CN102343474A - 铝到铝以及钢到钢的电阻点焊 - Google Patents
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Abstract
一种使用同一电焊机对多个铝到铝进行焊接以及对多个钢到钢进行焊接的焊接方法，包括提供具有一对焊条的电阻点焊机，焊条具有曲率半径在20mm和40mm范围之间的焊条表面。首先进行一系列铝到铝的焊接，然后在完成铝到铝的焊接之后进行一系列钢到钢的焊接。在完成钢到钢的焊接之后通过研磨清理焊条以移除在焊条上的任何铝的积累。如果焊条出现扩大，则提供焊条的修整并执行淹没清理以恢复表面纹理。
Description
技术领域
本发明涉及将金属板焊接在一起，尤其涉及一种使用单一的焊枪将铝板和铝板以及钢板和钢板电阻点焊在一起的方法。
背景技术
汽车车身制造操作包括通过电阻点焊将两个薄金属层接合在一起。点焊操作通常是在适当的固定设备或其他夹具上装配薄金属板，然后将焊条压在相邻金属板的相对侧来完成的。焊条提供夹紧力并将焊接电流传递到与金属板的接触点。
焊枪通常由机器人操作以便在特定的制造室内完成连续的焊接。制造效率要求焊接以尽可能快的快速连续方式完成，从而减少装配车身所需的焊接机和机器人的数量。
现代机动车辆通常使用钢板和铝板以便优化车身的强度和重量特性。因此车身的焊接操作可能包括铝板到铝板之间的焊接以及钢板到钢板之间的焊接。钢板通常使用锌涂层电镀作为防腐层。
至于钢的点焊，已知的是在大量的焊接中，由于夹紧压力、高温以及铜与镀锌钢表面合金化的联合作用，铜焊条变软且形状扩大（变成蘑菇状）。因此，现有技术意识到了当使用铜焊条来焊接钢或镀锌钢时，焊条必须定期修整以便使焊条重新成形以延长其使用寿命并保持焊接质量。
至于使用铜焊条焊接铝板，已知的是铝薄板上的铝会累积在焊条表面上，从而导致低熔点的铜铝共晶体的形成，该共晶体最终在焊条表面产生麻点。为了减少麻点反应，现有技术意识到用来焊接铝板的铜焊条偶尔需要重修表面以便从其表面移除污染物。
因此，对于铝到铝之间的焊接，转让给本发明受让人的美国专利6,861,609公开了通过使用小砂粒喷砂或使用砂纸打磨来使焊条表面具有某种纹理以便清理和恢复铜焊条的表面。此外，转让给本发明的受让人于2006年9月28日提交的序列号为11/536,001的美国专利申请也公开了一种使用工具修整铜焊条尖端并在其上产生一系列同心环的方法。在同心环形成期间切割或修整表面被设计为清理焊条表面并产生纹理。
因此，尽管现有技术已经开发了用于钢到钢之间的焊接技术以及铝到铝之间的焊接技术，但是使用一个焊枪进行钢到钢之间以及铝到铝之间的焊接由于两个主要原因还没实现。第一，设计为点焊上述材料中的一种的焊条通常不适合用于点焊上述材料的另一种。例如，用来点焊钢的球头（ballnose）焊条在用来点焊铝时引起过度的薄板变形和焊接金属排开。第二，通过焊条传递的含铁颗粒造成的铝板污染会引起电化腐蚀和过早的板退化。
因此在焊接工艺中需要提供进一步的改进以便使用同一对铜焊条的单一焊枪能完成钢板到钢板之间以及铝板到铝板之间的焊接而不会引起以上指出的问题。
发明内容
一种使用相同的焊接机焊接多个铝到铝的焊接以及多个钢到钢的焊接的方法，包括提供具有一对焊条的电阻点焊机，该焊条的焊条表面具有范围在20mm到40mm之间的曲率半径。焊条材料选择为具有足够的高温强度以便钢焊接过程不会将焊条过分变软且不会损害用于铝点焊的纹理的有效性。进行一系列铝到铝之间的焊接，然后在完成铝到铝之间的焊接后，进行一系列钢与钢之间的焊接。在完成钢到钢之间的焊接后，通过磨料清理焊条以清除焊条上的任何铁累积或污染。如果焊条已经扩大，则进行焊条的修整并执行磨洗以恢复表面纹理。
本发明的其它适用范围将从以下提供的详细说明中变得显而易见。可以理解，尽管表示本发明的具体实施例，但详细说明和特定例子仅仅以说明为目的而不旨在限制本发明的范围。
本发明还提供了如下方案：
方案1.一种使用同一电焊机焊接多个铝到铝以及多个钢到钢的电阻焊接的方法，包括：
提供具有一对焊条的电阻点焊机，焊条具有曲率半径在20毫米和40毫米范围之间的焊条表面，且所述焊条表面形成粗糙度在2微米到50微米范围内的纹理；
首先进行一系列铝到铝的焊接；
在完成铝到铝的焊接之后，然后进行一系列钢到钢的焊接；
在完成钢到钢的焊接之后，然后在下一次开始新的一系列铝到铝的焊接之前清理焊条以移除焊条上的任何铝积累并重新在焊条表面上形成粗糙度在2微米到50微米范围内的纹理。
方案2．如方案1的用于焊接的方法，还包括在焊条出现扩大的情况下修整焊条。
方案3．如方案1的方法，还包括在完成钢到钢的焊接之后，测量焊条以确定焊条扩大的程度，且如果确定为扩大，则在重新使焊条形成纹理之前重新修整焊条。
方案4．如方案1的方法，还包括铜焊条的屈服强度至少为400MPa。
方案5．如方案1的方法，还包括铜焊条的屈服强度优选为500MPa以上。
方案6．如方案1的方法，还包括焊条为铜合金的，该铜合金在400℃的温度下不会软化。
方案7．如方案1的方法，还包括焊条具有大于80%IACS导电率的导电率且优选为大于90%IACS。
方案8．如方案1的方法，还包括通过转动的研磨轮执行清理和重新形成纹理。
方案9．如方案8的方法，还包括转动的轮为其中具有槽的刚性研磨轮，该槽的曲率半径在20毫米和40毫米之间的范围内。
方案10．如方案8的方法，还包括转动的轮为柔性研磨轮，该柔性研磨轮弯曲以匹配焊条表面的曲率。
方案11．如方案1的方法，还包括如果铝到铝的焊接数量被确定为在焊条上引起过多的麻点或铝的积累，则暂时停止铝到铝的焊接以在完成铝到铝的焊接并进行钢到钢的焊接之前进行焊条表面的中途清理和纹理形成。
方案12．一种使用同一电焊机焊接多个铝到铝以及多个钢到钢的电阻焊接的方法，包括：
提供具有一对焊条的电阻点焊机，焊条具有曲率半径在20毫米和40毫米范围之间的焊条表面，所述焊条表面形成有粗糙度在2微米到50微米范围内的纹理，铜焊条的屈服强度至少为400MPa，焊条是铜合金的，该铜合金在400℃的温度下不会软化，该焊条具有大于80%IACS导电率且优选为大于90%IACS的导电率；
首先进行一系列铝到铝的焊接；
在完成铝到铝的焊接之后，然后进行一系列钢到钢的焊接；
在完成钢到钢的焊接之后，然后在下一次开始新的一系列铝到铝的焊接之前清理焊条以移除在焊条上任何铝的积累并重新在焊条表面形成粗糙度为2微米到50微米的纹理。
方案13．如方案12的用于焊接的方法，还包括在焊条扩大的情况下修整焊条。
方案14．如方案12的方法，还包括在完成钢到钢的焊接之后，测量焊条以确定焊条扩大的程度，且如果确定为扩大，则在重新使焊条形成纹理之前重新修整焊条。
方案15．如方案12的方法，还包括通过转动的研磨轮执行清理和重新形成纹理。
方案16．如方案15的方法，还包括转动的轮为其中具有槽的刚性研磨轮，该槽的曲率半径在20毫米和40毫米之间的范围内。
方案17．如方案16的方法，还包括转动的轮为柔性研磨轮，该柔性研磨轮弯曲以匹配焊条表面的曲率。
方案18．如方案12的方法，还包括如果铝到铝的焊接数量被确定为在焊条上引起过多的麻点和铝的积累，则暂时停止铝到铝的焊接以在完成铝到铝的焊接并进行钢到钢的焊接之前进行焊条表面的中途清理和纹理形成。
附图说明
本发明将从详细说明和附图中变得更加公开充分，其中：
图1为在铝到铝之间以及钢到钢之间的进行点焊的使用本发明的焊条的焊接装置的示意图。
图2为本发明的实践中使用的焊条的透视图。
图3为具有部分被去除的图2中焊条的侧面视图。
图4为通过砂轮清理和重新形成纹理的一对焊条的侧面视图。
图5为通过砂轮清理和重新形成纹理的一对焊条的另一侧面视图。
图6为通过砂轮清理和重新形成纹理的一对焊条的另一侧面视图。
具体实施方式
图1是带有使用在点焊操作中的相关设备的代表性的点焊焊枪装置10的侧面视图的示意说明。在这种操作中，准备将要焊接的具有两个或多个薄金属板13和14的组件并将该组件用传送机或其他装置准备传送到焊枪装置10。焊枪装置10通常安装在机器人上，该机器人将焊枪装置10沿着薄金属板13和14移动以快速完成一连串独立的电阻点焊。金属板13和14可以均为铝，或可以均为钢。
在图1中，金属板13和14示出为被保持在焊枪臂20的一对轴向对准且相对的焊条16和18之间。焊枪臂20构造为C形以便能使相对的焊条16和18承载并压在金属板13和14的相对侧。在所示布置中，焊条16安装在焊柄17上，焊柄插入与焊枪臂20的固定臂24连接的焊钳22内。另一个焊条18安装在焊柄19上并插入由空气气缸或伺服电动机28承载的另一焊钳26内。空气气缸或伺服电动机28适应于轴向将焊条18移动成与板14的外表面夹持接合。来自远程源（未示出）的高压空气源通过可编程空气调节器30经由空气管线32将空气传送到空气气缸28以提供夹紧力。另外，伺服电机控制器提供电流和电压给伺服电机以提供夹紧。在点焊工序过程中，空气压力及时应用到空气气缸28或伺服电机的及时移动推进焊钳26以便焊条18以500到1500镑量级的力将板13和14抵压在固定焊条16上。
焊枪20，通常安装到机器臂的端部，连接到机器人焊接控制器34。控制器34管理并致动可编程空气调节器30和焊接控制器36。焊接控制器36调节通向焊接变压器的初级焊接电流，焊接变压器向焊条提供电流。基于焊接控制器36的命令，初级电流经由初级电流线38传递到焊接变压器40。焊接变压器40将初级电流转换为低电压高电流的次级焊接电流，然后使其通过次级电流线42和焊钳26以及导电焊条臂20和焊钳22。
至于图2，公开了铜焊条16的一种设计，该铜焊条尤其设计为用于实现将钢板焊接在一起以及将铝板焊接在一起。如图2所示，焊条16具有带截圆锥端部52的圆形主体50。主体50具有适用于容纳焊柄17的中空容器51，焊柄17用于插入焊钳22。截圆锥端部52的焊接面54形成凸面。特别地，我们发现焊条焊接面54的凸面的曲率半径可以在20mm到40mm的范围内，以便使焊条有效地完成铝到铝之间的焊接和钢到钢之间的焊接。我们还发现焊条16的曲面焊接面54的直径“B”，如图3所示，是焊条设计的特征并且焊条焊接面54的直径与铝到铝之间焊接的期望点焊熔核的尺寸有关。用于铝到铝的最小可接受的点焊熔核的直径为大约4×(t)1/2，这里t是在两层铝板堆叠中较薄铝板的厚度。我们发现焊接面54的直径B应当至少比可接受的点焊熔核直径大1.5mm，最好焊条焊接面54的直径应当至少比可接受的点焊熔核直径大3mm。例如，如果较薄铝板为1mm厚，那么用于焊接1mm厚铝板的点焊熔核的直径为4mm，4×(t)1/2=4mm，则焊接面54的直径应当为4mm，加上至少1.5mm。因此，直径B应当为5.5mm。或者，最好焊接面54的直径是4mm加上3mm，这样直径为7mm。
此外，我们发现焊条面54应当形成纹理以提供范围在2微米到50微米的表面粗糙度，以便穿透在铝材料上附着的坚硬的氧化物。此外，为了使焊条工作顺利，我们已经确定焊条材料必须具有高导电性，具有高硬度或屈服强度，并且能抵抗在升温下的软化。焊条屈服强度应为至少400MPa且优选为在500兆帕（MPa）以上，以便在使用中纹理具有足够的耐久性。当暴露在钢的点焊期间达到的高温下时合金必须抵抗软化。我们已经发现合金在至少400℃的温度，优选为大于500℃下不得软化。最后，合金必须具有足够的导电率以防止在铝所需的高的焊接电流通过时过热。这必须是在国际退火铜标准（IACS）下大于80%的导电率，最好大于90%IACS。
此外，我们已经确定在单个焊枪（的使用）用于焊接铝板和钢板的焊接操作中，它应当包括在进行钢到钢的焊接之前铝到铝的焊接已全部完成。特别地，我们发现钢到钢的焊接会造成在铜焊条上形成锌和铁污染物的累积，这些污染物将被传递到铝板并阻碍在铝板中获得有效的抗腐蚀焊接。然而，尽管在铝到铝的焊接期间铝将被焊条拾起，但我们发现铝对钢焊接的污染不如锌和铁对铝焊接的污染那样严重。因此，决定在钢到钢焊接之前应当完成铝到铝的连续焊接，从而避免由钢到钢焊接产生的污染物被传递至铝到铝焊接的情况。此外，钢到钢焊接比铝到铝焊接更快地使纹理退化，从而也表明应当在钢到钢的焊接之前进行铝到铝的焊接。
可以确定在钢到钢的焊接之后，焊条应当在再次开始铝到铝的焊接之前进行清理和纹理形成。在铝到铝的焊接之前对焊条的清理和纹理形成保证了没有来自镀锌钢板的铁或锌污染物被传递到铝板并且焊条具有适用于铝焊接的纹理。
此外，如果预见到延长的铝焊接，那么铝焊接可以暂时停止且可以完成中途清理和纹理形成操作以恢复纹理并移除铝的任何累积，因此避免了当尝试太多的铝到铝的焊接时所引起的焊条面54的腐蚀和麻点。
焊条的清理/纹理形成可以通过使用柔性研磨介质，如橡胶衬硅轮，百利（Scotch-Brite）轮，或不锈钢钢丝轮，同时清理焊条和恢复所需的表面纹理来最有效地完成。因此，焊枪机器人将焊枪与磨料对准，然后磨料可抵靠着焊条面转动。另一方式是，磨料可以保持静止，机器人可转动或将焊条面在固定的磨料的表面上平移。研磨不仅移除了铝的累积还在该表面产生一系列凹槽或脊以恢复所需的表面纹理。清理过程必须移除所有已累积的污染物并在足够短的时间内完成这项任务从而不影响生产。
图4示出了在水平轴58上转动的柔性介质轮56的示例，相对的焊条16和18压在柔性介质轮56的边沿64上的。机器人可在箭头68的方向前后转动焊条16和18以便所有焊条的表面54的凸面都与柔性介质轮56的边沿64均匀地接触。
图5示出了另一个在水平轴78上转动的刚性研磨轮74的实施例，相对的焊条16和18压在转动的研磨轮74的相对表面80和82上。在图5中研磨轮74是具有弯曲的底部凹槽84和86的刚性研磨轮，底部凹槽与焊条表面54的曲率吻合。机器人可在箭头88的方向前后转动焊条16和18以便所有焊条16和18的焊条表面54的表面都与研磨轮74的表面80和82均匀地接触。
图6示出了另一个转动的研磨轮90的例子，其被装配在在轴线96上转动的转动齿轮92中，轴线96与相对的焊条16和18的轴线重合，焊条16和18压在转动研磨轮90的相对的表面98和100上。在图6中研磨轮90可以是具有弯曲底部凹槽104和106的刚性研磨轮，底部凹槽与焊条表面54的曲率吻合。或者研磨轮可以是屈服于焊条表面的凸起形状的柔性介质。
此外，我们发现该方法应包括对焊条产生扩大的监测，该扩大通常在钢的点焊过程中由于遇到高温和高压而发生。监测最简单地通过使用安装到机器人的伺服焊枪设备来完成的，该伺服焊枪设备具有用于监测伺服推杆位移（ram）的传感器。每个焊条的长度可通过使机器人将固定焊条与参考块接触来确定，如安装在固定位置的钢块。监测接触固定焊条所要求的机器人运动将给定固定焊条的长度。关闭伺服焊枪并监测推杆运动将给定移动焊条的长度。将焊条长度与早期确定的长度作比较是用来确定由于扩大所引起的焊条缩短。一旦其中一个焊条达到预定的缩短程度，焊条会被重新修整并确定新的长度参考点。对于未安装在机器人上的伺服焊枪，焊枪关闭仍然能确定焊条长度变化，但是关闭将给定两个焊条总的变化而不是单个焊条的长度变化。焊条长度的确定最好在板在操作台之间传递且没有进行焊接时进行。在修整开始前缩短量最好不超过0.1mm。或者，机器人控制被设计为跟踪完成焊接的数量，特别是钢焊接，并且在预定数量时开始修整。修整焊条以恢复图2中的形状。焊条修整设备和工艺是现有技术中已知的，以便将焊条的形状恢复到图2中的焊条的形状。特别地，修整操作移除了扩大的材料并将期望的表面直径和曲率半径恢复到焊条表面54。在修整以恢复合适形状后，焊条再次通过研磨材料研磨以便恢复所需的纹理表面。
因此，可以看出本发明提供了一种新的改进的焊接方法，其通过单个焊枪在独立制造室内同时完成铝到铝板以及钢到钢板的焊接。
Claims (10)
1.一种使用同一电焊机焊接多个铝到铝以及多个钢到钢的电阻焊接的方法，包括：
提供具有一对焊条的电阻点焊机，焊条具有曲率半径在20毫米和40毫米范围之间的焊条表面，且所述焊条表面形成粗糙度在2微米到50微米范围内的纹理；
首先进行一系列铝到铝的焊接；
在完成铝到铝的焊接之后，然后进行一系列钢到钢的焊接；
在完成钢到钢的焊接之后，然后在下一次开始新的一系列铝到铝的焊接之前清理焊条以移除焊条上的任何铝积累并重新在焊条表面上形成粗糙度在2微米到50微米范围内的纹理。
2.如权利要求1的用于焊接的方法，还包括在焊条出现扩大的情况下修整焊条。
3.如权利要求1的方法，还包括在完成钢到钢的焊接之后，测量焊条以确定焊条扩大的程度，且如果确定为扩大，则在重新使焊条形成纹理之前重新修整焊条。
4.如权利要求1的方法，还包括铜焊条的屈服强度至少为400MPa。
5.如权利要求1的方法，还包括铜焊条的屈服强度优选为500MPa以上。
6.如权利要求1的方法，还包括焊条为铜合金的，该铜合金在400℃的温度下不会软化。
7.如权利要求1的方法，还包括焊条具有大于80%IACS导电率的导电率且优选为大于90%IACS。
8.如权利要求1的方法，还包括通过转动的研磨轮执行清理和重新形成纹理。
9.如权利要求8的方法，还包括转动的轮为其中具有槽的刚性研磨轮，该槽的曲率半径在20毫米和40毫米之间的范围内。
10.一种使用同一电焊机焊接多个铝到铝以及多个钢到钢的电阻焊接的方法，包括：
提供具有一对焊条的电阻点焊机，焊条具有曲率半径在20毫米和40毫米范围之间的焊条表面，所述焊条表面形成有粗糙度在2微米到50微米范围内的纹理，铜焊条的屈服强度至少为400MPa，焊条是铜合金的，该铜合金在400℃的温度下不会软化，该焊条具有大于80%IACS导电率且优选为大于90%IACS的导电率；
首先进行一系列铝到铝的焊接；
在完成铝到铝的焊接之后，然后进行一系列钢到钢的焊接；
在完成钢到钢的焊接之后，然后在下一次开始新的一系列铝到铝的焊接之前清理焊条以移除在焊条上任何铝的积累并重新在焊条表面形成粗糙度为2微米到50微米的纹理。
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