CN101336148A - 改进的铝点焊的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种改进的电阻焊接方法，该方法包括步骤：在一定力下将金属板与至少一个具有初始接触面面积的电极接触，以对所述金属板施加压力；通过所述至少一个电极施加电流到所述金属板上；测量所述至少一个电极的尺寸变化；使所述至少一个电极的所述尺寸变化与所述初始接触面面积的变化相关联；以及调节所述力以补偿所述至少一个电极的所述初始接触面面积的所述变化，从而维持施加到所述金属板上的压力。通过步进所述力来调节所述力以维持要被焊接的金属板的结合面上的压力。通过维持结合面上的压力，电极的使用周期可以被提高而不形成差异焊接。可以步进电流以进一步延长电极的寿命。

Description

改进的铝点焊的方法
技术领域
本发明涉及一种电阻焊接方法。尤其是，本发明提供了一种这样的电阻焊接方法，该电阻焊接方法能够调节施加到电极上的力以对应于电极横截面的尺寸变化。通过测量电极横截面的尺寸变化并调节施加到电极上的力以对应于电极横截面的尺寸变化，可以增加该电阻焊接方法的寿命而不降低焊接性能。
背景技术
与标准钢或镀层钢的电阻焊接方法相比，铝的电阻点焊方法通常具有较短的电极寿命。希望延长电极的使用寿命，因为这样能够降低维护成本、改善焊接质量、更重要的是产量得到提高。铝的电阻焊接的一个缺点是电极腐蚀，这造成电极接触面的端部几何形状的变化。该电极端部几何形状的变化在整个焊接过程的使用周期中在被焊接的金属板的结合面上产生压力和电流的不规则分布，并且最终造成不充分焊接或差异焊接。在剥离测试中获得的差异焊接的一个例子显示在图1中。
现有技术中的用于提高铝的电阻点焊的使用寿命的方法通过机械和/或化学方法来改变铝的结合面的接触电阻。一些例子包括：扭转电极，电弧清洁铝板表面，表面不均匀处理。尽管这些技术能改善效果，但是它们不能够被容易地结合到现有的电阻点焊方法中，并且不利地增加了处理成本。
另一个提高电阻点焊中的电极的使用周期的方法是电流步进。电流步进是用加大电流来补偿由于腐蚀而造成的电极接触面的面积增加。通常，电流步进被使用者根据已完成的焊接增量来编程。例如，在24.0kA下进行焊接1-100次，在25.0kA下进行焊接10-200次。
此外，铝金属的电阻点焊的使用周期在抛光之间可以通过以约14-20次焊接的频率机械抛光电极得以延长。在该方法中，工具和研磨介质(如砂纸、scotchbrite或切割刀具)均放置在处于低压力的电极之间并旋转直到去除在电极腐蚀过程在电极端部产生的金属间化合物。与上述的用于提高电阻焊接的使用周期的技术方案相似，电极的机械抛光不能够被容易地结合到现有的方法中，并且不利地增加了生产成本。
Wang等人的发明名称为“电阻焊接的控制方法”的美国专利US2005/0045597A1描述了一种在电阻焊接中监测焊接质量的已有方法。Wang等人公开了通过测量结合面上的焊接痕的尺寸变化可以监控焊接质量。Wang等人进一步公开，通过响应于焊接过程中的焊接痕的尺寸变化来改变电流可以改善焊接质量。与其他传统的焊接方法类似，Wang等人没有测量由于电极腐蚀而引起的电极的尺寸变化。此外，Wang等人没有将腐蚀电极的尺寸变化与整个过程中金属板的结合面上压力的不规则性联系起来。
需要一种在不大量增加制造成本的情况下提高电极的使用寿命的电阻焊接方法。
发明内容
本发明的一个方面是一种改进的电阻点焊方法，该方法无需对已有的电阻焊接方法进行大量修正。本发明的另一方面提供了一种方法，其能够在电极使用寿命期间通过维持施加在结合面上的压力来提高电极的寿命。
在电阻焊接中超过焊接电极的使用寿命时，响应于焊接低电阻金属所需的高电流，电极的接触面被腐蚀。电极端部(接触面)的腐蚀形成了增大的接触面，该增大的接触面将施加在待焊接表面上的力分布在更大的面积上，通过将力分布在更大的面积上，结合面上的压力减小，从而造成不充分焊接或差异焊接。本发明通过创造性的焊接方法延长了电极的使用寿命，并减小了差异焊接的发生率，本发明的创造性的焊接方法包括以下步骤：
在一定力的作用下将金属板与至少一个具有初始接触面面积的电极接触，以对所述金属板提供压力；通过所述至少一个电极将电流施加到所述金属板上；测量所述至少一个电极的尺寸变化；使所述至少一个电极的尺寸变化与所述初始接触面面积的变化相关联；以及
调节所述力来补偿所述至少一个电极的初始接触面面积的所述变化以维持施加到所述金属板上的压力。
本发明的一个具体实施例中，通过将行程尺寸的变化与电极端部的接触面面积的变化相关联来测量电极的尺寸变化。所述行程尺寸被定义为在施加电流之前电极被驱动的前进距离，尤其是，该行程尺寸等于电极的起始位置与当电极的端部首先接触到金属板的表面时电极的位置之间的差。数学算法将整个焊接周期中的行程尺寸的变化与由于电极腐蚀产生的电极接触面的表面面积的变化相关联。在一个实施例中，该数学算法是所用到的电极几何形状类型的函数。
在本发明的另一具体实施例中，通过对电极的接触面进行光学、激光和机械测量可以确定电极端部的表面面积的变化。对形成在金属板上的电极压痕进行光学、激光和机械测量也可以提供电极的尺寸变化。可选择地，通过在与金属板分离的工件上形成电极端部的接触面的压痕，以及测量该压痕的尺寸(如压痕的直径)，可以确定电极接触面面积的尺寸变化。
在本发明的另一具体实施例中，通过离线压力转换以监测维持在一定压力窗内所需的力的大小，可以确定电极端部的表面面积的变化。
一旦电极接触面面积的变化被确定，电流和/或电极力被步进以补偿由被腐蚀电极的增大的接触面面积引起的结合面的力的减小。
附图说明
图1显示了剥离测试后的差异焊接；
图2(三维视图)显示了电阻焊接装置；
图3为用于提供2500次焊接的电极、3500次焊接的电极和新电极的电极长度(mm)与电极面直径距离(mm)的关系图；
图4为本发明的创造性电阻焊接方法的方法步骤流程图；
图5(a)-(c)(侧视图)显示了行程尺寸的变化和电极接触面直径之间的关系；
图6为显示行程尺寸和腐蚀电极的接触面面积之间的关系的视图；
图6(a)为电极力与行程尺寸的变化之间的关系的视图，其中，一个数据线维持横定的电极力，第二个数据线逐步增加(步进)电极力；
图6(b)为显示在结合面处由施加恒定电极力的电极和施加步进电极力(描述在图6(a)中)的电极产生的压力的视图；
图7显示了本发明的一个实施例，在该实施例中，电极接触面由压力敏感垫测量；
图8显示了电阻焊接过程中完成的多个焊接点与焊接点的剥离直径之间的关系的视图，其中，电极压力和电流是恒定的；
图9显示了电阻焊接过程中完成的多个焊接点与焊接点的剥离直径之间的关系的视图，其中，通过电极施加的电流渐增地步进；
图10显示了电阻焊接过程中完成的多个焊接点与焊接点的剥离直径之间的关系的视图，其中，电极力和通过电极施加的电流渐增地步进；
图11显示了说明步进的电流和力的图表。
具体实施方式
在一个具体实施例中，本发明提供一种电阻焊接方法，该方法通过成比例地增加电极力来补偿腐蚀电极的接触面的尺寸变化，从而来维持被焊接的铝板的结合面上的压力恒定。在本发明的另一个具体实施例中，提供了一种电阻焊接方法，在该方法中，施加到结合面上的力被保持在临界力之上，但在预选定的压力范围之内。本发明参照附图来进行更为细节的说明。应当注意的是，在附图中，相同或/和相应的元件用相同的参考数字表示。
图2中描述了一个电阻焊接装置的例子。电阻焊接装置5包括第一电极7和第二电极9，第一电极7定位成在施加电流和力的过程中与第一金属板2的表面接触，第二电极9定位成与第二金属板3的表面接触。该电阻焊接装置可以这样定向，从而第一电极7为上电极，第二电极9为下电极。无论定向如何，所述电极在轴向上相互相对地对齐。大电流在所述相对的电极之间瞬间通过压在该相对的电极之间的第一金属板和至少一个其它电阻金属板。所述电极之间的金属板在电流通过时短时地熔解，然后重新凝固以在第一金属板2和第二金属板3之间的结合面处形成一体的焊逢。尽管本发明的公开内容中只提到第一金属板2和第二金属板3，但应当注意的是可以将任何数量的金属板焊接到一起，例如三个金属板。
电阻焊接中所用的电极可以由从包括铜基合金、难熔金属和弥散强化铜合金的组中的材料形成。电极的几何形状可以包括任何与美国焊接学会(AWS)标准中一致的几何形状，该标准列举在《电阻焊接实用手册》(“Recommended Practices for Resistance Welding”)中。查看AWS C1.1M/C1.1：2000。优选地，电极的几何形状可以包括尖的(AWS A型)、拱顶的(AWS B型)、扁平的(AWS C型)、偏移的(AWSD型)、截头的(AWS E型)、或半径的(AWS F型)。
由于焊接低电阻金属所需的高电流，因此在低电阻金属焊接中产生电极腐蚀。术语“低电阻金属”表示方块电阻在1.6×10-8Ω＊m(银)至10×10-8Ω＊m(钢/铁)的范围内的金属。一种优选的低电阻金属是方块电阻为2.8×10-8Ω＊m(铝)的铝。术语“高电流”表示在约5,000Amps至约10,000Amps范围内的电流。尽管电压可以根据次级尺寸调节，在一具体实施例中电压可以为约小于1伏。尽管本发明的方法优选地应用于铝的电阻焊接，但是该方法也可以同等地应用于在其他金属，比如镁或钢，包括低碳、高强、双相(DP)、感应变形塑性(TRIP)以及不锈钢。通过电阻焊接焊接钢所应用的电流最好在约5,000Amps至约35,000Amps的范围之间，其中，在每个电极端部处测得的电压可以为约小于1伏。焊缝接头由两个或多个相似材料的板形成，每个板的尺寸在0.25mm至4.00mm之间的范围内。
在高电流电阻焊接的过程中，电极腐蚀的一个机制包括在电极的接触面处中间金属化合物的形成。中间金属化合物通过来自于被焊接材料的接触面的材料沉积在电极的接触面上而形成在电极端部。当Cu电极用于焊接铝板时，中间金属化合物通常包括Cu和Al，电极腐蚀的效果描述在图3中。
图3是表示已经用于2500次焊接和3500次焊接的电极的侧面轮廓图。图3还包括表示新电极的控制数据线。该图的Y轴代表从电极的基底到电极的接触面的电极长度。X轴代表电极的接触面的宽度，其中，0.0mm表示电极的接触面直径的中心。在6111T-4铝上进行的该焊缝具有约1.0mm的厚度。
比较经历3500次焊接的电极的数据线(以参考数字8表示)，经历2500次焊接的电极的数据线(以参考数字6表示)以及控制电极(以参考数字4表示)，可以清楚地显示出在电阻焊接中在电极的使用周期过程中的腐蚀影响。尤其是，将已经经历3500次焊接的电极与控制电极相比较更显示出，电极的长度从约19.0mm缩短至约18.5mm。更重要的是，经历3500次焊接的电极和控制电极之间的电极接触直径T1的差大于1.0mm。如上所述，增大的表面积不利地将通过电极施加的力分布至金属板的更大的接触面上，从而有效地将力分布在更大的面积上，导致结合面上的压力减小。
参考图4，本发明通过这样的方法克服了现有技术的缺陷，该方法通过调节电极力以对应于电极的接触面面积的变化来维持焊接材料的结合面处的压力。本发明的方法在电阻焊接之前首先开始测量或编程初始电极的接触面面积。在一个具体实施例中，与首先测量电极的直径相反，设备操作人员在每次顶端替换开始时将尺寸输进焊接控制器中。然后金属板在一定力的作用下与具有第一接触面面积的电极接触，以给金属板提供压力，电流被瞬间施加通过电极至金属板上，以形成焊缝。在接下来的步骤中，测量由于腐蚀引起的接触面面积的变化。最后，调整电极力与电极接触面面积的变化对应，以维持施加到金属板上的压力。
在本发明的一个具体实施例中，电极端部的表面面积的变化值通过测量电阻焊接装置臂的行程变化值来确定，该电阻焊接装置臂将电极应用到待焊接的金属板上。
参考图5(a)和5(b)，行程尺寸X1和X2代表电极15，15a在电极起始位置20和在通电流之前电极15在结合面25上的位置之间运动的距离。图5(a)描述在腐蚀前电极的初始行程尺寸X1。图5(b)描述在电极端部腐蚀后电极15a的行程尺寸X2，其中，在腐蚀后的行程尺寸X2大于初始行程尺寸X1。参考图5(c)，行程尺寸的变化等于初始行程尺寸X1和腐蚀后的行程尺寸X2之差，其中，该行程尺寸的变化等于被腐蚀的电极端部的长度的尺寸变化(ΔX)。
参考图2，在本发明的一个具体实施例中，行程尺寸的变化由缸12(如气动缸、电伺服缸、气顶油或液压缸)测量，该缸致动电极9与金属板3接触。在该具体实施例中，所述气动、电伺服或液压缸适用于测量每个焊接的行程尺寸，其中，每个焊接的行程尺寸被与在电极的任何腐蚀之前得到的初始行程尺寸相比较。
可替换地，行程尺寸的尺寸变化可以使用从邻近电极端部7的传感器11得到的到接触面的距离的光学、激光和机械的测量来测量。可选择地，传感器可以安装在焊接柱12上。传感器可以设置在焊接柱12的外部或与其一体地结合。在一个具体的实施例中，传感器13可以安装成用于测量支撑电极9的杆14的运动。
参考图5a和5b，由于电极腐蚀引起的行程尺寸的变化(被腐蚀电极端部的长度变化(ΔX))被结合到数学算法中以确定被腐蚀电极的接触面的表面积的变化，其中，电极腐蚀后的电极接触面的直径Df通常大于腐蚀之前的电极接触面的直径Di。
将行程尺寸的尺寸变化(被腐蚀电极端部的长度变化ΔX)与电极接触面面积的增大相关联的算法的一个例子是：
Df/Di面积比＝0.0977(ΔX2)+0.625(ΔX)+1.0
Di＝新的或修饰电极的电极端部的初始直径
Df＝被腐蚀电极端部的直径
ΔX＝行程尺寸的差
以上等式中电极采用了45°截头(AWS E型)电极。当新电极放置在焊接站中或电极修饰操作修饰电极的表面时可以得到初始直径Di。上述等式仅供说明目的，并不用于限制本发明。
使用上述等式，45°截头(AWS E型)电极的表面积变化可以对应于行程尺寸的变化ΔX来计算。图6显示了电极的接触面的表面积与由电极的腐蚀引起的行程尺寸的变化的关系的视图，参考数据线30，可以发现电极端部的表面积随着行程尺寸的增加而增加。通过确定电极端部的表面积的增加，就可以逐步增加施加到电极上的电流和/或力以补偿表面积的增加和所施加压力的减小。
在另一个具体实施例中，电极接触面的表面积使用光学方法直接测得。在本发明的又一个具体实施例中，通过在与被焊接的金属板分离的工件上形成电极接触面的压痕，然后从工件上的该压痕测量电极接触面的变化来确定电极端部的表面积。参考图7，在本发明的另一个实施例中，通过将电极接触面7，9与压力敏感垫16接触来测量电极接触面7，9的表面积，然后可以向焊接控制器提供反馈。
当测得电极接触面的表面积的变化时，通过电极施加到金属板上的力和/或施加到金属板上的电流就步进以补偿电极端部的增加的表面积。电极接触面的增加的表面积不利地将通过电极施加的力分布到金属板的更大的表面上，从而导致施加到结合面上的压力减小。因此，为了维持结合面上的最佳压力，电极面必须步进以补偿腐蚀电极端部的增加的表面积。
步进是一种在焊接过程中力被逐步增加以维持在结合面处所需压力的方法。步进的增量与电极接触表面区域的增加相关联。该值可以对每一次焊接计算或在特定数量的操作后周期地计算。在焊接操作之前、过程中或之后都可以进行该计算。此外，在形成差异焊接之前电流也可以被步进以进一步延长电极的使用寿命。得到步进值后，根据用户的需要随后的焊接可以具有电流或力的设定点的值。重要的方法可以改变力值和电流值来维持初始的电流密度和压力。较少的传感应用可以改变力值和电流值，从而电流密度和压强不会降低至预定水平之下。
应当注意，压力和电流可以同时地步进，或单独地步进。步进电极力的作用在图6(a)和6(b)中得到解释。图6(a)是电极力与行程尺寸的变化的关系的视图，其中，数据线40a表示恒定的电极力，数据线35a表示电极力的步进。图6(b)是在被焊接材料的结合面上由施加恒定电极力(数据线40b)的电极和施加步进电极力(数据线35b)的电极产生的压力与行程尺寸的变化的关系的视图。仍然参照图6(b)，可以看出，当电极力恒定以及行程尺寸增加时，施加到结合面上的压力减小。步进电极力以补偿行程尺寸的增加起到稳定施加到结合面上的压力的作用，如数据线35b中所示。通过稳定结合面处的压力可以延长电极的寿命并且减少差异焊接的发生概率。
参照图8-10最好地说明了对应于电极的表面积的变化来步进力的优点。图8-10显示了焊接数目与剥离直径/平方根(t)的关系的视图，其中，在剥离直径/平方根(t)下降到约4.0(mm)-0.5或更小的范围值时形成差异焊接。剥离直径/平方根(t)表示剥离直径的标准数据，其中，在焊接直径不大于被焊接的板的厚度(板厚)的平方根的4倍时产生差异焊接。比如说，在图8-10提供的数据中(其中被焊接的板的厚度为1.0mm)，焊接直径小于1.0mm时就会产生差异焊接。
图8是电阻焊接过程中进行的焊接数量与产生的焊点的剥离直径之间的关系的视图，其中，在整个电极的使用寿命周期内，电极力和电流保持恒定。图8清楚地显示出，在近似900次焊接处，剥离直径低于一将产生差异焊接的水平。
图9是电阻焊接过程中进行的焊接数量与产生的焊点的剥离直径之间的关系的视图，其中，在电极的使用寿命周期内，施加通过电极的电流增量地步进。图9清楚地显示出，通过对应于电极腐蚀步进电流可以延长电极的使用寿命超过1600次焊接，而不会形成差异焊接。
图10是电阻焊接过程中进行的焊接数量与产生的焊点的剥离直径之间的关系的视图，其中，在电极的使用寿命周期内，电极力和施加通过电极的电流增量地步进。图10清楚地显示出，通过对应于电极腐蚀步进电极力和电流可以延长电极的使用寿命超过2300次焊接，而不会形成差异焊接。步进电极的电流和电极力的一个例子描述在图11的图表中。
尽管本发明就优选的实施例进行了特别的显示和描述，但是，可以被理解的是，本领域的技术人员可以做出前述或者其他形式或细节的变化而不脱离本发明的精神和范围。因此，本发明并不限制于上文中描述和解释的具体形式和细节，它们都落入所附的权利要求的保护范围之内。

Claims (21)

1、一种焊接方法，包括以下步骤：
在一定力下将金属板与至少一个具有初始接触面面积的电极接触，以对所述金属板施加压力；
通过所述至少一个电极施加电流到所述金属板上；
测量所述至少一个电极的尺寸变化；
使所述至少一个电极的所述尺寸变化与所述初始接触面面积的变化相关联；以及
调节所述力以补偿所述至少一个电极的所述初始接触面面积的所述变化，从而维持施加到所述金属板上的所述压力。
2、根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个电极包括铜基合金、难熔金属、或弥散强化铜合金。
3、根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个电极具有电极端部几何形状，该电极端部几何形状为尖头接触面、拱顶形接触面、扁平接触面或截头形接触面。
4、根据权利要求2所述的方法，其中，所述金属板包括铝、镁或钢。
5、根据权利要求1所述的方法，其中，所述电流的范围在约5,000amps至约100,000amps之间，所述金属板包括铝或镁。
6、根据权利要求1所述的方法，其中，所述电流的范围在约5,000amps至约350,000amps之间，所述金属板包括钢。
7、根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个电极具有第一位置，该第一位置通过行程尺寸与所述金属板的接触面偏移开；所述测量所述至少一个电极的尺寸变化的步骤包括测量所述行程尺寸的尺寸变化；以及
使所述行程尺寸的所述尺寸变化与所述至少一个电极的所述初始接触面面积的变化相关联包括数学算法。
8、根据权利要求7所述的方法，其中，所述数学算法包括：
Df/Di面积比＝0.0977(ΔX2)+0.625(ΔX)+1.0
其中，Di＝腐蚀之前的所述至少一个电极的电极端部的初始直径，Df＝所述至少一个电极的电极端部的被腐蚀直径，ΔX＝所述行程尺寸的差，所述至少一个电极具有45°截头电极端部几何形状。
9、根据权利要求5所述的方法，其中，所述测量所述行程尺寸的所述变化中的尺寸变化的步骤通过与所述至少一个电极相邻的传感器完成。
10、根据权利要求5所述的方法，其中，所述测量所述行程尺寸的所述变化中的尺寸变化的步骤通过整体地结合在所述焊接柱上的传感器完成。
11、根据权利要求7所述的方法，其中，所述至少一个电极通过液压的、电伺服的、气顶油的或气动的缸被驱动与所述金属板接触，所述液压的、电伺服的、气顶油的或气动的缸用于测量所述行程尺寸的所述尺寸变化。
12、根据权利要求1所述的方法，其中，所述测量所述至少一个电极的尺寸变化的步骤包括通过光学的、激光的或机械的测量来测量所述至少一个电极的电极端部表面的尺寸变化。
13、根据权利要求1所述的方法，其中，所述测量所述至少一个电极的尺寸变化的步骤包括在工件上形成所述至少一个电极的电极端部表面的压痕并测量所述压痕。
14、根据权利要求1所述的方法，其中，还包括修饰具有尺寸变化的所述至少一个电极以恢复到所述初始接触面面积。
15、根据权利要求1所述的方法，其中，所述电极具有前端，该前端具有截头形的、拱顶形的或鼻形的轮廓。
16、根据权利要求1所述的方法，其中，所述测量所述至少一个电极的尺寸变化的步骤包括使所述电极与压力垫接触。
17、根据权利要求1所述的方法，其中，所述力的范围为30MPa至约200MPa。
18、根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个电极的直径范围为约3.2mm至约19mm。
19、根据权利要求1所述的方法，其中，调节所述力的步骤包括在所述至少一个的电极的使用期限内渐增地步进所述力以对应于所述电极接触面的所述变化。
20、根据权利要求1所述的方法，其中，所述电流被步进以对应于所述至少一个电极的所述接触面面积的所述变化。
21、根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一个电极包括上电极和下电极，该上电极设置成在所述施加电流的过程中与所述金属板的上表面接触，该下电极设置成在所述施加电流的过程中与所述金属板的下表面接触。
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