改进铝钢点焊的具有侵入结构特征的盖板

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年6月10日提交的美国临时申请号62/010,204的权益，所述申请的全部内容以引用方式并入本文。

技术领域

本公开的技术领域一般涉及电阻点焊，并且更具体来说涉及电阻点焊钢工件和铝合金工件。

背景技术

电阻点焊是许多工业用来将两个或更多个金属工件连结在一起的工艺。例如，汽车工业通常在制造车门、引擎盖、行李箱盖或提升式后栏板等等期间使用电阻点焊来将预制金属工件连结在一起。许多点焊缝通常沿金属工件的周边边缘或一些其它结合区域形成以确保该部分是结构可靠的。虽然通常已经实践点焊以将某些类似组成的金属工件—如钢到钢和铝合金到铝合金—连结在一起，但将较轻量材料并入车体结构中的期望已经对通过电阻点焊将钢工件连结至铝合金工件产生了兴趣。具体地，因为许多车辆组装厂已经具有点焊基础设施就位，所以电阻点焊包含不同工件组合物（例如包括钢/钢、铝合金/钢以及铝合金/铝合金）的工件层叠的能力将促进生产灵活性并降低制造成本。上述电阻点焊相异金属工件的期望不是汽车工业所特有的；实际上，该期望扩展至可利用点焊作为连结工艺的其它工业，包括航空、海事、铁路和建筑构建工业等等。

一般来说，电阻点焊依赖于对流过重叠金属工件并且穿过它们的紧连界面的电流流动的阻力来产生热量。为执行这种焊接工艺，一组两个相对的点焊电极在预先确定的焊接位点处在工件层叠的相反侧上的对准点处被夹紧，工件层叠通常包括以叠盖构型布置的两个或更多个金属工件。电流随后从一个焊接电极穿过金属工件到达另一个。对此电流流动的阻力在金属工件内和它们的紧连界面处产生热量。当工件层叠包括钢工件和相邻铝合金工件时，在这些相异金属工件的紧连界面处和块体材料内所产生的热量引发从紧连界面延伸至铝合金工件中的熔融铝合金焊池并使其扩大。此熔融铝合金焊池润湿钢工件的相邻紧连界面，并且在中断电流流动之后固化成形成将两个工件结合在一起的焊缝的全部或一部分的焊接熔核。

然而，在实践中，将钢工件点焊至铝合金工件是具有挑战性的，因为这两种金属的许多特性可能不利地影响焊缝的强度—最显著地是剥离强度。例如，铝合金工件通常在其表面上包括一个或多个机械结实、电绝缘且自愈耐熔的氧化层。氧化层通常由铝氧化物组成，但也可包含其它金属氧化物，包括铝合金工件由含镁铝合金组成时的镁氧化物。由于耐熔氧化层的物理性质，它们倾向于在紧连界面处保持未受损伤，在紧连界面处，耐熔氧化层可能妨碍熔融铝合金焊池润湿钢工件的能力并且还在扩大的焊池内提供近界面缺陷源。表面氧化层的绝缘性质还招致铝合金工件的接触电阻—也就是在其紧连表面和其电极接触点处，从而使得难以有效控制并集中铝合金工件内的热量。在过去已经进行尝试在点焊之前从铝合金工件移除氧化层。但是此类移除实践可能是不切实际的，因为氧化层能够在存在氧的情况下再生，尤其是在因点焊操作而施加热量的情况下。

钢工件和铝合金工件还拥有趋于使点焊工艺复杂化的不同性质。确切地，钢具有相对高的熔点（~1500°C）和相对高的电阻率和热阻率，而铝合金材料具有相对低的熔点（~600°C）和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是在钢工件中产生。这种热量不平衡在钢工件（较高温度）与铝合金工件（较低温度）之间建立温度梯度，从而引发铝合金工件的快速熔化。电流流动期间形成的温度梯度和铝合金工件的高导热率的组合意味着：紧接在电流中断之后，出现热量未从焊接位点对称地散布的情况。实际上，热量通过铝合金工件从较热的钢工件朝向铝合金工件另一侧上的焊接电极传导，这在钢工件与那个特定焊接电极之间形成陡峭热梯度。

钢工件与铝合金工件另一侧上的焊接电极之间的陡峭热梯度的产生被认为会以两种主要方式减弱所得焊缝的完整性。第一，因为钢工件与铝合金工件相比在中断电流之后保持热量持续更长的持续时间，熔融铝合金焊池有方向地固化，即从最接近与铝合金工件相关联的较冷焊接电极（通常是水冷）的区域开始并朝向紧连界面传播。这种固化前沿趋于朝向并沿着紧连界面在焊接熔核内赶走或推动缺陷—诸如气孔、收缩孔隙、微裂纹和表面氧化物残渣。第二，钢工件中的持续的升高温度促进脆弱Fe-Al金属间化合物在紧连界面处或沿着紧连界面生长。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。如果存在的话，这些金属间层通常被认为是焊缝的除了焊接熔核之外的部分。焊接熔核缺陷的散布连同Fe-Al金属间化合物沿着紧连界面的过度生长一起趋于降低最终焊缝的剥离强度。

鉴于前述挑战，先前对点焊钢工件和铝基工件的尝试已经采用指定较高电流、较长焊接时间或两者（与点焊钢到钢相比）的焊接排程，以便试图获得合理的焊接结合区域。此类尝试在制造环境中远远尚未成功并且趋向于损坏焊接电极。考虑到先前点焊尝试尚未特别成功，而替代地已经主要使用机械紧固件，如自冲铆钉和自攻螺丝。然而，此类机械紧固件与点焊相比花费长得多的时间来落实到位并且具有高的耗材成本。它们还增加车体结构的重量—在通过点焊完成连结时所避免的重量—这在一定程度上抵消了起初通过使用铝合金工件所获得的重量减轻。点焊将使得工艺更能够连结钢和铝合金工件的进展因此将是本领域所欢迎的补充。

发明内容

披露一种电阻点焊至少包括钢工件和重叠的相邻铝合金工件的工件层叠的方法。工件层叠还可以包括另外的工件，如另一个钢工件或另一个铝合金工件，只要铝合金工件提供工件层叠的一侧并且钢工件提供层叠的另一侧。因此，工件层叠可包括仅一个钢工件和一个重叠的铝合金工件，或它可包括邻近一个铝合金工件设置的两个相邻钢工件或邻近一个钢工件设置的两个相邻铝合金工件。另外，当工件层叠包括三个工件时，具有类似组成的两个工件可由单独且不同的部分提供，或可替代地，它们可由相同部分提供。

所披露的方法包括在焊接位点处邻近工件层叠一侧上的铝合金工件定位包括侵入结构特征的盖板。盖板可被构建成与其紧邻定位的铝合金工件相比具有更高热阻率和电阻率，但不一定必须如此。随后使焊接电极在盖板的侵入结构特征上与盖板形成接触并且抵压在盖板上，同时使另一个焊接电极与工件层叠的相反侧形成接触并且抵压在相反侧上。具有足够幅值和持续时间的电流（恒定电流或脉冲电流）在焊接电极之间穿过工件和盖板。电流的穿过在与钢工件邻近定位的铝合金工件内引发熔融铝合金焊池并使其扩大。熔融铝合金焊池润湿钢工件的相邻紧连表面，并且从相邻工件的紧连界面延伸至铝合金工件中并有可能穿过铝合金工件。最后，在中断电流之后，熔融铝合金焊池冷却并固化成将相邻的钢和铝合金工件结合在一起的焊缝。

点焊方法通过盖板中所限定的侵入结构特征而得到辅助。具体地，在点焊期间，侵入结构特征使得在焊接电极之间交换的电流在电流流动开始时并且在一些情况下对于电流流动的整个持续时间来说，在邻近钢工件定位的铝合金工件内呈现锥形流型。锥形流型导致铝合金工件内的电流密度降低—与相邻钢工件相比—这在熔融铝合金焊池周围形成三维温度梯度，从而帮助焊池以更期望的方式固化成焊缝。当盖板由与邻近钢工件定位的铝合金工件相比具有更大热阻率和电阻率的材料构建时，这种更期望的固化行为得到进一步促进，因为在这种情况下，盖板产生另外的热量并且还在中断电流流动之后与铝合金工件相比保持热量持续更长的持续时间。此外，如果盖板被放置成与邻近钢工件定位的铝合金工件直接接触并且侵入结构特征开向相邻铝合金工件，那么侵入结构特征提供开放空间或容积，其允许熔融铝合金焊池在电流流动期间移动，这帮助打碎并重新分配由紧连界面附近的氧化物残渣所引起的缺陷，从而改进焊缝的机械性质。

众多焊接电极设计可与盖板结合使用。这促进工艺灵活性。确切地，无需使用满足严苛尺寸和形状要求以便成功点焊包括相邻的钢和铝合金工件的工件层叠的焊接电极。因此，可鉴于其它目的、如点焊钢到钢或铝合金到铝合金来构建焊接电极中的每个。这样，通常用于将铝合金工件点焊至铝合金工件的相同焊接电极也可用于在盖板的辅助下将钢工件点焊至铝合金工件，这意味着：相同焊枪设置可用于点焊两组工件层叠而无需取代焊接电极中的任一个或两个。这同样适用于通常用于点焊钢到钢的焊接电极。事实上，一些焊接电极甚至可用于点焊全部三组层叠，即，钢到钢、铝合金到铝合金以及钢到铝合金（在盖板的辅助下）。

本发明包括以下方案：

1.一种点焊包括钢工件和相邻铝合金工件的工件层叠的方法，所述方法包括：

提供包括钢工件和铝合金工件的工件层叠，所述铝合金工件与所述钢工件重叠并且邻近定位以在焊接位点处建立紧连界面，所述工件层叠具有第一侧和第二侧，所述工件层叠的所述第一侧接近所述钢工件并且所述工件层叠的所述第二侧接近所述铝合金工件；

邻近所述工件层叠的所述第二侧定位盖板，所述盖板具有面对所述工件层叠的所述第二侧的内部表面以及以与所述内部表面相反方向朝向的外部表面，所述盖板进一步包括与所述焊接位点对准的侵入结构特征；

将第一焊接电极的第一焊接面按压抵靠在所述工件层叠的所述第一侧上并且在所述侵入结构特征上方将第二焊接电极的第二焊接面按压抵靠在所述盖板的所述外部表面上，所述第一焊接电极和所述第二焊接电极的所述第一焊接面和所述第二焊接面在所述焊接位点处面对地对准；以及

在所述焊接位点处使电流在所述第一焊接电极与所述第二焊接电极之间流过并穿过所述工件层叠，以在所述铝合金工件内形成熔融铝合金焊池，所述熔融铝合金焊池润湿所述钢工件的相邻紧连表面，并且其中在中断电流穿过所述工件层叠之后，所述熔融铝合金焊池固化成在相邻的钢工件和铝合金工件的紧连界面处将它们结合在一起的焊缝。

2.如方案1所述的方法，其中所述钢工件具有提供并界定所述工件层叠的所述第一侧的外部表面，并且所述铝合金工件具有提供并界定所述工件层叠的所述第二侧的外部表面。

3.如方案1所述的方法，其中所述工件层叠进一步包括另外的钢工件，所述另外的钢工件与邻近所述铝合金工件定位的所述钢工件重叠并贴近所述钢工件定位，并且其中所述另外的钢工件具有提供并界定所述工件层叠的所述第一侧的外部表面，并且所述铝合金工件具有提供并界定所述工件层叠的所述第二侧的外部表面。

4.如方案1所述的方法，其中所述工件层叠进一步包括另外的铝合金工件，所述另外的铝合金工件与邻近所述钢工件定位的所述铝合金工件重叠并贴近所述铝合金工件定位，并且其中所述钢工件具有提供并界定所述工件层叠的所述第一侧的外部表面，并且所述另外的铝合金工件具有提供并界定所述工件层叠的所述第二侧的外部表面。

5.如方案1所述的方法，其中所述盖板由所具有的热阻率和电阻率分别大于邻近所述钢工件定位的所述铝合金工件的热阻率和电阻率的材料构建。

6.如方案1所述的方法，其中所述盖板的材料所具有的导热率是商业纯软铜的导热率的至少两倍大，并且进一步地其中所述盖板的材料所具有的导电率是100%IACS的至少两倍大。

7.如方案6所述的方法，其中所述盖板由钼、不锈钢或钨铜合金构建。

8.如方案1所述的方法，其中所述盖板由所具有的热阻率和电阻率分别小于邻近所述钢工件定位的所述铝合金工件的热阻率和电阻率的材料构建。

9.如方案8所述的方法，其中所述盖板由铜合金构建。

10.如方案1所述的方法，其中所述侵入结构特征是从所述盖板的所述内部表面到所述盖板的所述外部表面完全延伸穿过所述盖板的通孔。

11.如方案1所述的方法，其中所述侵入结构特征是部分横穿所述盖板的厚度的凹陷部，所述凹陷部从所述盖板的所述外部表面延伸但未到达所述盖板的所述内部表面。

12.如方案1所述的方法，其中所述侵入结构特征是部分横穿所述盖板的厚度的凹陷部，所述凹陷部从所述盖板的所述内部表面延伸但未到达所述盖板的所述外部表面。

13.如方案1所述的方法，其中所述焊缝包括铝合金焊接熔核以及位于所述铝合金焊接熔核与相邻钢工件之间的一个或多个金属间化合物反应层。

14.如方案1所述的方法，其中使电流在所述第一焊接电极与所述第二焊接电极之间流过的步骤进一步包括：

在邻近所述铝合金工件定位的所述钢工件内形成熔融钢焊池，所述熔融钢焊池在所述焊接位点处使得所述钢工件的厚度朝向相邻铝合金工件增加高达50%，并且其中在中断电流穿过所述工件层叠之后，所述熔融钢焊池固化成钢焊接熔核。

15.一种点焊包括钢工件和相邻铝合金工件的工件层叠的方法，所述方法包括：

提供包括钢工件和铝合金工件的工件层叠，所述铝合金工件与所述钢工件重叠并且邻近定位以在焊接位点处在所述钢工件与相邻铝合金工件之间建立紧连界面，所述工件层叠具有第一侧和第二侧，所述工件层叠的所述第一侧接近所述钢工件并且所述工件层叠的所述第二侧接近所述铝合金工件；

邻近所述工件层叠的所述第二侧定位盖板，所述盖板具有面对所述工件层叠的所述第二侧的内部表面以及以与所述内部表面相反方向朝向的外部表面，所述盖板进一步包括与所述焊接位点对准的侵入结构特征；

将第一焊接电极的第一焊接面按压抵靠在所述工件层叠的所述第一侧上并且在所述侵入结构特征上方将第二焊接电极的第二焊接面按压抵靠在所述盖板的所述外部表面上，所述第一焊接电极和所述第二焊接电极的所述第一焊接面和所述第二焊接面在所述焊接位点处面对地对准；

通过在焊接位点处使电流在所述第一焊接电极与所述第二焊接电极之间流过并穿过所述工件层叠在所述铝合金工件内形成熔融铝合金焊池，所述电流在所述铝合金工件内呈现从所述钢工件和所述铝合金工件的所述紧连界面朝向所述第二焊接电极径向扩大锥形流型，从而使得电流的电流密度在所述铝合金工件内从所述紧连界面朝向所述第二焊接电极有方向地减小；

中断电流在所述第一焊接电极与所述第二焊接电极之间流过，以允许所述熔融铝合金焊池固化成在相邻的钢工件和铝合金工件的紧连界面处将它们结合在一起的焊缝。

16.如方案15所述的方法，其中所述钢工件具有提供并界定所述工件层叠的所述第一侧的外部表面，并且所述铝合金工件具有提供并界定所述工件层叠的所述第二侧的外部表面。

17.如方案15所述的方法，其中所述盖板由钼、不锈钢或钨铜合金构建。

18.如方案15所述的方法，其中所述盖板由铜合金构建。

19.如方案15所述的方法，进一步包括：

利用在所述第一焊接电极与所述第二焊接电极之间流过的电流在邻近所述铝合金工件定位的所述钢工件内形成熔融钢焊池，所述熔融钢焊池与所述熔融铝合金焊池同时形成。

20.如方案19所述的方法，其中所述熔融钢焊池在所述焊接位点处使得所述钢工件的厚度朝向相邻铝合金工件增加高达50%，并且其中在中断电流穿过所述工件层叠之后，所述熔融钢焊池固化成钢焊接熔核。

附图说明

图1是工件层叠的侧面正视图，根据一个实施例，工件层叠包括以重叠方式组装以便电阻点焊的钢工件和铝合金工件，并且其中盖板邻近铝合金工件定位，使得层叠和盖板定位在一对相对焊接电极之间；

图2是图1所描绘的层叠、盖板以及相对焊接电极的局部放大截面图；

图3是图2所描绘的层叠、盖板以及相对焊接电极的局部分解截面侧视图；

图4是根据一个实施例包括在盖板中的侵入结构特征的截面图；

图5是根据另一个实施例包括在盖板中的侵入结构特征的截面图；

图6是根据又一个实施例包括在盖板中的侵入结构特征的截面图；

图7是工件层叠的局部截面图，根据一个实施例，工件层叠包括钢工件和铝合金工件，以及在电流在相对焊接电极之间穿过之前邻近铝合金工件定位的盖板，其中第一焊接电极接触钢工件的外部表面并且第二焊接电极接触盖板；

图8是如图7所描绘的层叠和盖板在点焊期间的局部截面图，在点焊中，已经在铝合金工件内以及钢和铝合金工件的紧连界面处引发熔融铝合金焊池；

图9是图8的层叠在中止电流、收回焊接电极并移除盖板之后的局部截面图，其中已经在钢和铝合金工件的紧连界面处形成焊缝；

图10是示出熔融铝合金焊池中的固化前沿的方向的理想图示，在未使用根据本公开的盖板时，熔融铝合金焊池从最接近抵靠铝合金工件定位的较冷焊接电极的点朝向紧连界面固化；

图11是示出在熔融铝合金焊池由于包括侵入结构特征的盖板而从其外周边朝向其中心固化时的熔融铝合金焊池中的固化前沿的方向的理想图示；

图12是层叠和盖板在点焊期间的局部截面图，在点焊中，已经在铝合金工件内和紧连界面处引发熔融铝合金焊池，并且另外在钢工件内引发熔融钢焊池；

图13是图12的层叠在中止电流、收回焊接电极并移除盖板之后的局部截面图，其中已经在紧连界面处形成焊缝并且在钢工件内形成钢焊接熔核；

图14是工件层叠的侧面正视图，根据另一个实施例，工件层叠包括以重叠方式组装以便电阻点焊的钢工件、相邻铝合金工件以及另外的钢工件，并且其中盖板邻近铝合金工件定位，使得层叠和盖板定位在一对相对焊接电极之间；以及

图15是工件层叠的侧面正视图，根据又一个实施例，工件层叠包括以重叠方式组装以便电阻点焊的钢工件、相邻铝合金工件以及另外的铝合金工件，并且其中盖板邻近另外的铝合金工件定位，使得层叠和盖板定位在一对相对焊接电极之间。

具体实施方式

在图1-15中示出并在下文描述一种点焊包括钢工件和相邻铝合金工件的工件层叠的方法的优选和示例性实施例。所描述的实施例使用包括侵入结构特征12的盖板10。盖板10邻近工件层叠一侧上的铝合金工件定位在焊接电极与工件层叠之间，以便影响穿过若干重叠工件的电流的流型和密度。另外，在一些情况下，盖板10在工件层叠一侧上并且在邻近钢工件定位的铝合金工件与面对层叠的特定一侧的焊接电极之间提供介质。以此方式，盖板10可在电流流动期间产生热量并且与焊接位点处的邻近钢工件定位的铝合金工件相比保持热量持续更长的持续时间。更进一步，如果盖板被放置成与邻近钢工件定位的铝合金工件直接接触并且侵入结构特征朝向相邻铝合金工件开放，那么侵入结构特征允许熔融铝合金焊池在电流流动期间移动，这帮助打碎并重新分配由紧连界面附近的氧化物残渣所引起的缺陷。盖板10的这些功能效应通过修改在铝合金工件内形成的熔融铝合金焊池的固化行为来帮助在相邻的钢和铝合金工件之间形成牢固的焊缝。

图1-3大体描绘以重叠方式堆叠以便在预先确定焊接位点16处由焊枪18电阻点焊的盖板10和工件层叠14。工件层叠14包括钢工件20和铝合金工件22。钢工件20优选地是镀锌（锌涂布的）低碳钢。当然，可使用包含低碳裸钢或镀锌先进高强度钢（AHSS）的其它类型的钢工件。可用于钢工件20的一些具体类型的钢是无间隙原子（IF）钢、双相（DP）钢、相变诱导塑性（TRIP）钢以及压硬化钢（PHS）。关于铝合金工件22，它可以是铝镁合金、铝硅合金、铝镁硅合金或铝锌合金，并且它可涂布有其天然耐熔氧化物涂层，或可替代地，它可涂布有锌、锡或转化涂层以改进粘结性能。可用于铝合金工件22的一些具体铝合金是AA5754铝镁合金、AA6111和AA6022铝镁硅合金以及AA7003铝锌合金。术语“工件”及其钢和铝变体在本公开中广泛地使用以指代锻造钢金属层、铸件、挤出件或任何其它可电阻焊接的基板，包括任何表面层或涂层，如果存在的话。

当如图2-3最佳所示地堆叠起来以便点焊时，钢工件20包括紧连表面24和外部表面26。类似地，铝合金工件22包括紧连表面28和外部表面30。两个工件20、22的紧连表面24、28彼此重叠以在焊接位点16处提供紧连界面32。如本文所使用，紧连界面32涵盖工件20、22的紧连表面24、28之间直接接触的情况以及间接接触的情况，如当紧连表面24、28并不触及但彼此足够靠近时—例如，当粘合剂、密封剂或一些其它中间材料的薄层存在时—仍可实践这种电阻点焊。在一些情况下，在工件20、22的紧连表面24、28之间施加密封剂或粘合剂的薄涂层以帮助沿工件20、22的紧连界面32将它们保持在一起。

另一方面，钢和铝合金工件20、22的外部表面26、30一般在相反方向上背对彼此以使它们可由一对相对点焊电极接触。这里，在此实施例中，钢工件20的外部表面26提供并界定工件层叠14的第一侧34，并且铝合金工件的外部表面30提供并界定层叠12的相反的第二侧36。钢和铝合金工件20、22中的每个优选地至少在焊接位点16处具有厚度200、220—从每个工件20、22的紧连表面24、28到外部表面26、30测得—其范围是0.3mm至6.0mm、并且更优选地是0.5mm至4.0mm。

如图所示，盖板10邻近工件层叠14的第二侧36贴近铝合金工件22定位，使得侵入结构特征12出现在焊接位点16处。盖板10包括内部表面38和相反朝向的外部表面40，内部表面在定位时面向铝合金工件22的外部表面30并优选地与其进行面间接触。盖板10在其表面38、40之间在焊接位点16处具有厚度100，其范围可以是0.2mm至10mm。就盖板10的组成而言，盖板10可由与铝合金工件22相比具有更高热阻率和电阻率的材料或与铝合金工件22相比具有更低热阻率和电阻率的材料组成。盖板10的材料还优选地是在点焊期间不与或几乎不与铝合金工件22反应的，以便避免以金属反应产物污染工件22。

例如，盖板10可由所具有的热阻率和电阻率不仅高于铝合金工件22而且分别是如由国际软铜标准（即，100%IACS）定义的商业纯软铜的热阻率和商业纯软铜的电阻率的至少两倍大的材料制成。如由IACS定义的商业纯软铜的电阻率是1.72×10^-8Ω/m。而且商业纯软铜的热阻率在本文中定义为2.6×10^-3(m²K)/W。这种的一些具体材料包括钼、不锈钢或钨铜合金，如具有55wt.%至85wt.%钨和45wt.%至15wt.%铜的合金。可替代地，作为另一个实例，盖板10可由与铝合金工件22相比具有更低热阻率和电阻率的铜合金制成。合适的铜合金的一个具体实例是含有0.10wt.%至0.20wt.%锆和余量的铜的锆铜合金（ZrCu），但当然可使用其它铜合金组成。

用于点焊工件层叠14并且在钢和铝合金工件20、22的紧连界面32处将它们连结在一起的焊枪18可以是任何已知类型。例如，如本文在图1-2中所示，为较大自动焊接操作的一部分的焊枪18包括机械并电气构造成根据限定的焊接排程反复形成点焊的第一枪臂42和第二枪臂44。第一枪臂42具有保持第一焊接电极48的第一电极钳46，并且第二枪臂44具有保持第二焊接电极52的第二电极钳50。第一焊接电极48和第二焊接电极52各自优选地由导电材料如铜合金形成。一个具体实例是含有0.10wt.%至0.20wt.%锆和余量的铜的锆铜合金（ZrCu）。满足这种成分组成并且命名C15000的铜合金是优选的。当然，也可采用拥有合适的机械和导电性质的其它铜合金组成。图1-2大体所描绘的焊枪18意图表示各种各样的焊枪，包括c型和x型焊枪以及未具体提及的其它焊枪类型，只要它们能够点焊工件层叠14。

第一焊接电极48包括第一焊接面54，并且第二焊接电极52包括第二焊接面56。第一焊接电极48和第二焊接电极52的焊接面54、56是电极48、52在点焊期间分别被按压抵靠工件层叠14的第一侧34（在此实施例中也是钢工件20的外部表面26）上以及覆盖工件层叠14的第二侧36的盖板10的外部表面40上的部分。焊接面54、56中的每个可以是平坦的或半球形的，并且可进一步包括表面结构特征（例如，表面粗糙度、环状结构特征、平台等），如例如美国专利号6,861,609、8,222,560、8,274,010、8,436,269、8,525,066和8,927,894中所描述。用于利用水冷却电极48、52的机构通常并入枪臂42、44和电极钳46、50中以便管理焊接电极48、52的温度。

焊枪臂42、44在点焊期间可操作以分别将第一焊接电极48和第二焊接电极52的焊接面54、56按压抵靠在钢工件20的外部表面26和盖板10的外部表面40上。第一焊接面54和第二焊接面56通常在焊接位点16处面向彼此轴向对准地按压抵靠它们相应的外部表面26、40。然后从与焊枪18电连通的可控电源（未示出）传送电流。所施加电流在焊接电极48、52之间流过。电流的幅值和持续时间由特定于实行将钢和铝合金工件20、22连结在一起所规划的焊接排程设定。

现在参照图4，盖板10内限定的侵入结构特征12可部分或完全地在盖板10的内部表面38和外部表面40之间延伸，以便在板10内提供空隙。当在电流流动开始时被按压抵靠盖板10的外部表面40时，第二焊接电极52的焊接面56在侵入结构特征12上方与外部表面40进行接触。换句话说，如果在电流流动开始时外部表面40的由焊接面56接触的表面区域周边边界外推至铝合金工件22的外部表面30，如在本文中由参考数字58所示，那么侵入结构特征12将完全包括在那个界定的区域内。无论铝合金工件22是层叠14中上部工件还是下部工件，盖板10的外部表面40的被接触区域与侵入结构特征12之间的这种关系都适用。因此，术语“在上方”不应理解为总是需要铝合金工件22是在钢工件20的顶部，使得严格来说第二焊接电极48是在侵入结构特征12之上。

侵入结构特征12使得在焊接电极48、52之间交换的电流以至少在电流流动开始时在铝合金工件22内呈现锥形流型，如由箭头60所表示。由侵入结构特征12诱导的锥形电流流型60从紧连界面32朝向第二焊接电极52径向扩大。通过诱导锥形流型60并由此从紧连界面32朝向第二焊接电极52有方向地降低铝合金工件22中的电流密度，与铝合金工件22相比，热量在钢工件20中集中在较小区内。盖板10的这种功能形成三维温度梯度—具体地为在工件20、22的平面中活动的径向温度梯度—这改变在紧连界面32处引发并扩大的熔融铝合金焊池的固化行为，使得将最终形成的焊缝中的缺陷引导至更无害的位置。而且当盖板10由与铝合金工件22相比具有更高热阻率和电阻率的材料、如钼构建时，盖板还在铝合金工件22与第二焊接电极52之间提供介质，介质在电流流动期间产生热量并且另外与铝合金工件22相比在中断电流穿过电极48、52之间之后保持热量持续更长的持续时间。这种另外的加热进一步促进由锥形电流流型60诱导的固化行为。

侵入结构特征12可以众多方式构建。在一个具体实施例中，如图4所示，侵入结构特征12可以是在盖板10的内部表面38与外部表面40之间延伸以完全横穿盖板10的厚度100的通孔62。然而，侵入结构特征12不一定必须以此方式一直延伸穿过盖板10。例如，在另一个实施例中，如图5所示，侵入结构特征12可以是凹陷部64，凹陷部部分地横穿盖板10的厚度100、从板10的外部表面40延伸但未到达内部表面38。类似地，在另一个实施例中，如图6所示，侵入结构特征12可以是凹陷部66，凹陷部部分地横穿盖板10的厚度100、这次是从板10的内部表面38延伸但未到达外部表面40。

图4和图6所示的侵入结构特征62、66是以下结构特征的实例，这些结构特征在盖板10的内部表面38放置成与铝合金工件22的外部表面30直接接触时开向铝合金工件22的外部表面30。在此类情况下，分别地图4和图6中的侵入结构特征62、66以及其它类似开放的侵入结构特征提供开放空间或容积，其允许熔融铝合金焊池移动，尤其是在焊池穿透整个铝合金工件22到达其外部表面30时。熔融铝合金焊池的这种类型的移动或移走可通过打碎并重新分配时常出现在紧连界面32附近的氧化物残渣缺陷来改进焊缝的机械性质。

图1-2和7-9示出点焊工艺的一个实施例，其中在盖板10的辅助下在焊接位点16处点焊工件层叠14以在钢和铝合金工件20、22的紧连界面32处将它们连结在一起。这里，盖板10与铝合金工件22相比具有更高的热阻率和电阻率，并且优选地由钼、不锈钢或钨铜合金构建。一开始，将工件层叠14定位在第一焊接电极48与第二焊接电极52之间，使得电极48、52的焊接面54、56在焊接位点16处彼此对准并面向彼此。将工件层叠14带到以下这样的位置，如枪臂42、44是固定台座式焊机的一部分时常见的那样；或可相对于焊接位点16机械地移动枪臂42、44以定位焊接电极48、52。虽然第一焊接电极48和第二焊接电极52仍是分开的，但是盖板10邻近铝合金工件22定位，使得侵入结构特征12出现在焊接位点16处并且与即将发生的第二焊接电极52的轨迹对准。优选地，如图所示，盖板10的内部表面38抵靠在铝合金工件22的外部表面30上定位、与其直接接触。

一旦适当地定位了工件层叠14和盖板10，第一枪臂42和第二枪臂44相对于彼此聚拢以使各自在焊接位点16处第一焊接电极48与钢工件20形成接触并且第二焊接电极52与盖板10形成接触，如图7所示。具体地，第一焊接电极48的焊接面54按压抵靠在工件层叠14的第一侧34处的钢工件20的外部表面26上，并且第二焊接电极52的焊接面56在侵入结构特征12上方按压抵靠在盖板10的外部表面40上。第二焊接电极52的焊接面56与盖板10的外部表面40环绕侵入结构特征12的环形部分进行接触，以便促进电流以所需锥形流型60流向焊接电极52。由枪臂42、44评定的夹紧力有助于在焊接电极48、52与它们所接合的外部表面26、40之间建立良好的机械和电接触。

随后在焊接位点16处，电流—通常是约5kA与约50kA之间的DC电流—在焊接面54、56之间流过并穿过盖板10和工件层叠14，如由焊接排程所规定。电流通常在约40毫秒至约1000毫秒的时间段内作为恒定电流或一系列电流脉冲穿过。至少在电流流动开始时，盖板10中的侵入结构特征12使得电流在铝合金工件22内呈现锥形流型60。锥形流型60因为侵入结构特征12在铝合金工件22与第二焊接电极52之间用作盖板10内的电绝缘空隙而产生。这种电绝缘空隙的存在促使电流从紧连界面32朝向第二焊接电极52的焊接面56径向扩大，如先前所描述。另一方面，第一焊接电极48使电流穿过钢工件20内的更集中的截面区域。

使电流在焊接电极48、52之间穿过使得盖板10和钢工件20因为它们相对较高的热阻率和电阻率而最初比铝合金工件22更快地热起来。由于电流在紧连界面32上流动的阻力所产生的热量最后使铝合金工件22在焊接位点16熔化并引发熔融铝合金焊池68，如图8所描绘。继续使电流穿过工件20、22最终使熔融铝合金焊池68扩大至所需尺寸，在许多情况下，如这里所示，这产生焊池68，该焊池完全穿透铝合金工件22的整个厚度220，使得其接触盖板10的相邻内部表面38。如果结构特征12是在铝合金工件22的外部表面30处可触及的，例如像图4和图6所描绘的那些侵入结构特征12，那么侵入结构特征12在此时可变得部分或完全由熔融铝合金填充。这种动作允许熔融铝合金焊池68移动，并且由此帮助打碎并重新分配定位在紧连界面32附近的氧化物残渣缺陷。在熔融铝合金焊池68的引发和扩大阶段期间，熔融铝合金焊池68润湿钢工件20的紧连表面24的相邻区域。

在铝合金工件22内诱导锥形电流流型60导致与铝合金工件22相比，热量在钢工件20中集中在较小区内。因为热量较少地集中在铝合金工件22中，对铝合金工件22位于焊接位点16之外的环绕部分造成较小损害。最后，当中断电流流动时，熔融铝合金焊池68固化以形成在紧连界面32处将钢工件20和铝合金工件22结合在一起的焊缝70，如图9大体所示。焊缝70包括铝合金焊接熔核72以及通常地一个或多个Fe-Al金属间化合物反应层74。铝合金焊接熔核72穿透至铝合金工件22中达超过铝合金工件22的厚度220的20%的一定距离，时常是完全穿透工件22的整个厚度220（即100%）。

如果存在的话，一个或多个Fe-Al金属间化合物反应层74定位于铝合金焊接熔核72的块体与钢工件20之间。这些层主要是由于熔融铝合金焊池68与钢工件20在电流流动期间并且在电流流动之后持续一小段时间、当钢工件20仍热时在点焊温度下进行的反应而产生。一个或多个Fe-Al金属间化合物层可包含金属互化物如FeAl₃和Fe₂Al₅以及其它化合物，并且当在与工件20、22的厚度200、220相同的方向上在至少焊缝70位于侵入结构特征12所在位置下方的部分中测量时，它们的组合厚度的范围通常是1μm至3μm。在此位置处的1μm至3μm的总金属间反应层厚度小于不使用盖板10情况下将预期的厚度。

使用盖板10被认为以至少两种方式改进焊缝70的强度和完整性。第一，因盖板10而添加的热量降低了从钢工件20输入以便形成熔融铝合金焊池68所需的热量的数量，这进而减少了在紧连界面32处形成的脆弱金属间化合物的量。第二，盖板10诱导锥形电流流型60，并且还促进在铝合金工件22的每侧上形成在中断电流流动之后保持热量的区域。具体地，因为盖板10诱导锥形电流流型60，所以与铝合金工件22相比，热量在焊接位点16处在钢工件20中集中在较小区内。而且由于钢工件20与铝合金工件22相比具有更高热阻率，所以在钢工件20内产生的热量与在铝合金工件22中相比存留更长时间。类似地，在铝合金工件22的另一侧上，盖板10本身因为其与铝合金工件22相比也具有更高热阻率而保持在焊接位点16产生的热量。在盖板10内产生的热量是最近穿过盖板的电流的结果。此外，如果盖板10放置成与铝合金工件22直接接触并且侵入结构特征12开向铝合金工件22，如图4和图6所示，那么侵入结构特征12允许熔融铝合金焊池在电流流动期间移动或移走，这被认为是有益的，如先前所描述。

诱导锥形流型60并在铝合金工件22的每侧上存在保持热量的区域使得熔融铝合金焊池68以更为所需的方式—也就是说，从其外周边朝向其中心—固化。这出现的原因是：来自钢工件20的热量无法再在强的热梯度下向较冷的第二焊接电极52传播。这里，替代地，锥形流型60和保持热量的区域通过在钢工件20的平面内形成三维径向温度梯度改变了通过焊接位点16的温度分布，三维径向温度梯度表现在铝合金工件22的平面中。这些梯度帮助将热量侧向传播穿过工件20、22，使得熔融铝合金焊池68的固化前沿从焊池68的周边向内移动，这与朝向紧连界面32有方向地移动相反。这种固化行为推动或驱动焊接缺陷远离熔核周边并朝向焊缝70的中心，在中心处，缺陷不太易于使缝68变弱并干扰其结构完整性。

图10-11帮助设想被认为在采用盖板10时出现的固化行为。在图10中，在不存在包括侵入结构特征的盖板的情况下，熔融铝合金焊池76从最接近抵靠铝合金工件22的外部表面80定位的较冷焊接电极78的点朝向紧连界面82有方向地固化，这因此朝向并沿着紧连界面82驱动焊接缺陷。相比之下，在图11中，在存在与铝合金工件22相比具有更高导热率和导电率的盖板10的情况下，熔融铝合金焊池76从其外周边84朝向其中心固化，这驱动焊接缺陷更多地聚集在最终形成的焊缝的中心中并限制缺陷在紧连界面82处以及沿着紧连界面82散布，从而产生更牢固的焊缝。

图1-2、7和12-13示出点焊工艺的另一个实施例，其中在盖板10的辅助下在焊接位点16处点焊工件层叠14。这里，盖板10与铝合金工件22相比具有更低的热阻率和电阻率，并且优选地由铜合金如锆铜合金（ZrCu）构建。图12-13所描绘的点焊工艺在许多方面类似于图8-9所示的点焊工艺。因此，将不再重复以上工艺描述的大部分，而仅在下文中更详细地讨论主要差异。

在使得第一焊接电极48与工件层叠14的第一侧34处的钢工件20形成接触并且使得第二焊接电极52在侵入结构特征12上方与盖板10形成接触（如图7所示）之后，在焊接位点16处，电流在电极焊接面54、56之间流过并穿过盖板10和工件层叠14，如由焊接排程所规定。焊接电流的穿过使得钢工件20因为其与铝合金工件22相比具有更高的导热率和导电率而最初比铝合金工件22更快地热起来。盖板10并不以相同方式相对于铝合金工件22热起来，因为盖板具有较低的热阻率和电阻率。最后，如前，因对电流在紧连界面32上流动的阻力所产生的热量在铝合金工件22内引发熔融铝合金焊池68，如图12所示。电流继续穿过最终使熔融铝合金焊池68扩大至所需尺寸，其通常穿透铝合金工件22达范围是工件22的厚度220的约20%至约100%的距离。

在焊接电极48、52之间流过的电流呈现锥形流型60，如以上所描述。在铝合金工件22内诱导锥形电流流型60导致与铝合金工件22相比，热量在钢工件20中集中在较小区内。在此实施例中，如果需要，甚至可以设定焊接排程，以便除了在铝合金工件22内以及在紧连界面32处引发熔融铝合金焊池68并使其扩大、以使得熔融铝合金焊池68润湿钢工件20的紧连表面24之外，在钢工件20的界限内引发熔融钢焊池86并使其扩大。图12示出熔融铝合金焊池68和熔融钢焊池86两者的存在。然而，由电流产生的热量在钢工件20内不必总是那么集中以便引发熔融钢焊池86并使其扩大。

当中断电流流动之后，熔融铝合金焊池68固化以形成在紧连界面32处将钢工件20和铝合金工件22结合在一起的焊缝70，如图13所示。如果形成的话，熔融钢焊池86类似地在此时在钢工件20内固化成钢焊接熔核88，但熔融钢焊池优选地并不延伸至工件20的紧连表面24或外部表面26。焊缝70包括铝合金焊接熔核72以及通常地一个或多个Fe-Al金属间化合物反应层74，如先前所描述。这里，如图13所示，铝合金焊接熔核72穿透至范围优选地是铝合金工件22的厚度220的约20%至约100%的距离。如果存在的话，在至少焊缝70位于侵入结构特征12所在位置下方的部分中，一个或多个Fe-Al金属间化合物反应层74通常厚1μm至3μm，但在一些情况下，可能大于此厚度，因为与盖板10内相比在钢工件20中产生更多热量。

在此实施例中，使用铜板10被认为通过在铝合金工件22中诱导锥形电流流型60来改进焊缝70的强度和完整性。如已经解释的，与铝合金工件22相比，诱导锥形电流流型60在焊接位点16处将热量集中在钢工件20中的较小区内，这通过在钢工件20的平面内形成三维径向温度梯度改变了通过焊接位点16的温度分布，三维径向温度梯度表现在铝合金工件22的平面中。这些梯度帮助将热量侧向传播穿过工件20、22，使得熔融铝合金焊池68的固化前沿从焊池68的周边向内移动，这与朝向紧连界面32有方向地移动相反，如以上所描述。此外，如果盖板10放置成与铝合金工件22直接接触并且侵入结构特征12开向铝合金工件22，如例如图4和图6所示，那么侵入结构特征12允许熔融铝合金焊池在电流流动期间移动或移走，这被认为是有益的，如先前所描述。

另外，在引发了熔融钢焊池86的情况下，钢工件20的紧连表面24趋于变形远离外部表面26。这种变形可能使得钢工件20在焊接位点16处变厚多达50%。以此方式增加钢工件20的厚度200帮助在熔融铝合金焊池68的中心处维持升高的温度—从而允许中心最后冷却并固化—这可进一步增加径向温度梯度并驱动焊接缺陷朝向焊缝70的中心。钢工件20的紧连表面24的隆起还可抑制或破坏一个或多个Fe-Al金属间化合物反应层74的形成，反应层趋于在熔融铝合金焊池68与钢工件20的紧连表面24的界面处形成。更进一步，一旦焊缝70起作用，钢工件20的紧连表面24的隆起就会通过使裂纹沿着非优选路径偏转来干扰裂纹在焊缝70周围传播。

以上所描述并且在图1-13中示出的实施例涉及以下情况，其中工件层叠14包括：一个钢工件20，其包括提供并界定层叠14的第一侧34的外部表面26；以及一个铝合金工件22，其邻近钢工件20定位并且包括提供并界定层叠14的相反第二侧36的外部表面30。然而，在其它情况下，工件层叠可包括另外的钢工件或另外的铝合金工件—除了相邻的钢工件20和铝合金工件22之外—只要铝合金工件提供并界定工件层叠14的一侧并且钢工件提供并界定层叠14的相反另一侧。当盖板10与这种三个工件的层叠一起使用时，盖板以大体相同的方式起作用并且对如先前所描述在相邻的钢和铝合金工件之间形成的焊缝具有相同的一般作用。

如例如图14所示，工件层叠14可包括以上所描述的相邻的钢工件20和铝合金工件22，除了另一个钢工件90。这里，如图所示，另外的钢工件90与相邻的钢工件20和铝合金工件22重叠并且贴近钢工件20定位。当另外的钢工件90如此定位时，如前，铝合金工件22的外部表面30提供并界定工件层叠14的第二侧36，而邻近铝合金工件22定位的钢工件20现在包括一对相反紧连表面24、92。钢工件20的面对并接触铝合金工件22的相邻紧连表面28的紧连表面24在两个工件20、22之间建立紧连界面32。钢工件20的面朝相反方向的紧连表面92面对另外的钢工件92的紧连表面94并与其进行重叠接触。这样，在重叠的工件20、22、92的此具体布置中，另外的钢工件92的外部表面96现在提供并界定工件层叠14的第一侧34。

在另一个实例中，如图15所示，工件层叠14可包括以上所描述的相邻的钢工件20和铝合金工件22，除了另一个铝合金工件98。这里，如图所示，另外的铝合金工件98与相邻的钢工件20和铝合金工件22重叠并且贴近铝合金工件22定位。当另外的铝合金工件98如此定位时，如前，钢工件20的外部表面26提供并界定工件层叠14的第一侧34，而邻近钢工件20定位的铝合金工件22现在包括一对相反紧连表面28、100。铝合金工件22的面对并接触钢工件20的相邻紧连表面24的紧连表面28在两个工件20、22之间建立紧连界面32。铝合金工件22的面朝相反方向的紧连表面100面对另外的铝合金工件98的紧连表面102并与其进行重叠接触。这样，在重叠的工件20、22、98的此具体布置中，另外的铝合金工件98的外部表面104现在提供并界定工件层叠14的第二侧36。

盖板10可用于帮助点焊图14和图15的每个之中所描绘的工件层叠14，并用于以与之前相同的大体方式提高包括在层叠14内的相邻的钢工件20与铝合金工件22之间形成的焊缝的强度。确切地，盖板10邻近工件层叠14的第二侧36定位并优选地直接接触抵靠第二侧，第二侧可以是邻近钢工件20定位的铝合金工件22的外部表面30（图14）或另外的铝合金工件98的外部表面104（图15）。盖板10定位成使得侵入结构特征12存在于焊接位点16处。然而，盖板10所具有的热阻率和电阻率可大于或小于邻近钢工件20定位的铝合金工件22的热阻率和电阻率。

在已经适当定位盖板10之后，第一焊接电极48的焊接面54按压抵靠在工件层叠14的第一侧上，第一侧可以是邻近铝合金工件22定位的钢工件20的外部表面26（图15）或另外的钢工件92的外部表面96（图14），并且第二焊接电极52的焊接面56在侵入结构特征12上方按压抵靠在盖板10的外部表面40上。随后在焊接电极48、52的轴向且面对地对准的焊接面54、56之间交换电流以形成如以上所描述将相邻的钢工件20和铝合金工件22结合在一起的焊缝。如前，盖板10在邻近钢工件20定位的铝合金工件22内诱导锥形电流流型，以便帮助通过电流在铝合金工件中形成的熔融铝合金焊池以更期望的方式固化成焊缝。盖板10还可用于在工件层叠14的第二侧36处产生并保持热量。

优选示例性实施例和具体实例的以上描述本质上仅是说明性的；它们并不意欲限制以下权利要求的范围。随附权利要求中所使用的每个术语应被给予其一般和惯用意义，除非在本说明书中确切且明确地另外陈述。