用于鋁合金工件的電阻點焊的焊接方法技術

鋁基合金工件的表面具有抑制與電阻點焊電極焊接面和例如疊層用于焊接的片材工件的貼合面的良好接觸的氧化鋁膜。有時，片材的表面還涂有粘合劑或密封劑，這進一步使焊接復雜化。但是按照本發明專利技術，相對的圓形的銅焊接電極的焊接面在點焊位置處壓向該片材的相反外表面，并按照三階段焊接方案向電極施加焊接電流以更好地形成各焊縫。該焊接方案包含調節階段（階段1）、點焊熔核成形階段（階段2）和點焊熔核尺寸調節階段（階段3）。

【技術實現步驟摘要】
用于鋁合金工件的電阻點焊的焊接方法本申請要求基于2011年8月25日提交的題為“用于鋁合金工件的電阻點焊的焊接方案”的臨時申請61/527155的權益，其經此引用并入本文。
本專利技術涉及疊層鋁基合金工件(stackaluminum-basealloyworkpieces)中電阻焊點（resistancespotweld）形成方面的改進。更具體而言，本專利技術提供一種方法，采用在此類電阻點焊中以三個單獨的步驟或階段變動地施加電流值和時間以使得電極的焊接面更好地接合(engage)鋁工件，以便在貼合面（fayingsurface）接觸區中心更好地引發熔融的點焊熔核（weldnugget）的形成，以便快速實現目標點焊熔核尺寸。專利技術背景電阻點焊通常包括將兩個相對的高導電性銅電極的圓形焊接面表面（weldfacesurface）壓在兩個或三個交疊的金屬片材有時稱為“疊層(stackup)”）的相反側上（，并在電極之間通電流若干毫秒至幾百毫秒穿過該片材以便在片材-片材界面（稱為貼合界面）處形成點焊熔核。鋁工件（通常為含有85重量%或更多的鋁的鋁基合金）在大體積下的電阻點焊因幾個問題在汽車工業中被認為是非常困難的。該工件常常是軋制的鋁合金片材，但是可以是具有適于點焊的互補形狀的擠出件或鑄件。當互補形狀的鋁基合金板放置在一起并通過一系列在適當位置的點焊連接時，所述鋁工件可以是表面上涂層的、相等或不同的厚度的、相同或不同的鋁合金，并可以具有沿焊接法蘭（weldflange）施加的粘合劑或密封劑。在裝配的板之間可以存在小的縫隙，一個或兩個相對的焊接電極可以以略微不同于其預期焊接位置的角度放置。主要問題之一是在該鋁基板表面上存在堅韌的、粘附的、不導電的氧化物膜。這種氧化物膜會導致在電極/片材界面和片材-片材貼合界面處的過度過熱。電極/片材界面過熱問題通常的解決方案包括使用設計具有降低電流密度并由此減少這些位置處加熱的大而平坦的焊接面的電極。使用大而平坦的電極對制造產生不合意的后果。這些類型的電極1）對工件之間的縫隙敏感，2）對電極定向（electrodeorientation）敏感，即相對于工件表面傾斜或離位，和3）在工件上需要大的法蘭以配合大的電極體直徑和電極上的焊接面。解決這些問題的幾種電極設計和修整工藝可以在專利或專利申請中找到，包括本文中專利技術人的并由本專利技術的受讓人擁有的一個或兩個：美國專利US6,861,609（3/1/2005）和以20100258536、20090302009、20090255908、20090127232、20080078749公開的美國專利申請。氧化物膜問題和導致的電極/片材過熱已經通過安置幾何特征，如在焊接面上的微織構（microtexture）或一系列凸紋與凹槽解決，這些幾何特征在焊接負荷下穿透鋁上的氧化物層以降低該界面處的接觸電阻與發熱。電極/片材發熱減少有兩個直接的益處。首先，允許使用具有較小熱質量的較小的電極，這降低了法蘭要求。其次，允許使用更鋒銳的電極焊接面曲率（能夠更好地集中焊接電流）。這使得該焊接過程對電極在工件上的定向（即電極相對于工件傾斜）和工件表面之間縫隙的存在遠沒有那么敏感。盡管通過解決電極/片材界面處高接觸電阻的問題實現了工藝性能方面非常顯著的改進，在鋁點焊過程被認為對大規模制造足夠普適之前仍有問題需要解決。許多這些問題涉及在片材-片材或貼合界面處存在表面氧化物膜，這是不受電機焊接面改良影響的。這些問題部分涉及通常用于汽車用鋁焊接的直流焊接工藝（其是所謂的MediumFrequencyDirectCurrent或MFDC）的性質。該方法使用逆變式焊接控制器（invertertypeweldcontrol），其接收480伏特rms（在美國）的三相、60Hz交流電勢并在大約1000Hz的頻率下向MFDC變壓器提供更高電壓——大約650伏特——的單相方波。該變壓器將焊接控制器提供的高電壓波形還原成在更高得多的電流下的更低得多的焊接電壓（例如，在50:1變壓器匝數比下為13伏特）。變壓器的低電壓方波輸出隨后用高電流容量二極管整流以提供輸送到焊接電極和工件疊層的DC電流。在用于在一系列工件上制造許多同樣的焊接的配置過程中，預先確定合適的焊接電流和焊接時間。隨后將MFDC焊接控制器編程以便在大約250至300毫秒的焊接周期中將接近恒定的電流（例如，二十五至三十千安培）輸送至壓向工件的焊接電極。在任何DC過程中，特別是其中將電流編程為接近恒定，如使用MFDC的過程中，當與鋁基板接觸時一個電極（正極）運行明顯比其它電極（負極）更熱。電極的溫度偏差會影響點焊熔核形成與生長，尤其對于厚度（即，高厚/薄比）和材料（例如將鋁合金5754-O焊接到鋁合金6111-T4片上）不對稱的片材工件疊層。AA5754-O組成限制為2.6-3.6%的Mg、<0.4%的Si、<0.5%的Mn、<0.4%的Fe和<0.1%的Cu（余量基本上全是鋁），而可時效硬化的AA-6111-T4組成限制為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。這會導致在相對于電極極性的一個方向上疊層焊接比其它方向更好，包括在一個方向上比其它方向上產生更大的焊縫或更大的焊透深度（weldpenetration），這在生產運行中并不理想。此外，更熱的運行的正極更易磨損，由此因需要更頻繁的修整而縮短電極壽命。除了極性效果外，已用于鋁點焊的生產應用的標準恒定電流焊接方案可以制造其它不合意的問題。這些方案基于在電極對工件表面的恒力下經設定時間（例如200毫秒(ms)）施加恒定電流，例如27千安培。已經發現的問題包括電極磨損過度，大厚度疊層的焊縫間距敏感性，首次焊接的不一致的尺寸與品質，導致不合意的焊接斷裂模式的焊縫顯微結構（weldmicrostructure）和導致過早噴濺并劣化焊接品質的焊縫外觀。不合意的斷裂模式（其存在剝離或拉伸載荷）包括沿貼合界面的焊接斷裂或點焊熔核周邊附近的斷裂，由此無法形成完全穿過片厚度的球（button）。最后，標準恒定電流焊接方案在密封劑或粘合劑的存在下不那么普適。存在粘合劑或密封劑時，這些方案往往導致具有更多缺陷的熔核，該熔核傾向于以不合意的模式斷裂，尤其當施以剝離載荷時。仍然需要鋁合金片材金屬工件和其它工件型材的電阻點焊的改進實施。專利技術概述將使用兩個或三個鋁基合金片材工件的疊層（組裝件）描述本專利技術的實施。片材工件通常具有大約0.5至大約4毫米的厚度，用于焊接的疊層可以由相同或不同的鋁合金形成和具有不同的厚度。在許多焊接操作中，可以在片材的疊層上同時形成超過一條的焊縫，并且在工作班次過程中使用焊接設備設置裝置在許多疊層上形成數百條焊縫。必須管理焊接設備和工藝以可靠和反復地在鋁合金工件上制造均一良好的焊縫。本專利技術的實施方案基于這樣的發現：通過在各電阻焊點形成過程中在不同的焊接階段或步驟中改變焊接電流，可以在鋁工件上更可靠地形成良好的焊縫。按照本專利技術的實施方案，焊接電流在每個點焊周期的三個特定步驟過程中以不同水平施加，在各步驟之間具有冷卻時間或“休止”時間。將直流電波形輸送到焊接電極的設備通常包括本文檔來自技高網...

【技術保護點】
在鋁基合金工件上形成電阻焊點的方法，所述方法包括：形成兩個或更多個鋁基合金工件的片材的疊層，該疊層的工件在電阻焊接位置具有貼合面和在該焊接位置具有相反的外表面；將相對的電阻焊接電極的焊接面在該焊接位置處壓向該工件的所述外表面；和同時將該焊接面壓向該工件，令第一階段焊接電流在所述電極之間穿過并在該焊接位置處通過該工件，持續毫秒級的第一時間，將該電流提高至使所述焊接面之間電阻降低至某穩定電阻值的第一階段電流值，并加熱該工件以便與所述焊接面接合，而不會在它們的貼合面處熔融該工件，隨后，即刻將電流降低至零，且所述電極仍壓向該工件的所述表面；令第二階段焊接電流在所述電極之間穿過并在該焊接位置處通過該工件，持續毫秒級的第二時間，將該峰值電流提高至大于第一階段電流值的第二階段電流值，用于在該焊接位置的貼合面處引發熔融的點焊熔核形成，并降低電流，且所述電極仍壓向該工件的所述表面；令第三階段焊接電流在所述電極之間穿過并在該焊接位置處通過該工件，持續毫秒級的第三時間，該電流為小于第二階段峰值電流值的第三階段rms電流值，用于在該焊接位置的貼合面處完成熔融的點焊熔核形成，第三階段比第二階段更長，并同樣停止電流以冷卻該焊接位置并使該點焊熔核凝固；和隨后移開所述相對的焊接電極的焊接面，使其不與該工件的所述外表面接觸。...

【技術特征摘要】
2011.08.25 US 61/527155;2011.12.02 US 13/3098251.在鋁基合金工件上形成電阻焊點的方法，所述方法包括：形成兩個或更多個鋁基合金工件的片材的疊層，該疊層的工件在電阻焊接位置具有貼合面和在該焊接位置具有相反的外表面；將相對的電阻焊接電極的焊接面在該焊接位置處壓向該工件的所述外表面；和同時將該焊接面壓向該工件，令第一階段焊接電流在所述電極之間穿過并在該焊接位置處通過該工件，持續20至60毫秒的第一時間，將該電流提高至使所述焊接面之間電阻降低至某穩定電阻值的第一階段電流值，并加熱該工件以便與所述焊接面接合，而不會在它們的貼合面處熔融該工件，隨后，即刻將電流降低至零，且所述電極仍壓向該工件的所述表面；令第二階段焊接電流在所述電極之間穿過并在該焊接位置處通過該工件，持續毫秒級的第二時間，將峰值電流提高至大于第一階段電流值的第二階段電流值，用于在該焊接位置的貼合面處引發熔融的點焊熔核形成，并降低電流，且所述電極仍壓向該工件的所述表面；令第三階段焊接電流在所述電極之間穿過并在該焊接位置處通過該工件，持續毫秒級的第三時間，該電流為小于第二階段峰值電流值的第三階段rms電流值，用于在該焊接位置的貼合面處完成熔融的點焊熔核形成，第三階段比第二階段更長，并同樣停止電流以冷卻該焊接位置并使該點焊熔核凝固；和隨后移開所述相對的焊接電極的焊接面，使其不與該工件的所述外表面接觸。2.如權利要求1所述的在鋁基合金工件上形成電阻焊點的方法，其中該焊接電極的焊接面為球形并與具有等截面的凸出的圓形同心環的工件接合。3.如權利要求1所述的在鋁基合金工件上形成電阻焊點的方法，其中該焊接電極的焊接面為球形并與具有粗糙表面的工件接合。4.如權利要求1所述的在鋁基合金工件上形成電阻焊點的方法，其中該第一階段瞬時焊接電流緩慢升高至10千安培的值。5.如權利要求1所述的在鋁基合金工件上形成電阻焊點的方法，其中該第二階段峰值焊接電流快速升高至20至50千安培，并且第二階段持續6至50毫秒，第二階段焊接電流的值和第二階段時間用于形成直徑為至少3毫米且集中在電極面之間的熔融的點焊熔核。6.如權利要求1所述的在鋁基合金工件上形成電阻焊點的方法，其中該第三階段rms焊接電流值為15至40千安培，并且第三階段持續20至200毫秒。7.如權利要求1所述的在鋁基合金工件上形成電阻焊點的方法，其中該第三階段焊接電流以兩個或更多個脈沖形式在所述電極之間穿過，所述脈沖具有10至30毫秒的加熱時間和1至10毫秒的冷卻時間。8.如權利要求2所述的在鋁基合金工件上形成電阻焊點的方法，其中該第一階段瞬時焊接電流緩慢升高至10千安培的值，并且第一階段持續20至60毫秒。9.如權利要求2所述的在鋁基合金工件上形成電阻焊點的方法，其中該第二階段瞬時焊接電流值快速升高至20至50千安培，并且第二階段持續6至50毫秒，第二階段焊接電流的值和第二階段時間用于形成直徑為至少3毫米且集中在電極面之間的熔融的點焊熔核。10.如權利要求2所述的在鋁基合金工件上形成電阻焊點的方法，其中該第三階段rms焊接電流值為15至40千安培，并且第三階段持續20至200毫秒。11.如權利要求2所述的在鋁基合金工件上形成電...

【專利技術屬性】
技術研發人員：DR西勒，MJ卡拉古利斯，
申請(專利權)人：通用汽車環球科技運作有限責任公司，
類型：發明
國別省市：