控制用于异种材料焊接的热应力和凝固的冷却制造技术

一种至少包括钢工件和铝基工件的工件层叠结构可以通过一种点焊方法进行电阻点焊，在该方法中，控制焊接电流以执行焊接接头发展的一个或多个阶段。当期望终止焊接电流流动并且将液态焊池凝固成焊接熔核(通常为铝基组分)时，围绕点焊电极接合铝基工件表面的接触区域向铝基工件的外表面进行附加冷却。在钢工件的表面处进行并且控制附加冷却，以便提高所述液态铝基材料的凝固速率并且控制焊接熔核凝固的方向，从而更好地限制最初在熔化物中的杂质等。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及在铝基工件外表面上的电阻点焊部位处的导向冷却，以控制下面的液态铝合金点焊材料的凝固。这种冷却在对铝基工件和钢合金工件的层叠结构进行电阻点焊期间是有用的，层叠结构与所述工件的搭接表面组装在一起，所述工件的搭接表面与在其中形成焊接熔核的搭接表面界面重叠。
技术介绍
电阻点焊为许多行业用来将两个或更多个金属工件接合在一起的过程。例如，汽车行业在制造车门、发动机罩、行李箱盖或举升门等期间经常使用电阻点焊将预制金属工件接合在一起。通常沿金属工件的周边边缘或一些其他结合区域形成许多焊点，以确保零件在结构上坚固。虽然点焊通常已实践为将某些类似组成的金属工件(诸如，钢合金至钢合金、铝合金至铝合金)接合在一起，但将较轻重量的材料结合到车身结构的期望已经产生对于通过电阻点焊将钢工件接合到铝基(铝或铝合金)工件的兴趣。具体地，使用一件设备对包含不同工件组合(例如，钢/钢、铝基/钢、铝基/铝基)的工件层叠结构进行电阻点焊的能力可促进生产灵活性并且降低制造成本。一般来说，电阻点焊依靠针对通过重叠的金属工件并且穿过它们的搭接表面的电流流动的电阻产生热量。为实施此焊接过程，通常将一对相对的点焊电极夹持在预定焊接部位的工件的相反侧上直径对齐的点处。然后，电流从一个电极到另一个电极传递通过金属工件。针对该电流流动的电阻在金属工件内并且在它们的搭接表面处产生热量。当钢工件和铝基工件正在进行点焊时，在它们的搭接表面处产生的热量引发从搭接表面延伸到铝基工件中的焊接熔核。该焊接熔池将相邻的钢工件表面润湿，并且在电流流动停止时凝固成形成焊接接头的全部或一部分的焊接熔核。然而，在实践中，将钢工件点焊到铝基工件是具有挑战性的，因为那两种金属的许多特性可不利地影响焊接接头的强度(最显著的是剥离强度)。一个挑战在于，铝基工件通常含有存在于其搭接表面上的一层或多层难熔氧化物层。一层或多层氧化物层通常由氧化铝组成，但也可存在其他氧化物化合物。例如，在含镁铝合金的情况下，一层或多层氧化物层通常还包括氧化镁。存在于铝基工件表面上的氧化物层是电绝缘和机械强韧的。由于这些物理属性，一层或多层氧化物层趋于在它们可妨碍焊接熔池润湿钢工件能力的搭接界面处保持完整，而且还在增长的焊接熔池内提供近界面缺陷源。一层或多层表面氧化物层的绝缘性质还增大了铝合金工件的接触电阻(即，在其搭接表面处以及在其电极接触点处的电阻)，从而使得难以有效控制并且集中铝合金工件内的热量。过去，已经做出努力在点焊之前将一层或多层氧化物层从铝基工件去除。然而，这种去除实践是不切实际的，因为一层或多层氧化物层在氧存在的情况下具有自愈或再生能力，尤其是在施加了来自点焊操作的热量的情况下。钢工件和铝基工件也具备趋于使点焊过程复杂化的不同属性。具体而言，钢具有相对高的熔点(～1500℃)以及相对高电阻率和热阻率，而铝基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热量在钢工件中产生。这种热量不平衡在钢工件(较高温度)与铝基工件(较低温度)之间建立温度梯度，温度梯度引发铝基工件的快速熔化。在电流流动期间创建的温度梯度和铝基工件的高热导率的组合意味着，紧接在电流中止之后，会发生热量未从焊接部位对称地散布的状况。相反，热量从较热的钢工件通过铝基工件朝向与铝基工件接触的焊接电极传导，这在钢工件与焊接电极之间创建了陡峭的热量梯度。在钢工件和与铝基工件接触的焊接电极之间的持续的陡峭热量梯度的发展被认为以两种主要方式使所得焊接接头的完整性变弱。第一，因为在电流已经中止之后，与铝基工件相比，钢工件将热量保留更长的持续时间，所以焊接熔池定向地凝固，从最靠近与铝基工件相关联的较冷焊接电极(通常是水冷却的)的区域开始，并且朝向搭接界面传播。此类型的凝固前沿趋于在焊接熔核内朝向和沿搭接界面的整个宽度或直径扫除或驱除缺陷(诸如气孔、收缩空隙、和表面氧化物残留)。第二，钢工件中的持续高温促进脆弱的Fe-Al金属间化合物在搭接界面处和沿搭接界面的增长。金属间化合物趋于在焊接熔核与钢工件之间形成薄反应层。如果存在，则这些金属间层通常被认为是除焊接熔核以外的焊接接头的一部分。焊接熔核缺陷的散布连同Fe-Al金属间化合物沿搭接界面的过度增长趋于降低最终焊接接头的剥离强度。鉴于前述挑战，点焊钢工件和铝基工件的先前努力已采用指定更高的电流、更长的焊接时间或两者(与点焊钢与钢相比)的焊接计划，以便尝试和获得合理的焊接结合区域。此类努力在制造环境中大部分是不成功的，并且趋于破坏焊接电极。考虑到先前的点焊努力并不是特别地成功，则主要替代地使用机械过程诸如自冲铆接和自攻螺接。与点焊相比，自冲铆接和自攻螺接两者均显著更慢，并且具有高耗材成本。它们还给车身结构添加了重量，这在某种程度上可开始抵消起初通过使用铝基工件所获得的重量节省。因此，使过程具有接合钢工件和铝基工件的更强能力的点焊中的进展可以为对本领域的受欢迎的补充。
技术实现思路
本专利技术涉及在铝基合金工件与钢合金工件的搭接表面之间的质量改进的电阻焊点的形成。在许多制造应用中，在层叠结构之间将形成一系列的此类焊点，在层叠结构中，铝合金板的一个表面靠着钢合金板的面对表面，以在工件的搭接表面处形成界面。在共同电极轴上对齐的两个相对电阻焊接电极在所选择的点焊部位处抵靠堆叠工件的相反侧面。当电极压靠堆叠工件的外表面时，程序化的焊接电流通过点焊部位处的工件在电极之间短暂地传递。焊接电流被适当地程序化以产生焊接熔池，焊接熔池主要位于铝合金工件中并且具有铝合金组分，并且焊接熔池靠着钢工件的搭接表面且将其润湿。在先前的焊接实践中，焊接电流可停止并且允许焊接部位在周围空气中冷却，同时靠着堆叠工件的外表面维持焊接电极的施加力。铜焊接电极中的一个或两个通常是用水冷却的，并且它们用于加快热量从点焊部位的去除以及焊接熔池的凝固。根据本专利技术的实践，提供物理冷却装置用于通过铝合金工件的外表面进行显著的附加冷却。所添加的物理冷却系统集中在紧密环绕在其中电阻焊接电极的焊接顶端压靠铝工件表面的点的表面区域。例如，可使用围绕点焊电极以环形(或者以两个接合的半圆环形)定位并且被引导在铝工件表面处的支撑冷却管阵列，以对着围绕仍与电极接触的区域的铝的外表面在环境温度或降低的温度下输送包封的气流，诸如空气或氮气(或相似的冷却气体或流体)。或者，可抵靠紧密环绕焊接电极的铝工件外表面放置具有适当传热接触表面的环形的、内部冷却的构件。管理来自热的铝工件表面的点焊部位的提高的传热速率，以改变焊接熔池在形成焊接熔核时的凝固速率和方向，焊接熔核先前已经从其与钢工件的搭接表面大部分延伸到铝合金工件中。根据本专利技术，进行并且控制铝工件外表面的此类定向外部冷却，因此凝固的焊接熔核从铝工件内的焊接熔池的周边朝向其中心形成，以便减小氧化铝材料(等)在钢工件表面处的量、形状和位置，从而改善在点焊部位处的工件的搭接界面处的焊接熔核结合的清洁度和强度(尤其是剥离强度)，并且减小围绕焊接部位的残余热应力。从本说明书中的本专利技术优选实施例的以下描述中，用于接合铝合金工件和钢合金工件的本专利技术的电阻点焊过程的其他细节和优点将显而易见。附图说明图1为位于准备用于点焊的焊枪的相对点焊电极之间的工件层叠结构的示意性侧本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种对工件层叠结构进行电阻点焊的方法，所述工件层叠结构包括铝基工件和钢工件，以便在所述铝基工件与所述钢工件之间形成电阻焊点，所述方法包括：使工件层叠结构与一对点焊电极接触，使得所述点焊电极与所述工件层叠结构的相对侧接触，所述工件层叠结构包括铝基工件和钢工件，所述铝基工件具有搭接表面并且所述钢工件具有搭接表面，且其中所述铝基工件的所述搭接表面和所述钢工件的所述搭接表面彼此重叠并接触，以在所述工件之间提供搭接界面；以及控制所述点焊电极之间的并且通过所述铝基工件和所述钢工件的电流的传递，以执行焊接接头发展的至少一个阶段，所述至少一个阶段包括使焊接熔池在所述铝基工件中增长，所述焊接熔池从所述搭接界面延伸到所述铝基工件中；以及冷却所述焊接熔池以使其凝固成焊接熔核，所述焊接熔核包括接合到所述钢工件的所述搭接表面的焊接结合区域，所述焊接熔池的所述冷却包括：冷却在环绕与所述点焊电极接触的所述区域的所述相反侧面的区域中的所述铝基工件的所述相反侧面，所述冷却经控制增加所述堆叠工件之间的所述焊点的剥离强度，并且减小所述点焊部位处的所述工件中的残余应力。

【技术特征摘要】
2015.07.07 US 14/7926561.一种对工件层叠结构进行电阻点焊的方法，所述工件层叠结构包括铝基工件和钢工件，以便在所述铝基工件与所述钢工件之间形成电阻焊点，所述方法包括：使工件层叠结构与一对点焊电极接触，使得所述点焊电极与所述工件层叠结构的相对侧接触，所述工件层叠结构包括铝基工件和钢工件，所述铝基工件具有搭接表面并且所述钢工件具有搭接表面，且其中所述铝基工件的所述搭接表面和所述钢工件的所述搭接表面彼此重叠并接触，以在所述工件之间提供搭接界面；以及控制所述点焊电极之间的并且通过所述铝基工件和所述钢工件的电流的传递，以执行焊接接头发展的至少一个阶段，所述至少一个阶段包括使焊接熔池在所述铝基工件中增长，所述焊接熔池从所述搭接界面延伸到所述铝基工件中；以及冷却所述焊接熔池以使其凝固成焊接熔核，所述焊接熔核包括接合到所述钢工件的所述搭接表面的焊接结合区域，所述焊接熔池的所述冷却包括：冷却在环绕与所述点焊电极接触的所述区域的所述相反侧面的区域中的所述铝基工件的所述相反侧面，所述冷却经控制增加所述堆叠工件之间的所述焊点的剥离强度，并且减小所述点焊部位处的所述工件中的残余应力。2.根据权利要求1所述的方法，其中在所述铝基工件中形成圆形焊接熔池，所述焊接熔池在所述搭接界面处具有半径尺寸和周长尺寸，并且当所述熔池延伸到所述铝基工件时，所述焊接熔池的半径尺寸和周长尺寸减小，并且在所述铝基工件的所述相反侧面处的冷却经控制使得所述焊接熔池的凝固从其周长尺寸径向向内地进行，以便朝向所述搭接界面处的所述凝固焊接熔核的中心部分置换不同于所述铝基组分的固体材料。3.根据权利要求1所述的方法，其中冷却气体流被引导在环绕与所述点焊电极接触的所述区域的所述铝基工件的所述相反侧面处。4.根据权利要求1所述的方法，其中冷却气体流被引导在环绕与所述点焊电极接触的所述区域的所述铝基工件的所述相反侧面处，所述冷却气体在对着所述工件的所述表面流动时其温度在15℃...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·杨，B·E·卡尔森，D·R·西格勒，
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