不同类型材料的电阻焊接方法、以及铝合金材料和不同类型材料的电阻焊接部件

摘要

本发明提供一种不同类型材料的电阻焊接方法，该方法是用于焊接铁材料和铝合金材料的方法，该方法包括以下步骤：预先至少对所述铝合金材料的一部分用铁和铁基合金中的任何一种进行镀层处理并形成表面层，所述部分是进行电阻焊接之处；通过表面层对所述铁材料和所述铝合金材料进行电阻焊接，所述电阻焊接可以是点焊和凸焊中的任何一种。

说明书

技术领域

本发明涉及通过电阻焊接使钢材与铝合金材料连接的不同类型材料的电阻焊接方法，以及铝合金材料和不同类型材料的电阻焊接部件。

背景技术

传统上，在汽车的车体等中通常使用诸如铁类材料的钢板。另一方面，为了改善燃料消耗率和增强对尾气的控制，希望能够减轻车体的重量，例如，可以考虑根据车体的部位，分别使用钢板等材料和诸如铝合金板等较轻的材料。

在车辆的装配中，当使用该材料时，通常由自动装置等通过点焊分别将钢板与铝合金板焊接起来的。然而，由于铝合金板的点焊需要比钢板更大的电流和电极压力，因此无法通过用于焊接钢板的焊接设备来进行焊接。因此，必须为铝合金板之间单独提供专用的焊接设备。另外，在铝合金板的点焊中，会产生在其表面出现铝合金、与电极形成合金、沉积、电极接触端形状改变等电极损耗。如果出现这种损耗，则由于电极形状的改变导致电阻值的改变，因此不能实现优选的焊接，由此存在持续点焊性变短的问题。因此在焊接铝合金板中，必须经常清理电极接触端。

同时，对于持续点焊性，作为提高可焊性的技术，已经公开了在与电极相对的面上用主要由镍构成的镀层进行处理的铝合金板(例如，参见日本公开专利特开平5-5189中的第0008段到0011段)。

另外，作为使铝合金的持续点焊性和焊接电流值等于或接近钢板的技术，已经公开了以预定电镀附着量施加有Zn-Fe类合金镀层的铝合金板(例如，参见日本公开专利特开平6-73592中的第0012段到0015段)。

然而，尽管上述传统技术能够完成诸如钢板和铝合金板等单一材料的点焊，但是通过诸如点焊等电阻焊接进行铁材料与铝合金材料的不同类型的焊接进展并不顺利，在当前情况下还不能实际应用。

因此，强烈存在以下需求：不同类型材料的电阻焊接方法，该方法能够将钢板与铝合金板相连接，并按原样使用已有的焊接设备，此外，该方法具有优异的持续点焊性，并能够降低电极的维护频率；铝合金材料和不同类型材料的电阻焊接部件，该电阻焊接部件能够完成铁材料与铝合金材料的不同类型连接。

发明内容

发明人致力于用来焊接铁材料和铝合金材料的不同类型材料的电阻焊接方法的研究，结果发现通过对铝合金材料使用铁和铁基合金中的任何一种进行镀层处理并由此形成表面层，然后进行与铁材料的电阻焊接，可以解决上述问题。

本发明是在这些知识的基础上实现的，并且不同类型材料的电阻焊接方法是用于焊接铁材料和铝合金材料的不同类型材料的方法，该方法包括以下步骤：预先至少对部分铝合金材料用铁和铁基合金中的任何一种进行镀层处理并形成表面层，在所述部分进行电阻焊接，通过表面层对铁材料和铝合金材料进行电阻焊接(本发明的第一方面)。

根据本发明，由于将铁材料和铝合金材料设计成通过由铁或者铁基合金中的任何一种进行镀层处理所形成的表面层来进行焊接，因此铁材料和表面层之间会产生电阻热，并且铁材料和铝合金材料在其界面连接起来。此时，通过在铁材料侧所产生的电阻热使铝合金材料熔融，在铝合金材料侧产生点焊熔核，由此将不同材料的铁材料和铝合金材料连接起来。因此尽管是铁材料与铝合金材料的不同类型材料的电阻焊接，仍然可以按原样使用已有的用于铁材料(钢板等)的焊接设备来进行连接，因此显著提高了铁材料与铝合金材料的可焊性。

此外，在电阻焊接中，铝合金材料的表面温度没有快速升高，在铝合金材料和电极(由铜合金制成)之间难以形成沉积。这样持续点焊的电极寿命变长，其由此可以降低电极的维护频率。即，持续点焊性等于或超过铁材料之间焊接时的持续点焊性。

同时，“可焊性”表示，焊接之后在焊接部位可以获得能够确保优异的机械强度的良好的焊接状态。

另外，尽管必需至少在与铁材料相接触的面通过镀覆处理形成表面层，但是也可以在电极接触侧形成表面层。这种情况下可以获得这样的优点，即熔融铝合金的点焊熔核不会出现在表面侧，因此，可以避免出现融熔铝合金与电极形成合金的现象。因此可以抑制电极损耗，由此可以提高持续点焊性(电极寿命)。另外，可以使焊接部分具有良好的外观，因此可以提高产品质量。

此外，通过使用铁和铁基合金中的任何一种进行镀层处理，在铝合金材料表面层形成磁力接收层。因此，例如，通过形成覆及铝合金材料的大范围表面或几乎覆及其全部表面的表面层，可以获得能够用磁力夹具输送的铝合金材料。

因此，即使是很重的产品，也可以不使用诸如传统的高压气动输送器等设备而进行输送，由此可以获得能够提高各个工序间的易操作性这一优点。因此可以提高生产率。另外，表面层是通过镀层处理形成的，由此提高了耐损性能。另外，优选为薄型表面层，这样即使是使用磁力夹具时，在铝合金材料中也不会有剩磁：产品还可以很容易地从磁力夹具上卸下。

同时，作为镀层处理，可以使用如电镀处理、溅射处理，金属汽相沉积处理等。特别优选通过电镀处理形成表面层。

此外，电阻焊接可以采用点焊或者凸焊中的任何一种进行(本发明的第二方面)。由于采用点焊的生产系统可以自动化并建立与自动化相匹配的生产线，因此适用于本发明的铁材料与铝合金材料的不同类型材料的电阻焊接方法。

另外，如此构成铁基合金以使其含Fe比例大于或等于60％(本发明的第三方面)。如果铁基合金的含铁比例低于60％，则无法得到提高可焊性的效果。另外，对于加工性和利用磁力夹具的输送性容易出现缺点，因此无法得到制造过程的效率。

此外，如此形成铝合金材料的表面层以使其厚度为0.01μm～40μm(本发明的第四方面)。如果表面层的厚度低于0.01μm，则在铁材料和表面层之间所产生的电阻热将降低，界面处的连接变弱，因此易于降低可焊性。另一方面，如果表面层厚度超过40μm，则点焊熔核无法在铝合金侧充分产生，铁材料与铝合金材料的连接变得不足，因此降低了韧性。

另外，如此构成铁基合金，以使其中含有Cr、Zn、Ti、Sn、Ni、Mn、Co、Cu、Mo和Si中的至少一种(本发明的第五方面)。这样铝合金材料的表面层可以由含有上述一种元素的铁基合金构成，使得能够进行电阻焊接，使各个性能(应用)得以实现。另外，元素的选择变得容易，由此提高了工作性能。此外，铁基合金可以由Fe-Cr类合金构成(本发明的第六方面)。这样铝合金材料的表面层可以由Fe-Cr类合金构成，硬度会更高，使得电阻焊接可以进行，并提高了铝合金的耐损性能。

另外，本发明的铝合金材料是用于不同类型材料电阻焊接方法的材料，并具有用铁和铁基合金中的任何一种通过镀层处理在部分表面(在此进行电阻焊接)预先形成的表面层(本发明的第七方面)。

该铝合金材料具有用铁和铁基合金中的任何一种通过镀层处理在部分表面(在此进行电阻焊接)预先形成的表面层，与铁材料进行的不同类型材料的电阻焊接可以通过表面层完成。另外，通过由镀层处理在与电极接触侧形成表面层，由于在表面层中可以避免熔融的铝点焊熔核与电极之间的接触，及点焊熔核和电极(由铜合金制成)的沉积，由此延长了持续点焊的电极寿命。因此降低了电极的维护频率。因此，铝合金材料可以获得优异的可焊性。

另外，通过形成表面层，铝合金材料可以获得优异的耐损性能，而且还具有磁力夹具的易操作性。

此外，本发明的不同类型材料的电阻焊接部件是通过利用不同类型材料的电阻焊接方法所获得的铁材料和铝合金材料的不同类型材料的部件；具有用铁和铁基合金中的任何一种通过镀层处理在部分表面(在此进行电阻焊接)预先形成的表面层；通过电阻焊接由表面层将铁材料与铝合金材料连接起来(本发明的第八方面)。

根据不同类型材料的电阻焊接部件，在电阻焊接中，在铁材料和表面层之间产生电阻热，由此获得铁和铝合金在其界面处连接起来的不同类型材料的电阻焊接部件。此外，通过由镀层处理在与电极接触侧形成表面层，可以通过该表面层避免熔融铝合金材料的点焊熔核与电极之间的接触，因此可以获得点焊熔核与电极(由铜合金制成)之间难以出现沉积的电阻焊接部件，并且提高了持续点焊性。

另外，通过所形成的表面层，铝合金材料可以获得优异的耐损性能，并且还具有磁力夹具的易操作性。

附图说明

图1A～1D是说明与本发明的实施方式相关的不同类型材料的电阻焊接方法的剖面示意图。

图2是通过磁力夹具输送铝合金板的示意图。

图3是未经镀层处理的铝合金板与钢板焊接的示意图。

图4显示了对于表1中的实施例3用电子显微镜拍摄的点焊熔核剖面结构的照片状况。

图5是图4的示意图。

图6是显示图4中所示的铝合金板与钢板的界面的放大图。

图7是图6的示意图。

图8是显示通过透射电镜拍摄的图6中的界面的进一步的放大图。

图9是图8的示意图。

图10显示了用电子显微镜拍摄的整个点焊熔核的剖面结构的照片状况。

图11是图10的示意图。

图12是当在点焊中通过在铝合金板上堆叠两层钢板形成三层结构时，用电子显微镜拍摄的整个点焊熔核剖面结构的照片状况。

图13是图12的示意图。

具体实施方式

这里将对涉及本发明的一个实施方式的电阻焊接方法进行说明。本实施方式中的不同类型材料的电阻焊接方法是用于焊接铁材料和铝合金材料的不同类型材料的方法，并包含以下步骤：用铁和铁基合金中的任何一种预先在铝合金材料的至少部分表面(在此进行电阻焊接)进行镀层处理并形成表面层；通过表面层对铁材料和铝合金材料进行电阻焊接。

这里将对用于不同类型材料电阻焊接方法的铝合金板进行说明。如上所述，该铝合金板包含通过用铁和铁基合金进行镀层处理而形成的表面层，并且该表面层可以通过已知的电镀处理形成。

例如，作为已知的电镀处理可以采用电解法。同时，在镀层处理之前，优选进行垫板(underplating)处理，作为垫板处理，可以采用通过碱锌槽进行置换电镀的锌酸盐法和在形成铝阳极氧化膜后进行电镀的阳极氧化法中的任何一种。

作为电解法，例如，可以采用进行锌酸盐处理的方法；然后在含有硫酸亚铁和三价铬的水溶液中，以碳电极板作为阳极，铝板作为阴极，并用3A/dm²～5A/dm²的电流密度进行阴极电解；由此可以获得Fe-Cr合金镀层。

图1A～1D是说明与本发明的实施方式相关的不同类型材料的电阻焊接方法的剖面示意图。如图1A所示，该实施方式使用铝合金板1和作为铁材料的钢板10。作为电阻焊接，该实施方式使用的是在汽车生产过程中具有较高通用性的点焊。

另外，该实施方式中通过上述方法在铝合金板的两面形成了由Fe-Cr合金镀层构成的表面层2和3。

首先，如图1B所示，将铝合金板1与钢板10叠置，通过未示出的点焊机的一对上/下电极E1和E2(由铜合金制成)以预定的电极压力将其压紧，使电流流动一个至多个循环。同时，可以使用电容器电源作为点焊机的焊接电源，所述电容器电源可以在大约数分钟内产生较大的电流。

如果用预定的电极压力产生预定的电流，则在铝合金板1和钢板10之间产生电阻热H；然后，如图1C所示，铝合金板1侧由于钢板10侧产生的电阻热而熔融；产生点焊熔核N。此时，表面层2被熔融和膨胀所破坏，由于熔融且被搅动而移动，然后凝固(参见图1D)。与此相伴随，表面层2与钢板10的间隙通过其界面连接起来。这样就将铝合金板1与钢板10通过点焊连接起来，由此形成了不同类型材料的电阻焊接部件20。此时，如图1D所示，由于表面层3的存在，可以防止点焊熔核N(熔融的铝)暴露于电极E1侧。

根据本实施方式，由于将铝合金板1和钢板10设计成通过用铁或者铁基合金中的任何一种由镀层处理所形成的表面层2(或表面层3)来进行焊接，因此在钢板10和表面层2之间产生电阻热H，由此使钢板10与铝合金板1在界面处连接。此时，铝合金板1因产生在钢板10侧的电阻热而熔融，在铝合金板1侧产生点焊熔核N，从而使钢板10和铝合金板1的不同类型材料连接起来。因此，可以照原样使用已有的铁材料(钢板10)焊接设备，来实现钢板10与铝合金板1的焊接。

此外，由于在电阻焊接中，通过表面层3可以防止熔融点焊熔核N与电极E1之间的接触，因此可以防止点焊熔核N与电极E1形成合金的现象，所以抑制了电极E1的损耗。因此，可以降低电极E1(E2)的维护频率，由此使持续点焊性等于或超过钢板10之间焊接时的持续点焊性。另外，可以使焊接部分具有良好的外观，因此能够提高产品的质量。

例如，对此可以如图3所示与未经镀层处理的的铝合金板5和钢板10的焊接相对比进行说明，可以有如下设想：即使是令通常用于焊接的电流(钢板10之间的焊接)流过电极E1和E2，在铝合金5与钢板10之间的界面S也不会产生电阻热。据认为这是因为尽管钢板10本身处于焊接状态，但铝合金板5仍处于通常焊接所使用的电流状况下，因此无法达到板5的焊接条件。因此，在此状态下铝合金板5不能熔融，因此铝合金板5和钢板10无法通过焊接而连接起来。

另一方面，如图1C和1D所示，由于如上所述，其中进行了镀层处理的铝合金板1和钢板10的焊接变成了铁与铁的接触，即钢板10和表面层2(表面层3)之间的接触，因此可以在其界面产生电阻热，由此使其发生熔融，并且通过使通常焊接所使用的电流(钢板10之间的焊接)流过电极E1和E2，即可进行焊接。从而形成了不同类型材料的电阻焊接部件20。

此外，通过用铁或者铁基合金中的任何一种形成表面层2和3，可以在铝合金板1上形成磁力接收层：因此，例如，如图2所示，通过形成覆及铝合金板1的大范围表面或几乎覆及其全部表面的表面层2和3，可以获得能够用磁力夹具M输送的铝合金板1。

因此，即使是很重的产品，也可以不使用诸如传统的高压气动输送器等设备而进行输送，由此可以获得能够提高各个工序间的易操作性这一优点。因此可以提高生产率。另外，表面层2和3是通过镀层处理形成的，由此提高了耐损性能。另外，优选为薄型表面层2和3，这样即使是使用磁力M夹具时，在铝合金板1中也不会有剩磁：产品还可以很容易地从磁力夹具M上卸下。

另外，在铝合金板1的与电极E1相对侧并非必须提供表面层3(参见图1B)，并且如果在钢板10侧提供有表面层2，就可以实现如上所述的提高了可焊性的连接。

此外，当表面层2和3使用铁基合金时，其含Fe比例不能低于60％。如果含铁比例低于60％，则无法得到提高可焊性的效果。另外，对于加工性和利用磁力夹具的输送性容易出现缺点，因此容易产生有害影响，导致无法得到制造过程的效率。

另外，为了更精确起见，如此形成铝合金板1的表面层2和3以使其厚度为0.01μm～40μm。如果表面层2和3的厚度低于0.01μm，则在钢板10与表面层2(表面层3)之间所产生的电阻热将降低，界面处的连接变弱，因此容易降低可焊性。另一方面，如果表面层2(表面层3)的厚度超过40μm，则点焊熔核N无法在铝合金板1侧充分产生，铁材料与铝合金材料的连接变得不足，因此韧性降低，因此是非优选的。

此外，当表面层2和3使用铁基合金时，如此构成铁基合金，以使其中含有Cr、Zn、Ti、Sn、Ni、Mn、Co、Cu、Mo和Si中的至少一种。这样铝合金板1的表面层2和3可以由含有上述一种元素的铁基合金构成，使得能够进行电阻焊接(连接)，使各个性能(应用)得以实现。另外，元素的选择变得容易，由此提高了工作性能。

此外，铁基合金可以由Fe-Cr类合金构成。因此由Fe-Cr类合金构成的铝合金材料的表面层的硬度更高，由此可以防止对铝合金板1进行压制后的损坏和局部变形(变形和凹痕等)，因此提高了产品的产率并可以实现生产的稳定性。

同时，在采用点焊作为电阻焊接的生产系统中，可以实现自动化，并且还可以获得这样的优点，即可以建立与所述自动化相匹配的生产线。

实施例

尽管在此将引用实施例更具体地介绍本发明，但本发明并不局限于下述实施例，在本发明精神的范围内，可以对实施例加以变化并实施：这些均包含在本发明的技术范围之内。

制备铝合金板1，其中表面层2和3是通过用锌酸盐处理在铝合金板1表面上进行锌层置换由Fe镀层和不同Cr含量的Fe-Cr镀层中的任何一种而形成；然后在含有硫酸亚铁和三价铬的水溶液中，以碳电极板作为阳极，铝合金板1作为阴极，在表1所示的各个条件下进行阴极电解。镀层厚度均为5μm。

对于所得到的铝合金板1，对在电阻焊接中与焊接电流匹配的最优值、持续点焊性和断裂强度进行了测定。持续点焊性和断裂强度通过点焊进行评估。另外，所使用的钢板是SP钢板(镀银钢板)和GA钢板(镀锌钢板)。

焊接条件

厚度：1.0mm

电极：16mm直径含铬Cu合金

电极压力：150千克力的恒压

焊接时间(通电时间)：10循环(50Hz)

电流：12KA～14KA

电阻焊接性能的评价是通过得到持续点焊性来进行，该持续点焊性是在确保实现预定可焊性的断裂强度(1.3KN)的状态(形成正常点焊熔核的状态)下得到的；并且通过以超过镀银板之间电阻焊接的点焊性(点焊数)为优(×)，不超过为劣(△)来进行评价。

另外，作为比较例，通过在表1中所列的条件下，分别将未形成表面层的铝合金板与镀银钢板进行焊接，在确保实现预定可焊性的断裂强度(1.3KN)的状态(形成正常点焊熔核的状态)下来得到持续点焊性，结果如表1中所示。

表1

        镀层组成 厚度(mm) 镀层厚度  (μm)                        电阻焊接性能  备注  Fe  Cr  Zn  焊接电流   (KA)电极压力  (kgf)持续点焊性(点焊数) 断裂强度   (KN)  评价实施例  1  100  0  -   1.0    5    12   150    250    1.5   ×  SP-A1  焊接  2  92  8  -   1.0    5    13   150    250    1.7   ×  3  82  18  -   1.0    5    13   150    250    1.4   ×  4  100  0  -   1.0    5    14   150    300    1.5   ×  GA-A1  焊接  5  98  2  -   1.0    5    14   150    300    1.4   ×  6  95  5  -   1.0    5    14   150    320    1.4   ×  7  92  8  -   1.0    5    14   150    320    1.5   ×  8  90  10  -   1.0    5    14   150    350    1.8   ×  9  82  18  -   1.0    5    14   150    350    2.1   ×对比例  1  -  -  100   0.7    4    8   250    200    3.2   ×  SP-SP焊接  2  -  -  100   0.7    4    9   250    200    3.6   ×  3  -  -  100   0.7    4    10   250    200    4.3   ×  4  -  -  -   1.0    -    20   250    50    1.4   △  A1-A1  焊接  5  -  -  -   1.0    -    22.5   250    30    1.9   △  6  -  -  -   1.0    -    25   250    25    2.1   △

如表1所示的实验结果表明实施方式中的每个样品都显示了优异的可焊性。

图4显示了对于表1中的实施例3用电子显微镜拍摄的点焊熔核剖面结构的照片状况；图5是其示意图。图6是显示图4中所示的铝合金板与钢板的界面的放大图；图7是其示意图。此外，图8是显示通过透射电镜拍摄的图6中的界面的进一步的放大图；图9是其示意图。图5、7和9中所附的符号与实施方式中所述的相同。

对这些图进行观察发现，在铝合金板1与钢板10之间的界面S(参见图4～图7)不存在镀层(表面层)，尽管可以确认金属间化合物层S1的存在(参见图8和9)，所述金属间化合物层S1据推断是由钢板10扩散到铝合金板1侧而产生，但可以观察到两者均紧密接触。

另外，对如此得到的电阻焊接部件(试样)的断裂状况进行了检测。因为是点焊焊接，焊接结构(电焊熔核)是所谓的圆形纽扣结构。可以观察到该结构最终成为与断裂状态类似的结构，所述结构以这样的形状断裂：圆形焊接结构部分完全保留其原样，并在铝合金板1中形成了圆孔。换句话说，即变成这样的状态：在断裂中铝合金板1的点焊部分被带至铁侧，可以确认部件的断裂出现在圆形焊接结构的周围部分。在此，如果所述部件的这种断裂没有出现，那么可以预见在铝合金板1与钢板10的界面会发生分离，且部件从界面处断裂。然而，由于出现了如上所述的部件断裂，实际上可以推断出，所进行的点焊的强度超过了部件周围的强度。

另外，图10显示了用电子显微镜拍摄的整个点焊熔核的剖面结构的照片状况；图11是图10的示意图。此外，图12是当在点焊中通过在铝合金板上堆叠两层钢板形成三层结构时，用电子显微镜拍摄的整个点焊熔核剖面结构的照片状况；图13是图12的示意图。图11和13中所附的符号与实施方式中所述的相同。另外，在图13中，数字15代表的是叠放在钢板10下面的第二钢板。

如这些图所示，可以观察到铝合金板1通过在钢板10侧所产生的电阻热而熔融，可以确认在铝合金板1侧产生了点焊熔核N，并且使钢板10与铝合金板1连接。