CN101081456A - 电阻点焊电极延寿装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电阻点焊电极延寿装置，属于电阻点焊技术领域。该装置包括上移动支架(6)，上支架(5)，上移动支架(6)与上支架(5)之间为活动连接；下支架(16)和下移动支架(12)，它们之间也为活动连接；上主轴(3)和下主轴(18)；分别装在上下主轴(3、18)与上下支架(5、16)之间的弹簧；弧形上飞轮(9)和下飞轮(19)；上棘轮机构(1)和下棘轮机构(13)；分别位于上下飞轮(9，19)上的铜片；上连杆机构和下连杆机构；上挂钩机构和下挂钩机构。本发明的优点为：减少合金化、磨损，坑蚀和热疲劳等，提高电极寿命。

Description

电阻点焊电极延寿装置

技术领域

本发明电阻点焊技术领域，具体涉及电阻点焊电极延寿装置。

背景技术

众所周知，在现代航空、汽车和家电等行业中，防锈能力较好、使用寿命高的镀锌钢板和铝合金板的应用日益增多。由于大量采用薄板结构(如汽车车身等，厚度0.05-6mm)，焊接时一般采用点焊工艺来获得良好的焊接质量。点焊过程中，点焊电极的主要功能是传输电流、加压和散热，点焊时的焊接电流常高达数千至数万安，电极压力可达几百兆帕，电极头部直径一般是随电极使用时间的增加而增加，电极头部直径的增加会导致点焊时电流密度下降而使形成的焊点直径减小(或强度下降)，如在大量使用电阻点焊的汽车行业，一般情况下汽车车身需焊接5000-6000点，但现有的点焊电极一次只能焊500点左右，频繁的整修和更换电极降低了生产效率，提高了生产成本，同时也使得焊点质量不一致，所以迫切需要研究一种性能较好、寿命较长的新型的点焊电极。因此，电极寿命也是衡量其点焊质量和焊接性的重要指标之一。

点焊电极工作条件恶劣，尤其是焊接镀锌钢板和铝合金点焊时，和无镀层钢板焊接规范相比，一般情况下焊接电流增加30％，焊接压力增加10-30％，电极的失效形式主要有塑性变形、合金化、磨损(wear)、坑蚀、再结晶、热冲击和热疲劳等，这些都是长时间的高温和压力共同作用的结果。

人们主要从以下三方面提高点焊电极的寿命。一是研究新型的点焊电极材料；二是选择焊接性好的焊接材料(镀锌钢板和铝合金)；三是改进点焊工艺和设备。为了提高镀锌等涂层钢板和铝合金、镁合金等轻金属电阻点焊的电极寿命，人们针对电极点焊行为和新型的电极材料开展了深入的研究。电极点焊行为的研究主要集中在现有的电极材料和涂层钢板和铝合金、镁合金等轻金属之间的相互作用的研究。目前对电极的研究都是从电极本身着手，都是提高电极材料本身的寿命，并未从根本上解决电极损耗的问题。

发明内容

在此我们提出一种新的方法来消除电极损耗，即采用在电极与工件之间添加垫层，由垫层和工件接触而替代电极与工件之间的损耗，通过棘轮分度装置带动垫层运动，在垫层未完全损耗、影响点焊质量时移动位置，实现电极微损耗，保护点焊电极长寿。

本发明的目的在于提供一种电阻点焊电极延寿装置，以该装置进行镀锌钢板和铝合金点焊时，电极寿命得到大幅度提高。

一种电阻电焊电极延寿装置，包括：

与上电极7固定连接的上移动支架6，与焊机固定连接的上支架5，上移动支架6与上支架5之间为活动连接；

与下电极17固定连接的下支架16；与下支架16活动连接的下移动支架12；

分别位于上下支架5、16上，可沿上下电极7、17轴向在上下支架内移动的上主轴3和下主轴18，轴线延长线与上下电极7、17轴线延长线垂直相交；上下主轴3、18与上下支架5、16之间分别装有一弹簧；

分别位于上下电极7、17与上下支架5、16之间的圆弧形上飞轮9和下飞轮19，上下飞轮9、19分别与对应的上下主轴3、18的一端固定连接；

分别与上下主轴3、18另一端连接的上棘轮机构1和下棘轮机构13；

分别位于上下飞轮9，19上的铜片；

上连杆机构，一个杆件与上主轴固定连接，另一杆件活动连接于固定在上支架上且位于上棘轮机构旁的轴上；

下连杆机构，一个杆件与下主轴固定连接，另一杆件活动连接于固定在下支架上且位于下棘轮机构旁的轴上；

分别与上下连杆机构杆件铰接轴活动连接的上下挂钩装置；挂钩装置通过扭簧压在棘轮机构上；当上下主轴3、18运动时，连杆机构可以实现拉伸和收缩的运动。

上述上支架5一端对称地开有两个矩形槽，矩形槽内各自固定一个弹簧柱21、22，在弹簧柱上套有弹簧；上述上移动支架6与上支架5垂直插接，并且可以沿弹簧柱21、22上下滑动。

上述下支架16的上端开有一个矩形槽24，矩形槽24内固定有弹簧；上述下移动支架12与下支架16垂直插接，并且可以沿矩形槽24内的弹簧上下滑动。

上述上下棘轮机构1、13包括：一个执行棘轮，与主轴固定连接，能够带动另一端飞轮的转动；包含至少一个调整棘轮的调整棘轮组，调整棘轮组与执行棘轮的外形和齿形基本相同，但每个调整棘轮还包括一个或若干对称分布的齿形较深的轮齿。

上述执行棘轮组和调整棘轮齿数优选为100，上述调整棘轮组可以包含：带有1个齿形较深的棘轮，对称分布有2个齿形较深轮齿的棘轮，对称分布有4个齿形较深轮齿的棘轮，对称分布有5个齿形较深轮齿的棘轮。

上述挂钩装置15主要由挂钩10和固定架11组成，挂钩10固定在挂钩架11上，挂钩架11通过轴与连杆机构的两个杆件相连；通过固定架11上扭簧的弹力使挂钩10时刻压在棘轮的轮齿上。

上述圆弧形上飞轮9和下飞轮19优选120度的飞轮。

上述铜片材质优选紫铜；铜片厚度可以在0.8-2.0毫米之间，优选1.2-1.6毫米厚度的紫铜。

本发明相对于现有技术其优点为：减少合金化、磨损，坑蚀和热疲劳等，提高电极寿命。

附图说明

图1本发明与上电极相连部分装配图；

图2从图1后部看到的本发明与上电极相连部分装配图；

图3本发明与下电极相连部分装配图；

图4上支架零件图；

图5下支架零件图和下移动支架零件图；

图6连杆机构；

图7挂钩装置；

图8棘轮机构；图中，(a)所示的为执行棘轮；(b)所示的为可打100点的调整棘轮；(c)所示的为可打50点的调整棘轮；(d)所示的为可打25点的调整棘轮；(e)所示的为可打20点的调整棘轮；(f)所示的为垫片；

图91.4毫米紫铜片点焊实验后表面照片对比图；(a)所示的为未进行焊接时铜片表面情况；(b)所示的为点焊焊接到20点时工件一侧铜片表面情况；(c)所示的为点焊焊接到40点时工件一侧铜片表面情况；(d)所示的为点焊焊接到70点时工件一侧铜片表面情况；(e)所示的为点焊焊接到90点时工件一侧铜片表面情况；(f)所示的为点焊焊接到124点时工件一侧铜片表面情况；

图10点焊焊接到124点时电极一侧铜片表面情况；

图11点焊焊接到124后电极磨损情况；

具体实施方式

下面分三部分介绍。即装置的机械结构，运动过程和铜片的选择。

(一)机械结构

本装置与上下电极对应地分为两部分，即与上电极连接部分和与下电极连接部分。

上电极部分：

对照图1、图2和图4，与上电极相连部分包括：与上电极7固定连接的上移动支架6，与焊机固定连接的上支架5，上移动支架6与上支架5之间为活动连接，上支架5远离工件一端对称地开有两个矩形槽，矩形槽内各自固定一个弹簧柱21、22，在弹簧柱上套有弹簧；矩形槽的深度和弹簧柱的长度由上电极7的行程决定；上述上移动支架6与上支架5垂直插接，并且可以沿弹簧柱21、22上下滑动；上支架上面的矩形槽开口端上通过螺栓固定一端盖(图中为标出端盖)，端盖与焊机固定连接，端盖同时起到连接上支架5与上移动支架6的作用。

分别位于上支架5上，可沿上电极7轴向在上支架内移动的上主轴3，轴线延长线与上电极7轴线延长线垂直相交；上主轴3与上支架5之间分别装有一弹簧；上主轴3穿过孔23，被固定在孔23内的弹簧托在上面，上主轴3两端分别连接了上飞轮和上棘轮机构，当棘轮装置转动一个角度时，飞轮会由上主轴3带动转动同样的角度；上移动支架5与上电极7相连，并插在弹簧柱21，22上面并由套在21，22上面的弹簧顶在上面。

位于上电极7与上支架5之间的120度圆弧形上飞轮9，上飞轮9与对应的上主轴3的一端固定连接；

对照图6、图7和图8的上棘轮机构，与上主轴3另一端连接的上棘轮机构1，此机构包括五个棘轮和五个垫片，每个棘轮一周是100个轮齿，但各个轮的轮齿又不全一样，图8(a)里的100个轮齿都一样，都有一样的齿深，是执行轮，即只有它才能带动另一端的飞轮转动，图8(b)100个轮齿里有一个齿与其它的轮齿有所不同，可以从图中看出这一个齿的齿深比其它的齿要深一些，图8(c)里一周的100个轮齿中有2个齿深较深的轮齿，图8(d)、(e)里分别有4个和5个齿深较深的轮齿。正因为这些不同，可以组合出不同的棘轮配合，使得电极的打点数多样化，本装置在棘轮转一周时可以使电极打出100，50，25，20等四种不同的点数。根据实际情况的需要选择不同的棘轮以及不同的棘轮组合，实现不同的打点数。如图9(f)所示，有五个垫片分别放在各个棘轮的中间，作用是使各个棘轮独立运动，互不干扰。

对照图6中的上连杆机构，包括：一个杆件26与上主轴3固定连接，另一杆件27活动连接于固定在上支架上且位于上棘轮机构旁的轴2上；

对照图7中的上挂钩装置15，上述挂钩装置15主要由挂钩10和固定架11组成，挂钩10固定在挂钩架11上，挂钩架11通过轴与连杆机构的两个杆件相连；通过固定架11上扭簧的弹力使挂钩10时刻压在棘轮的轮齿上。

下电极部分：

下电极部分包括：下支架16、下主轴18、120度圆弧形下飞轮19、下棘轮机构13、下连杆机构、下挂钩装置。下电极部分除了下支架16和下移动支架12与上电极部分的上移动支架5和上支架6不同外，其余部分的构造完全相同，只是空间位置方向与上电极部分相对而已。

对照图3和图5，在下支架部分，主轴18穿过孔25，被固定在孔25内的弹簧托在上面，主轴18两端分别连接了下飞轮和下棘轮机构，运动时的情况和上支架的情况一样；下移动支架12由固定在24里的弹簧托在上面，下电极与下支架16相连。下移动支架12与下支架16之间为活动连接，下支架16的上端开有一个矩形槽24，矩形槽内固定有弹簧；矩形槽的深度和弹簧的长度与电极的行程有关；上述下移动支架12与下支架16垂直插接，并且可以沿矩形槽24内的弹簧上下滑动。

(二)运动过程：

对照如图1和2，当上电极7向下运动时，带动上上移动支架5向下运动，当与上主轴3接触后继续向下运动，这时上主轴3下方的弹簧处于压缩状态。当上主轴3向下运动时，连杆机构开始起作用，杆件26和上棘轮机构一起向下运动，这时上挂钩装置上的挂钩10被迫从它插入的轮齿中移出，当主轴的向下运动停止时，挂钩10刚好移动到下一个轮齿的缝隙里，而当电极打完点后回收时，上主轴由弹簧的弹力向上运动，这时上棘轮机构也向上运动，而挂钩10正好卡在下一个的缝隙里，所以它将推动棘轮沿圆周方向移动一个轮齿的距离，这样棘轮才能回到原始的位置。

对照图3，下电极部分在运动时和上电极部分相似，只是这时下电极是不动的，主轴18做先向下而后向上的运动，其向下的力是由上电极向下运动时带来的，当与上电极接触的铜片接触工件并继续向下运动时，与工件相连的上移动支架B？会带动主轴18向下运动，而向上运动时和上支架的运动相同，另外棘轮机构和连杆机构的运动和上支架部分的相同。

在上面的棘轮机构介绍中已经说明了它可以打四种不同的点，这里以100点为例，对照图7和图8，这时棘轮机构由图8(a)所示的执行棘轮和图8(b)、(c)(d)(e)所示的调整棘轮组构成，每个调整棘轮上有一个或对称分布的多个较深的齿，只有当挂钩中较长的钩遇到那个深齿时，挂钩中较短的齿才能伸进棘轮1的轮齿中，并带动棘轮1沿圆周运动，也就是说调整棘轮组中不同的棘轮与执行棘轮配合会变化出不同的打点数。当图8(b)所示的调整棘轮与执行棘轮组合时，调整棘轮每转动一周才能带动执行棘轮转动一个齿，因此，在电极打点时体现为电极每打100点飞轮上的铜片才移动一个较小的距离；当图8(c)所示的调整棘轮与执行棘轮组合时，调整棘轮每转动半周才能带动执行棘轮转动一个齿，因此，在电极打点时体现为电极每打50点飞轮上的铜片才移动一个较小的距离；当图8(d)所示的调整棘轮与执行棘轮组合时，调整棘轮每转动四分之一周才能带动执行棘轮转动一个齿，因此，在电极打点时体现为电极每打25点飞轮上的铜片才移动一个较小的距离；当图8(e)所示的调整棘轮与执行棘轮组合时，调整棘轮每转动五分之一周才能带动执行棘轮转动一个齿，因此，在电极打点时体现为电极每打20点飞轮上的铜片就移动一个较小的距离。

(三)铜片的选择及相关问题

本发明在电极与工件间加一片金属，以消耗金属片来代替电极的损耗。对于这个金属的选择，采用与电极不反应的以及导电导热性能好的铜或铜合金。因此本设计通过几项实验来找出所加的金属片的材质是铜还是某种铜合金，以及这种金属片在不影响焊接质量的条件下合适的厚度。

本设计主要进行两个实验，第一个是进行铜片的选择，第二个是对选择好的铜片进行厚度选择.对于铜片的选择，首先选择市面上比较常见的紫铜，磷铜，黄铜进行比较。

垫紫铜片的铝板焊接接质量较好，且不与电极反生反应；垫磷铜片的铝板焊接质量不好，且很多未焊透；垫黄铜片的铝板焊接质量最不好，且会与电极反生反应，会与电极焊在一起。

分析：

(1)磷铜的电阻过大在点焊过程中吸收电极的大量热量，使工件得不到足够热量进行焊接而出现未焊透现象。

(2)黄铜的熔点过低比LF2铝板。在焊接时，电极提供的热量使得黄铜先于铝板熔化，造成黄铜分别与铝板、电极发生粘合现象，这样就达不到保护电极的目的。

由于垫紫铜焊接质量比较好，且不与电极反应，这就能使电极完全不受损耗，达到了我们保护电极，使电极零损耗的目的.所以我们选择在工件和电极之间填紫铜片.

铜片厚度的选择

本次设计主要进行了0.8mm，1.2mm，1.6mm，2.0mm厚度紫铜片进行点焊试验，焊件材料使用型号为LF2的铝合金板，尺寸均为：20mm×10mm×1.0mm。

我们发现垫0.8mm厚度的紫铜片，在电流需达到14KA才能使铝板焊接的比较牢固。其飞溅比较少，且铝板也被焊接的比较牢固，但是它只能焊到35-40点，铜片由于多次被电极击打和靠近工件的表面发生铜铝合金化而变薄，从而最终穿孔。所以达不到我们要求的在铜片同一地方焊接100点左右仍能保护电极。

垫1.2mm厚度的紫铜片，在电流需达到16KA才能使铝板焊接的比较牢固。在前60点，飞溅比较少，铝板与铜片粘着力也比较小，基本能靠手轻轻掰下来。

60点后，飞溅增多，铝板与铜片粘着力也比较大，但是对于铝板与铜片粘着力也比较大，这个问题我们设想通过在铜片表面涂以某种化学物质(金属减磨剂等)能给以大大减轻粘连。这个厚度的紫铜能焊到85-95点才发生穿孔，比较理想。

垫1.6mm厚度的紫铜片，在电流达到18KA才能使铝板焊接的比较牢固。在前60点，飞溅比较少，铝板与铜片粘着力也比较小，基本能靠手轻轻掰下来。60点后，飞溅增多，铝板与铜片粘着力也比较大，偶尔会出现为焊透的现象。这个厚度的紫铜能焊到100-110点才发生穿孔，比较理想。

垫2.0mm厚度的紫铜片，在电流达到20KA才能使铝板焊接的比较牢固，是由于铜片过厚，焊接过程中吸收大量的热量，使使铝板吸收热量不够，焊接不是很牢固，成型不过充分。而且刚焊接到10点，铜片就与铝板粘着比较厉害，焊到30多点时，需要较大的力才能将铝板从铜片上掰下来。还有就是飞溅比较严重，出现的未焊透的现象也比较多。所以不太理想。

由以上实验，我们认为在紫铜片厚度为1.2mm-1.6mm时，焊接材料为LF2的铝合金板，尺寸均为：20mm×10mm×1.0mm，能够达到100点的要求，且焊接也比较理想，是我们的选择。

在此，我们也进行了1.4mm厚度的紫铜片进行实验，焊接材料仍为LF2的铝合金板，尺寸均为：20mm×10mm×1.0mm，并且拍下紫铜片在连续焊下若干点时的表面变化，以及电极在实验结束时的变化。见图9、图10、图11。

从图9中(a)～(f)分别为：(a)未进行焊接时铜片表面情况，(b)点焊焊接到20点时铜片表面情况，(c)点焊焊接到40点时铜片表面情况，(d)点焊焊接到70点时铜片表面情况，(e)点焊焊接到90点时铜片表面情况，(f)点焊焊接到124点时铜片表面情况。可以看出，20点时，铜片上只粘非常少量的铝，薄薄的一层，类似直径为3.5mm的圆，到40点时，粘铝增加，但增加不是很多，只是粘铝的范围增加到类似直径为5.0mm的圆，到70点时粘铝的厚度增加比较明显，明显有突起的部分，但范围增加的不是很多，到90点时粘铝厚度继续增多，到124点时出现穿孔，此时也粘上大量铝，直径在6.0mm左右。

从图10可以看出，在靠近电极一面的铜片，几乎很少的铝存在，没有和电极发生任何反应，表面状况良好。

从图11可以看出，电极头除了对铜片有少许物理摩擦时产生的划痕和实验最后阶段铜片被焊穿时电极粘上了少许铝以外，电极几乎没有损坏的情况。所以说应该达到我们所设想的电极零损耗的目的。

以上具体实施方式仅仅为了说明而非限定本发明。实际上，只要符合发明内容部分描述的条件，都可以实现本发明。因此，本发明保护范围仍以权利要求书为准。

Claims (10)

1、一种电阻电焊电极延寿装置，包括：

与上电极(7)固定连接的上移动支架(6)，与焊机固定连接的上支架(5)，上移动支架(6)与上支架(5)之间为活动连接；

与下电极(17)固定连接的下支架(16)，与下支架(16)活动连接的下移动支架(12)；

分别位于上下支架(5、16)上，可沿上下电极(7、17)轴向在上下支架内移动的上主轴(3)和下主轴(18)，轴线延长线与上下电极(7、17)轴线延长线垂直相交；上下主轴(3、18)与上下支架(5、16)之间分别装有一弹簧；

分别位于上下电极(7、17)与上下支架(5、16)之间的圆弧形上飞轮(9)和下飞轮(19)，上下飞轮(9、19)分别与对应的上下主轴(3、18)的一端固定连接；

分别与上下主轴(3、18)另一端连接的上棘轮机构(1)和下棘轮机构(13)；

分别位于上下飞轮(9，19)上的铜片；

上连杆机构，一个杆件与上主轴固定连接，另一杆件活动连接于固定在上支架上且位于上棘轮机构旁的轴上；

下连杆机构，一个杆件与下主轴固定连接，另一杆件活动连接于固定在下支架上且位于下棘轮机构旁的轴上；

一端与上支架(5)或下支架(16)，另一端与主轴(3、18)连接的连杆机构和挂钩装置是此机构的执行部分；

分别与上下连杆机构杆件连接轴活动连接的上下挂钩装置；挂钩装置通过扭簧压在棘轮机构上；当上下主轴(3、18)运动时，连杆机构可以实现拉伸和收缩的运动。

2、根据权利要求1所述一种电阻电焊电极延寿装置，其特征在于：

所述上支架(5)一端对称地开有两个矩形槽，矩形槽内各自固定一个弹簧柱(21、22)，在弹簧柱上套有弹簧；所述上移动支架(6)与上支架(5)垂直插接，并且可以沿弹簧柱(21、22)上下滑动。

3、根据权利要求1所述一种电阻电焊电极延寿装置，其特征在于：

所述下支架(16)的上端开有一个矩形槽(24)，矩形槽(24)内固定有弹簧；上述下移动支架(12)与下支架(16)垂直插接，并且可以沿矩形槽(24)内的弹簧上下滑动。

4、根据权利要求1所述一种电阻电焊电极延寿装置，其特征在于，所述棘轮机构(1、13)包括：

一个执行棘轮，与主轴固定连接，能够带动另一端飞轮的转动；

包含至少一个调整棘轮的调整棘轮组，调整棘轮组与执行棘轮的外形和齿形基本相同，但每个调整棘轮还包括一个或若干对称分布的齿形较深的轮齿。

5、根据权利要求4所述一种电阻电焊电极延寿装置，其特征在于，所述：

执行棘轮组和调整棘轮齿数均为100，所述调整棘轮组包含：带有1个齿形较深的棘轮，对称分布有2个齿形较深的棘轮，对称分布有4个齿形较深的棘轮，对称分布有5个齿形较深的棘轮。

6、根据权利要求1所述一种电阻电焊电极延寿装置，其特征在于，所述挂钩装置(15)主要由挂钩(10)和固定架(11)组成，挂钩(10)固定在挂钩架(11)上，挂钩架(11)通过轴与连杆机构的两个杆件相连；通过固定架(11)上扭簧的弹力使挂钩(10)时刻压在棘轮的轮齿上。

7、根据权利要求1至6任何一项所述一种电阻电焊电极延寿装置，其特征在于，所述圆弧形上飞轮(9)和下飞轮(19)为120度的飞轮。

8、根据权利要求1至6任何一项所述一种电阻电焊电极延寿装置，其特征在于，铜片材质为紫铜。

9、根据权利要求8所述一种电阻电焊电极延寿装置，其特征在于，所述紫铜片厚度为0.8-2.0毫米。

10、根据权利要求9所述一种电阻电焊电极延寿装置，其特征在于，所述紫铜片厚度为1.2-1.6毫米。

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