个接头，否则将不会形成接头。

继续参照图1和图3，在该示例性实施方案中，第一工件102与第二工件104的接合界面包括约2-10微米(μm)厚的用作钎焊111的铁铝化物(Fe_xAl_y)层。可通过改变铝工件106的合金含量，来控制铁铝化物(Fe_xAl_y)钎焊111在第一工件102与第二工件104的接合界面113上的厚度。具有较低Si含量和较高Mg含量的铝合金，诸如5xxx系列铝，例如5182或5754铝，会促成较厚的钎焊111；而具有较高Si含量和较低Mg含量的铝合金，如6xxx系列铝，例如6022或6111铝，会促成较薄的钎焊111。

环绕缺口根部区域112的是在电阻点焊过程中熔化的再凝固铝合金的环状圈114，该环状圈114由第一工件102和第二工件104从接合界面113的偏转所限定。环绕该环状圈114的是在电阻点焊过程中被部分熔化的再凝固铝合金区域116。电阻点焊堆叠式总成100还包括Fe_xAl_y钎焊118，也称作第二钎焊118，其将环状铝圈114与第一工件102和Fe_xAl_y钎焊120连接起来。Fe_xAl_y钎焊120也称作第三钎焊120，其将环状铝圈114和第二工件104连接起来。即使在第一工件102和第二工件104的接合界面上没有钎焊，也会存在将环状铝圈114连接至第一工件102的Fe_xAl_y钎焊118和将环状铝圈114与连接至第二工件104的Fe_xAl_y钎焊120。

缺口根部区域112包括缺口根部角(α)，约为5-45度，优选为10-30度。缺口根部角α通过测量从第一工件102和第二工件104在焊接处的接合界面延伸出的线和第一工件102的倾斜的接合界面得出。根部缺口区域112是将应力集中在第一工件102和第二工件104之间的接合界面的焊缝结构。因此，缺口根部角(α)越大，或者说越宽，则传递到接合界面113的应力越少。较大的缺口根部角(α)引导应力远离根部缺口区域112，并使第一工件102和第二工件104更难拉开，因此，在损坏堆叠式总成100的结构之前需要更多的力。

图6所示为制造图1中电阻点焊堆叠式总成的方法600的流程框图。从方框602开始，如图7A所示，对第一工件102、第二工件104和第三工件106进行排列和组装，使得第三工件106层叠在第一工件102和第二工件104之间形成堆叠式总成100。将第一工件102组装到第三工件106上，使得第一工件102的接合面124与第三工件106的第一接合面134相抵接。将第二工件104组装到第三工件106上，使得突起130的远端131与第三工件106的第二接合面136相抵接。

移至方框604，如图7A所示，使用焊枪将第一工件102、第二工件104和位于它们之间的第三工件106电阻点焊在一起。由焊枪提供对堆叠式总成100进行点焊所需的电流。焊枪包括对相对的点焊电极，点焊电极包括第一焊接电极140和第二焊接电极142。焊接电极140、142中的每个都包括标准的圆形端部，也称作球形头，其与在预定焊接处彼此相对对齐的第一工件102和第二工件104的相应外表面122、126相接触。第一焊接电极140位于第一工件102的外表面122上，该第一工件102的外表面122与从第二工件104的接合面128延伸出的突起130相对齐。第二电极142位于第二工件104的外表面126上，该第二工件104的外表面126位于凹陷132正上方并与突起130相对齐。

焊枪的双臂(未示出)对相向的第一工件102的外表面122和第二工件104的外表面126施加夹紧力或压缩力。压缩力垂直于外表面122和126，以在第一焊接电极和第二焊接电极以及第一工件102和第二工件104各自的外表面之间建立良好的机械接触和电接触。然后，使焊接电流在第一焊接电极140和第二焊接电极142之间通过，并使其通过堆叠式总成100。焊接电流通常是直流电(DC)，约为5-50kA。当焊接电流通过焊接处时，通过该对电极140、142将压缩力保持在堆叠式总成100上。

当焊接电流通过焊接处时，由于铁合金的电阻率比铝合金更高，所以第一工件102和第二工件104比第三工件106加热得更快。随着工件加热，第一工件102和第二工件104变得更软且更具延展性。通过传导，将热能从第一工件102和第二工件104传递，以在焊接处将第三工件106的一部分熔化成铝熔池。

移至方框606，由相对的一对电极施加压缩力，促使从第二工件104的接合面128延伸出的突起130穿入第三工件106并使铝熔池让位于第二工件104的接合面128，之后接触第一工件102的接合面以在凝固时形成至少一个焊核110，从而将第一工件102与第二工件104连接起来。由相对的一对电极140、142将压缩力施加到第一工件102和第二工件104上，促使铝合金熔池离开接合界面113并进入在由第一工件102和第二工件104所限定的根部缺口区域112中所形成的任何空隙中。熔融材料流入根部缺口区域112的空隙中，以增强堆叠式总成100在铝合金熔池再凝固时的接合强度。铝合金熔池的环状圈114通过防止第一工件102和第二工件104的接合面在电极的压缩力作用下塌陷，从而将角度α保持在5-45度之间。

图9A-9D所示为示例性焊接图表。竖轴代表压缩力，也称作焊接力，以及在每一电阻点焊过程中所施加的焊接电流，而横轴表示每一电阻点焊过程所经历的时间周期。实线代表由电极在相对时间内施加到堆叠式总成100上的压缩力，而虚线表示由电极在相对时间内所施加的焊接电流。电极所施加的压缩力范围为2-7kN，优选为2-5kN。焊接电流范围为6-15kA，优选为8-14kA。每次施加焊接电流的持续时间的范围为80-270ms，或者更常见为100-200ms。

移至方框608，中断焊接电流，并收回电极。在焊接电流停止时，熔融的铝合金熔池凝固，以形成环绕并包围缺口区域的环状焊接圈114，以及如图1中大体所示和图3中所示的环状铝圈114与第一工件102和第二工件104之间的铝铁钎焊118、120。

环状铝圈114通过改变第三工件106的部分熔化热影响区和热影响区的轮廓来增强焊接结构，这是通过使第三工件106进一步远离根部缺口区域112来实现的。环状铝圈114加大了铁热影响区的尺寸或外部范围，因为在两个金属板之间存在的不是微小的气隙或空隙，而是由热的铝金属(将会逐渐冷却)对根部缺口的气隙进行填充。铝还会将热量从焊接区域横向传导出去，这将可能使铁加热，从而会达到理想的回火作用。热环境的这种变化会使通常与铁的临界热影响区相关的硬度槽，从铁焊核110移动到未因在焊接过程中被施加热和力而变薄的铁的位置。

在使用第二工件104的接合面128上突起130的方法中，会产生2-10μm厚的铁铝化物(Fe-Al)层，作为第一工件102和第二工件104之间的接合界面上的钎焊。而在未使用第二工件104的接合界面128上的突起130的传统焊接方法中，不会产生钎焊，因为铝的熔化温度比铁低得多，铝和铁的熔化温度分别约为660℃和1500℃。

参照图8A和8B，并移至图6中的方框602，在组装期间或点焊之前，可在铁工件102、104的接合面124、128和铝工件106的接合面134、136之间施加熔透结构性胶黏剂或结构性密封胶150。结构性胶黏剂或结构性密封胶通过密封水分来抑制焊接接头的腐蚀，并防止非钎焊的铝工件和铁工件之间发生电化学腐蚀。

以上所公开的方法600提供了异种金属工件的坚固的电阻点焊堆叠式总成100。方法600能够对从最小厚度(T3)为0.4mm的薄铝工件106到厚度(T1)、(T2)范围为0.9-3.0mm、优选为0.9-2.0mm的薄铁工件102、104进行电阻点焊。方法600还能够使用标准球形头电极，而无需要复杂的电极几何形状，以对夹在两个铁工件102、104之间的铝工件106进行电阻点焊。

本公开的描述在本质上仅具有示例性，而且在不偏离本公开主旨的情况下，应认为本公开的变化包含在本公开的范围内。不应将这些变化视为脱离本公开的精神和范围。

Claims (9)

1.一种电阻点焊的方法，包括：

设有：

第一工件，具有外表面和相对的接合面；

第二工件，具有外表面和相对的接合面，所述接合面用于限定突起；和

第三工件，具有第一接合面和相对的第二接合面，使得所述第一工件的接合面与所述第三工件的第一接合面相抵接，所述第二工件的接合面的突起与所述第三工件的第二接合面相抵接；以及

通过所述突起使电流从所述第一工件的外表面和所述第二工件的外表面之间穿过，以此对第一工件、第二工件和第三工件进行电阻点焊；

其中所述电流包括充足的直流电，以将与所述突起紧邻的第三工件的一部分熔化到熔池中；

对所述第一工件的外表面和所述第二工件的外表面施加压缩力，以促使突起穿入，并使所述熔池移位以让位于所述第二工件的接合面，继而接触所述第一工件的接合面以限定接合面；

其中所述压缩力足以促使突起将熔池移位到环绕所述接合界面的环状圈内，以在所述第一工件和所述第三工件之间形成第一钎焊，以及在所述第二工件和所述第三工件之间形成第二钎焊。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第三工件的电阻率和熔化温度低于所述第一工件和所述第二工件的电阻率和熔化温度。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述电流包括充足的直流电，以在所述接合面处形成至少一个焊核来连接所述第一工件和所述第二工件，其中所述第三工件夹在所述第一工件和所述第二工件之间。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一工件包括第一铁合金，所述第二工件包括第二铁合金，所述第三工件包括合金，所述合金选自由铝合金、铜合金及镁合金组成的组。

5.根据权利要求4所述的方法，其中所述第三工件具有0.4-0.5mm的厚度(T3)，所述突起具有1.0-3.0mm的宽度(W)和0.1-1.0mm的高度(H)。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述第一工件具有第一厚度(T1)，所述第二工件具有第二厚度(T2)，其中所述第一厚度(T1)为0.9-3.0mm，所述第二厚度(T2)为0.9-3.0mm。

7.根据权利要求2所述的方法，其中所述直流电为8-14kA。

8.根据权利要求1所述的方法，其中所述压缩力为2-5kN。

9.根据权利要求1所述的方法，还包括：在所述第一工件和所述第三工件之间以及所述第二工件和所述第三工件之间使用熔透结构性胶黏剂。