通过限制钢板变形提高铝-钢焊缝的机械性能制造技术

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。

Improvement of Mechanical Properties of Aluminum-Steel Weld by Restricting Deformation of Steel Plate

【技术实现步骤摘要】
通过限制钢板变形提高铝-钢焊缝的机械性能引言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。在与铝质工件接触的钢质工件和铝质工件之间产生陡峭的热梯度被认为会以几种方式削弱所得到的焊缝。首先，因为在电流流动已经终止之后，钢质工件比铝质工件保温持续时间更长，所以熔铝焊池定向地凝固，从靠近较冷的焊接电极(通常是水冷的)的区域开始，该区域与铝质工件接触并朝向钢质工件的接合面传播。这种凝固前沿倾向于扫描或驱动缺陷(诸如气孔、收缩空隙和微裂纹)朝向并沿着焊缝和钢质工件(其中已经存在残留的氧化膜缺陷)的粘合界面。如果与来自可能存在于铝质工件和钢质工件之间的粘合剂层或其他有机材料层的热分解残余物相结合起来，则残留的氧化物膜缺陷可能特别具有破坏性。其次，钢质工件中持续升高的温度促进了焊缝内硬脆的Fe-Al金属间化合物层的生长，并与钢质工件的接合面邻接。焊接缺陷的分散以及在粘接界面处的Fe-Al金属间化合物层的过度生长往往会降低接合强度，特别是焊缝的剥离强度和横向张力强度。即使采用技术和其他措施来减轻潜在不利影响，该潜在不利影响可归因于铝质工件的耐火氧化物表面层以及铝质工件和钢质工件的物质上不同的物理性质，在某些情况下，焊缝的强度和其他机械性能可能仍然不能令人满意的。值得注意的是，如果层叠件中的钢质工件相对较薄并且具有较低的屈服强度，或者当焊缝经受负载时可以相对于铝质工件容易地变形，则早期发生和/或在钢质工件中引起的过大的变形率，无论是弹性还是塑性，都会对接缝产生应力并使Fe-Al金属间化合物层断裂。这导致接缝的界面破坏，并因此导致接缝表现出低于预期的强度，特别是在剥离和横向张力测试中，尽管接缝在结构上是合理的。虽然取决于铝质工件的成分、厚度和性质(例如，屈服强度)，经历导致界面破坏的过度应变类型的钢质工件的确切类型可能会变化，但是当钢质工件是低强度钢或薄规格高强度钢时会经常遇到该问题。鉴于上述挑战，诸如自攻铆钉和流钻螺钉之类的机械紧固件主要用于将钢质工件和铝质工件紧固在一起代替电阻点焊。然而，与点焊相比，机械紧固件需要更长的时间才能到位并且具有高的消耗成本，并且如果可以用现有的点焊设备代替，还需要它们自己的专用设备才能必须安装并集成到可能不需要的制造环境中。机械紧固件还增加了车辆结构的重量(当通过自生接缝点焊实现接合时避免的重量)，这通过首先使用铝质工件来实现抵消一些重量减轻。因此，当仍然需要从钢进行电阻点焊到铝时(特别是当钢质工件的刚度与层叠件的相邻铝质工件之间存在值得注意的差异时)，电阻点焊技术证明，支持产生具有可靠机械性能的坚固焊缝。
技术实现思路
电阻点焊包括钢质工件和至少一个相邻的重叠铝质工件的工件层叠件的方法的实施例包括多个步骤。在一个步骤中，电极容纳壁形成在钢质工件中。电极容纳壁具有电极接触面和相对的界面接触面，并且电极接触面至少部分地由钢质工件的一个或多个集成的升高部分限定，该升高部分从电极接触面向上地突出。在另一步骤中，钢质工件和一个或多个铝质工件以重叠方式组装以形成工件层叠件，使得钢质工件的电极容纳壁的界面接触面面向并接触一个或多个铝质工件的相邻接合面，以建立接合界面。在又一个步骤中，第一焊接电极的第一焊接面在工件层叠件的第一侧部压靠在钢质工件的电极容纳壁的电极接触面上，并且第二焊接电极的第二焊接面在工件层叠件的第二侧部压靠在一个或多个铝质工件的暴露的背面上，第二侧部与第一焊接电极的第一焊接面面向地对准。在又一步骤中，电流在第一焊接电极的第一焊接面和第二焊接电极的第二焊接面之间通过，以在一个或多个润湿钢质工件的电极容纳壁的界面接触面的铝质工件内形成熔铝焊池。并且，在又一步骤中，允许熔铝焊池凝固成焊缝，该焊缝将一个或多个铝质工件粘接到钢质工件上。前述实施例的方法可以包括附加步骤或进一步被限定。例如，至少部分地限定电极容纳壁的电极接触面的钢质工件的一个或多个集成的升高部分中的每一个在电极接触面上方至少升高0.5mm。在另一个本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电阻点焊包括钢质工件和至少一个相邻的重叠铝质工件的工件层叠件的方法，所述方法包括：在所述钢质工件中形成电极容纳壁，所述电极容纳壁具有电极接触面和相对的界面接触面，所述电极接触面至少部分地由钢质工件的一个或多个集成的升高部分限定，所述升高部分从所述电极接触面向上地突出；以重叠的方式组装钢质工件和一个或多个铝质工件以形成工件层叠件，使得所述钢质工件的电极容纳壁的界面接触面面向并接触一个或多个铝质工件的相邻接合面，以建立接合界面；将第一焊接电极的第一焊接面在所述工件层叠件的第一侧部处压靠在所述钢质工件的所述电极容纳壁的所述电极接触面上；将所述第二焊接电极的第二焊接面在所述工件层叠件的第二侧部处以与所述第一焊接电极的所述第一焊接面面向对准的方式压靠在所述一个或多个铝质工件的暴露的背面上；将电流在所述第一焊接电极的所述第一焊接面和所述第二焊接电极的所述第二焊接面之间通过，以在一个或多个润湿所述钢质工件的所述电极容纳壁的所述界面接触面的铝质工件内形成熔铝焊池；和允许所述熔铝焊池凝固成焊缝，所述焊缝将所述一个或多个铝质工件粘接到所述钢质工件上。

【技术特征摘要】
2018.02.28 US 15/9079961.一种电阻点焊包括钢质工件和至少一个相邻的重叠铝质工件的工件层叠件的方法，所述方法包括：在所述钢质工件中形成电极容纳壁，所述电极容纳壁具有电极接触面和相对的界面接触面，所述电极接触面至少部分地由钢质工件的一个或多个集成的升高部分限定，所述升高部分从所述电极接触面向上地突出；以重叠的方式组装钢质工件和一个或多个铝质工件以形成工件层叠件，使得所述钢质工件的电极容纳壁的界面接触面面向并接触一个或多个铝质工件的相邻接合面，以建立接合界面；将第一焊接电极的第一焊接面在所述工件层叠件的第一侧部处压靠在所述钢质工件的所述电极容纳壁的所述电极接触面上；将所述第二焊接电极的第二焊接面在所述工件层叠件的第二侧部处以与所述第一焊接电极的所述第一焊接面面向对准的方式压靠在所述一个或多个铝质工件的暴露的背面上；将电流在所述第一焊接电极的所述第一焊接面和所述第二焊接电极的所述第二焊接面之间通过，以在一个或多个润湿所述钢质工件的所述电极容纳壁的所述界面接触面的铝质工件内形成熔铝焊池；和允许所述熔铝焊池凝固成焊缝，所述焊缝将所述一个或多个铝质工件粘接到所述钢质工件上。2.如权利要求1所述的方法，其中至少部分地限定所述电极容纳壁的所述电极接触面的所述钢质工件的一个或多个集成的升高部分中的每一个在所述电极接触面上方至少升高0.5mm。3.如权利要求1所述的方法，其中在所述钢质工件的所述一个或多个集成的升高部分下面的所述钢质工件的接合面的区段面对但不接触所述一个或多个铝质工件的相邻接合面，从而与所述一个或多个铝质工件的相邻接合面一起限定间隙，所述相邻接合面至少部分地围绕所述钢质工件的所述电极容纳壁。4.如权利要求1所述的方法，其中所述电极容纳壁的所述电极接触面由所述钢质工件的一个或多个集成的升高部分完全地包围。5.如权利要求1所述的方法，其中所述电极容纳壁的所述电极接触面由所述钢质工件的一个或多个集成的升高部分部分地包围。6.如权利要求1所述的方法，其中所述电极容纳壁是圆形城堡状，其中所述电极接触面在平面图中是圆形或卵形并且至少部分地由倾斜壁限制，所述倾斜壁从电极接触面以从95°到150°范围的钝角向外延伸。7.如权利要求1所述的方法，其中所述电极容纳壁是线性城堡状，其中所述电极接触面在平面图中是矩形并且至少部分地由所述钢质工件的一对横向集成的升高部分限定，每个所述钢质工件的横向集成的升高部分具有倾斜壁，所述倾斜壁从电极接触面以从95°到150°范围的钝角向外延伸。...

【专利技术属性】
技术研发人员：D·R·西格勒，A·S·哈泽胡恩，B·E·卡尔森，
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