用于铝合金工件的电阻点焊的焊接方法技术

铝基合金工件的表面具有抑制与电阻点焊电极焊接面和例如叠层用于焊接的片材工件的贴合面的良好接触的氧化铝膜。有时，片材的表面还涂有粘合剂或密封剂，这进一步使焊接复杂化。但是按照本发明专利技术，相对的圆形的铜焊接电极的焊接面在点焊位置处压向该片材的相反外表面，并按照三阶段焊接方案向电极施加焊接电流以更好地形成各焊缝。该焊接方案包含调节阶段（阶段1）、点焊熔核成形阶段（阶段2）和点焊熔核尺寸调节阶段（阶段3）。

【技术实现步骤摘要】
用于铝合金工件的电阻点焊的焊接方法本申请要求基于2011年8月25日提交的题为“用于铝合金工件的电阻点焊的焊接方案”的临时申请61/527155的权益，其经此引用并入本文。
本专利技术涉及叠层铝基合金工件(stackaluminum-basealloyworkpieces)中电阻焊点（resistancespotweld）形成方面的改进。更具体而言，本专利技术提供一种方法，采用在此类电阻点焊中以三个单独的步骤或阶段变动地施加电流值和时间以使得电极的焊接面更好地接合(engage)铝工件，以便在贴合面（fayingsurface）接触区中心更好地引发熔融的点焊熔核（weldnugget）的形成，以便快速实现目标点焊熔核尺寸。专利技术背景电阻点焊通常包括将两个相对的高导电性铜电极的圆形焊接面表面（weldfacesurface）压在两个或三个交叠的金属片材有时称为“叠层(stackup)”）的相反侧上（，并在电极之间通电流若干毫秒至几百毫秒穿过该片材以便在片材-片材界面（称为贴合界面）处形成点焊熔核。铝工件（通常为含有85重量%或更多的铝的铝基合金）在大体积下的电阻点焊因几个问题在汽车工业中被认为是非常困难的。该工件常常是轧制的铝合金片材，但是可以是具有适于点焊的互补形状的挤出件或铸件。当互补形状的铝基合金板放置在一起并通过一系列在适当位置的点焊连接时，所述铝工件可以是表面上涂层的、相等或不同的厚度的、相同或不同的铝合金，并可以具有沿焊接法兰（weldflange）施加的粘合剂或密封剂。在装配的板之间可以存在小的缝隙，一个或两个相对的焊接电极可以以略微不同于其预期焊接位置的角度放置。主要问题之一是在该铝基板表面上存在坚韧的、粘附的、不导电的氧化物膜。这种氧化物膜会导致在电极/片材界面和片材-片材贴合界面处的过度过热。电极/片材界面过热问题通常的解决方案包括使用设计具有降低电流密度并由此减少这些位置处加热的大而平坦的焊接面的电极。使用大而平坦的电极对制造产生不合意的后果。这些类型的电极1）对工件之间的缝隙敏感，2）对电极定向（electrodeorientation）敏感，即相对于工件表面倾斜或离位，和3）在工件上需要大的法兰以配合大的电极体直径和电极上的焊接面。解决这些问题的几种电极设计和修整工艺可以在专利或专利申请中找到，包括本文中专利技术人的并由本专利技术的受让人拥有的一个或两个：美国专利US6,861,609（3/1/2005）和以20100258536、20090302009、20090255908、20090127232、20080078749公开的美国专利申请。氧化物膜问题和导致的电极/片材过热已经通过安置几何特征，如在焊接面上的微织构（microtexture）或一系列凸纹与凹槽解决，这些几何特征在焊接负荷下穿透铝上的氧化物层以降低该界面处的接触电阻与发热。电极/片材发热减少有两个直接的益处。首先，允许使用具有较小热质量的较小的电极，这降低了法兰要求。其次，允许使用更锋锐的电极焊接面曲率（能够更好地集中焊接电流）。这使得该焊接过程对电极在工件上的定向（即电极相对于工件倾斜）和工件表面之间缝隙的存在远没有那么敏感。尽管通过解决电极/片材界面处高接触电阻的问题实现了工艺性能方面非常显著的改进，在铝点焊过程被认为对大规模制造足够普适之前仍有问题需要解决。许多这些问题涉及在片材-片材或贴合界面处存在表面氧化物膜，这是不受电机焊接面改良影响的。这些问题部分涉及通常用于汽车用铝焊接的直流焊接工艺（其是所谓的MediumFrequencyDirectCurrent或MFDC）的性质。该方法使用逆变式焊接控制器（invertertypeweldcontrol），其接收480伏特rms（在美国）的三相、60Hz交流电势并在大约1000Hz的频率下向MFDC变压器提供更高电压——大约650伏特——的单相方波。该变压器将焊接控制器提供的高电压波形还原成在更高得多的电流下的更低得多的焊接电压（例如，在50:1变压器匝数比下为13伏特）。变压器的低电压方波输出随后用高电流容量二极管整流以提供输送到焊接电极和工件叠层的DC电流。在用于在一系列工件上制造许多同样的焊接的配置过程中，预先确定合适的焊接电流和焊接时间。随后将MFDC焊接控制器编程以便在大约250至300毫秒的焊接周期中将接近恒定的电流（例如，二十五至三十千安培）输送至压向工件的焊接电极。在任何DC过程中，特别是其中将电流编程为接近恒定，如使用MFDC的过程中，当与铝基板接触时一个电极（正极）运行明显比其它电极（负极）更热。电极的温度偏差会影响点焊熔核形成与生长，尤其对于厚度（即，高厚/薄比）和材料（例如将铝合金5754-O焊接到铝合金6111-T4片上）不对称的片材工件叠层。AA5754-O组成限制为2.6-3.6%的Mg、<0.4%的Si、<0.5%的Mn、<0.4%的Fe和<0.1%的Cu（余量基本上全是铝），而可时效硬化的AA-6111-T4组成限制为0.5-1.0的Mg、0.6-1.1%的Si、0.1-0.45%的Mn、<0.4%的Fe和0.5-0.9%的Cu。这会导致在相对于电极极性的一个方向上叠层焊接比其它方向更好，包括在一个方向上比其它方向上产生更大的焊缝或更大的焊透深度（weldpenetration），这在生产运行中并不理想。此外，更热的运行的正极更易磨损，由此因需要更频繁的修整而缩短电极寿命。除了极性效果外，已用于铝点焊的生产应用的标准恒定电流焊接方案可以制造其它不合意的问题。这些方案基于在电极对工件表面的恒力下经设定时间（例如200毫秒(ms)）施加恒定电流，例如27千安培。已经发现的问题包括电极磨损过度，大厚度叠层的焊缝间距敏感性，首次焊接的不一致的尺寸与品质，导致不合意的焊接断裂模式的焊缝显微结构（weldmicrostructure）和导致过早喷溅并劣化焊接品质的焊缝外观。不合意的断裂模式（其存在剥离或拉伸载荷）包括沿贴合界面的焊接断裂或点焊熔核周边附近的断裂，由此无法形成完全穿过片厚度的球（button）。最后，标准恒定电流焊接方案在密封剂或粘合剂的存在下不那么普适。存在粘合剂或密封剂时，这些方案往往导致具有更多缺陷的熔核，该熔核倾向于以不合意的模式断裂，尤其当施以剥离载荷时。仍然需要铝合金片材金属工件和其它工件型材的电阻点焊的改进实施。专利技术概述将使用两个或三个铝基合金片材工件的叠层（组装件）描述本专利技术的实施。片材工件通常具有大约0.5至大约4毫米的厚度，用于焊接的叠层可以由相同或不同的铝合金形成和具有不同的厚度。在许多焊接操作中，可以在片材的叠层上同时形成超过一条的焊缝，并且在工作班次过程中使用焊接设备设置装置在许多叠层上形成数百条焊缝。必须管理焊接设备和工艺以可靠和反复地在铝合金工件上制造均一良好的焊缝。本专利技术的实施方案基于这样的发现：通过在各电阻焊点形成过程中在不同的焊接阶段或步骤中改变焊接电流，可以在铝工件上更可靠地形成良好的焊缝。按照本专利技术的实施方案，焊接电流在每个点焊周期的三个特定步骤过程中以不同水平施加，在各步骤之间具有冷却时间或“休止”时间。将直流电波形输送到焊接电极的设备通常包括本文档来自技高网...

【技术保护点】
在铝基合金工件上形成电阻焊点的方法，所述方法包括：形成两个或更多个铝基合金工件的片材的叠层，该叠层的工件在电阻焊接位置具有贴合面和在该焊接位置具有相反的外表面；将相对的电阻焊接电极的焊接面在该焊接位置处压向该工件的所述外表面；和同时将该焊接面压向该工件，令第一阶段焊接电流在所述电极之间穿过并在该焊接位置处通过该工件，持续毫秒级的第一时间，将该电流提高至使所述焊接面之间电阻降低至某稳定电阻值的第一阶段电流值，并加热该工件以便与所述焊接面接合，而不会在它们的贴合面处熔融该工件，随后，即刻将电流降低至零，且所述电极仍压向该工件的所述表面；令第二阶段焊接电流在所述电极之间穿过并在该焊接位置处通过该工件，持续毫秒级的第二时间，将该峰值电流提高至大于第一阶段电流值的第二阶段电流值，用于在该焊接位置的贴合面处引发熔融的点焊熔核形成，并降低电流，且所述电极仍压向该工件的所述表面；令第三阶段焊接电流在所述电极之间穿过并在该焊接位置处通过该工件，持续毫秒级的第三时间，该电流为小于第二阶段峰值电流值的第三阶段rms电流值，用于在该焊接位置的贴合面处完成熔融的点焊熔核形成，第三阶段比第二阶段更长，并同样停止电流以冷却该焊接位置并使该点焊熔核凝固；和随后移开所述相对的焊接电极的焊接面，使其不与该工件的所述外表面接触。...

【技术特征摘要】
2011.08.25 US 61/527155;2011.12.02 US 13/3098251.在铝基合金工件上形成电阻焊点的方法，所述方法包括：形成两个或更多个铝基合金工件的片材的叠层，该叠层的工件在电阻焊接位置具有贴合面和在该焊接位置具有相反的外表面；将相对的电阻焊接电极的焊接面在该焊接位置处压向该工件的所述外表面；和同时将该焊接面压向该工件，令第一阶段焊接电流在所述电极之间穿过并在该焊接位置处通过该工件，持续20至60毫秒的第一时间，将该电流提高至使所述焊接面之间电阻降低至某稳定电阻值的第一阶段电流值，并加热该工件以便与所述焊接面接合，而不会在它们的贴合面处熔融该工件，随后，即刻将电流降低至零，且所述电极仍压向该工件的所述表面；令第二阶段焊接电流在所述电极之间穿过并在该焊接位置处通过该工件，持续毫秒级的第二时间，将峰值电流提高至大于第一阶段电流值的第二阶段电流值，用于在该焊接位置的贴合面处引发熔融的点焊熔核形成，并降低电流，且所述电极仍压向该工件的所述表面；令第三阶段焊接电流在所述电极之间穿过并在该焊接位置处通过该工件，持续毫秒级的第三时间，该电流为小于第二阶段峰值电流值的第三阶段rms电流值，用于在该焊接位置的贴合面处完成熔融的点焊熔核形成，第三阶段比第二阶段更长，并同样停止电流以冷却该焊接位置并使该点焊熔核凝固；和随后移开所述相对的焊接电极的焊接面，使其不与该工件的所述外表面接触。2.如权利要求1所述的在铝基合金工件上形成电阻焊点的方法，其中该焊接电极的焊接面为球形并与具有等截面的凸出的圆形同心环的工件接合。3.如权利要求1所述的在铝基合金工件上形成电阻焊点的方法，其中该焊接电极的焊接面为球形并与具有粗糙表面的工件接合。4.如权利要求1所述的在铝基合金工件上形成电阻焊点的方法，其中该第一阶段瞬时焊接电流缓慢升高至10千安培的值。5.如权利要求1所述的在铝基合金工件上形成电阻焊点的方法，其中该第二阶段峰值焊接电流快速升高至20至50千安培，并且第二阶段持续6至50毫秒，第二阶段焊接电流的值和第二阶段时间用于形成直径为至少3毫米且集中在电极面之间的熔融的点焊熔核。6.如权利要求1所述的在铝基合金工件上形成电阻焊点的方法，其中该第三阶段rms焊接电流值为15至40千安培，并且第三阶段持续20至200毫秒。7.如权利要求1所述的在铝基合金工件上形成电阻焊点的方法，其中该第三阶段焊接电流以两个或更多个脉冲形式在所述电极之间穿过，所述脉冲具有10至30毫秒的加热时间和1至10毫秒的冷却时间。8.如权利要求2所述的在铝基合金工件上形成电阻焊点的方法，其中该第一阶段瞬时焊接电流缓慢升高至10千安培的值，并且第一阶段持续20至60毫秒。9.如权利要求2所述的在铝基合金工件上形成电阻焊点的方法，其中该第二阶段瞬时焊接电流值快速升高至20至50千安培，并且第二阶段持续6至50毫秒，第二阶段焊接电流的值和第二阶段时间用于形成直径为至少3毫米且集中在电极面之间的熔融的点焊熔核。10.如权利要求2所述的在铝基合金工件上形成电阻焊点的方法，其中该第三阶段rms焊接电流值为15至40千安培，并且第三阶段持续20至200毫秒。11.如权利要求2所述的在铝基合金工件上形成电...

【专利技术属性】
技术研发人员：DR西勒，MJ卡拉古利斯，
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：