CN106583899B - 用于具有相邻钢工件和铝工件的工件层叠的多阶段电阻点焊方法 - Google Patents

Abstract

包括至少钢工件和相邻并交叠的铝工件的工件层叠可以用一种多阶段点焊方法来电阻点焊。所述多阶段点焊方法包括：在钢工件与铝工件之间初始形成焊接接头。焊接接头从所述两个工件的接合界面延伸到铝工件中，并且包括与钢工件的接合表面相邻并接合的界面焊接结合区域。在初始形成焊接接头之后，所述多阶段点焊方法需要再熔并再固化焊接接头的包括一些或全部界面焊接结合区域的至少一部分。如果需要，所得精制焊接接头的至少一部分随后可进行相同的再熔和再固化实践。可以进行多次附加再熔和再固化实践。

Description

用于具有相邻钢工件和铝工件的工件层叠的多阶段电阻点焊 方法

技术领域

本公开的技术领域总体上涉及电阻点焊，并且更特别地涉及电阻点焊钢工件和相邻重叠的铝工件。

背景技术

电阻点焊是一种在许多行业用于将两个或多个金属工件接合在一起的方法。例如，汽车工业经常在制造车门、发动机罩、行李箱盖、提升式门和/或诸如主体侧面或横向构件的主体结构等期间使用电阻点焊以将金属工件接合在一起。很多点焊通常沿着金属工件的周边边缘或某些其他结合区域形成，以确保部件结构稳固。虽然点焊通常用于将特定相似构成的金属工件(例如，钢工件与钢工件以及铝工件与铝工件)接合在一起，但是将重量较轻的材料接合到车辆主体结构中的需要使得人们产生了通过电阻点焊将钢工件与铝工件接合在一起的兴趣。前述电阻点焊不相似金属工件的需要不是汽车工业所独有的；实际上，其扩展到了可以使用点焊作为接合方法的其他工业，包括航空、海运、铁路和房屋建筑业等。

电阻点焊通常依靠通过所述重叠金属工件和横穿其接合界面的电流流的电阻产生热。为了完成这样的焊接方法，在预定的焊接部位处，一组相对点焊电极被夹在工件层叠的相对侧的对准点处，工件层叠通常包括以重叠配置布置的两个或三个金属工件。然后，电流从一个焊接电极至另一个焊接电极通过金属工件。该电流流的电阻在金属工件内和其接合界面处产生热。当工件层叠包括钢工件和相邻重叠铝工件时，接合界面处和这些不相似金属工件的基体材料内产生的热引发并且扩大熔融铝焊池，该焊池从接合界面延伸至铝工件。该熔融铝焊池浸湿钢工件的相邻接合表面，并且当电流停止时，该熔融铝焊池固化为将两个工件结合在一起的焊接接头。

然而，在实践中，由于这两种金属的很多特征可能不利地影响焊接接头的强度(最显著的是剥离强度)，因此将钢工件点焊到铝工件存在挑战。例如，铝工件通常包括在其表面上的一个或多个机械上牢固的、电绝缘的并且自恢复难熔氧化物层。氧化物层通常包括铝氧化物，但也可以包括其他金属氧化物化合物，当铝工件由包含镁的铝合金组成时，氧化物层包括镁氧化物。由于难熔氧化物层的物理特性，难熔氧化物层倾向于在接合界面处保持完整，在接合界面处难熔氧化物层可以阻碍熔融铝焊池浸湿钢工件的能力并且还提供了在扩大的焊池内的近界面缺陷的来源。表面氧化物层的绝缘性质还提高了铝工件的电接触电阻(即在其接合表面和其电极接触点处)使得在铝工件内难以有效控制和集中热。过去对在点焊之前从铝工件上去除氧化物层已经做了努力。然而，由于在氧气存在下氧化物层有再生能力，尤其伴随着来自点焊操作的热的应用，这样的去除实践可能不切实际。

另外，在很多例子中，当中间有机材料层(例如，尚未固化的可热固化的粘合剂、密封剂、隔音层等)在接合界面处存在于钢工件与铝工件之间时，氧化物层的持续性和韧性得到增强。这种现象被认为是由如下残余有机材料造成的：在有机材料层的基体通过焊接电极的夹紧压力沿着接合界面横向位移时，所述残余有机材料被留在焊接部位处。然后，残余有机材料在电流流动期间在焊接接头的位置处被烧掉。认为碳残余物(例如，碳灰、如二氧化硅和橡胶颗粒的填料颗粒、以及其他衍生材料)在电流流动期间结束保护氧化物层不被机械分解和分散，因此，与其中钢工件与铝工件之间不存在中间有机材料层的情况相比，其导致氧化物层残余物在接合界面处以及沿着接合界面以更为破坏性的方式保持聚团和被收集。

除了由被包含在铝工件表面上的所述一个或多个氧化物层所呈现的挑战之外，钢工件和铝工件还具有倾向于使得点焊方法复杂化的不同特性。具体地，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，在电流流动期间大多数热在钢工件内产生。这种热不平衡建立了钢工件(较高温度)与铝工件(较低温度)之间的温度梯度，这引发铝工件的快速熔化。在电流流动期间创建的温度梯度和铝工件的高热导率的组合意味着紧接电流停止之后，其中热不从焊接部位对称地散发的情况出现。替代地，热从较热的钢工件通过铝工件朝向铝工件另一侧的焊接电极传导，这创建了沿所述方向剧变的热梯度。

钢工件与铝工件另一侧的焊接电极之间的剧变的热梯度的发展被认为以两种主要方式减弱所产生的焊接接头的完整性。首先，由于在电流的流动停止后钢工件保留热的持续时间比铝工件长，因此熔融铝焊池有方向性地固化，从与铝工件相关联的最接近较冷焊接电极(常通过水冷却)的区域开始并且向接合界面传播。这类固化前沿倾向于使得朝向并沿着焊接接头内的接合界面席扫或推动缺陷(例如，气体孔隙、收缩空隙、微裂纹和表面氧化物残余物)。其次，钢工件中保持的升高的温度促进了在接合界面处以及沿着接合界面的脆性的Fe-Al金属间化合物的增长。金属间化合物倾向于形成通常被认为是焊接接头的一部分的薄反应层。具有焊接缺陷的分散与沿着接合界面的Fe-Al金属间化合物的过度增长一起倾向于减小焊接接头的剥离强度。

根据前述挑战，在关于点焊钢工件和铝工件的先前努力中，采用了一种焊接方案，该焊接方案指定了较高的电流、较长的焊接时间或两者(与钢与钢的点焊相比)，以便尝试并且得到合理的焊接结合区域。这样的努力在制造设定上非常不成功，并且倾向于损坏焊接电极。考虑到先前的点焊努力不是很成功，主要使用诸如自攻铆钉和流钻螺钉的机械紧固件替代。然而，这样的机械紧固件与点焊相比花费更长时间安装就位并且具有高的可消耗成本。机械紧固件还增加了车辆主体结构的重量(当接合通过点焊的方式完成时避免增加所述重量)，增加的重量抵消了起初通过使用铝工件获得的重量减轻中的一些。因此，使得该方法更能够接合钢工件与铝工件的点焊的进展将是本领域中受欢迎的增加。

发明内容

一种电阻点焊包括至少钢工件和相邻重叠铝工件的工件层叠的方法包括在焊接部位处加热及冷却层叠的多个阶段。工件层叠还可包括另外的工件，例如，另一钢工件或另一铝工件，只要相同的基体金属组分的两个工件设置成彼此靠近即可。如此，工件层叠可以仅包括钢工件和重叠的铝工件，或其可以包括邻近铝工件设置的两个相邻钢工件或邻近钢工件设置的两个相邻铝工件。另外，当工件层叠包括三个工件时，类似组分的两个工件可以由分离且不同的部件来提供，或者可替选地，其可由相同部件来提供。中间有机材料层还可以任选地被包括在工件层叠内在相邻并重叠的钢工件与铝工件之间。

所公开的多阶段电阻点焊方法在相邻的钢工件与铝工件之间在将所述两个工件接合在一起的其接合界面处产生精制焊接接头。多阶段点焊方法包括焊接接头起始阶段和在焊接接头起始阶段之后连续地执行的一个或多个焊接接头精制阶段。在焊接接头起始阶段中，在钢工件与铝工件之间初始形成焊接接头。这可以通过使电流穿过所述工件并横穿其接合界面以在铝工件内创建熔融铝焊池然后减少电流流以允许熔融铝焊池冷却并固化来实现。接着，在焊接接头精制阶段中，初始形成的焊接接头在其界面焊接结合区域处的至少一部分再熔并再固化以形成第一精制焊接接头。这种再熔和再固化可以通过使电流穿过所述工件并穿过焊接接头以再熔焊接接头的至少一部分、随后减少电流流以允许再熔部分再固化来实现。该相同的焊接接头精制阶段可以执行另外多次来最终产生最终精制焊接接头。事实上，在多阶段点焊方法中优选地执行从一个至十五个焊接接头精制阶段中的任何数目的阶段。

由于所述一个或多个焊接接头精制阶段的精制效应，通过多阶段点焊方法产生的最终精制焊接接头呈现良好的强度，尤其是良好的剥离强度。具体地，人们认为在每一个焊接接头精制阶段中发生的再熔和再固化具有减少近界面焊接缺陷(例如，气体孔隙、收缩空隙、微裂纹和表面氧化物残余物)的扩散和/或传播的效果。其结果是最终精制焊接接头的界面焊接结合区域与钢工件的接合表面之间的结合更清洁及更稳定。并且更清洁及更稳定的结合得到比在焊接接头起始阶段中初始形成的焊接接头更坚固的最终精制焊接接头。当工件层叠包括钢工件和铝工件的重叠接合表面之间的中间有机材料层(例如，尚未固化的可热固化粘合剂)时，强度改进尤其显著。

附图说明

图1是根据本公开的一个实施例的准备用于点焊的工件层叠的侧面立视图，所述工件层叠包括以重叠方式组装、位于焊枪上所承载的相对焊接电极之间的钢工件和铝工件。

图2是图1中所示的工件层叠(以截面示出)的局部放大图，其中由焊枪承载的焊接电极与工件层叠的相对侧接合。

图3是根据本公开的一个实施例的工件层叠(以截面示出)的局部放大图，其中图1中所示的由焊枪承载的焊接电极与工件层叠的相对侧接合，但是此处工件层叠包括两个钢工件和一个铝工件。

图4是根据本公开的一个实施例的工件层叠(以截面示出)的局部放大图，其中图1中所示的由焊枪承载的焊接电极与工件层叠的相对侧接合，但是此处工件层叠包括两个铝工件和一个钢工件。

图5一般性地示出了焊接电极，所述焊接电极可以被压向工件层叠的相对侧之一或两个相对侧来促进工件层叠内的相邻钢工件与铝工件的点焊。

图6是示出了根据本公开的一个实施例的在多阶段点焊方法的焊接接头起始阶段期间熔融铝焊池的创建的工件层叠的部分截面视图。

图7是示出了根据本公开的一个实施例的在多阶段点焊方法的焊接接头起始阶段期间熔融铝焊池到焊接接头的固化的工件层叠的部分截面视图。

图8是根据本公开的一个实施例的沿线8-8截取的焊接接头的界面焊接结合区域的平面图。

图9是示出了根据本公开的一个实施例的在多阶段点焊方法的焊接接头精制阶段期间焊接接头的至少一部分的再熔的工件层叠的部分截面视图。

图10是根据本公开的一个实施例的沿线10-10截取的在多阶段点焊方法的焊接接头精制阶段期间再熔(图9)的焊接接头的平面图。

图11是示出了根据本公开的一个实施例的在多阶段点焊方法的焊接接头精制阶段期间焊接接头的再熔部分的再固化的工件层叠的部分截面视图。

图12是由焊接排程表示的多阶段点焊方法的大体图形化描绘，其示出了电流如何穿过焊接电极之间以便进行如图6至图11所示的钢工件与铝工件的电阻点焊。图12的曲线图中绘示当电极被压向其工件层叠的各自侧时穿过焊接电极之间的电流流动的多个阶段的电流水平和持续时间。

图13是由焊接排程表示的多阶段点焊方法的一个特定实施例的图形化描绘，其示出了电流如何穿过焊接电极之间。

图14是由焊接排程表示的多阶段点焊方法的另一个特定实施例的图形化描绘，其示出了电流如何穿过焊接电极之间。

图15是由焊接排程表示的多阶段点焊方法的又一特定实施例的图形化描绘，其示出了电流如何穿过焊接电极之间。

具体实施方式

点焊包括钢工件和相邻的重叠铝工件的工件层叠存在一些显著挑战，如上文所讨论。铝工件上存在的表面氧化物层难以分解和***，这在传统点焊技术期间导致接合界面处的为微裂纹和由残余氧化物引起的其他差异形式的焊接缺陷。当两个工件之间接合界面处存在中间有机材料时，这尤其有问题。此外，钢工件比铝工件更具热阻性和电阻性，这意味着钢工件用作热源而铝工件用作热导体。在电流流动停止期间和刚停止之后工件之间建立的所得热梯度具有朝向接合界面以及沿着接合界面驱动熔融铝焊池中的气体孔隙和其他差异(包括残余氧化物缺陷)的趋势，并且还导致脆性Fe-Al金属间化合物在接合界面处以一个或多个薄反应层的形式形成和增长。

已经设计了多阶段点焊方法，其平衡了这些挑战并提高了成功且重复地将钢工件与铝工件点焊在一起的能力。多阶段点焊方法包括在相邻的钢工件与铝工件之间初始地形成焊接接头(焊接接头起始阶段)。这通过使电流通过工件并横穿其接合界面以在铝工件内创建熔融铝焊池、随后减少电流流动、并且优选地完全停止电流流动以允许熔融铝焊池固化来完成。在这一点上，尤其是如果在相邻的钢工件与铝工件之间存在中间有机材料，则氧化物层残余物和其他焊接缺陷可能在接合界面处在焊接接头内比期望的更普遍。这种靠近界面的微缺陷会对焊接接头的强度，特别是剥离强度，以及接头的其他结构特性具有不利影响。多阶段点焊方法通过对接合界面处的焊接接头的至少一部分进行再熔融和再固化(焊接接头精制阶段)以形成精制的焊接接头来减少这些类型的焊接接头缺陷的不利影响。这种再熔融/再固化可被执行多次以最终产生最终精制的焊接接头。

下面参照图1至图15描述多阶段点焊方法的优选和示例性实施例。所公开的多阶段点焊方法可广泛地适用于多种工件层叠构造，所述工件层叠构造包括被设置成与铝工件相邻且重叠的钢工件。工件层叠可仅包括钢工件和铝工件，或者可替选地，它可包括另外的钢工件(钢-钢-铝)或另外的铝工件(钢-铝-铝)，只要相同的基体金属组分(即铝或钢)的两个工件被设置成彼此靠近即可。此外，如果需要的话，在工件层叠中相邻的钢工件与铝工件之间可包括中间有机材料层，但是当然其不是必须的。而且，根据被制造的部件以及该特定部件的整个制造过程的细节，钢工件和铝工件可以在被组装成工件层叠之前或之后被加工或变形。

现在参照图1至图2，工件层叠10与焊枪12一起被示出，焊枪12被机械地和电气地配置成根据程序化的焊接排程进行电阻点焊。工件层叠10包括在实施点焊的焊接部位18处重叠的至少钢工件14和铝工件16。工件层叠10具有可接入一组焊接电极的第一侧20和第二侧22。在此，在该实施例中，其中层叠10仅包括两个工件14、16，钢工件14提供层叠10的第一侧20，并且铝工件16提供第二侧22。下面结合图3至图4描述其中工件层叠10包括另外的第三工件(钢或铝)的实施例。并且尽管在附图中仅描绘了一个焊接部位18，但是技术人员将认识到的是，可以在相同的层叠10上的多个不同焊接部位处实施点焊。

钢工件包括可以是涂覆或未涂覆(即，裸露)的钢基板。涂覆或未涂覆的钢基板可以由多种钢(包括软钢、无间隙钢、烘烤可硬化钢、高强度低合金(HSLA)钢、双相(DP)钢、复相(CP)钢、马氏体(MART)钢、相变诱发塑性(TRIP)钢、孪晶诱发塑性(TWIP)钢以及冲压硬化钢(PHS))中的任意构成。并且，如果是涂覆的，则钢基板优选地包括锌、锌镍合金、镍、铝或铝硅合金的表面层。因此，术语“钢工件”涵盖不同级别和强度的无论涂覆的或未涂覆的多种钢基板，并且进一步包括进行了例如在冲压硬化钢的生产中的预焊接处理(如退火、淬火和/或回火)的那些钢基板。考虑钢基板的厚度和可能存在的任何可选涂层，钢工件14至少在焊接部位18处具有范围从0.3mm至6.0mm、从0.5mm至4.0mm，或者更窄地从0.6mm至2.5mm的厚度140。

铝工件包括是涂覆或未涂覆(即裸露)的铝基板。铝基板可以由单质铝或包括至少85wt％铝的铝合金构成。可以构成涂覆或未涂覆的铝基板的一些显著的铝合金为铝镁合金、铝硅合金、铝镁硅合金或铝锌合金。如果是涂覆的，则铝基板优选地包括其天然难熔氧化物层的表面层，或者可替选地，它可包括锌、锡的表面层，或者由钛、锆、铬或硅的氧化物组成的金属氧化物转化涂层，如在US2014/0360986中所描述的。考虑铝基板的厚度和可能存在的任何可选涂层，铝工件16至少在焊接部位18处具有范围从0.3mm至约6.0mm、从0.5mm至4.0mm，或者更窄地从0.5mm至3.0mm的厚度160。

可以以锻制或铸造形式提供铝基板。例如，铝基板可以由4xxx、5xxx、6xxx或7xxx系列锻制铝合金片层、挤压件、锻造件或其他加工的制品组成。可替选地，铝基板可以由4xx.x、5xx.x、6xx.x或7xx.x系列铝合金铸件组成。可以构成铝基板的一些更具体种类的铝合金包括但不限于，AA5754铝镁合金、AA6022铝镁硅合金、AA7003铝锌合金，以及Al-10Si-Mg铝压铸合金。如果需要，铝基板可进一步用于各种回火，包括退火(O)、应***化(H)以及溶液热处理(T)。因此，术语“铝工件”涵盖不同的可点焊形式的无论涂覆或未涂覆的单质铝和多种铝合金基板，包括锻制片层、挤压件、锻造件等以及铸件，并且进一步包括经受了预焊接处理(例如退火、应***化以及溶液热处理)的那些。

在当前实施例的情况下，当两个工件14、16被层叠用于点焊时，钢工件14包括接合表面24和外部外表面26，并且同样地，铝工件16包括接合表面28和外部外表面30，如图2最佳所示。两个工件14、16的接合表面24、28彼此重叠并接触以建立延伸通过焊接部位18的接合界面32。另一方面，钢工件14的外部外表面26和铝工件16的外部外表面30在焊接部位18处沿相反的方向大体上彼此相离并构成工件层叠10的第一侧20和第二侧22。钢工件14和铝工件16的各自的接合表面24、28与外部外表面26、30之间的距离限定了这些工件14、16中每个的厚度140、160，如图2所示。

术语“接合界面32”在本公开中被广泛地使用并且意在涵盖工件14、16的接合表面24、28之间直接和间接接触的情况。当接合表面24、28物理上邻接且未被分立中间材料层分隔开时，接合表面24、28彼此直接接触。当接合表面24、28被分立中间材料层分隔开时，接合表面24、28彼此间接接触——并因此没有经受在直接接触中发现的那种类型的过多界面物理邻接——但是它们仍彼此足够接近，仍可以实施电阻点焊。当可选的中间有机材料层34(如图2所示)在焊接之前至少通过焊接部位18被设置在接合表面24、28之间时，通常得到钢工件14的接合表面24与铝工件16的接合表面28之间的间接接触。中间有机材料34相对薄，通常具有0.1mm至2.0mm的厚度，这允许穿过层34点焊而没有太多的困难。

中间有机材料层34可以是可以通过给定的焊接电极的夹紧力和电极之间互相交换的电流流动的大小和持续时间被焊接的任何有机基材料。例如，中间有机材料层34可以是尚未固化的可热固化粘合剂。这种粘合剂可以被布置在钢工件14和铝工件16的接合表面24、28之间，以使得在点焊后工件层叠10可以在ELPO烘烤炉或其他装置中被加热以固化粘合剂并且提供工件14、16之间的另外接合。合适的可热固化粘合剂的具体示例是可热固化的环氧树脂，该环氧树脂可以，但没有必要必须，包括填料颗粒(例如二氧化硅颗粒)以当固化时修改粘合剂的粘度或其他机械特性。各种可热固化的环氧树脂是可商业获得的，包括：DOW Betamate 1486、Henkel 5089、以及Uniseal 2343。替代可热固化粘合剂，其他类型的材料当然可以构成中间有机材料层34。例如，中间有机材料层34还可以是密封剂或隔音层以及其他可能。

当然，如图3至图4中所示，工件层叠10并不限于只包含钢工件14和相邻的铝工件16。工件层叠10还可以包括另外的钢工件或另外的铝工件-除相邻的钢和铝合金工件14、16之外-只要另外的工件被布置成相邻于相同的基体金属组分的工件14、16。即，任意另外的钢工件被布置成与钢工件14相邻，并且任意另外的铝工件被布置成与铝工件16相邻。关于任意另外工件的特征，以上提供的钢工件14和铝工件16的描述可适用于可以被包括在工件层叠10中的任意另外的钢工件或铝工件。然而，应该注意的是，在相同的一般性描述应用时，在组分、厚度或形式(例如，锻制或铸造)方面不要求三工件层叠的两个钢工件或两个铝工件相同。

如图3中所示的，例如，工件层叠10可以包括以上描述的相邻钢工件14和铝工件16以及另外的钢工件36。在此，如图所示，另外的钢工件36与相邻的钢工件14和铝工件16重叠并且被布置成与钢工件14相邻。当另外的钢工件36被如此布置时，铝工件16的外部外表面30提供并且描绘了工件层叠10的第二侧22，如以前所述，同时位于与铝工件16相邻的钢工件14现在包括成对的相对的接合表面24、38。如先前所述，面对并接触(直接地或间接地)铝工件16的相邻接合表面28的钢工件14的接合表面24在这两个工件14、16之间建立接合界面32。钢工件14的另一个接合表面38面对并且与另外的钢工件36的接合表面40重叠接触(直接的或间接的)。如此，在重叠的工件14、16、36的该特定布置中，另外的钢工件36的外部外表面42现在提供并且描绘了工件层叠10的第一侧20。

在另一个实施例中，如图4中所示，工件层叠10可以包括以上描述的相邻的钢工件14和铝工件16以及另外的铝工件44。在此，如图所示，另外的铝工件44与相邻的钢工件14和铝工件16重叠并且被布置成与铝工件16相邻。当另外的铝工件44被如此布置时，钢工件20的外部外表面26提供并且描绘了工件层叠10的第一侧20，如以前所述，同时位于与钢工件14相邻的铝工件16现在包括成对的相对的接合表面28、46。如先前所述，面对并接触(直接地或间接地)钢工件14的相邻接合表面24的铝工件16的接合表面28在这两个工件14、16之间建立了接合界面32。铝工件16的另一个接合表面46面对并且与另外的铝工件44的接合表面48重叠接触(直接的或间接的)。如此，在重叠的工件14、16、44的该特定布置中，另外的铝工件44的外部外表面50现在提供并且描绘了工件层叠10的第二侧22。

现在返回到图1的示意图，焊枪12被显示为制造设定内的自动焊接操作的一部分。焊枪12可以被安装在布置在传送机或者其他传送装置(其被建立以将工件层叠10(以及与其类似的其他工件层叠)传送到焊枪12)附近的机器人上。机器人可以被构造以沿着工件层叠10移动焊枪12，以使得可以在不同焊接部位18处形成快速连续的点焊。焊枪12也可以是一种固定基座类型的焊枪，其中工件层叠10***作并且相对于焊枪12移动以使得在工件层叠10周围的不同焊接部位18处能够进行点焊。图1中描绘的焊枪12旨在表示各种焊枪，包括c-型和x-型焊枪，以及在此没有被特定地提到的其他焊枪类型，只要它们能够执行多阶段点焊方法中所称谓的电阻点焊即可。

焊枪12包括第一枪臂52和第二枪臂54，并且其根据所规定的焊接排程被机械地和电力地配置以重复地形成点焊。第一枪臂52装配有保留第一焊接电极58的第一柄56，并且第二枪臂54装配有保留第二焊接电极62的第二柄60。第一焊接电极58和第二焊接电极62的每个都是由导电材料形成并且可以假定能够在施加的压缩力下交换电流并执行多阶段点焊方法的各种构造中的任何一种。下面描述对第一焊接电极58和第二焊接电极62的适当设计的一些实施例。此外，为第一焊接电极58和第二焊接电极62供应冷却流体(例如，水)的机构可以被并入到焊枪12中以防止第一焊接电极58和第二焊接电极62在点焊期间过热。

第一焊接电极58包括主体64和第一焊接面66，并且类似地，第二焊接电极62包括主体68和第二焊接面70。通常，如图5中所描述，每个焊接电极58、62的电极主体64、68为圆柱形形状并且在后端74界定可进入中空凹槽72用于***并且附接电极柄(例如，柄56、60)。电极主体64、68的另一端或前端76具有直径为602的圆周600。焊接面66、70被布置在电极主体64、68的前端76上并且具有直径为702的圆周700，该圆周与主体64、68的圆周600一致(称为“完全面电极”)或者通过优选地截头锥体或截头球形状的过渡鼻部78从主体64、68的圆周600向上移位。如果过渡鼻部78存在，则这两个圆周600、700可以如此处图5中所示是平行的或者它们可以成一定角度，以使得焊接面66、70的圆周700相对于电极主体64、69的前端76的圆周600倾斜。

焊接面66、70是第一焊接电极58和第二焊接电极62的一些部分，在点焊期间这些部分分别与工件层叠10的第一侧20和第二侧22相接触，并且部分地或完全地被压入工件层叠10的第一侧20和第二侧22。即，在实践中，第一焊接电极58和第二焊接电极62的焊接面66、70被压抵并且进入工件层叠10的相对的第一侧20和第二侧22，在图2中此处其是相邻的钢工件14和铝工件16的外部外表面26、30。对每个点焊电极58、62，可以实现广泛范围的电极焊接面设计。例如，每个点焊接电极58、62的焊接面66、70可以是平的或具有球形圆顶形状(具有曲率半径)。此外，如果它们是球形圆顶的，则焊接面66、70可以是平滑的，可以是粗糙的，可以具有中心突起(例如，凸出的高台部或球形球状物-鼻状突起)或者可以具有突脊的同心环，该突脊从焊接面66、70的基体或标称表面向外突出，如在美国专利第8,222,560号、第8,436,269号、第8,927,894号中所公开的，或者如在美国专利公开2013/0200048中所公开的。

采用第二焊接电极62的焊接面70上的向外突出的环状脊部特别有用，因为这些表面特征帮助建立与被所述电极62接合的铝工件的良好的机械以及电接触(或者是位于与钢工件14相邻的铝工件16的外部外表面30处，或者是另外的铝工件44的外部外表面50处(如果存在所述工件44))，尤其是当铝工件包括其天然难熔表面氧化物层时更是如此。当被压靠接触钢工件时(或者是位于与铝工件16相邻的钢工件14的外部外表面26处，或者是另外的钢工件36的外部外表面42处(如果存在所述工件36))，主要由于曲率半径，相同电极焊接面设计也能够有效起作用。环状脊部对通过钢工件14、36的电流的切换几乎没有影响，并且，事实上，在点焊期间通过与压靠钢相关联的压力和高温快速地形变。

第一焊接电极58和第二焊接电极62的尺寸和组分具有大量可变性。例如，在许多情况下，两个电极58、62的本体64、68的直径602的范围从10mm至22mm，并且两个电极58、62的焊接面66、70的直径702的范围从8mm至15mm。并且，如果焊接电极58、62中的一个或者两者的焊接面66、70是球形圆顶，则焊接面66、70可以具有从5mm到平面mm，或者更窄地从20mm到50mm的曲率半径。例如，在其组分方面，第一焊接电极58和第二焊接电极62中的一个或者两者可以由铜合金(例如，含有0.10wt％到0.20wt％的锆和余量的铜的锆铜合金(ZrCu))构成。在其他实施例中，第一焊接电极58和第二焊接电极62中的一个或者两者可以由难熔基材料(例如，钼、钨或含50wt％与90wt％之间的钨和50wt％与10wt％之间的铜的钨铜合金)构成。难熔基材料对于第二焊接电极62可能特别有用，因为这种材料能够紧挨铝工件16(或另外的铝工件44)产生并保持。除了上述特指的材料，当然也可以采用用于焊接电极58、62的其他组分。

现在具体参考图1和图2，焊枪12的第一枪臂52和第二枪臂54在点焊期间可操作地聚合并按压第一焊接电极58和第二焊接电极62的焊接面66、70分别抵靠在工件层叠10的相对的第一侧20和第二侧22上，其在图2中通过相对面对相邻的并且重叠的钢工件14和铝工件16的外部外表面26、30来设置。例如，在该示例性实施例中，第一枪臂52和第二枪臂54具有大致正交的纵向轴线，并且第一枪臂52通过致动器80(诸如伺服电机)沿着其纵轴朝固定的第二枪臂54可移动。致动器或枪控制器82使电流/电压传递到致动器80(如果致动器80是伺服电机)用于移动第一枪臂52，从而接合并将焊接电极58、62的焊接面66、70压抵在工件层叠10的相对侧20、22上，并且施加所需的夹紧力。焊接面66、70被压抵在其各自的工件层叠10的侧20、22上，并且在焊接部位18处彼此面部对准。

焊枪12还被配置成当两个电极58、62的焊接面66、70被压抵在工件层叠10的相对的第一侧20和第二侧22上时，使电流在第一焊接电极58和第二焊接电极62之间传输(并且在焊接部位18处穿过工件层叠10)。优选地，电流可作为直流电流(DC)从可控电源84传递到焊枪12。优选地，电源84是中频直流电流(MFDC)逆变电源，其与第一焊接电极58和第二焊接电极62电连通。MFDC逆变电源包括逆变器86和MFDC变压器88。逆变器86接收三相电源AC电流(在美国是480V，60Hz)。首先电源AC电流被整流，然后逆变以产生馈送给变压器88(通常以1000Hz)的、更高电压的单相输入AC电流(通常是方波AC电流)。然后变压器88“逐步降低”输入AC电压以产生较低电压、较高安培AC电流，然后该电流被馈送至整流器，在整流器中一组半导体二极管将供给的AC电流转换为适合用于本点焊方法的低脉动DC电流。MFDC逆变电源84可以从许多供应商那里购买到，这些供应商包括Roman Manufacturing(密歇根州大急流城)、ARO焊接技术公司(ARO Welding Technologies，位于密歇根州切斯特菲尔德小镇)、以及博世力士乐(Bosch Rexroth，位于北卡罗来纳州夏洛特市)。

焊接控制器90控制电源84，包括电流被传递到第一焊接电极58和第二焊接电极62的方式。具体地，焊接控制器86通过界面与电源84相连接，并且允许用户编制焊接排程，其设定并驱动电流随着点焊接事件的过程被传递到焊接电极58、62。焊接排程允许在任何给定时间处的电流水平的定制控制以及在任何给定电流水平下的电流流动的持续时间，此外，还允许电流的这些特性响应在非常小的时间增量到毫秒分数的变化。以此方式，焊接控制器90指示电源84将电流传递到第一焊接电极58和第二焊接电极62以及在第一焊接电极58和第二焊接电极62之间传递，并且在焊接部位18处穿过工件层叠10以及横穿接合界面32。

现在转到图6到图12，参考该方法的各阶段的理想的示意图(图6到图11)以及适配成执行所述方法的焊接排程(图12)，示出了多阶段点焊方法的优选且示例性实施例。应该注意的是，在图6至图11中仅描绘了相邻的钢工件14和铝工件16。在工件层叠10中的另外的钢工件36或铝工件44的存在不影响多阶段点焊方法如何执行或对接合机制(该接合机制发生在相邻的钢工件14和铝工件16的接合界面32处)也没有任何实质性影响。因为这个原因，当下面更详细地描述多阶段点焊方法时，为了简单起见，只示出相邻的钢工件14和铝工件16。下面提供的更详尽的讨论同等地适用于如下情况：工件层叠10包括另外的钢工件36或另外的铝工件44(图3和图4)，尽管事实是任何这样的另外的工件36、44已经从附图中省略也是如此。

多阶段点焊方法包括焊接接头起始阶段92和在焊接接头起始阶段92之后的一个或多个焊接接头精制阶段94。这些阶段92、94在图12中描述的代表性的焊接排程中被识别。在焊接接头起始阶段92中，焊接接头96(图7和图8)初始形成，该焊接接头96将相邻的钢工件14和铝工件16在它们的接合界面32处接合在一起。随后，在一个或多个焊接接头精制阶段94的第一次执行中，焊接接头96至少部分地在接合界面32处再熔化并再固化，同时优选地不会强迫界面驱除。至少为了增强最后由多阶段点焊方法产生的、最终精制焊接接头的剥离强度，焊接接头精制阶段94可以重复需要的次数以降低接合界面32处的焊接缺陷的传播(特别是那些由表面氧化物残余物引起的焊接缺陷)。所实践的焊接接头精制阶段94的确切数目取决于数个因素的平衡，所述因素包括每个精制阶段94的接头强度的增量收益、其他失效模式的扩大(诸如接合界面32处金属间化合物的增长)以及实践精制阶段94所需的时间。一般来说，在焊接接头起始阶段92之后，连续地实践焊接接头精制阶段94在1次到15次之间是足够的，或更窄地在1次到8次之间是足够的。

焊接接头起始阶段92和一个或多个后续焊接接头精制阶段94中的每个阶段均包括使电流在第一焊接电极58和第二焊接电极62之间传输以在焊接部位18内产生热，接着减少焊接电极58、62之间的电流流动以允许焊接部位18冷却。实际上，在每个阶段92、94中，如图12所示，直流电流(DC电流)以位于工作电流水平范围98内电流水平被通入，并且然后下降到位于降低的电流水平范围100内的电流水平，优选地一直降到0kA，以分别实现每个阶段92，、94所需的熔化和冻结作用。工作电流水平范围98优选地在10kA和40kA之间，或更窄地在12kA和30kA之间，并且降低的电流水平范围100优选地从0kA到5kA，或更窄地从0kA到2kA。直流电流的电流水平可以在工作电流水平范围98内保持10ms到1000ms的持续时间，或更窄地从20ms到500ms的持续时间，并且随后可以在降低的电流水平范围100内保持10ms到1000ms的持续时间，或更窄地从20ms到500ms的持续时间。

所采用的用于多阶段点焊方法的每个阶段92、94的工作电流水平范围98和降低的电流水平范围100内的直流电流的精确电流水平和持续时间可以随若干因素而变化。例如，影响每个阶段92、94的电流水平、加热时间和冷却时间的主要因素是工件层叠10的总厚度，主要是钢工件14的厚度140。如此，每个阶段92、94中所获得的最大电流水平可以与电流流动(加热时间)的持续时间进行协调，以实现所需的加热和熔化，而不会在钢工件14中产生如此多的热(工件14、16之间在接合界面32处发生界面表面驱除)。每个阶段92、94中所采用的降低的电流水平和降低的电流流动的持续时间(冷却时间)也可以与钢工件14的厚度140相关联，因为较重规格钢工件需要更多时间来冷却。实际上，关于冷却时间，认为冷却时间与钢工件14的厚度140之间存在线性关系。例如，如果2.0mm厚钢工件需要最小100ms的冷却时间，那么在0.9mm厚处的相同钢工件将需要最小45ms的冷却时间，并且在0.6mm处将需要最小50ms的冷却时间。

第一焊接电极58和第二焊接电极62之间通过的电流可以以各种方式保持在工作电流水平范围98内，以指定电流并提供所需的加热效果。例如，电流水平可以设定并保持在恒定的电流水平下，如图12所示。当然，也可以用不同的电流轮廓替代恒定电流水平下交换电流来实现每个阶段92、94中相同的活动。作为替选，电流的电流水平可以在工作电流水平范围98内随时间增加(正斜率)或减少(负斜率)。作为另一替选，电流可以被脉冲到被包含在工作电流水平范围98内的峰值电流水平，其中有短持续时间的电流水平降低来分离每个电流脉冲。此外，如果需要的话，可以对电流进行编程以经历恒定电流水平、增加/减少电流水平和/或电流脉冲的某一组合。

现在将参考图6至图11对焊接接头起始阶段92和焊接接头精制阶段94的每个阶段期间工件层叠10内发生的冶金形成进行描述。开始，工件层叠10位于第一焊接电极58和第二焊接电极62之间，使得焊接部位18处于两个电极58、62的轴向面对对准的焊接面66、70之间，如图2(两个工件层叠)、图3至图4(三个工件层叠)以及图6至图7、图9和图11所示。工件层叠10可以被带到如通常当枪臂52、54是固定底座焊机的一部分时，或者枪臂52、54可以通过机器人移动来相对于焊接部位18定位电极58、62时的情况下所处的这样的位置。一旦工件层叠10被适当地定位，则焊枪12***作以使第一焊接电极58和第二焊接电极62彼此相对地聚合，使得它们各自的焊接面66、70在焊接部位18处接触到并压抵着层叠10的相对的第一侧20和第二侧22，在这个实施例中，第一侧20和第二侧22相对面对钢和铝合金工件14、16的外部外表面26、30。在这个特定实施例中，通过引起致动器80(经由致动器或枪控制器82)使第一枪臂52沿其纵向轴线向前朝向固定第二枪臂54移动来实现第一焊接电极58和第二焊接电极62的聚合。

在夹紧力(例如，范围在400lb和2000lb之间，或更窄地在600lb和1300lb之间)下，在焊接部位18处，第一焊接电极58和第二焊接电极62的焊接面66、70以彼此面对对准的方式被压抵在它们各自的工件层叠10的侧20、22上。这个夹紧力在接合的焊接电极58、62的焊接面66、70与工件层叠10的侧20、22之间建立良好机械和电接触。当在压力下与工件层叠10接触时，第一焊接面42和第二焊接面44压入它们各自的工件层叠10的相对侧表面。由相对的焊接面66、70所产生的凹陷在这里被称为第一接触印痕102和第二接触印痕104。贯穿整个多阶段点焊方法保持由枪臂52、54所评估的夹紧力，直到完成一次或多次焊接接头精制阶段94之后。

一旦第一焊接电极58和第二焊接电极62在焊接部位18处被压抵在它们各自的工件层叠10的侧20、22上，就开始焊接接头起始阶段92。在这个阶段期间，如图6所示意性地示出的，通过使电流以在工作电流水平范围98内的电流水平下持续第一时间段在焊接电极58、62之间传输并且穿过工件层叠10，熔融铝焊池106在铝工件16内初始创建。所施加电流的准确电流水平轮廓和第一时间段的持续时间取决于若干因素。影响所施加电流的电流水平和持续时间的主要因素是钢工件14和铝工件16在焊接部位18处的厚度140、160、层叠10中存在任何另外的工件36、44、以及存在的工件14、16(以及可能的36或44)的形式和组分。然而在许多情况下，第一焊接电极58和第二焊接电极62之间所交换的电流是具有恒定(斜率＝0)或增加(斜率＞0)的电流水平的直流电流，所述电流水平位于12kA和30kA之间持续50ms和500ms之间的时间。

熔融铝焊池106是由对于第一焊接电极58和第二焊接电极62之间所交换的电流流动的电阻而创建的。特别地，对于穿过相邻的钢工件14和铝工件16以及横穿其接合界面32的电流流动的电阻产生热并以比铝工件16更快地初始加热钢工件14。所产生的热最终形成熔融铝焊池106，并且然后继续使焊池106增大到其所需的尺寸。实际上，在电流流动开始时，当第二接触印痕104的面积相对小时而电流密度相对大时，熔融铝焊池106很快形成并快速增大，并渗透入铝工件16。由于第二点焊电极62的焊接面70不断凹陷到工件层叠10的第二侧22中，第二接触印痕104的面积随着电流流动的进程而增加，所以电流密度减少，并且熔融铝焊池106在接合界面32附近越来越横向增大。

在焊接接头起始阶段92期间创建的熔融铝焊池106从两个相邻工件14、16的接合界面32延伸进入铝工件16。熔融铝焊池106的一部分相邻于接合界面32，因此浸湿了钢工件14的接合表面24。熔融铝焊池106可以渗透一定距离进入铝工件16中，其范围为铝工件16在焊接部位18处的厚度160的20％到100％。并且，在其组分方面，熔融铝焊池106主要由来源于铝工件16的熔融铝材料组成。钢工件14通常不会在电流流动期间熔化，这是因为其具有比铝相对高的熔点。如此，熔融钢材料通常是不可与熔融铝焊池106相凝聚，虽然对于某些元素和/或化合物而言可能从钢工件14中溶解到熔融铝焊池106中也是如此，并且反之亦然。

在被创建后，熔融铝焊池106被允许冷却和固化成焊接接头96，以结束焊接接头起始阶段92，如图7中所示。熔融铝焊池106的冷却和固化可以在紧随第一时间段的第二时间段内实现，其通过以两种方式中的一种将电流的电流水平降低到降低的电流水平范围100内来实现。首先，在第一点焊电极58和第二点焊电极62之间的电流的通路可以通过对焊接控制器90编程使电流流动减少到0kA来停止。其次，如果不希望停止全部电流流动，则可以在降低的电流水平范围100内的电流水平下但高于0kA在第一点焊电极58和第二点焊电极62之间传输电流，从而无法维持焊池106的熔融状态。所施加的电流的准确电流水平轮廓和第二时间段的持续时间可能会基于多种因素而变化，包括工件14、16在焊接部位18的厚度140、160，存在在层叠10中的任何另外的工件36、44，以及存在的工件14、16(以及可能的36或44)的形式和组分。以低于2kA的电流水平传输电流，并且优选地停止全部电流(即，0kA)，持续20ms和500ms之间的时间通常足以将熔融铝焊池106固化成焊接接头96。

在焊接接头起始阶段92中产生的焊接接头96从接合界面32延伸一定距离进入铝工件16中到渗透深度。焊接接头96的渗透深度的范围可以为铝工件16在焊接部位18处的厚度160的从20％到100％(100％是完全穿过铝工件16)。在这一点上，铝工件16在焊接部位18的厚度160通常小于在焊接部位18外部的厚度，这是由于在电流流动期间第二焊接电极62的连续凹陷，以及由此产生的工件层叠10的第二侧22上的第二接触印痕104的增大。另外，焊接接头96包括界面焊接结合区域108，如图7和图9中所示，其为焊接接头96相邻于并接合钢工件14的接合表面24的表面区域，包括任何金属间Fe-Al反应层，该层可在接合界面32处增长接近钢工件14的接合表面24。

焊接接头96的界面焊接结合区域108，如在mm²中报告的，优选地至少4(π)(t)，其中“t”以毫米为单位是在第二接触印痕104产生之前的铝工件16在焊接部位18处的厚度160。换言之，当计算优选的4(π)(t)焊接结合区域尺寸时，铝工件16的厚度“t”为工件16的初始厚度，如在第二焊接电极62的焊接面70凹陷之前测量的。通过管理在焊接接头起始阶段92中增长的熔融铝焊池106的尺寸可以根据需要改变界面焊接结合区域108。并且，如将在下面进一步说明，焊接接头96的界面焊接结合区域108在一个或多个焊接接头精制阶段94中被精制，以最后得到最终的精制焊接接头。最终的精制焊接接头具有良好的强度(其被一致地获得)，这是因为一个或多个焊接接头精制阶段94促进了最终的精制焊接接头的界面焊接结合区域与钢工件14的接合表面24之间的更清洁和更稳定的结合接触。

可以肯定的是，焊接接头96可以包括在焊接接头起始阶段92结束之后分散在界面焊接结合区域108内的接合界面32处以及沿着界面焊接结合区域108内的接合界面32的焊接缺陷。这些缺陷(其可以包括气体孔隙、收缩空隙、微裂纹和表面氧化物残余物)可在熔融铝焊池106的固化期间被扫入朝向接合界面32。此外，无论何时中间有机材料层34被设置在钢工件14和铝工件16的接合表面24、28之间，表面氧化物残余物和与之相伴的焊接缺陷可能在焊接接头96内和沿接合界面32变得更加普遍和顽固，如前面所讨论。焊接接头96还可包括Fe-Al金属间化合物(未示出)的一个或多个薄的反应层，其相邻于钢工件14的接合界面24。这些层是硬且脆的，并主要是作为在点焊温度下熔融铝焊池106和钢工件14之间的反应的结果而产生的。Fe-Al金属间化合物的一个或多个反应层可包括金属间化合物诸如FeAl3、Fe2Al5，以及其他，并且它们的组合厚度范围通常为1μm到10μm。

在焊接接头96已初始形成后，进行一个或多个焊接接头精制阶段94。在第一焊接接头精制阶段94a期间，焊接接头96的至少一部分110在界面焊接结合区域108处再熔，如图9至图10中所示，并然后再固化以形成如图11中所示的第一精制焊接接头112。焊接接头96通过使在工作电流水平范围98内的电流水平下的电流在焊接电极58、62之间传输并且穿过工件层叠10和焊接接头96持续第三时间段来再熔。所施加的电流的准确电流水平轮廓和第三时间段的持续时间主要取决于之前所述的相同的因素。另外，电流可以在这个阶段94a中以比在焊接接头起始阶段92中更高的电流水平传输，这是由于第二点焊电极62的焊接面70被进一步施压到工件层叠10中，并且接合界面32更不容易在焊接部位18内产生热，这是由于焊接接头96比先前的工件14、16的不同的和未接合的接合表面24、28更导电。然而，在许多情况下，第一焊接电极58和第二焊接电极62之间交换的电流是具有恒定(斜率＝0)或增加(斜率＞0)的电流水平的直流电流，该电流水平位于15kA和30kA之间持续在30ms和300ms之间的时间。

焊接接头96的再熔部分110包围了至少一部分的界面焊接结合区域108，并且优选地包围全部界面焊接结合区域108。例如，至少50％，并且优选地至少80％，的界面焊接结合区域108再熔并被再熔部分110占据。此外，再熔部分110可在至少一部分的焊接接头96的渗透深度的路径上延伸进入焊接接头96中。事实上，在第一焊接接头精制阶段94a期间，直到其渗透深度并包括所有(即，100％)界面焊接结合区域108的整个焊接接头96可在电流通路期间再熔。这可能是因为由第二点焊电极62凹陷到工件层叠10的第二侧22中所创建的第二接触印痕104有可能尚未增长至该点，在该点电流密度的相应减少使得完全再熔焊接接头96变得困难。此外，根据电流的电流水平和持续时间，焊接接头96的再熔部分110可能占据整个界面焊接结合区域108，并与来自铝工件16的新熔化的铝材料相结合，铝工件16在界面焊接结合区域108外部并与界面焊接结合区域108相邻。在这种情况下，第一精制焊接接头112具有界面焊接结合区域114(图11)，其在面积上大于(优选地在面积上大于高至50％)在焊接接头起始阶段92期间初始形成的焊接接头96的界面焊接结合区域108。

在焊接接头96的一些或者全部再熔后，并且在第一和第二焊接电极58、62仍然压抵在工件层叠10的其各自的侧20、22的情况下，再熔部分110(以及之前形成的焊接接头96外部的铝工件16的任何新熔化的材料)被允许冷却并且再固化以形成第一精制焊接接头112以结束第一焊接接头精制阶段94a，如图11所示。通过以如前述的相同的两种方式(即，停止电流流动或者减少电流流动至低的电流水平)中的一种方式降低电流的电流水平至降低的电流水平范围100内，再熔部分110的冷却和固化可以在第三时间段之后的第四时间段实现。所施加的电流的准确电流水平轮廓和第四时间段的持续时间主要取决于之前所述相同的因素。以低于2kA的电流水平传输电流，并且优选地停止全部电流(即，0kA)持续在20ms与500ms之间通常足以将再熔部分110固化以形成第一精制焊接接头112。

第一精制焊接接头112包括来源于再熔部分110以及之前形成的焊接接头96的任何部分(如果有的话，其没有经受焊接接头精制阶段94中的再熔)的再固化的焊接接头材料。来源于再熔部分110和之前形成的焊接接头96的部分(如果有的话，其经受再熔)的精制焊接接头112的部分可以或者可以不在组分方面被区分。确切地说，第一焊接接头精制阶段94a是在如下目标下被执行：与在焊接接头起始阶段92中初始形成的焊接接头96相比，减少在接合界面32处的第一精制焊接接头112内的焊接缺陷的增殖和/或传播。与初始形成的焊接接头96相比，这样的精制被认为在第一精制焊接接头112的界面焊接结合区域114与钢工件16的接合表面24之间产生更清洁的结合接触，而初始形成的焊接接头96转而在钢工件14和铝工件16之间形成的第一精制焊接接头112的强度上具有积极的贡献。

焊接接头精制阶段94可被重复以在界面焊接结合区域114处再熔和再固化第一精制焊接接头112的至少一部分，以在该区域实现焊接缺陷的进一步的精制。每一次另外的焊接接头精制阶段94以与刚描述的相同的方式来实施。特别地，电流可在焊接电极58、62之间传输并且在工作电流水平范围98内的电流水平下通过工件层叠10，随后降低电流的电流水平至降低的电流水平范围100内，以便再熔并且再固化第一精制焊接接头112的至少一部分，以形成第二精制焊接接头。虽然第二精制焊接接头没有单独地并且明确地示出在图中，但是应当理解，包括在图6至图11中的示意性的描绘同等地适用于第二精制焊接接头(来自之前形成的第一精制焊接接头112)的开发和形成，以及在另外的后续焊接接头精制阶段94期间形成的任何另外的精制焊接接头的开发和形成。

如之前对于第一焊接接头精制阶段94a，第一精制焊接接头112的再熔部分包围了界面焊接结合区域114的至少一部分。例如，至少50％并优选地为至少80％的界面焊接结合区域114再熔并被在第二焊接接头精制阶段94b期间获得的再熔部分占据。此外，在第二焊接接头精制阶段94b期间，直到其渗透深度并包括所有(即，100％)界面焊接结合区域114的整个第一精制焊接接头112可在电流通过期间再熔。第一精制焊接接头112的再熔部分甚至可以占据整个界面焊接结合区域114，并且与来自界面焊接结合区域114外部的并且临近界面焊接结合区域114的铝工件16的新熔化的铝材料结合，与之前更早的焊接接头精制阶段94a中类似，使得第二精制焊接接头的界面焊接结合区域在面积上大于(优选地面积上大于高达50％)第一精制焊接接头112的界面焊接结合区域114的面积。

第二精制焊接接头包括来源于第一精制焊接接头112的再熔部分以及第一精制焊接接头112的任何部分(如果有的话，其没有经受再熔和再固化)的再固化焊接接头材料。在第二精制焊接接头已经实现后，以上述的关于首先的两个焊接接头精制阶段94a、94b的相同的方式，执行另外的焊接接头精制阶段94，包括第三焊接接头精制阶段94c以获得第三精制焊接接头、第四焊接接头精制阶段94d以获得第四精制焊接接头、第五焊接接头精制阶段94e以获得第五精制焊接接头，等等，直到希望的任何阶段。典型地，焊接接头精制阶段94可在焊接接头起始阶段92之后连续地实施从1次至15次或者更窄为从1次至8次的任何次数。在所有的焊接接头精制阶段94执行之后，产生了最终的精制焊接接头。通过多阶段点焊方法产生的最终的精制焊接接头优选具有至少9(π)(t)的界面结合区域，其中“t”以毫米为单位是在第二接触印痕104产生之前的铝工件16在焊接部位18处的厚度160。

虽然一个或者多个焊接接头精制阶段94全部以相同的常规方式实践，但是随着焊接接头精制阶段94的数量增加，之前形成的精制焊接接头的全部再熔直到其渗透深度可能会更具有挑战性。由于第二焊接电极62的焊接面70继续进一步缩回至工件层叠10的第二侧22，因此出现了再熔部分的较浅的渗透，并且随着被执行的每个焊接接头精制阶段94，第二接触印痕104的尺寸相应地增加。这意味着电流在焊接电极58、62之间更宽的区域上传输，这与之前的焊接接头精制阶段94相比，具有促进更靠近接合界面32的再熔以及进入精制焊接接头的更少的渗透的效果。在后面的焊接接头精制阶段94，之前形成的精制焊接接头的全部可能不被再熔至其渗透深度的事实没有引起关注。只要精制焊接接头的界面焊接结合区域的至少一部分被再熔(该部分优选至少为界面焊接结合区域的50％，并且更加优选至少为界面焊接结合区域的80％)，可以获得有助于提高接头强度的精制的益处。

与以多种方式最初形成的焊接接头96相比，多阶段点焊方法的一个或者多个焊接接头精制阶段94被认为提高了通过该方法产生的最终的精制焊接接头的强度，最显著的是剥离强度。没有受到理论的束缚的情况下，认为再熔最初形成的焊接接头96，特别是在接合界面32处的界面焊接结合区域108，在熔融铝焊池106的固化期间在某种程度上固结、分散并且消除了被驱动并且沿着接合界面32的各种焊接缺陷，因此改善了第一精制焊接接头112与钢工件14的接合表面24结合的能力。例如，再熔部分110的产生被认为是将夹带的空气孔隙固定在第一精制焊接接头112的中心附近，同时在熔化和固化期间再熔部分110内的热膨胀、收缩和相变被认为破坏并且分散了残余的氧化物，并且消除了在界面焊接结合区域114或者其邻近处可能存在的微裂纹。这样的精制通过一次接着一次地执行多焊接接头精制阶段94被进一步放大。

在焊接接头起始阶段92和一个或者多个焊接接头精制阶段94结束后，并且最后的精制焊接接头已经产生，第一焊接电极58和第二焊接电极62从工件层叠10的其各自的第一侧20和第二侧22缩回。工件层叠10随后相对于焊枪12移动，并且位于点焊电极58、62之间另一焊接部位18处，在此处重复多阶段点焊过程，或者工件层叠10从焊枪12移开以为另一工件层叠10让开位置。上述的多阶段点焊方法因此可在制造设定中的相同的或者不同的工件层叠上的不同的焊接部位18处执行许多次，以顺利地、一致地并且可靠地在钢工件和相邻的铝工件之间形成遵照最小强度标准的精制焊点。

实施例

下面的示例展示了应用于具有位于彼此相邻的钢工件和铝工件的不同的工件层叠的多阶段点焊方法的具体实现方式。在这些示例的每个中，通过多阶段点焊方法在钢工件和铝工件之间产生精制焊接接头，并且然后经受剥离强度测试。焊接接头剥离强度是对于焊接接头的值得注意的性质。焊接接头与结构粘合剂结合使用是非常正确的，这是因为粘合剂通常提供剪切强度，但是在剥离方面表现较差。这里给出的剥离强度是利用T-剥离样品测量的。T-剥离样品是通过首先将试片(5英寸乘以1.5英寸)弯曲为L形而获得的。两个L形试片的短支脚随后配合，并且根据上述的多阶段点焊方法在配合的表面之间形成精制焊接接头。得到的T-剥离样品的长支脚被安装在张力测试仪上，并且拉动直到焊接接头断开。以牛顿(N)为单位的最大负载被记录为剥离强度。可以看出，由多阶段点焊方法获得的剥离强度显著地大于由在单独的步骤中在恒电流水平下交换电流的传统点焊方法预期的剥离强度(～150)。

实施例1

在对应于图13的该实施例中，通过多阶段点焊方法在点焊电极施加的800lb的力下(直到最后的焊接接头精制阶段结束)，0.8mm厚的X626-T4铝合金工件被点焊至0.9mm厚的热浸电镀钢工件上。在此，在焊接接头的起始阶段，如图所示，电流在19kA的恒定电流水平下穿过工件持续50ms的第一时间段以在铝工件内创建熔融铝焊池。电流的通路随后停止持续50ms的第二时间段以将熔融铝焊池固化成焊接接头。随后，执行六个焊接接头精制阶段。对于每个焊接接头精制阶段，在电极之间传输的以引起再熔的电流的电流水平和大小以及电流的电流水平降至实现再固化的程度和持续时间在下文表1中阐述。从所述方法获得的精制焊接接头的剥离强度在351N下测量。

表1：实施例1中的焊接接头精制阶段的细节

实施例2

在对应于图14的该实施例中，通过多阶段点焊方法，在点焊电极施加的800lb的力下(直到最后的焊接接头精制阶段结束)，0.8mm厚的X626-T4铝合金工件被点焊至0.9mm厚的热浸电镀钢工件上。在此，在焊接接头起始阶段，如图所示，在50ms的第一时间段，电流以从18.02kA至18.25kA以线性地增加的电流水平穿过工件，以在铝工件内创建熔融铝焊池。电流的通路随后停止持续50ms的第二时间段以将熔融铝焊池固化成焊接接头。随后，执行七个焊接接头精制阶段。对于每个焊接接头精制阶段，在电极之间传输的以引起再熔的电流的电流水平和大小以及电流的电流水平降至实现再固化的程度和持续时间在下文表2中阐述。从所述方法获得的精制焊接接头的剥离强度在295N下测量。

表2：实施例2中的焊接接头精制阶段的细节

实施例3

在对应于图15的该实施例中，通过多阶段点焊方法在点焊电极施加800lb的力下(直到最后的焊接接头精制阶段结束)，0.8mm厚的X626-T4铝合金工件被点焊至1.2mm厚的热浸电镀钢工件上。在此，在焊接接头起始阶段，如图所示，在100ms的第一时间段，电流以从14.02kA至14.6kA线性地增加的电流水平穿过工件，以在铝工件内创建熔融铝焊池。电流的通路随后停止持续100ms的第二时间段，以将熔融铝焊池固化成焊接接头。随后，执行四个焊接接头精制阶段。对于每个焊接接头精制阶段，在电极之间传输的以引起再熔的电流的电流水平和大小以及电流的电流水平降至实现再固化的程度和持续时间在下文表3中阐述。从所述方法获得的精制焊接接头的剥离强度在301N下测量。

表3：实施例3中的焊接接头精制阶段的细节

优选的示例性实施例和特定示例的以上描述本质上仅是描述性的；它们不旨在限制所附权利要求书的范围。在所附权利要求中使用的每个术语应当被给出其通常和习惯的含义，除非在本说明书中具体地并且清晰地另外陈述。

Claims (6)

1.一种电阻点焊工件层叠的方法，所述工件层叠包括钢工件和铝工件，所述方法包括：

（a）提供具有第一侧和第二侧的工件层叠，所述工件层叠包括与铝工件相邻设置并重叠的钢工件，所述钢工件具有接合表面，所述钢工件的所述接合表面接触所述铝工件的接合表面以建立所述工件之间的接合界面；

（b）使电流横穿所述接合界面，以使得所述铝工件熔化并在所述铝工件内形成熔融铝焊池，所述熔融铝焊池浸湿所述钢工件的所述接合表面；

（c）使所述熔融铝焊池固化成焊接接头，所述焊接接头将所述钢工件和所述铝工件在所述接合界面处结合在一起，具有界面焊接结合区域的焊接接头与所述钢工件的所述接合表面相接合；

（d）使电流穿过所述焊接接头，以再熔所述焊接接头在界面焊接结合区域处的至少一部分，形成所述焊接接头的再熔部分；

（e）使所述焊接接头的所述再熔部分再固化，以形成第一精制焊接接头；以及

（f）重复步骤（d）和（e）以及另外的一次至十四次，以产生最终精制焊接接头，其在所述接合界面处将所述钢工件和所述铝工件结合在一起；

其中步骤（b）包括：使直流电流横穿所述接合界面，所述直流电流具有介于12kA与30kA之间的电流水平并且传输范围为50ms到500ms的一段时间，且其中步骤（c）包括：在步骤（b）中所述直流电流横穿之后在20ms至500ms的一段时间内停止电流流横穿所述接合界面；其中步骤（d）包括：使直流电流穿过所述焊接接头，所述直流电流具有介于15kA与30kA之间线性增加的电流水平并且传输范围为30ms到300ms的一个时段，且其中步骤（e）包括：在步骤（d）中所述直流电流穿过之后在20ms至500ms的一个时段内停止电流流。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述铝工件包括：基体铝基板，所述基体铝基板包括单质铝、铝镁合金、铝硅合金、铝镁硅合金或者铝锌合金。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述工件层叠进一步包括：中间有机材料层，其在所述钢工件的所述接合表面与所述铝工件的所述接合表面之间在所述接合界面处。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述最终精制焊接接头包括：界面焊接结合区域，其结合到所述钢工件的所述接合表面，且其中，所述最终精制焊接接头的所述界面焊接结合区域的表面积大于步骤（b）和步骤（c）中形成的所述焊接接头的所述界面焊接结合区域的表面积。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述焊接接头的所述再熔部分占所述焊接接头的所述界面焊接结合区域的至少50%。

6.一种电阻点焊工件层叠的方法，所述工件层叠包括钢工件和铝工件，所述方法包括：

提供工件层叠，所述工件层叠包括钢工件和铝工件，所述铝工件与所述钢工件相邻设置并重叠，所述钢工件具有接合表面，所述钢工件的所述接合表面接触所述铝工件的接合表面，以建立所述相邻工件之间的接合界面；

在所述钢工件与所述铝工件之间初始形成焊接接头，所述焊接接头从所述钢工件的所述接合表面延伸到所述铝工件中，并且所述焊接接头具有与所述钢工件的所述接合表面相邻并接合的界面焊接结合区域；

在没有沿所述钢工件与所述铝工件之间建立的所述接合界面引起界面驱除的情况下，再熔并再固化所述焊接接头在所述界面焊接结合区域处的至少一部分，所述再熔和再固化形成第一精制焊接接头，所述第一精制焊接接头包括来自所述焊接接头的再熔和再固化材料以及所述焊接接头的未进行再熔和再固化的任何部分；以及

在没有沿所述钢工件与所述铝工件之间建立的所述接合界面引起界面驱除的情况下，再熔并再固化所述第一精制焊接接头在其界面焊接结合区域处的至少一部分，所述再熔和再固化形成第二精制焊接接头，所述第二精制焊接接头包括来自所述第一精制焊接接头的再熔和再固化材料以及所述第一精制焊接接头的未进行再熔和再固化的任何部分；

在没有沿所述钢工件与所述铝工件之间建立的所述接合界面引起界面驱除的情况下，再熔并再固化所述第二精制焊接接头在其界面焊接结合区域处的至少一部分，随后再熔并再固化任何后续形成的精制焊接接头在其界面焊接结合区域处的至少一部分，以产生所述钢工件与所述铝工件之间的最终精制焊接接头，且其中，在所述焊接接头的初始形成之后再熔和再固化总共两次至十五次。