本发明涉及铝的电阻焊接，它是用铜电极在两层或多层接触的铝片料上施加压力，同时在该电极之间通过大电流进行的。通过电热作用使片料接触面上的受压点处产生一个熔融的熔核。由于这种技术适用于大量生产和降低单位成本，因而它成为连结铝部件的最常用和实用的一种方法。大部分熟锻铝合金，包括可热处理及非热处理型在内，都可以采用电阻焊接。

电阻焊接中最重要的一类是应用两个小的对放电极进行点焊。但其他有关的技术也已公知和应用，包括多点焊（同时用数对电极）;凸焊（利用工件上的凸出部位）;还有滚点焊，例如缝焊（用滚轮电极，在压力下滚过工件需焊范围）。

还提出了将点焊与粘合剂粘结联合使用，而成为通常所谓的胶粘点焊。胶粘点焊的接合可以比单独的点焊或粘结的强度更高，比单独用点焊具更高数量级的疲劳强度;并且比粘结接合的剥离强度更高，Aluminum    Association    Inc.，于1975年出版的标题为《Adhesive    Bonding    of    Aluminum    Automotive    Body    Sheet    Alloys》的T14号刊物中，包括了对胶粘点焊的讨论。

本发明特别着重但非专限于应用包括电阻点焊在内的胶粘点焊法进行的自动化大量生产例如汽车车体的生产。Aluminum    Association    Inc.出版的T10号刊物《Guidelines    to    resistance    Spot    welding    aluminum    automotive    sheet》即与此有关。对于这些用途和其他用途，电极寿命是主要考虑的问题。铝及铝合金点焊时所用电极的寿命要比钢材点焊时所用电极的寿命短得多。此外，还发现焊铝时焊接质量不 稳定问题要比焊钢材时严重得多。这方面有两个主要原因。铝是良好的导热及导电体（其体电阻是钢的1/3左右）。另外，铝表面的氧化膜在电极与工件之间成为电阻大而常常多变的界面。所以在焊低碳钢时电极的预期寿命可达到4000个焊点的数量级，而焊铝时则低达400。

在电阻点焊中一个重要的问题是电极与工件之间的电阻（界面电阻）和工件与工件之间的电阻（接触或贴合电阻）。由于大电流短脉冲所产生的热量，结果在贴合面上生成熔核。在这种方法中，界面处的不同的电阻是决定的因素;在贴合表面需要高电阻以形成熔焊点，但高的外界面电阻（outer    interface    resistance）会在电极/工件界面处发生过热，使电极头的表面变质。精轧的铝合金表面就存在这个问题。再者，由于该氧化膜的性质不稳定一致（特别在采用按Aluminum    Association    Inc.注册为5000系列的合金时），其界面电阻就会变化不定，造成焊接质量不良。

有人提出制成具有不同表面电阻，即界面电阻小和接触电阻大的铝合金表面，这些建议包括将外表面磨光、将外表面用电弧清洁（美国专利3，278，720）、还有在界面和贴合面上生长不同厚度的阳极氧化膜（欧洲专利申请号153149）。虽然这些方法能延长电极寿命，但它们不可能实用于自动化大量生产操作中。

另一种延长电极寿命的方法在英国专利1，554，297中有所描述。此方法涉及以两种方式处理电极表面。先将该表面进行喷砂硬化处理，得到许多由较锐的凸脊分隔开的小凹坑，然后在这个已粗化的表面上涂以由镍、铍、钴、铁或它们的高熔合金所组成的涂料。该说明书指出这两种处理方法互相起促进作用，而单独喷砂硬化处理本身并不能显著延长电极寿命。

当焊点的质量开始下降时，从焊接机上拆下电极，拿到另外地方去再修整。对常规的铜基电极，再修整时只需使用能将外形轮廓加工至适 宜半径的切割工具或砂磨圆盘，并将它们放置于该电极之间。对于如英国专利1，554，297所述的涂层电极，它的再修整涉及到再涂层，所以既费时间费用又高，并且最初涂层的电极也很昂贵。

英国专利申请2139540描述了制造铝部件结构的一种方法，包括如下步骤：将铝片预处理，以便在其上形成一层至少含铬5%（重量）的表面层;用这种预处理的片料构成部件;在该部件上施涂粘合剂，并组装成需要的结构;将该部件点焊，使该结构具有初始强度;然后将粘合剂固化。已知将点焊与粘合剂粘结联合使用的技术称为胶粘点焊。关于预处理，所提出的目的是改进粘合剂的粘结耐久性。其中的点焊步骤没有详细说明。

本发明的目的是提供一种使铝工件之间形成结合的方法，使得至少在准备接合部位的表面，人为施涂具强粘合性的涂层，此方法包括在该工件的贴合表面之间涂以一种可固化的粘合剂，其中，含颗粒填料在40%（重量）以内，其最大粒度为300微米，使用一种电极头表面的平均粗糙深度Rz至少为10微米的点焊电极，将该工件的贴合面以电阻焊焊接在一起，然后将该粘合剂固化。

此处所用的“铝”这一名词不仅包括该种纯金属，也包括以Al为主的合金，特别是准备用于制造车辆的铝合金，例如，Aluminum    Association    Inc.注册的2000、5000和6000系列的铝合金。用于点焊的金属厚度一般为0.6-3.2毫米，最常用的是0.9-2.6毫米。

在一种优选的操作方法中，将铝工件涂上粘合剂，然后用一套夹具组装在一起。可以任何适当方法施涂粘合剂，而且可使最后接合部位的涂层厚度根据接合处几何形状之不同约为0.1-3.0毫米。然后在该粘合剂仍然能流动的情况下进行点焊，由这些焊点将该结构固定在一起，使得在粘合剂固化过程中不发生移动。该粘合剂的固化条件通常是150-180℃，10-30分钟。最好用环氧树脂粘合剂，但也可使用其他粘合剂， 例如酚醛和聚氨酯树脂粘合剂。也可使用增韧的粘合剂，例如带有分散的橡胶或类似物相的环氧树脂。

应用于该接合部位的粘合剂应能在多种条件下，例如各种温度及湿度条件下保持强度。该种粘合剂应当能润湿它所涂的表面，但在施涂竖立表面时最好不发生下陷或滴流。因此，优选的方法是加入一种填料使之成为触变性物料。但是，要求该粘合剂有足够的流动性，以便由点焊工具在接合部位施加压力时能从该处挤出。如果粘合剂未能被推出就会妨碍金属表面之间的导电接触，从而不能形成一个焊点。在该种粘合剂中所用填料的类型和浓度十分重要。若填料太多，或者填料粒度太大，如果不用很大焊接电流，就难于得到满意的点焊，而用大电流就使电极寿命大大缩短。按照本发明，该粘合剂所含颗粒状填料不超过40%（重量），最好不超过30%（重量），填料的粒度最大为300微米，最好不大于250微米。该填料一般是包括不规则形状颗粒的矿物质填料，有一小部分颗粒的最大粒度超过300微米不致于损害该粘合剂。此类粘合剂中还常含有纤维，但上述限值中并未把纤维含量包括在内。虽然这类粘合剂中有时还含有金属颗粒，但在本发明的方法中不很适于使用含金属填料的粘合剂。本发明的方法特别适于使用汽车生产线上惯用的交流点焊机。点焊机最好是交流式的，但本发明的方法也可以使用直流点焊机，例如飞机工业一般使用的直流点焊机。焊接条件，特别是点焊时间和焊接电流，在某种程度上取决于准备焊于一起的部件（片料）的厚度。在Aluminum    Association的T10号文件中有以下的规定：

最薄片料的标    点焊时间    点焊电流（千    点焊电流（千安培

称厚度（毫米）    （周期数）    安培-均方根    -均方根值）经机

值）按收到的    械法清洁

材料

0.6    4    22    24

1.0    4    28    30

1.6    6    33    37

2.5    10    44    48

结果证明，电极寿命在很大程度上取决于焊接时间和焊接电流，这些参数中有一项（最好是两者）采用了低数值，即可延长电极寿命。因此，对于厚度在1.0毫米以下的铝片料，焊接时间为2-4周期，交流焊接电流（峰值，不是均方根值）低于20千安培。所以，总的结论是：为能延长电极寿命，要使用尽可能短的焊接时间和尽可能小的焊接电流以形成一个焊点。所用焊接电流最好是用上述T10号文件中经机械清洁表面的规定值的80%以下。

电阻焊接最好应用电极头具粗糙表面的焊接电极。电极表面的粗化可包括凸脊和凹陷。虽然专利申请人并不打算受理论的限制，但他们相信凸脊可能具足够锋锐度而将铝工件表面上的绝缘层穿破，从而产生更多接触点使电流从电极流过铝的本体。采用磨蚀喷砂法可以方便地使表面达到粗化。粗糙度的尺寸是很重要的，可通过适当选择磨蚀喷砂所用材料的粒度和喷向该表面所用的压力而加以控制。表面粗糙度最小应为10微米，它可由perthometer计测量，其定义为峰至谷的平均高度（DIN4768，2.3.3.段），即平均粗糙度深度Rz。较好的表面粗糙度是20-100微米，最好是20-80微米。为得到这样的表面粗糙度所需的条件在本技术领域已为公知。

常规的电阻点焊电极是由以铜为主的合金制成。本发明的优点之一 是这类常规式电极经过表面粗化处理后即可应用，并且不需要涂覆任何其它金属或合金。

此处不讲自明的是，对于一个成功的焊点有一个合格的熔核最小直径，并且这个最小直径随着金属厚度增加而加大。还应理解到，由一对常规电极在给定条件下形成熔核的直径会随着电极老化而减小，直到这个直径太小时就必须更换电极，为了抵消这种直径减小的趋势，常用的方法是把设备调定到在初始时形成较大的熔核，大约大出20%。例如Aluminum    Association    T10号文件第9页上给出以下的数字：-金属厚度    焊点熔核最小值径    调定的焊点熔核直径

（毫米）    （毫米）    （毫米）

0.81    3.56    4.32

1.60    5.08    6.10

2.54    6.35    7.62

但是，较大的熔核直径需要加大焊接电流，结果使电极寿命缩短。

当使用按本发明的经粗化的电极时，意外地发现特别在加工较薄的片料时，在调定的条件下由一对电极所形成熔核的直径是随着电极的老化而增大，而只是在电极最后报废前不久才开始减小直径。出现这种情况的原因可能是该种经粗化的电极头随着使用而渐渐变平和铺展开来。无论其原因为何，这项未曾预料到的发现对于焊接的调定将带来显著的经济效果。初始的熔核直径可以安排使之大于允许的最小直径，但不超出15%，通常是5-10%。这种改变实际上使所需的焊接电流减小，并且进一步延长电极的寿命。

按照本发明的另一项特征，铝工件的表面，尤其在两个工件的整个主要表面上，还被人为地施涂以强粘合性的涂层。本发明的优点之一是许可使用具有相等的均匀一致界面电阻的铝表面。这些表面最好是预处理到具有中等界面电阻的程度。如上所指出，表面电阻太大会使电极头 快速变质。另方面，如果在贴合表面处的电阻太小，则通常的焊接电流可能因产生的热量不够而不能形成良好的熔核和高强度焊点。

优选的单位面积涂层重量为0.01-0.6克/平方米，最好是0.03-0.2克/平方米。在有粘合剂存在时，可以采用较低的涂层重量，以减小贴合面电阻。可以应用多种预处理剂来形成这种涂层。

一种适用的预处理剂是Pyrenc    Chemical    Services    Ltd.的销售品，其商标为Bonderite    735。相信其表面层主要是由水合磷酸铬所组成，并且在靠近铝/转化涂层界面处存在少量的氧化铬和氟化铝。一种推荐的工艺步骤为：喷酸清洁，喷水冲洗，喷涂转化涂层，喷水冲洗，热空气干燥。

另一种优选的预处理剂是Albright    &    Wilson    Ltd出售的商标为Accomet    C的产品。这是一种“不需冲洗”的处理剂，特别适用于盘卷式涂层用途，因为它是使用辊子来施涂一种铬酸盐基的非反应性涂料，并且涂后不需要冲洗。这样使所需的排放废液处理工作减至最少，并且使工艺过程控制简便。一种推荐的工艺程序为：喷酸清洁，喷水冲洗，辊子施涂Accomet    C预处理剂，干燥。

其他适用的预处理剂包括其他种铬酸盐一磷酸盐涂料，例如由ICI    plc出售的，商标为Alodine    407/47的产品。阳极化处理也是适用的，例如在热硫酸中的AC阳极化（英国专利说明书1，235，661）;在含磷酸的电解质中的阳极化（英国专利申请2167443A）;以及在英国专利申请2139540A中所述的各种处理方法。

有机的涂层材料，例如油漆和涂料因为粘附力不强所以不适用。

以下所述的实例说明，可以综合利用本发明的各项特征使电极使用寿命延长达50倍甚至更长。另外还表明，在很宽的电极表面粗化范围内，特别在加工较薄的片料时，电极寿命可以延长到超过2000个焊点。不换电极而使成功的焊点达到2000这个数字是很重要的，因为这是一般 生产线上每一班的焊接工作量。所以换班时在更换电极并拿去再修整方面的费用不大。由于电极寿命只是涉及胶粘电阻点焊工艺总成本的因素之一，除了那些能带来最长电极寿命的因素之外，粘合剂特性和电极头的粗糙度有可能因其他原因而更为重要。例如，对于胶粘点焊来说，一种能提供优异粘结耐久性的处理剂有可能比能提供极长电极寿命的处理剂更为可取。

实验部分

在实例1-3中，所用设备为一台交流110千伏安移动式点焊机，自身带有变压器，由固体电路程序控制系统供电。调定好一个点焊程序使得其熔核直径大于Aluminum    Association    T10文件（汽车用片料电阻点焊指南）所要求的最低值。所用焊接程序一般如下：

预压时间    -60周期

焊接时间    -3周期

后压时间    -20周期

休止时间    -40周期

电流    -14-16千安培（峰值）（加热调定2.5）

电极接近速率    -50毫米/秒

焊接载荷    -3.75千牛顿（825磅）

调定直径    -4.0毫米熔核直径，用于0.875毫米片料

电极    -76毫米半径电极（Cu-Cr合金）

带材尺寸    -25×750毫米

焊点间隔    -25毫米

焊接速率    -最高30焊点/分

带材给料    -手工

电极寿命定义为应用一组电极，在不进行修整和不对已调定的焊接条件作任何改动情况下，所做的合格焊点数目。对每一焊点进行检查。 当达到以下任一条件时认为该试验已完毕。

1.在一组40个焊点中有四个或更多个被剥离。

2.熔核（button）的平均直径已小于Aluminum    Association    T10号文件所给出的最小值（即小于3.6毫米）。

3.单焊点的平均剪切强度已低于AA    T10号文件所给出的最小值。

4.在焊接过程中在该片料上烧穿一个孔。

5.该电极从该片料上拉出了一个焊塞。

在附图上示出一个参考说明，这是经Acc    C处理的，有粘合剂和润滑剂的片材，用喷砂处理电极试验结果的三维示意图，用以表示焊接时间、焊接热量和电极寿命的关系。

实例1

应用未回火的AA5251合金片料，其厚度为0.875毫米。用Accomet    C（一种无需冲洗的铬酸盐基的涂料）预处理剂进行盘卷预处理。对预处理后的材料进行电阻测定，其界面电阻为59微欧姆，贴面电阻26毫欧姆。

然后在该片料两面涂以水基蜡润滑剂。涂层重量约为5克/平方米。

在焊接前在每条带材样品的贴合面上施涂粘合剂。所用的粘合剂是一种加热固化式增韧的环氧树脂粘合剂（粘合剂A），其中填料的粒度在20-200微米范围，填料含量约为25%（重量）。应用同一种合金的另一批精轧的，并存在有粘合剂的片料供对比之用。

试验了9种电极粗糙度。它们包括从制造商买来的原装电极和8种不同条件喷砂处理过的电极。在表1中示出电极粗糙度、电极寿命和失败数目的关系。为了进行比较，也示出精轧处理的AA5251合金片料的结果。对于这种材料，需将热调定值提高到23千安培，以产生合要求的焊点。已显示出应用经润滑、预处理的片料时，电极寿命延长，这是由于 电极粗糙度带来的益处。

在全部实验中，一般的焊点剪切强度为350-400磅/焊点，这些数字高于AAT10的规定值。这些焊点的质量也极好，很少或没有喷溅现象。

这些实验的一个重要结果，就是在电极寿命试验期间，熔核直径随进行时间而增大。在典型的电极试验中，选用了比最小值大的熔核直径，并且在试验中，熔核的直径将逐渐减小而达到该最小值。但在应用相似的点焊条件下进行的上述试验已表明，该电极的表面一开始就有变平的现象，这一点与熔核直径增大是吻合的。例如在上述试验中，最初的熔核直径是4.00毫米，只比合格的最小直径3.6毫米大出约10%。这个数值逐渐增加到5.0毫米，在电极寿命期的其余时间保持恒定，直到接近电极报废为止。这种效应是假设与电极的变平有关系，也还与不存在电极头粘连有关系。

实例2

关于延长电极寿命的另一个重要因素是控制焊接程序中输入的总能量。我们发现，为使电极寿命延长，应将焊接电流和/或焊接时间尽可能调低。对于常规的铝点焊，焊接电流是调定在20千安培或更大，焊接时间约为5周期（例如应用于厚度1毫米的铝片）。在我们应用经预处理的铝和76毫米半径经粗化的电极所进行的工作中，所用焊接电流一般在14-16千安培左右，焊接时间为3周期。应用与实例1相似的条件并且仍然使用粘合剂A的情况下所进行的一系列实验中，显示出电流调定和焊接周期时间的影响。附图中示意给出上述结果。这些电极是应用40/20反复使用过的粗砂粒，以80磅/平方英寸压力进行磨蚀喷砂处理10秒钟使之粗化，得到Rz值为28微米（此值并非最佳值）。从该图中可以看到，焊接电流小和焊接时间短的联合作用可使电极寿命延长。此外，得到的焊点质量优于AA    T10文件的规定，但最终达到这样一点，当所施 加的电流不够大时，或是使点焊失败率增高，或是完全不能得到焊点。

实例3

将厚度1.2毫米的片料按实例1的方法预处理，这表明应用较厚的材料也可延长电极寿命。

试验了三种电极粗糙度。实验结果示于表2。所用焊接参数与0.875毫米片料所用者略有不同，即电流增大到约14千安培（峰值），焊接载荷增至4.20千牛顿（925磅）而为较大厚度作出补偿。所有其他程序参数均与前述者相同。在整个实验过程中，所得焊点质量均为优等，电极粗糙度对于电极寿命的影响与前面应用0.875毫米片料时相同。

实例4

为了确定在不同种类单料式环氧树脂粘合剂存在下的点焊效果，应用实例1所述的步骤在带材样品上施涂B、C、D、E四种粘合剂。

在这批实验中，应用直流75千伏安台式电阻焊机，并带有固体电路控制系统。所用焊接程序如下：-

预压时间    -20周期

初始加压    -40周期

焊接加热时间    -5周期

锻压时间    -3.5周期

间歇时间    -3周期

维持时间    -5周期

休止时间    -20周期

电流    -19千安培（均方根值）

电极接近速度    -26毫米/秒

焊接载荷    -2.35千牛顿（520磅）

锻压载荷    -5.0千牛顿（880磅）

调定直径    -3.8毫米熔核直径，用于0.875毫米片料

电极    -76毫米半径电极（Cu-Cr合金）

带材尺寸    -25×1000毫米

焊点间隔    -25毫米

焊接速率    -最高30焊点/分

带材给料    -手工

应用Accomet    C预处理剂，不用润滑剂，电极以买来原装状态使用。在这批实验中，由于直流焊机的电流特性和较低的电流效率（因使用远程变压器），故应用较大电流和较长焊接周期时间。

在粘合剂存在下进行点焊尚未找到最佳条件，但表3中的结果已指示出填料用量和填料粒度的影响。

粘合剂B含有大量填料，结果使电极寿命短的焊接失败率高。粘合剂C的填料含量少，但填料粒度大，这使电极头的寿命延长，但由于在焊接的压力之下，很难使贴合面装配在一起，结果使焊接失败量大。粘合剂D和E的填料含量较少和/或填料粒度较小，成为优选的粘合剂。粘合剂D中的填料特性与粘合剂A相似，使电极头的寿命进一步延长，并且失败率更低。

实例5

实例1示出了当使用交流移动式点焊机时电极表面粗化带来的益处。表1示出优选的电极粗糙度是48微米。把这种优选粗糙度的电极应用在该种直流特性75千伏安台式电阻焊机上，以表明电极用于不同类型和不同电流输出特性的点焊机时，电极粗化确实有有益效果。亦应用了买来的原装电极和抛光的电极作为对比。所用焊接程序与实例4相同。应用由Accomet    “C”预处理的材料，并使之附有润滑剂和粘合剂A。所得结果示于表4。

由表4可以看到，电极粗化的效果与应用交流点焊机时所得者相似。所得寿命数字一般比实例1所得者要小，但这是由于其焊接程序并 非最佳的缘故。

实例6

本实例是将此方法应用于2毫米厚度片料。所用片料为5251合金，已用Accomet    C预处理，并附有润滑剂和粘合剂D。所用焊接设备为KT-8110型交流点焊机，其操作条件如下：

预压时间    -50周期

初始加压    -30周期

焊接加热时间    -10周期

锻压时间    -0周期

间歇时间    -40周期

休止时间    -40周期

电流    -24千安培（均方根值）

电极接近速率    -100毫米/秒

焊接载荷    -7千牛顿

所得结果如下：

平均粗糙度    电极寿命    失败数目

Rz（微米）    （焊点）

42    255    14

1.1    109    8

当焊接较厚片料时，电极寿命较短。但这些数字明显指出，采用电极粗化处理已使电极寿命延长。

表1

对于已用Accomet    C预处理过的，带有润滑剂，且有粘合剂存在的0.875毫米厚度精轧5251合金片料，所用电极粗糙度、片料表面和电极寿命之间的关系。

表面处理    电极准备    平均粗糙度    焊接电流    电极寿命    失败

（微米）    （千安培）    数目    %

Accomet    C    买来原装    3.8    14（加热    30    3    10

（相当于0.1    调定2）

-0.15克/

平方米）

Accomet    C    180/220Al    O    11.3    16（加热    359    24    6.7

80磅/英寸    调定2）

10秒

Accomet    C    40/20重复    28.1    16    600    26    4.3

利用

砂粒：

80磅/英寸

10秒

Accomet    C    36网目Al    O    31.7    16    1868    97    5.2

20磅/英寸

10秒

Accomet    C    36网目Al    O    42.0    16    2441    88    3.6

40磅/英寸

10秒

表面处理    电极准备    平均粗糙度    焊接电流    电极寿命    失败

（微米）    （千安培）    数目    %

Accomet    C    36网目Al    O    48.0    16    2439    73    3.0

60磅/英寸

10秒

Accomet    C    36网目Al    O    51.0    16    2250    55    2.4

80磅/英寸

10秒

Accomet    C    20网目Al    O    68.4    16    1534    43    2.8

80磅/英寸

10秒

精轧    买来原装    3.8    23（加热    58    8    13.5

调定4）

精轧    40/20重复    28.1    23    106    13    12.5

利用

砂粒：

80磅/英寸

10秒

表2

对于附有润滑剂，且存在粘合剂，已用Accomet    C预处理，1.2毫米厚度的片料，所用电极粗糙度、片料表面及电极寿命之间的关系。

表面处理    电极准备    平均粗糙度    焊接电流    电极寿命    失败

（微米）    （千安培）    数目    %

Accomet    C    买来原装    3.8    20（加热    24    8    33

调定3）

Accomet    C    40/20重复    28.1    16（加热    265    12    4.5

利用    调定2）

砂粒：80磅/

英寸

10秒

Accomet    C    36网目Al    O    31.7    20    1680    75    4.5

20磅/英寸

10秒

表3

粘合剂类型对点焊效果之影响

粘合剂    填料含量    填料粒度    焊点数目    失败

代号    %    范围    数目    %

B    47    15-50    72    6    8

C    18    100-400    145    33    23

D    25    20-200    160    0    0

E    10    20-200    426    4    1

表4

对于0.875毫米厚度5251合金，已用Accomet“C”预处理，并附有润滑剂和粘合剂的片料，应用直流电流特性台式电阻焊机时，所用电极粗糙度与电极寿命之间的关系。

表面处理    电极准备    平均粗糙度    电极寿命    失败

（微米）    数目    %

Accomet    C    36网目Al    O    48.0    1258    41    3.3

60磅/英寸

10秒

Accomet    C    买来原装    3.8    117    3    2.6

Accomet    C    经抛光    1.2    148    4    2.7