电阻焊接电极和利用其点焊钢和铝合金工件的方法技术

公开了电阻焊接电极和利用其点焊钢和铝合金工件的方法。电阻焊接电极至少包括由耐火基材料构成的焊接面，所述耐火基材料展示的导电率小于或等于由国际退火铜标准(IACS)限定的商用纯退火铜的导电率的65％。还公开了使用电阻焊接电极电阻点焊工件堆叠的方法，工件堆叠包括在接合界面处彼此重叠并接触的铝合金工件和钢工件。

【技术实现步骤摘要】
相关申请的交叉引用本申请要求2015年3月27日提交的美国临时申请No.62/139197的权益，通过参考将其全部内容并入本文。
本公开的
通常涉及电阻点焊，并且更确切地说，涉及电阻点焊铝合金工件和钢工件。
技术介绍
电阻点焊是由许多行业使用以将两个或更多个金属工作连接在一起的过程。例如汽车工业尤其在车辆的闭合部件(例如，车门、发动机罩、车尾行李箱盖或升降门)和车辆车身结构(例如，车身侧面和横梁)的制造过程中，经常采用电阻点焊将预制的金属工件连接到一起。沿着金属工件的外周边缘或另外一些结合区域通常形成许多点焊缝以确保部件在结构上是完好的。尽管点焊通常用于将一些相似构成的金属工件(例如钢-钢，以及铝合金-铝合金)连接到一起，但是将轻质材料结合到车辆平台内的期望对通过电阻点焊将铝合金工件连接到钢工件产生关注。前述对于电阻点焊异种金属工件的期望不仅仅是在汽车工业中；而是也延伸到可以采用点焊作为连接工艺的其他工业中，包括尤其是航空制造业、海运业、铁路工业和建筑施工业。电阻点焊依靠电阻使电流流过重叠的金属工件并横跨它们的接合界面以产生热量。为了实现这种焊接工艺，将一组相对的点焊电极夹在位于工件堆叠的相对侧上对准的位置处，通常工件堆叠包括布置成重叠的结构的两个或三个金属工件。然后电流通过金属工件从一个焊接电极到达另一焊接电极。电流流动的电阻在金属工件中以及金属工件的接合界面处产生热量。当工件堆叠包括铝合金工件和相邻的钢工件时，在接合界面和那些异种金属工件的块状材料内产生的热量生成并增长熔融的铝合金熔池，所述熔池从接合界面延伸到铝合金工件内。该熔融的铝合金熔池润湿了钢工件的相邻的接合表面，并且在电流中断时凝固成使两个工件结合到一起的焊接接头。然而，在实践中，将铝合金工件点焊到钢工件是具有挑战性的，原因是这两种金属的许多特性可以相反地影响焊接接头的强度，最显著的是剥离和横向拉伸强度。举例来说，铝合金工件在其表面上通常包含一个或多个机械上坚韧、电绝缘和自恢复耐火氧化层。氧化层通常含有氧化铝，但也可包括其它金属复合氧化物，当铝合金工件由包含有镁的铝合金构成时包括氧化镁。由于它们的物理特性，耐火氧化层具有在接合界面处保持完整性的趋势，在该接合界面它们会阻碍熔融的铝合金熔池润湿钢工件的能力以及提供接近界面的缺陷的来源。过去，已经致力于在点焊之前从铝合金工件上去除氧化层。尽管这种去除的实践可能是不切实际的，由于氧化层在氧气存在时具有再生的能力，特别是在应用来自点焊操作的热量的情形下。铝合金工件和钢工件还具有使得点焊工艺变得复杂的不同的特性。特别是，钢具有相对高的熔点(～1500℃)以及相对高的电阻率和热阻率，而铝合金材料具有相对低的熔点(～600℃)以及相对低的电阻率和热阻率。由于这些物理差异，在电流流动期间，大部分的热量在钢工件中产生。这种热量的不平衡在钢工件(较高温度)和铝合金工件(较低温度)之间建立了温度梯度，使得铝合金工件开始快速熔化。在电流流动期间产生的温度梯度和铝合金工件的高热导率的组合意味着：就在电流中断之后，发生热量从焊接区域不对称传播的情况。相反，热量从更热的钢工件通过铝合金工件朝向与铝合金工件接触的焊接电极传导，这在钢工件和该特定焊接电极之间产生了陡峭的热梯度。钢工件和与铝合金工件接触的焊接电极之间陡峭的热梯度的生成被认为以两个主要方式削弱了所得焊接接头的完整性。首先，由于在电流的通过中断后，相比于铝合金工件，钢工件保持热量持续更长的持续时间，因此熔融的铝合金焊接池定向凝固，从最靠近与铝合金工件相关联的较冷的焊接电极(通常水冷)的区域开始并向接合界面蔓延。这种凝固前沿趋向于在焊接接头中朝向和沿着接合界面(在该处已经存在氧化物膜残留物缺陷)伸展或推进缺陷，诸如气孔、缩孔以及微裂纹。其次，钢工件中持续的升高温度促使易碎的Fe-Al金属间层在接合界面处和沿着接合界面增长。具有焊接缺陷的分散以及Fe-Al金属间层的过度增长趋向于降低焊接接头的剥离强度和横向拉伸强度。根据前述挑战，对点焊铝合金工件和钢工件的之前的努力已采用指定较高的电流、较长的焊接时间或两者(与点焊钢-钢相比)的焊接方案，以试图并获得合理的焊接结合区域。这些努力在制造设置上极大地不成功，并且具有损坏焊接电极的趋势。由于之前的点焊努力不是特别成功，因此诸如自穿孔式铆钉和自攻螺钉的机械紧固件已经占优势地替代使用。然而，相比于点焊，机械紧固件花费较长的时间放置就位并且具有高消耗成本。它们还向车辆车身结构增加了重量(当通过点焊实施连接时避免的重量)，这抵消了一开始通过使用铝合金工件获得的重量节省。因此，其中能使工艺更能够连接铝合金和钢工件的进步的点焊对于现有技术是非常受欢迎的增加。
技术实现思路
披露了一种电阻焊接电极和采用该电阻焊接电极电阻点焊工件堆叠的方法，工件堆叠包括重叠并在接合界面处相互接触的铝合金工件和钢工件。电阻焊接电极至少包括由耐火基材料构成的焊接面，所述耐火基材料展现的导电率小于或等于商用纯退火铜的导电率(如由国际退火铜标准(IACS)限定的)的65％。由IACS限定的商用纯退火铜的导电率(也称为100％IACS)是5.80×107S/m。电阻焊接电极的各种结构是可能的：包括例如完全由耐火基材料形成的单一的电极结构或者多件式电极结构，在该多件式电极结构中，至少包含焊接面的组成部件由耐火基材料形成。耐火基材料包括至少35wt％并且优选至少50wt％的耐火金属。例如，耐火基材料可以是满足上述导电率限制的元素耐火金属(尽管包含工业上接受的杂质，但称为100wt％的元素耐火金属)，诸如钼或钨。耐火基材料还可以是满足上述导电率限制的金属复合物，诸如分别包含大于35wt％的钼或钨的钼的金属复合物或钨的金属复合物。当然，可以至少构成电阻焊接电极的焊接面的一种特别优选的耐火基材料是钨-铜金属复合物。适合的钨-铜金属复合物的一个特定示例是含有50wt％-90wt％之间的分散在铜基体中的钨颗粒相，该铜基体构成了在50wt％-10wt％之间的剩余余量。当点焊工件堆叠时可以使用电阻焊接电极，所述工件堆叠包括重叠并相互接触以建立接合界面的铝合金工件和钢工件。在此实例中，电阻焊接电极压在堆叠的紧接铝合金工件的第一侧上，并且第二焊接电极压在堆叠的紧接的钢工件的第二侧上。电阻焊接电极和第二焊接电极在施加的夹紧力下轴向对准地压靠在其工件堆叠的相应侧上。在焊接电极被牢固地就位后，电流在电阻焊接电极和第二焊接电极之间通过并穿过工件堆叠。电流使钢工件变热，这接着在铝合金工件中生成并增长熔融的铝合金熔池，熔池润湿相邻的钢工件的接合表面。最终，当电流中断时，熔融的铝合金熔池凝固成焊接接头，焊接接头在两个工件的接合界面处将两个工件连接在一起。电阻焊接电极可以有助于提高所形成的焊接接头的强度，特别是剥离强度和横向拉伸强度。特别地，由于其相对低的导电率，电阻焊接电极在电流流动期间产生热量。其还具有比传统的高导电率的铜合金焊接电极保持热量更长时间的趋势。因此电阻焊接电极可用于将热量保持在位于电极下方并与之接触的铝合金工件内，否则这是不存在的，如果例如传统的铜-锆焊接电极(0.1-0.2wt％的Zr和余量Cu)替代电阻焊接电极的话。在电流流动的过程中，保持在铝合金工件中的热量本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电阻焊接电极，包括：电极主体；以及设置在电极主体的前端上的焊接面，并且其中至少焊接面由耐火基材料构成，耐火基材料包含至少35wt％的耐火金属并且具有的导电率小于或等于3.8×107S/m。

【技术特征摘要】
2015.03.27 US 62/139197;2016.03.18 US 15/0746901.一种电阻焊接电极，包括：电极主体；以及设置在电极主体的前端上的焊接面，并且其中至少焊接面由耐火基材料构成，耐火基材料包含至少35wt％的耐火金属并且具有的导电率小于或等于3.8×107S/m。2.根据权利要求1所述的电阻焊接电极，其中所述耐火基材料是元素钼或元素钨。3.根据权利要求1所述的电阻焊接电极，其中所述耐火基材料是包括35wt％或更多的钼或钨的金属复合物。4.根据权利要求3所述的电阻焊接电极，其中所述耐火基材料是钨-铜金属复合物，其包括分散在铜基体中的50wt％至90wt％的钨颗粒相。5.根据权利要求1所述的电阻焊接电极，其中所述焊接面具有基础焊接面表面，基础焊接面表面具有从6mm至20mm的范围变化的直径以及从15mm至300mm的范围变化的球面曲率半径。6.根据权利要求5所述的电阻焊接电极，其中所述焊接面包括多个直立的、径向间隔的圆形脊，所述圆形脊围绕焊接面的中心并从基础焊接面表面向外突出。7.根据权利要求1所述的电阻焊接电极，其中所述电极主体和所述焊接面整体地...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·R·西勒，B·E·卡尔森，M·J·卡拉国利斯，D·P·凯利，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US