相關(guān)申請的交叉引用

本申請要求于2016年4月8日提交的美國臨時申請no.62/319,846的權(quán)益。前述臨時申請的全部內(nèi)容以其整體通過引用并入本文。

本公開的技術(shù)領(lǐng)域總體上涉及將鋁工件和鋼工件在焊接區(qū)域內(nèi)結(jié)合在一起的焊接接頭。

背景技術(shù)：

電阻點焊是由多個行業(yè)使用以將兩個或更多個金屬工件結(jié)合在一起的過程。例如，除了其它之外，汽車行業(yè)在制造車輛結(jié)構(gòu)框架構(gòu)件（例如，車身側(cè)面和橫向構(gòu)件）和車輛關(guān)閉構(gòu)件（例如車門、引擎蓋、后備箱蓋和升降門）期間經(jīng)常使用電阻點焊來將金屬工件結(jié)合在一起。通常在圍繞金屬工件的周邊邊緣或者一些其它結(jié)合區(qū)域的各個點處形成多個點焊件，以確保該部分在結(jié)構(gòu)上是完好的。雖然已經(jīng)通常實施點焊來將某些相似組成的金屬工件（諸如，鋼-鋼和鋁-鋁）結(jié)合在一起，但是對將重量較輕的材料合并為車身結(jié)構(gòu)的需要已經(jīng)引起了對通過電阻點焊將鋼工件結(jié)合到鋁工件的興趣。對這種不同金屬工件進行電阻點焊的前述需要并不是汽車行業(yè)所獨有的；的確，其延伸至包括航空、海事、鐵路和房屋建筑行業(yè)的其它行業(yè)。

電阻點焊依賴于對通過重疊的金屬工件并且跨越其貼合界面（fayinginterface，或接合界面）以生成熱量的電流流動的電阻。為了執(zhí)行這種焊接過程，一組對置的焊接電極抵靠工件層疊結(jié)構(gòu)的相對側(cè)而面對齊地按壓，該工件層疊結(jié)構(gòu)通常包括以重疊的配置設(shè)置的兩個或者三個金屬工件。然后電流從一個焊接電極通過金屬工件傳送到另一個焊接電極。該電流流動的電阻在金屬工件內(nèi)以及在其貼合界面處生成熱量。當工件層疊結(jié)構(gòu)包括鋁工件和相鄰的重疊鋼工件時，在貼合界面處以及在這些不同金屬工件的塊體材料內(nèi)生成的熱量發(fā)起和生長在鋁工件內(nèi)的熔融鋁焊池。該熔融鋁焊池濕化鋼工件的相鄰貼合界面，并且在電流終止時，固化成為焊接接頭，使兩個工件焊接結(jié)合在一起。

然而，事實上，由于這兩種金屬的許多特性可能會不利地影響焊接接頭的強度（最顯著的是剝離和橫向拉伸強度），因此將鋁工件點焊至鋼工件是有挑戰(zhàn)的。舉例來說，鋁工件通常包含機械上牢固的、電絕緣的和自修復(fù)的耐高溫氧化物表面層。該氧化物表面層通常由氧化鋁化合物組成，但是還可以包括其它金屬氧化物化合物，當鋁工件由例如含鎂鋁合金組成時包括氧化鎂。由于其屬性，耐高溫氧化物表面層具有在貼合界面處保持完好的趨勢，其中，其不僅阻礙熔融鋁焊池濕化鋼工件的能力，而且提供在生長焊池內(nèi)的近界面缺陷源。此外，氧化物表面層的絕緣屬性增加了鋁工件的電接觸電阻，即，在其貼合界面處和其電極接觸點處，使之難以有效地控制和集中鋁工件內(nèi)的熱量。

此外，在許多情況下，來自于耐高溫表面氧化物層和在鋁和鋼工件之間在貼合界面處存在的中間有機材料層（諸如未固化的可熱固化的粘合劑、密封劑、隔音層等）的殘留物可以相互作用以形成更有粘著力的復(fù)合材料。具體而言，來自于有機材料層（可包括碳灰、填料顆粒（例如二氧化硅、橡膠等）和其它衍生物材料）的殘留物材料被認為最終與殘留氧化物膜結(jié)合從而形成復(fù)合殘留物膜，其與初始耐高溫氧化物表面層相比，在電流流動期間更能抵抗機械分解和擴散。與鋁和鋼工件之間不存在中間有機材料層的情況相比，形成更牢固的復(fù)合殘留物膜導(dǎo)致該膜的碎片在貼合界面處以及沿著貼合界面以大得多的破壞性方式保持分組和收集。例如，復(fù)合殘留物膜可阻止鐵擴散到熔融鋁焊池中，這可能導(dǎo)致硬的且脆性的fe-al金屬間層的過度增厚。此外，復(fù)合殘留物膜可以沿著焊接接頭和鋼工件的貼合界面提供準備好的裂紋路徑。這些事件中的每個都會削弱焊接接頭。

除了由鋁工件的耐高溫氧化物表面層存在的挑戰(zhàn)（不管是否與中間有機材料層結(jié)合）之外，鋁工件和鋼工件具有不同屬性，可能不利地影響焊接接頭的強度和屬性。具體地，鋁具有相對低的熔點（?600℃）和相對低的電阻率和熱阻率，而鋼具有相對高的熔點（?1500℃）和相對高的電阻率和熱阻率。由于材料屬性的這些差異，在電流流動期間在鋼工件內(nèi)產(chǎn)生大部分熱量，使得在鋼工件（較高的溫度）和鋁工件（較低的溫度）之間存在熱量不平衡。在電流流動期間產(chǎn)生的熱量不平衡和鋁工件的高導(dǎo)熱率的組合意味著在電流流動終止之后立即發(fā)生熱量不從焊接區(qū)域?qū)ΨQ地擴散的情況。相反，熱量從較熱的鋼工件通過鋁工件朝向鋁工件另一側(cè)上的焊接電極傳導(dǎo)，這在該方向產(chǎn)生急劇變化的熱梯度。

在鋁工件和鋼工件另一側(cè)上的焊接電極之間的急劇變化的熱梯度的形成被認為以若干方式弱化所產(chǎn)生的焊接接頭。第一，由于在電流流動已終止之后鋼工件保存熱量比鋁工件更長的持續(xù)時間，所以熔融鋁焊池定向固化：從接近與鋁工件有關(guān)的較冷焊接電極（常常水冷卻）的區(qū)域開始且朝向鋼工件的貼合界面?zhèn)鞑?。此類固化前沿趨向于朝向焊接接頭和鋼工件（其中已存在氧化物膜殘留物缺陷或復(fù)合殘留物膜缺陷）的貼合界面以及沿著貼合界面掃除或驅(qū)趕缺陷，諸如氣孔、收縮空隙和微裂紋。第二，鋼工件中所維持的升高溫度促進硬的和脆性的fe-al金屬間層在焊接接頭內(nèi)生長并與鋼工件的貼合表面鄰接。使焊接缺陷擴散與使fe-al金屬間層在貼合界面處過度生長一起趨向于減小焊接接頭的剝離和橫向拉伸強度。

鑒于前述挑戰(zhàn)，先前對點焊鋁工件和鋼工件的努力已采用了明確提出較高電流、較長焊接時間或兩者（與點焊鋼-鋼相比）的焊接方案，以嘗試和獲得合理的焊接結(jié)合區(qū)域。這樣的努力在制造設(shè)置中非常地不成功，并且具有損壞焊接電極的傾向。鑒于先前的點焊努力并不特別成功，主要替代地使用包括自穿孔鉚釘和流動鉆螺絲的機械緊固件。然而，與點焊相比，機械緊固件花費更長的時間來放置就位并具有高消耗性成本。它們還給車輛增加了重量（通過點焊實現(xiàn)結(jié)合時避免的重量），這抵消了首先通過使用鋁工件獲得的一些重量節(jié)省。點焊的進步（將使得鋁和鋼工件結(jié)合更容易）因此將是對現(xiàn)有技術(shù)受歡迎的添加。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

根據(jù)本公開的一個實施例，一種將鋁工件和鋼工件結(jié)合在一起的焊接接頭可包括鋁焊接熔核、金屬間層和鋁化物顆粒環(huán)形環(huán)。所述鋁焊接熔核包含在鋁工件內(nèi)，所述金屬間層位于鋁焊接熔核和鋼工件的貼合表面之間。所述金屬間層提供焊接接頭的焊接結(jié)合表面，所述焊接結(jié)合表面鄰近鋼工件的貼合表面且與鋼工件的貼合表面結(jié)合。所述鋁化物顆粒環(huán)形環(huán)從焊接接頭的焊接結(jié)合表面向上延伸并徑向向內(nèi)延伸到鋁焊接熔核內(nèi)。所述鋁化物顆粒環(huán)形環(huán)可包括鎳鋁化合物顆?；蜩F鋁化合物顆粒中的至少一種。

前述實施例的焊接接頭可具有附加特征。例如，所述鋁化物顆粒環(huán)形環(huán)可包括鎳鋁化合物顆粒和鐵鋁化合物顆粒。作為另一個示例，所述鋁化物顆粒環(huán)形環(huán)可包括具有20at%-50at%的鎳的鎳鋁化合物顆?；蚓哂?0at%-50at%的鐵的鐵鋁化合物顆粒中的至少一種。這種顆?？砂╪ial3顆粒、nimnal顆粒、feal3顆粒、fe2al5顆?；騠emnal顆粒中的至少一種。

焊接接頭的其它特性也可以被進一步限定。例如，焊接接頭的鋁焊接熔核可以在鋁焊接熔核遠離焊接接頭的焊接結(jié)合表面延伸時徑向向內(nèi)漸縮。此外，焊接接頭的焊接結(jié)合表面可以具有在從4πt至20πt范圍內(nèi)的表面面積，其中，“t”是在形成焊接接頭之前包含焊接接頭的焊接區(qū)域內(nèi)鋁工件的厚度。在又一個示例中，金屬間層可包括鐵-鋁金屬間化合物且可具有從1μm至5μm范圍內(nèi)的跨過焊接接頭的焊接結(jié)合表面的厚度。

根據(jù)本公開的另一個實施例，一種焊接接頭，將鋁工件和鋼工件結(jié)合在一起且具有靠近鋼工件的貼合表面并與鋼工件的貼合表面結(jié)合的焊接結(jié)合表面，所述焊接接頭可包括鋁焊接熔核、金屬間層和鋁化物顆粒環(huán)形環(huán)。所述鋁焊接熔核包含在鋁工件內(nèi)且在鋁焊接熔核遠離鋁工件的焊接結(jié)合表面延伸時徑向向內(nèi)漸縮。所述金屬間層位于鋁焊接熔核和鋼工件的貼合表面之間，因而提供焊接接頭的焊接結(jié)合表面。所述金屬間層可包括鐵-鋁金屬間化合物。所述鋁化物顆粒環(huán)形環(huán)從焊接接頭的焊接結(jié)合表面向上延伸并從在鋁和鋼工件的貼合界面處環(huán)繞焊接接頭的凹口根部（notchroot）徑向向內(nèi)延伸到鋁焊接熔核內(nèi)。所述鋁化物顆粒環(huán)形環(huán)包括鎳鋁化合物顆?；蜩F鋁化合物顆粒中的至少一種。

前述實施例的焊接接頭可具有附加特征。例如，所述鋁化物顆粒環(huán)形環(huán)可包括具有20at%-50at%的鎳的鎳鋁化合物顆?；蚓哂?0at%-50at%的鐵的鐵鋁化合物顆粒中的至少一種。作為另一個示例，環(huán)形環(huán)可包括nial3顆粒、nimnal顆粒、feal3顆粒、fe2al5顆?；騠emnal顆粒中的至少一種。另外，鋁工件可包括由包括至少85wt%鋁的鋁合金組成的鋁基板。在又一個示例中，包括鐵-鋁金屬間化合物的金屬間層可具有從1μm至5μm范圍內(nèi)的跨過焊接接頭的焊接結(jié)合表面的厚度。

方案1.一種將鋁工件和鋼工件焊接結(jié)合在一起的焊接接頭，所述焊接接頭包括：

鋁焊接熔核，所述鋁焊接熔核包含在鋁工件內(nèi)；

金屬間層，所述金屬間層位于鋁焊接熔核和鋼工件的貼合表面之間，所述金屬間層提供焊接接頭的焊接結(jié)合表面，所述焊接結(jié)合表面鄰近鋼工件的貼合表面且與鋼工件的貼合表面結(jié)合；和

鋁化物顆粒環(huán)形環(huán)，所述鋁化物顆粒環(huán)形環(huán)從焊接接頭的焊接結(jié)合表面向上延伸并徑向向內(nèi)延伸到鋁焊接熔核內(nèi)，其中，所述鋁化物顆粒環(huán)形環(huán)包括鎳鋁化合物顆?；蜩F鋁化合物顆粒中的至少一種。

方案2.根據(jù)方案1所述的焊接接頭，其中，所述鋁化物顆粒環(huán)形環(huán)包括鎳鋁化合物顆粒和鐵鋁化合物顆粒。

方案3.根據(jù)方案1所述的焊接接頭，其中，所述鋁化物顆粒環(huán)形環(huán)包括具有20at%-50at%的鎳的鎳鋁化合物顆?；蚓哂?0at%-50at%的鐵的鐵鋁化合物顆粒中的至少一種。

方案4.根據(jù)方案3所述的焊接接頭，其中，所述鋁化物顆粒環(huán)形環(huán)包括nial3顆粒、nimnal顆粒、feal3顆粒、fe2al5顆?；騠emnal顆粒中的至少一種。

方案5.根據(jù)方案1所述的焊接接頭，其中，焊接接頭的鋁焊接熔核在鋁焊接熔核遠離焊接接頭的焊接結(jié)合表面延伸時徑向向內(nèi)漸縮。

方案6.根據(jù)方案1所述的焊接接頭，其中，焊接結(jié)合表面具有在從4πt至20πt范圍內(nèi)的表面面積，其中，“t”是在形成焊接接頭之前包含焊接接頭的焊接區(qū)域內(nèi)鋁工件的厚度。

方案7.根據(jù)方案1所述的焊接接頭，其中，金屬間層包括鐵-鋁金屬間化合物且具有從1μm至5μm范圍內(nèi)的跨過焊接結(jié)合表面的厚度。

方案8.一種將鋁工件和鋼工件結(jié)合在一起的焊接接頭，所述焊接接頭具有靠近鋼工件的貼合表面并與鋼工件的貼合表面結(jié)合的焊接結(jié)合表面，所述焊接接頭包括：

包含在鋁工件內(nèi)的鋁焊接熔核，所述鋁焊接熔核在鋁焊接熔核遠離焊接接頭的焊接結(jié)合表面延伸時徑向向內(nèi)漸縮；

金屬間層，所述金屬間層位于鋁焊接熔核和鋼工件的貼合表面之間，所述金屬間層提供焊接接頭的焊接結(jié)合表面且包括鐵-鋁金屬間化合物；和

鋁化物顆粒環(huán)形環(huán)，所述鋁化物顆粒環(huán)形環(huán)從焊接接頭的焊接結(jié)合表面向上延伸并從在鋁和鋼工件的貼合界面處環(huán)繞焊接接頭的凹口根部徑向向內(nèi)延伸到鋁焊接熔核內(nèi)，其中，所述鋁化物顆粒環(huán)形環(huán)包括鎳鋁化合物顆?；蜩F鋁化合物顆粒中的至少一種。

方案9.根據(jù)方案8所述的焊接接頭，其中，所述鋁化物顆粒環(huán)形環(huán)包括具有20at%-50at%的鎳的鎳鋁化合物顆?；蚓哂?0at%-50at%的鐵的鐵鋁化合物顆粒中的至少一種。

方案10.根據(jù)方案8所述的焊接接頭，其中，鋁工件包括由包括至少85wt%鋁的鋁合金組成的鋁基板。

方案11.根據(jù)方案8所述的焊接接頭，其中，所述鋁化物顆粒環(huán)形環(huán)包括nial3顆粒、nimnal顆粒、feal3顆粒、fe2al5顆?；騠emnal顆粒中的至少一種。

方案12.根據(jù)方案8所述的焊接接頭，其中，金屬間層具有從1μm至5μm范圍內(nèi)的跨過焊接結(jié)合表面的厚度。

附圖說明

圖1是在焊接區(qū)域內(nèi)將鋁工件（頂部）和鋼工件（底部）結(jié)合在一起的焊接接頭的橫截面圖；

圖2是圖1所示的焊接接頭的左手邊的放大橫截面圖，包括鋁化物顆粒環(huán)形環(huán)的實施例；

圖3是圖1所示的焊接接頭的左手邊的放大橫截面圖，包括鋁化物顆粒環(huán)形環(huán)的另一個實施例；

圖4是根據(jù)本公開的一個實施例的包括鎳鋁化合物顆粒環(huán)形環(huán)的焊接接頭的截面的顯微照片；

圖5是圖4的顯微照片的放大圖，集中于焊接接頭和鎳鋁化合物顆粒環(huán)形環(huán)的左手邊；

圖6是圖4的顯微照片的放大圖，集中于焊接接頭和鎳鋁化合物顆粒環(huán)形環(huán)的右手邊；

圖7是圖4的顯微照片的放大圖，集中于焊接接頭的中心和金屬間層，所述金屬間層將焊接接頭的鋁焊接熔核從鋼工件的貼合表面分開；

圖8是根據(jù)本公開的一個實施例的包括鎳鋁化合物顆粒環(huán)形環(huán)的焊接接頭的截面的顯微照片；

圖9是圖8的顯微照片的放大圖，集中于焊接接頭和鎳鋁化合物顆粒環(huán)形環(huán)的左手邊；

圖10是圖8的顯微照片的放大圖，集中于焊接接頭和鎳鋁化合物顆粒環(huán)形環(huán)的右手邊；

圖11是圖8的顯微照片的放大圖，集中于焊接接頭的中心和金屬間層，所述金屬間層將焊接接頭的鋁焊接熔核從鋼工件的貼合表面分開；

圖12是根據(jù)本公開的一個實施例的包括鐵鋁化合物顆粒環(huán)形環(huán)的焊接接頭的截面的顯微照片；

圖13是圖12的顯微照片的放大圖，集中于焊接接頭和鐵鋁化合物顆粒環(huán)形環(huán)的左手邊；

圖14是圖12的顯微照片的放大圖，集中于焊接接頭和鐵鋁化合物顆粒環(huán)形環(huán)的右手邊；

圖15是圖12的顯微照片的放大圖，集中于焊接接頭的中心和金屬間層，所述金屬間層將焊接接頭的鋁焊接熔核從鋼工件的貼合表面分開；

圖16是根據(jù)本公開的一個實施例的包括鐵鋁化合物顆粒環(huán)形環(huán)的焊接接頭的截面的顯微照片；

圖17是圖16的顯微照片的放大圖，集中于焊接接頭和鐵鋁化合物顆粒環(huán)形環(huán)的左手邊；

圖18是圖16的顯微照片的放大圖，集中于焊接接頭和鐵鋁化合物顆粒環(huán)形環(huán)的右手邊；和

圖19是圖16的顯微照片的放大圖，集中于焊接接頭的中心和金屬間層，所述金屬間層將焊接接頭的鋁焊接熔核從鋼工件的貼合表面分開。

具體實施方式

將鋁工件點焊到鋼工件具有一些顯著的挑戰(zhàn)。實際上，如上所述，使得點焊這些不同金屬的能力復(fù)雜化的已識別挑戰(zhàn)中的多個涉及焊接接頭易于在接頭的界面和鋼工件的貼合表面處被焊接不一致性（例如，孔和殘留氧化物碎片）以及硬和脆性金屬間層的存在損壞。這些挑戰(zhàn)在中間有機材料在兩個工件之間在貼合界面處存在時尤其是有問題的，因為有機材料可能與殘留氧化物膜相互作用以形成機械上更牢固的復(fù)合殘留物膜。在此公開了焊接接頭10，所述焊接接頭10抵消了在焊接接頭10和鋼工件的貼合界面處以及沿著焊接接頭10和鋼工件的貼合界面的焊接接頭不一致性的至少一些積聚，此外，保護貼合界面在施加的負載下免受裂紋傳播。所提供的對抗裂紋傳播的保護是重要的，因為在施加的負載下的面間接頭故障的主要根源通常是近界面焊接不一致性所促進的通過金屬間層的快速裂紋生長。

現(xiàn)在參考1，（以橫截面圖）示出了在兩個重疊工件12，14的貼合界面16處將鋁工件12和鋼工件14結(jié)合在一起的焊接接頭10。焊接接頭10包含在延伸通過鋁和鋼工件12，14的焊接區(qū)域18內(nèi)。焊接區(qū)域18的橫截面尺寸和形狀由在接頭10和鋼工件14的貼合界面處的焊接接頭10的周邊限定，如圖1所示。在焊接區(qū)域18內(nèi)，鋁工件12具有厚度120，類似地，鋼工件14具有厚度140。鋁工件120的厚度120優(yōu)選是從0.3mm至6.0mm的范圍，或者更窄地從0.5mm至3.0mm，鋼工件的厚度140優(yōu)選是從0.3mm至6.0mm的范圍，或者更窄地從0.6mm至2.5mm。鋁和鋼工件12，14在焊接區(qū)域18之外的厚度120，140可以大于在焊接區(qū)域18內(nèi)的厚度120，140，由于通過焊接區(qū)域18處的對置焊接電極的焊接面在工件12，14中留下的壓印。

在一些情況下，除了圖1所示的相鄰對的焊接結(jié)合的鋁和鋼工件12，14之外，可以存在至少一個附加工件。例如，附加第三工件（未示出）可以與貼合界面16相對地位于鋁工件12或鋼工件14附近。附加第三工件可以由鋁或鋼構(gòu)成，且位于相同基體金屬成分的工件12，14附近；即，附加鋁工件可以設(shè)置在鋁工件12附近以提供鋁-鋁-鋼層疊結(jié)構(gòu)，或者附加鋼工件可以設(shè)置在鋼工件14附近以提供鋁-鋼-鋼層疊結(jié)構(gòu)。在又一個示例中，可以存在兩個附加工件（也未示出），以提供鋁-鋁-鋼-鋼層疊結(jié)構(gòu)、鋁-鋁-鋁-鋼層疊結(jié)構(gòu)或鋁-鋼-鋼-鋼層疊結(jié)構(gòu)中的任一種。關(guān)于其成分和厚度，附加鋁工件和/或鋼工件（如果存在的話）可以與其相鄰的對應(yīng)鋁工件12或鋼工件14相同或者不同，其在其貼合界面16處通過焊接接頭10焊接結(jié)合在一起。

鋁工件12包括鋁基板20，鋁基板由非合金鋁或包含至少85wt％（重量百分比）的鋁的鋁合金組成。可以構(gòu)成鋁基板20的一些有名的鋁合金是鋁-鎂合金、鋁-硅合金、鋁-鎂-硅合金和鋁-鋅合金。鋁工件12具有貼合表面22和后表面24，最佳地如圖2-3所示。貼合表面22和后表面24中的每個由鋁基板20或者重疊鋁基板20的表面層描繪，但是在焊接區(qū)域18內(nèi)不存在貼合表面22，因為其在焊接接頭10形成期間被消耗。如果存在，表面層可以是包括氧化鋁化合物和可能的其它氧化物化合物的自然耐高溫氧化物層和/或在制造期間在鋁基板20暴露于升高溫度期間形成的氧化物層，例如軋屑，或者可選地，可以是鋅、錫層或由鈦、鋯、鉻或硅的氧化物組成的金屬氧化物轉(zhuǎn)化涂層，如美國專利公開物no.2014/0360986所描述的。

鋁基板20可以以鍛造或鑄造形式提供。例如，鋁基板20可以由4xxx，5xxx，6xxx或7xxx系列鍛造鋁合金板層、擠壓件、鍛冶件或其它加工的制品組成。在另一個實施例中，鋁基板20可以由4xx.x，5xx.x，6xx.x或7xx.x系列鋁合金鑄件組成?？梢詷?gòu)成鋁基板20的一些更具體種類的鋁合金包括但不限于aa5754和aa5182鋁-鎂合金、aa6111和aa6022鋁-鎂-硅合金、aa7003和aa7055鋁-鋅合金以及al-10si-mg鋁壓鑄合金。如果需要，鋁基板20還可以用于各種調(diào)和中，包括退火（o），應(yīng)變硬化（h）和固溶熱處理（t）。本文使用的術(shù)語“鋁工件”因而涵蓋非合金鋁和寬范圍的各種鋁合金，不管被涂覆還是未被涂覆，以不同的可點焊形式，包括鍛造板層、擠壓件等以及鑄件。

鋼工件14包括寬范圍的各種強度和等級中任一種的鋼基板26，其被涂覆或未被涂覆。鋼基板26可以是熱軋或冷軋的，并且可以由鋼組成，諸如低碳鋼、無間隙鋼、烘烤硬化鋼、高強度低合金（hsla）鋼、雙相（dp）鋼、復(fù)合相（cp）鋼、馬氏體（mart）鋼、轉(zhuǎn)變誘導(dǎo)塑性（trip）鋼、纏繞誘導(dǎo)塑性（twip）鋼和諸如當鋼工件14包括加壓硬化鋼（phs）時的硼鋼。然而，鋼基板26的優(yōu)選成分包括低碳鋼、雙相鋼和在制造加壓硬化鋼時使用的硼鋼。這三種鋼具有分別從150mpa至350mpa、從500mpa至1100mpa以及從1200mpa至1800mpa范圍的最終拉伸強度。本文使用的術(shù)語“鋼工件”因而涵蓋寬范圍的各種被涂覆和未被涂覆的鋼。

鋼工件14包括貼合表面28和后表面30，最佳地如圖2-3所示。貼合表面28和后表面30中的每個由鋼基板26或者重疊鋼基板26的表面層描繪。鋼工件14的貼合表面28不像鋁工件12的貼合表面22那樣被焊接接頭10消耗，因而延伸通過焊接區(qū)域18。如果被涂覆，鋼工件12可包括由鋅-鎳合金層或鋅-鐵合金層（即，鍍鋅）組成的基于鋅的合金層。這種基于鋅的合金層可包括在1wt%和25wt%之間任何地方的鎳或鐵，大多數(shù)剩余部分是鋅，或者更窄地，在5wt%和15wt%之間任何地方的鎳或鐵，大多數(shù)剩余部分是鋅。在鋼工件14在形成焊接接頭10之前包括表面層的情況下，表面層通常在焊接區(qū)域18之外完好地存在，因為形成焊接接頭10消耗了貼合表面28上的表面層。

焊接接頭10包含在鋁工件12內(nèi)且由熱影響區(qū)域32環(huán)繞。與結(jié)合類似組成的工件（例如，鋁-鋁和鋼-鋼）的常規(guī)點焊實踐不同，焊接接頭10并不將工件12，14熔合焊接在一起。無可否認，焊接接頭10并不消耗焊接區(qū)域內(nèi)的鋼工件14的貼合表面28并延伸通過焊接區(qū)域內(nèi)的鋼工件14的貼合表面28的初始位置，且當然不會從兩個工件12，14中的每個具有基本相等的熔融材料貢獻的聚結(jié)材料熔融焊池固化。相反，在此，鑒于兩個工件12，14的熔點的相對大的差異，焊接接頭10通過熔融和再次固化鋁工件的位于鋼工件14的貼合表面28附近的一部分而獲得。焊接接頭10因而從鋼工件14的貼合表面28朝向鋁工件12的后表面24延伸滲透深度，所述滲透深度在焊接區(qū)域18內(nèi)的鋁工件12的厚度120的從20%至100%范圍內(nèi)。焊接接頭10的平面直徑（即，焊接接頭10在平面圖中的最大部分的直徑）取決于鋼工件14的厚度140。然而，在大多數(shù)情況下，焊接接頭10的平面直徑在從4mm至16mm的范圍內(nèi)，或者更窄地，從5mm至10mm。

焊接接頭10由焊接結(jié)合表面34和工件周邊表面36描繪。焊接結(jié)合表面34靠近鋼工件14的貼合表面28且與鋼工件14的貼合表面28結(jié)合。在優(yōu)選實施例中，焊接結(jié)合表面34具有在從4πt至20πt范圍內(nèi)的表面面積，其中，變量“t”是在形成焊接接頭10之前焊接區(qū)域18內(nèi)鋁工件14的厚度140。工件周邊表面36以變窄的方式遠離焊接結(jié)合表面34延伸，且構(gòu)成鋁工件12內(nèi)焊接接頭10的邊界。工件周邊表面36將焊接接頭10從鋁工件12內(nèi)部中的周圍熱影響區(qū)域32分開，且在焊接接頭10完全滲透鋁工件12的情況下與鋁工件12的后表面24的一部分毗連，在此如圖1所示。

凹口根部38位于焊接接頭10外側(cè)和周圍在鋁和鋼工件12，14的貼合界面16處。這在圖2-3中最佳地示出。凹口根部38包括凹口根部開口40和凹口根部狹縫42。凹口根部開口40是在焊接區(qū)域18外側(cè)將鋁工件12的貼合表面22和鋼工件14的貼合表面28分開的限定徑向范圍的間隙。該間隙由于在形成焊接接頭10期間通過對置的焊接電極直接或者間接（例如，通過附加的鋁和/或附加的鋼工件）施加在鋁工件12的后表面24和鋼工件14的后表面30的對齊部分上的高夾持壓力而形成。凹口根部狹縫42位于凹口根部開口40的徑向內(nèi)部且剛好在焊接區(qū)域18的外側(cè)，與焊接接頭10緊鄰。凹口根部狹縫42是鋁和鋼工件12，14的貼合表面22，28之間的未結(jié)合液壓密封界面。

中間有機材料層（未示出）也可以位于鋁和鋼工件12，14的貼合表面22，28之間在焊接接頭10的外側(cè)和周圍，但是凹口根部38通常沒有這種材料。中間有機材料層可以是包括結(jié)構(gòu)熱固性粘合劑基體的粘合劑層。結(jié)構(gòu)熱固性粘合劑基體可以是任何可固化的結(jié)構(gòu)粘合劑，包括例如可熱固化的環(huán)氧樹脂或可熱固化的聚亞安酯。可以用作粘合劑基體的可熱固化的結(jié)構(gòu)粘合劑的一些具體示例包括dowbetamate1486、henkelterokal5089和uniseal2343，其全部都是可商業(yè)獲得的。此外，粘合劑層還可以包括貫穿熱固性粘合劑基體擴散的任選填料顆粒，例如二氧化硅顆粒，以改變用于制造操作的粘合劑的粘度曲線或其它屬性。在其它實施例中，中間有機材料層可以是密封劑或隔音材料。中間有機材料層通常在貼合界面16處具有0.1mm至2.0mm的厚度，或者更窄地，0.2mm至1.0mm。

焊接接頭10由三種顯著的組成成分組成：（1）鋁焊接熔核44，（2）金屬間層46，以及（3）鋁化物顆粒環(huán)形環(huán)48。鋁化物顆粒優(yōu)選地選自包括鎳鋁化合物顆粒、鐵鋁化合物顆粒及其組合的組。焊接接頭10的這三個成分44，46，48在貼合界面16處使用可擴散鎳和/或鐵源實施電阻點焊時產(chǎn)生，如下文更詳細所述。焊接接頭10可包括在接頭10內(nèi)位于中心的在焊接結(jié)合表面34處或者遠離焊接結(jié)合表面34的孔或空隙比例。此外，殘留氧化物膜碎片可以在焊接接頭10的焊接結(jié)合表面34處實際上沒有。位于中心的孔和焊接結(jié)合表面34處沒有殘留氧化物膜和/或復(fù)合殘留物膜的碎片的該組合有助于焊接接頭10的良好強度，尤其是良好剝離和橫向拉伸強度，通過在接頭10的焊接結(jié)合表面34和鋼工件14的相鄰貼合表面28之間的清潔結(jié)合界面，尤其是在焊接接頭10周圍。

鋁焊接熔核44由源于鋁工件12的熔融焊池的再次固化鋁材料組成，且在體積和重量百分比基礎(chǔ)上構(gòu)成焊接接頭10的最大部分。鋁焊接熔核44通過金屬間層46從鋼工件14的貼合表面28分開，且在鋁焊接熔核44遠離焊接接頭10的焊接結(jié)合表面34延伸時徑向向內(nèi)漸縮。金屬間層46提供焊接接頭10的焊接結(jié)合表面34，且通過熔融鋁（在焊接期間形成）和來自于鋼工件14的鐵之間的冶金反應(yīng)形成，以產(chǎn)生鐵-鋁（fe-al）金屬間化合物。實際上，金屬間層46可以包括feal3金屬間化合物、fe2al5金屬間化合物以及可能的其它鐵-鋁金屬間化合物，且通常具有從1μm至5μm范圍內(nèi)的跨過焊接結(jié)合表面34的厚度。關(guān)于其可比較的物理和機械屬性，金屬間層46比鋁焊接熔核44更硬、更脆性且更不牢固。

鋁化物顆粒環(huán)形環(huán)48從焊接結(jié)合表面34向上沿著工件周邊表面36或者在工件周邊表面36內(nèi)側(cè)延伸，使得其從凹口根部38徑向向內(nèi)延伸到鋁焊接熔核44內(nèi)。環(huán)形環(huán)48中包含的鋁化物顆?？蛇x自包括鎳鋁化合物顆粒、鐵鋁化合物顆粒及其組合的組。鎳鋁化合物顆粒是富含鎳且還包括鋁和任選地其它合金元素（例如各自以比鎳更低的含量存在的鐵和/或鎂）的顆粒。實際上，鎳鋁化合物顆粒中的一些鎳可以由溶解在熔融鋁焊池108內(nèi)的鐵取代。顆粒在包括至少20at%的鎳時是富含鎳的，例如在20at%和50at%之間的鎳。在環(huán)形環(huán)48中可以找到的鎳鋁化合物顆粒的一些實例是nial3或nimnal顆粒。鐵鋁化合物顆粒是富含鐵且還包括鋁和任選地其它合金元素（例如各自以比鐵更低的含量存在的鎳和/或鎂）的顆粒。在一些情況下，如果足夠的鎳由溶解在熔融鋁焊池108內(nèi)的鐵取代，鎳鋁化合物顆粒甚至可以轉(zhuǎn)化為鐵鋁化合物顆粒。顆粒在包括至少20at%的鐵時是富含鐵的，例如在20at%和50at%之間的鐵。在環(huán)形環(huán)48中可以找到的鐵鋁化合物顆粒的一些實例是feal3、fe2al5或femnal顆粒。當然，除了上文列舉的特定顆粒之外或者取而代之，其它類型的鎳和/或鐵鋁化合物顆?？梢栽诃h(huán)形環(huán)48中找到。

構(gòu)成環(huán)形環(huán)48的鋁化物顆粒可以源于在形成焊接接頭10期間鎳遷徙到熔融鋁焊池中以形成鎳鋁化合物顆粒和/或鐵遷徙到熔融鋁焊池中以形成鐵鋁化合物顆粒，如下文更詳細所述。在一些實施例中，尤其是在鋁化物顆粒由鎳鋁化合物顆粒組成時，環(huán)形環(huán)48可以構(gòu)成分立屏障50，如圖2中理想地所示。在其它實施例中，尤其是在鋁化物顆粒由鐵鋁化合物顆粒組成時，環(huán)形環(huán)48可以構(gòu)成擴散帶52，如圖3中理想地所示。擴散帶52是比分立屏障50更稀疏的鋁化物顆粒聚集，但是共享相同的基本功能。

鋁化物顆粒環(huán)形環(huán)48被認為以至少兩個方式增強焊接接頭10的強度，尤其是剝離和橫向拉伸強度。第一，如果鋁工件12最初包括在其貼合表面22上的耐高溫氧化物表面層（通常如此），形成鋁化物顆粒環(huán)形環(huán)48的過程將貼合界面16處可能存在的殘留氧化物膜和/或復(fù)合殘留物膜的碎片掃除遠離焊接結(jié)合表面34。具體地，在熔融鋁焊池與源于位于貼合界面16處的可擴散鎳和/或鐵源的鎳和/或鐵反應(yīng)時，發(fā)生鋁化物顆粒引入鋁焊接熔核44中。可擴散鎳和/或鐵源指的是鎳和/或鐵可以釋放到熔融鋁焊池中以形成鋁化物顆粒的任何材料。為此，可擴散鎳和/或鐵源是包含稀釋和弱鍵合鎳和/或鐵的材料，可以從其源容易地釋放，以遷徙到熔融鋁焊池中。鎳和/或鐵更緊地鍵合的源將不會釋放鎳和/或鐵到熔融鋁焊池中，同時具有高濃度的鎳和/或鐵的源很可能形成鄰接鋁化物層，鄰接鋁化物層提前終止鎳和/或鐵遷徙到焊池中。

可擴散鎳和/或鐵從這些金屬源遷徙導(dǎo)致鋁化物顆粒聚集在環(huán)形環(huán)48中。鎳和/或鐵到熔融鋁焊池中的該遷徙以及這些遷徙金屬到鋁化物顆粒的并行轉(zhuǎn)換使得殘留氧化物膜碎片和/或復(fù)合殘留物膜碎片從鋼工件14的貼合表面28帶走且使得它們遠離隨后形成的焊接接頭10的焊接結(jié)合表面34。從焊接結(jié)合表面34去除殘留氧化物膜碎片和/或復(fù)合殘留物膜碎片被認為是有益的，如上所述，因為這種類型的近界面缺陷具有干擾焊接接頭10和鋼工件14的貼合表面28之間的結(jié)合整體性的趨勢。殘留氧化物膜碎片和/或復(fù)合殘留物膜碎片在位于鋁焊接熔核44的遠離焊接結(jié)合表面34的塊體內(nèi)時無害得多。

第二，鋁化物顆粒環(huán)形環(huán)48，一旦形成，屏蔽焊接接頭10的焊接結(jié)合表面34以免受可能從凹口38傳播的裂紋。無可否認，鋁化物顆粒環(huán)形環(huán)48用作裂紋傳播的硬和強有力的障礙。因而，當裂紋源于凹口根部38且開始向內(nèi)傳播到焊接接頭10中時，裂紋沿非優(yōu)選路徑偏轉(zhuǎn)到鋁焊接熔核44的塊體內(nèi)。以這種方式偏轉(zhuǎn)裂紋傳播不大可能損害焊接接頭10，因為鋁焊接熔核44比沿焊接接頭10的焊接結(jié)合表面34定位的金屬間層46更軟和更牢固。鋁化物顆粒環(huán)形環(huán)48因而保護焊接接頭10的最易受裂紋傳播且因而在經(jīng)受加載時最可能是焊接接頭10的面間故障的根源的部分（即，金屬間層46）。

通過從焊接結(jié)合表面34去除殘留氧化物膜碎片和/或復(fù)合殘留物膜碎片且屏蔽金屬間層46免受從周圍凹口根部38傳播的裂紋，可以在焊接接頭10中獲得一致地良好的強度屬性。為了展示，圖4-7和8-11示出了包括鎳鋁化合物顆粒環(huán)形環(huán)48（作為分離屏障50）的焊接接頭的顯微照片，圖12-15和16-19示出了包括鐵鋁化合物顆粒環(huán)形環(huán)48（作為擴散帶52）的焊接接頭的顯微照片?？梢钥闯?，在焊接接頭10的焊接結(jié)合表面34處沒有找到超過可忽略量的殘留氧化物膜碎片或復(fù)合殘留物膜碎片（如果有的話），且鋁化物顆粒環(huán)形環(huán)48從焊接結(jié)合表面34向上延伸以防止裂紋到達薄金屬間層46。當在標準剝離或橫向拉伸測試期間經(jīng)受加載時，這些焊接接頭10導(dǎo)致紐扣拉出故障（即，鋁工件故障），這是強焊接接頭的標志，與面間故障（弱焊接接頭的標志）不同。

焊接接頭10可以通過在電流流動期間在焊接區(qū)域18內(nèi)在鋁和鋼工件12，14的貼合界面16處采用可擴散鎳和/或鐵源的電阻點焊方法形成。一開始，鋁工件12和鋼工件14最初以重疊方式組裝，通過將工件12，14對齊并固定在一起，使得鋁工件12的貼合表面22和鋼工件14的貼合表面28彼此面對面（存在或者不存在中間有機材料層（例如，粘合劑或密封劑）），以建立貼合界面16。此外，在一個實施例中，鋼工件14的貼合表面28可包括多種合適形式中的任一種的可擴散鎳和/或鐵源。在該實施例的優(yōu)選實施方式中，可擴散鎳和/或鐵源是鋅-鎳表面涂層（可擴散鎳源）或鋅-鐵表面涂層（可擴散鐵源），覆蓋鋼基板26并描繪鋼工件14的貼合表面28。在另一個實施例中，設(shè)置在鋁和鋼工件12，14的貼合表面22，28之間的中間有機材料層，例如，可熱固化的粘合劑層，可包括反應(yīng)性金屬合金顆粒形式的可擴散鎳和/或鐵源，包括可以與熔融鋁反應(yīng)以形成鋁化物顆粒的組成金屬元素。

術(shù)語“貼合界面”在本公開中廣泛地使用且旨在涵蓋相鄰鋁和鋼工件12，14的貼合表面22，28之間直接和間接接觸的情況。貼合表面22，28在物理地鄰接且未由分立中間有機材料層分開時彼此直接接觸。貼合表面22，28在由分立中間有機材料層分開時彼此間接接觸，因而不經(jīng)歷直接接觸中可見的面間物理鄰接類型，而又彼此足夠緊鄰使得仍可以實施電阻點焊。鋁和鋼工件12，14的貼合表面22，28之間的間接接觸通常在任選中間有機材料層在點焊之前應(yīng)用于貼合表面22，28之間時發(fā)生。

一旦鋁和鋼工件12，14以重疊配置組裝，一對對置且面對齊的焊接電極將電流傳送通過鋁和鋼工件12，14，同時在工件12，14上施加夾持力。焊接電極優(yōu)選被水冷卻且由合適銅合金或其它導(dǎo)電導(dǎo)熱材料構(gòu)成。在焊接電極之間交換的電流橫穿在相鄰鋁和鋼工件12，14之間建立的貼合界面16。電流流動（優(yōu)選為具有從5ka至50ka范圍內(nèi)且持續(xù)50ms至2500ms總持續(xù)時間的恒定或脈沖電流電平的dc電流）的電阻快速加熱更大熱和電阻的鋼工件14。電流流動產(chǎn)生的熱量熔融鋁工件12且僅僅在鋁工件12內(nèi)產(chǎn)生熔融鋁焊池。熔融鋁焊池滲透鋁工件12的耐高溫氧化物表面層（如果存在的話），且濕化鋼工件14的貼合表面28。

在熔融鋁焊池濕化鋼工件14的貼合表面28的時間期間，可擴散鎳和/或鋁與熔融鋁反應(yīng)以形成鎳鋁化合物和/或鐵鋁化合物顆粒。鋁化物顆粒的形成有助于破壞鋁工件12的貼合表面22處的耐高溫氧化物表面層（如果存在的話）。最終，鋁化物顆粒向上遷徙到熔融鋁焊池的更熱部分中且通過焊池的低滲透性和變窄周邊部分截留。鋁化物顆?？梢跃奂以诖顺恋沓森h(huán)形環(huán)48，因為它們被限制在低溫區(qū)域，因而與熔融鋁焊池的中心相比經(jīng)受更少的熱降解。當遷徙到熔融鋁焊池中時，鋁化物顆?？梢噪S之拖動殘留氧化物膜碎片和/或復(fù)合殘留物膜碎片遠離鋼工件14的仍完好的貼合表面28。鋁化物顆粒的遷徙還可以對孔源具有一定程度的類似影響，盡管通過工件12，14的電流流動可以以將孔朝向熔融鋁焊池的中心驅(qū)動的方式管理，根據(jù)多種技術(shù)中的任一種，包括例如在美國專利申請no.14/883,249中公開的焊接方案。

在焊接電極之間的電流流動終止后，熔融鋁焊池固化成焊接接頭10，其將鋁和鋼工件12，14在焊接區(qū)域18內(nèi)結(jié)合在一起。鋁化物顆粒此時固定在環(huán)形環(huán)48中，因而，由鋁化物顆粒帶走的殘留氧化物膜碎片和/或復(fù)合殘留物膜碎片被截留在鋁焊接熔核44的遠離焊接接頭10的焊接結(jié)合表面34的塊體中。在焊接電極之間的電流流動已經(jīng)終止且熔融鋁焊池已經(jīng)固化后，焊接電極縮回且由該組焊接電極抵靠鋁和鋼工件12，14施加的夾持力被釋放。由于焊接電極施加的有力加壓接觸，鋁和鋼工件12，14的后表面24，30中的一個或兩者可能留有接觸片凹痕（在圖1中在每個表面24，30中示出）。所述方法的變型當然是可能的，包括但不限于，設(shè)置在貼合界面16處的可擴散鎳和/或鐵源的結(jié)構(gòu)和組成。

優(yōu)選示例性實施例和具體示例的上述描述本質(zhì)上僅僅是描述性的；它們并不旨在限制所附權(quán)利要求的范圍。所附權(quán)利要求中使用的每個術(shù)語應(yīng)被給予其普通和習(xí)慣的含義，除非在說明書中另外特別地和明確地說明。