複合產品的製作方法

2023-05-06 10:08:41

專利名稱：複合產品的製作方法
技術領域：
本公開大致涉及ー種複合產品，且更特別地涉及ー種包括由點焊接頭結合的鋼基板的複合產品。
背景技術：
電阻點焊可以被用於結合鋼基板。通常，電阻點焊可以包括利用力將エ件(例如要被結合的鋼基板)夾在兩個電極之間，以及在一時間段內讓電流從ー個電極流出，通過 該エ件，達到第二個電極以由此完成電迴路。電流在電極到エ件處以及基板到基板搭接界面處由於エ件中電阻產生熱量。熱量在基板間搭接界面處瞬間融化了鋼基板以形成焊接熔核，即點焊接頭，且由此結合鋼基板。經由這樣的焊接形成的電焊接頭可能在經受拉伸剪切載荷的多次循環時疲勞。然而，實質上沒有裂紋、特別是源自基板間搭接界面的裂紋的電焊接頭大致呈現優秀的焊接強度和疲勞壽命。

發明內容
ー種複合產品，包括第一鋼基板；第ニ鋼基板，布置為與所述第一鋼基板接觸以在它們之間限定搭接界面；以及點焊接頭，在所述搭接界面處滲入所述第一鋼基板和所述第二鋼基板以由此結合所述第二鋼基板到所述第一鋼基板。第一鋼基板在點焊接頭附近具有帶邊界的熱影響區，其中邊界和搭接界面在它們之間限定大於約75°的角度。在一個變式中，第二鋼基板在點焊接頭附近具有帶第二邊界的第二熱影響區，其中第二邊界和搭接界面在它們之間限定大於約75°的第二角度。在另ー變式中，第一鋼基板和第二鋼基板各自由先進高強度鋼形成。此外，邊界從搭接界面延伸，且在邊界和搭接界面之間的角度為從約80°到約120°。此外，第二邊界從搭接界面延伸，且第二角度為從約80°到約120°，從而熱影響區和第二熱影響區組合形成實質沙漏形狀。複合產品展示良好的高周疲勞壽命。也就是說,複合產品被優化為承受施加到第ー鋼基板和第二鋼基板的每ー個的拉伸剪切負荷的高數量循環。更特別地，在熱影響區和搭接界面之間的角度延緩了裂紋在點焊接頭中的傳播，且由此延長了複合產品的工作壽命。也就是說，角度和得到的熱影響區的形狀將邊界與點焊接頭中的最小能量釋放和應カ強度的方向對齊，以最小化裂紋生長速度和最大化點焊接頭的疲勞壽命。由此，角度沿著熱影響區的邊界偏斜和傳播搭接界面處發源的任意裂紋，且由此最小化複合產品的裂紋生長速度。由此，複合產品適用於需要優秀拉伸強度、疲勞強度和疲勞壽命但是不伴隨著增加鋼基板的厚度的應用。當結合附圖時，從下面的用於執行如所附權利要求限定的本公開的ー些最佳方式和其它實施例的具體描述可容易地明白本公開的上述特徵和優點，以及其它特徵和優點。


圖I是包括通過點焊接頭結合到第一鋼基板的第二鋼基板的複合產品的示意性橫截面視圖；圖2是圖I的複合產品的另ー變式的示意性立體橫截面視圖；以及
圖3是圖I和2的複合產品的第一鋼基板和第二鋼基板的一部分的放大微結構視圖。
具體實施例方式參考附圖，其中相同的參考標號指示相同的部件，複合產品大致示出在圖I中10處。如下文更詳細地描述，複合產品10可以用於需要通過點焊接頭16結合到第二鋼基板14的第一鋼基板12具有最大疲勞壽命的應用。例如，複合產品10可以被用於需要焊接部件的機動車應用。然而，複合產品10還可以被用於非機動車應用，譬如，但並不局限幹，航空、鐵路和建築應用。如圖I所不，複合產品10包括第一鋼基板12。第一鋼基板12可以由用於複合產品10的期望應用的任意適當的鋼形成。例如，第一鋼基板12可以由這樣的鋼形成，譬如但並不局限於低碳鋼；高強度低合金(HSLA)鋼(包括鐵素體和鈦、釩和/或鈮的碳化物和/或氮化物析出)；先進高強度鋼(AHSS);及其組合。特別地，第一鋼基板12可以由適當改進的高強度鋼形成，包括但並不局限於，包括鐵素體和馬氏體的雙相(DP)鋼；包括鐵素體和馬氏體和/或貝氏體的相變誘導塑性(TRIP)鋼；包括鐵素體、馬氏體、貝氏體以及鈦、釩和/或鈮的碳化物和/或氮化物析出的混合相(CP)鋼；馬氏體鋼；及其組合。再次參考圖1，第一鋼基板12可以具有第一厚度18，其根據複合產品10的期望應用選擇。例如，第一厚度18可以從約0. 5mm到約6_。特別地,對於機動車應用,第一鋼基板12的第一厚度18可以從約Imm到約3mm。還如圖I所示，複合產品10還包括第二鋼基板14。第二鋼基板14也可以由根據複合產品10的期望應用的任意適當的鋼形成。例如，對於包括強度和耐用性的應用，第二鋼基板14也可以由這樣的鋼形成，譬如但並不局限於低碳鋼；高強度低合金(HSLA)鋼(包括鐵素體和鈦、釩和/或鈮的碳化物和/或氮化物析出)；先進高強度鋼(AHSS);及其組合。特別地，第二鋼基板14可以由適當的先進高強度鋼形成，包括但並不局限於，包括鐵素體和馬氏體的雙相(DP)鋼；包括鐵素體和馬氏體和/或貝氏體的相變誘導塑性(TRIP)鋼；包括鐵素體、馬氏體、貝氏體以及鈦、釩和/或鈮的碳化物和/或氮化物析出的混合相(CP)鋼；馬氏體鋼；及其組合。由此，複合產品10的第一鋼基板12和第二鋼基板14中的至少ー個可以由先進高強度鋼形成。然而，第一鋼基板12和第二鋼基板14可以由相同或不同的鋼形成。再次參考圖1，第二鋼基板14可以具有第二厚度20，其不同於第一鋼基板12的第一厚度18。例如，第二厚度20可以大於第一厚度18。替代地，第一厚度18和第二厚度20可以大致相同。例如，第二厚度20也可以從約0. 5_到約6_。特別地，對於機動車應用，第二厚度20可以為從約Imm到約3mm。如圖I和2所示，第二鋼基板14被布置為與第一鋼基板12接觸以限定其間的搭接界面22。例如，第一鋼基板12可以與第二鋼基板14對準(圖2)或偏離開(圖1)，以便於在搭接界面22處接觸第二鋼基板14。第一鋼基板12和第二鋼基板14可以以搭接剪切配置(即如圖I所示的重疊配置)在搭接界面22處彼此面對和接觸。再次參考圖1，複合產品10還包括點焊接頭16，其在搭接界面22處滲入第一鋼基板12和第二鋼基板14以由此將第二鋼基板14結合到第一鋼基板12。點焊接頭16可以通過諸如電阻點焊這樣的焊接操作來形成。作為大致說明，焊接操作可以包括使第一鋼基板12和第二鋼基板14接觸在第一電極(未示出)和第二電極(未示出)之間，以便於將第一鋼基板12和第二鋼基板14布置為與第一電極和第二電極姆一個處於導電關係中。焊接操作於是可以包括通過第一電極施加電流以熔化搭接界面22並在第一鋼基板12和第二鋼基板14之間形成點焊接頭16，以由此形成複合產品10。如圖2最佳地所示，得到的點焊接頭16當俯視時可以具有大致圓形形狀，且在截面中觀察時為橢圓形或「跑道」形。在另一示例中，儘管未示出，得到的點焊接頭16可以具有當在截面中觀察時的沙漏形狀。在搭接界面22處點焊接頭16的直徑24可以大致等於兩個鋼基板12，14的較薄的一個厚度18，20的平方根的四倍。例如，如上所述，第二厚度20可以大於第一厚度18，由此在搭接界面22處點焊接頭16的直徑24可以大致等於第一鋼基板12的第一厚度18的平方根的四倍。 相似地，對於第一厚度18大於第二厚度20的應用中，在搭接界面22處點焊接頭16的直徑24可以大致等於第二鋼基板14的第二厚度20的平方根的四倍。特別地，對於機動車應用，點焊接頭16的直徑24可以從約4mm到約8mm。如圖I和2所示，第一鋼基板12和第二鋼基板14每ー個還可以具有與搭接界面22相反且間隔開的第二表面26，其並沒有被點焊接頭16滲入。也就是說，點焊接頭16可以在搭接界面22處被布置在第一鋼基板12和第二鋼基板14的每ー個中，但是可以不滲入第一鋼基板12和第二鋼基板14的每ー個的外部第二表面26。例如，點焊接頭16從搭接界面22在第一鋼基板12和第二鋼基板14的每ー個中的滲入可以分別不超過第一厚度18和第二厚度20的任ー個的90 %，以便於最小化和/或防止焊接表面裂紋並且延長第一電極(未示出)和第二電極(未示出)的工作壽命。更特別地，點焊接頭16可以不超過第一厚度18和第二厚度20中任ー個的50%，以便於優化地最小化焊接裂紋和最大化電極操作壽命。現在參考圖1-3，第一鋼基板12包括鄰近點焊接頭16的熱影響區28。如本文中使用，術語「熱影響區28」指示具有通過暴露到熱量(例如在前述焊接操作期間產生的熱量)而改變的微觀結構的第一鋼基板12的區域。也就是說，熱影響區28可以由於第一鋼基板12的熱累積和隨後的冷卻而形成在第一鋼基板12中。如圖3所示，熱影響區28可以包括在點焊接頭16和第一鋼基板12未受熱量影響的其餘部分之間的第一鋼基板12的區域。換句話說，熱影響區28可以包括鄰近點焊接頭16的柱狀晶30的第一鋼基板12的區域。特別地，熱影響區28可以包括加熱時形成粗晶奧氏體32和細晶奧氏體34的區域，且可以包括部分轉變為奧氏體(未示出)和/或退火鋼基(annealed base steel)(未示出)的鋼。由此，再次參考圖1，熱影響區28鄰近第一鋼基板12中的點焊接頭16，且具有邊界40。邊界40可以限定在第一鋼基板12中在細晶鋼(例如圖3中的細晶奧氏體34)和粗晶鋼(例如圖3中的粗晶奧氏體32)之間的過渡。此外，邊界40可以從搭接界面22延伸。例如，如圖I所示，邊界40可以鄰接並源自搭接界面22處，並且延伸穿過第一鋼基板12到第一鋼基板12的外部第二表面26。邊界40和搭接界面22的相交部(在圖I中由點A和C表示)可以被稱為缺ロ跟部，且可以指示在搭接界面22處裂紋形成和傳播的起始點。繼續參考圖1，邊界40和搭接界面22在它們之間限定大於約75°的角度42。此夕卜，角度42可以小於或等於約170°，從而邊界40並不平行於搭接界面22。例如，在邊界40和搭接界面22之間的角度42可以從約80°到約120°。不期望受到理論約束，角度42和得到的熱影響區28的形狀延緩了裂紋在點焊接頭16中的傳播，且由此延長了複合產品10的工作壽命。也就是說，角度42和得到的熱影響區28的形狀將邊界40與點焊接頭16中的最小能量釋放和應カ強度的方向對齊， 以便於最小化裂紋生長速度和最大化點焊接頭16的疲勞壽命。換句話說，角度42沿著熱影響區28的邊界40偏斜和傳播搭接界面22處發源的任意裂紋，且由此最小化複合產品10的裂紋生長速度。由此，如下文更詳細地描述，複合產品10具有優異的拉伸強度和疲勞強度而不需要増加的第一鋼基板12的第一厚度18。如本文中使用的，術語「拉伸強度」指複合產品10可以承受而不被撕裂的最大拉伸應力，例如沿著圖I中箭頭50的方向縱向地施加。且，術語「疲勞強度」指複合產品10可以承受特定循環次數而不會撕裂的最大應力，其中該應力在每ー個循環中被完全反向。如圖2最佳地所示，可預見點焊接頭16可以具有不同於熱影響區28的形狀。替代地，儘管未示出，熱影響區28可以關於點焊接頭16對稱，且具有大致沙漏的形狀。再次參考圖1，在另ー變式中，複合產品10的第二鋼基板14具有鄰近點焊接頭16的第二熱影響區44。如本文中使用，術語「第二熱影響區44」指示具有通過暴露到熱量(例如在前述焊接操作期間產生的熱量)而改變的微觀結構的第二鋼基板14的區域。也就是說，第二熱影響區44可以由於第二鋼基板14的熱累積和隨後的冷卻而形成在第二鋼基板14中。如圖3所示，第二熱影響區44可以包括在點焊接頭16和第二鋼基板14未受熱量影響的其餘部分之間的第二鋼基板14的區域。換句話說，第二熱影響區44可以包括鄰近點焊接頭16的柱狀晶30的第二鋼基板14的區域。更特別地，第二熱影響區44可以包括加熱時形成粗晶奧氏體32和細晶奧氏體34的區域，且可以包括部分轉變為奧氏體(未示出)和/或退火鋼基(未示出)的鋼。再次參考圖1，第二熱影響區44鄰近第二鋼基板14中的點焊接頭16，且具有第二邊界46。第二邊界46可以，例如，限定在第二鋼基板14中在細晶鋼(例如圖3中的細晶奧氏體34)和粗晶鋼(例如圖3中的粗晶奧氏體35)之間的過渡。由此，如圖I所示，熱影響區28的邊界40和第二熱影響區44的第二邊界46的每ー個可以分別限定第一鋼基板12和第二鋼基板14在細晶鋼和粗晶鋼之間的過渡。此外，第二邊界46可以從搭接界面22延伸。例如，如圖I所示，第二邊界46可以鄰接並源自搭接界面22處，並且延伸穿過第二鋼基板14到第二鋼基板14的外部第二表面26。例如，第二邊界46可以和邊界40以及搭接界面22在圖I中點A和C處(即缺ロ跟部處)相交。由此，第一熱影響區28的邊界40和第二熱影響區44的第二邊界46的每ー個可以從複合產品10的搭接界面22處延伸。再次參考圖1，第二邊界46和搭接界面22在它們之間限定大於約75°的第二角度48。而且，第二角度48可以小於或等於約170°，從而第二邊界46並不平行於搭接界面22。例如，在第二邊界46和搭接界面22之間的第二角度48可以為從約80°到約120°。由此，如圖I所示，角度42和第二角度48每ー個都可以為從約80°到約120°。此外，第二角度48可以與角度42相同或不同，取決於點焊接頭16的形成和直徑24 (圖2)。例如，角度42可以小於約10°的幅度不同於第二角度48。由此，如圖2所示，點焊接頭16可以具有亦不同於第二熱影響區44的形狀。替代地，儘管未示出，第二熱影響區44可以關於點焊接頭16對稱。無論如何，如圖I和2所示，熱影響區28和第二熱影響區44可以組合以形成實質的沙漏形狀。
同樣不期望受到理論約束，第二角度48和得到的第二熱影響區44的形狀延緩了裂紋在點焊接頭16中的傳播，且由此延長了複合產品10的工作壽命。也就是說，第二角度48和得到的第二熱影響區44的形狀將第二邊界46與點焊接頭16中的最小能量釋放和應力強度的方向對齊以便於最小化裂紋生長速度和最大化點焊接頭16的疲勞壽命。換句話說，第二角度48沿著第二熱影響區44的第二邊界46偏斜和傳播搭接界面22處發源的任意裂紋。由此，複合產品10具有優良的拉伸強度和疲勞強度而不需要増加的第二鋼基板14的第二厚度20。組合的熱影響區28和第二熱影響區44的沙漏形狀提供了與在缺ロ跟部具有小於或等於約75°的角度(未示出)的複合產品相比延長了複合產品10的疲勞壽命的裂紋傳播路徑。在參考圖I和2所示的ー個特定變式中，複合產品10包括由先進高強度鋼形成的第一鋼基板12、由先進高強度鋼形成且布置為與第一鋼基板12接觸以在它們之間限定搭接界面22的第二鋼基板14、以及在搭接界面22處滲入第一鋼基板12和第二鋼基板14以由此將第二鋼基板14結合到第一鋼基板12的點焊接頭16。第一鋼基板12限定了臨近點焊接頭16的熱影響區28，其具有延伸自搭接界面22的邊界40，其中邊界40和搭接界面22限定它們之間從約80°到約120°的角度42。此外，第二鋼基板14限定了臨近點焊接頭16的第二熱影響區44，其具有延伸自搭接界面22的第二邊界46，其中第二邊界46和搭接界面22限定它們之間從約80°到約120°的第二角度48，從而熱影響區28和第二熱影響區44組合以形成實質的沙漏形狀。由於角度42和第二角度48各自分別將邊界40和第二邊界46沿著點焊接頭16中最小能量釋放和應カ強度方向對齊，點焊接頭16具有優良的疲勞壽命，即複合產品10可以承受而不會被撕裂和/或不具有不可接受的點焊接頭16的拉伸強度的降低的應カ循環次數。例如，點焊接頭16在經受施加到第一鋼基板12和第二鋼基板14每ー個約12001bs/循環的循環拉伸剪切負荷(由圖I中箭頭50所示)時可以具有高至約100，000次循環的疲勞壽命，且在經受施加到第一鋼基板12和第二鋼基板14每ー個約6001bs/循環的循環拉伸剪切負荷(箭頭50)時可以具有高至約7，000，000次循環的疲勞壽命，其中施加的最小拉伸剪切負荷與施加的最大拉伸剪切負荷之比(R)約為0. I。此外，點焊接頭16在經受施加到第一鋼基板12和第二鋼基板14每ー個約SOOlbs/循環的循環拉伸剪切負荷(箭頭50)時可以具有高至約700，000次循環的疲勞壽命，其中R為約0. I。在該示例中，第一鋼基板12和第二鋼基板14每ー個都可以由DP600 (雙相)鋼形成，且第一厚度18和第二厚度20的各自可以為約I. 6mm。儘管未示出，複合產品10還可以包括附加鋼基板，例如夾在第一鋼基板12和第二鋼基板14之間的第三鋼基板，以限定多個搭接界面22。對於該變式，第一鋼基板12、第二鋼基板14和第三鋼基板(未示出)每ー個都可以由相同的鋼材形成。此外，角度42和第ニ角度48每ー個都可以大於約75°，例如從約80°到約120°，從而在點焊接頭16處的裂紋傳播被最小化以最大化複合產品10的疲勞壽命。複合產品10展示優異的高周疲勞壽命。也就是說,複合產品10被優化為承受施加到第一鋼基板12和第二鋼基板14的每ー個的拉伸剪切負荷的高數量循環，例如高至數以百萬次計的循環。更特別地，在熱影響區28和搭接界面22之間的角度42延緩了裂紋在點焊接頭16中的傳播，且由此延長了複合產品10的工作壽命。也就是說，角度42和得到的熱影響區28的形狀將邊界40與點焊接頭16中的最小能量釋放和應カ強度的方向對齊以最小化裂紋生長速度和最大化點焊接頭16的疲勞壽命。由此，角度42沿著熱影響區28的邊界40偏斜和傳播搭接界面22處發源的任意裂紋。由此，複合產品10適用於需要優秀的拉伸強度、疲勞強度和疲勞壽命但是不増加第一鋼基板12和第二鋼基板14的厚度18，20的應用。雖然用於執行本公開的最佳方式已經被詳細描述，與本公開相關的本領域技術人 員應認識到在所附的權利要求的範圍內的執行本公開的各種替換設計和實施例。
權利要求
1.ー種複合產品，包括 第一鋼基板； 第二鋼基板，布置為與所述第一鋼基板接觸以在它們之間限定搭接界面；以及點焊接頭，在所述搭接界面處滲入所述第一鋼基板和所述第二鋼基板以由此結合所述第二鋼基板到所述第一鋼基板，其中所述第一鋼基板在所述點焊接頭附近具有帶邊界的熱影響區，其中所述邊界和所述搭接界面在它們之間限定大於約75°的角度。
2.如權利要求I所述的複合產品，其中在所述邊界和所述搭接界面之間的角度為從約80° 到約 120°。
3.如權利要求2所述的複合產品，其中所述邊界從所述搭接界面延伸。
4.如權利要求I所述的複合產品，其中所述邊界限定所述第一鋼基板中在細晶鋼和粗 晶鋼之間的過渡。
5.如權利要求I所述的複合產品，其中所述第一鋼基板和所述第二鋼基板各自具有與所述搭接界面相反且間隔開的第二表面，所述第二表面未被所述點焊接頭所滲入。
6.如權利要求I所述的複合產品，其中所述第一鋼基板具有第一厚度，所述第二鋼基板具有不同於所述第一厚度的第二厚度。
7.ー種複合產品，包括 第一鋼基板； 第二鋼基板，布置為與所述第一鋼基板接觸以在它們之間限定搭接界面；以及點焊接頭，在所述搭接界面處滲入所述第一鋼基板和所述第二鋼基板以由此結合所述第二鋼基板到所述第一鋼基板； 其中所述第一鋼基板在所述點焊接頭附近具有帶邊界的熱影響區，其中所述邊界和所述搭接界面在它們之間限定大於約75°的角度； 其中所述第二鋼基板在所述點焊接頭附近具有帶第二邊界的第二熱影響區，其中所述第二邊界和所述搭接界面在它們之間限定大於約75°的第二角度。
8.如權利要求7所述的複合產品，其中所述角度和所述第二角度的每ー個為從約80°到約120°。
9.如權利要求8所述的複合產品，其中所述角度以小於約10°的幅度不同於所述第二角度。
10.如權利要求7所述的複合產品，其中所述熱影響區和所述第二熱影響區組合以形成實質的沙漏形狀。
全文摘要
一種複合產品，包括第一鋼基板；第二鋼基板，布置為與所述第一鋼基板接觸以在它們之間限定搭接界面；以及點焊接頭，在所述搭接界面處滲入所述第一鋼基板和所述第二鋼基板以由此結合所述第二鋼基板到所述第一鋼基板。第一鋼基板在點焊接頭附近具有帶邊界的熱影響區，其中邊界和搭接界面在它們之間限定大於約75°的角度。
文檔編號B23K11/11GK102653037SQ201210052599
公開日2012年9月5日 申請日期2012年3月2日 優先權日2011年3月3日
發明者D.R.西格勒, S.K.瓦尼米塞蒂 申請人:通用汽車環球科技運作有限責任公司