CN103042296B

CN103042296B - 热管无水电阻焊接电极

Info

Publication number: CN103042296B
Application number: CN201210328899.0A
Authority: CN
Inventors: B.E.卡尔森; P-C.王
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2011-09-08
Filing date: 2012-09-07
Publication date: 2015-08-12
Anticipated expiration: 2032-09-07
Also published as: CN103042296A; US9024227B2; DE102012215303A1; US20130062319A1; DE102012215303B4

Abstract

本发明涉及利用焊接装置来进行电阻焊接的装置，其包括热管和焊接电极，所述热管包括中空管，所述焊接电极配合在热管的一部分周围。焊接电极和热管被传导地联接，以便在焊接电极的内表面上传导热量。

Description

热管无水电阻焊接电极

技术领域

本发明涉及电阻焊接。

背景技术

该部分的陈述仅仅提供与本公开相关的背景信息。因此，这种陈述不构成对现有技术的承认。

电阻焊接是一种已知的工艺，其中，电流在两个电极之间通过。通常由金属件制成的要结合的工件被放置在电极之间，夹持力施加到电极，在电极之间流动的电流通过工件。工件中的电阻和工件之间的电阻在受到电流时产生足够的热量以便局部地熔化工件。允许工件的熔化部分被冷却，在工件之间产生焊接接头。

点焊是一种已知类型的电阻焊接。其经常涉及两个基本上圆形的铜电极彼此靠近，留下间隙，使工件能够插入其间。随着电流被施加，圆形的电极对工件产生圆形的焊接图案。常用技术采用一系列点焊沿着凸缘和本体结构将工件结合在一起。

发明内容

一种利用焊接装置来进行电阻焊接的装置，其包括热管和焊接电极，所述热管包括中空管，所述焊接电极配合在热管的一部分周围。焊接电极和热管被传导地联接，以便在焊接电极的内表面上传导热量。

此外，本发明还涉及以下技术方案。

1. 一种利用焊接装置来进行电阻焊接的装置，包括：

包括中空管的热管；和

配合在所述热管的一部分周围的焊接电极；

其中，所述焊接电极和所述热管被传导地联接，以便在所述焊接电极的内表面上传导热量。

2. 如技术方案1所述的装置，其中，所述焊接电极和所述热管在所述热管的基本整个所述部分上传导地联接。

3. 如技术方案1所述的装置，还包括定位在所述热管和所述焊接电极之间的形状记忆材料中间件，其中，所述形状记忆材料中间件传导地将所述热管联接到所述焊接电极。

4. 如技术方案3所述的装置，其中，当被加热到转变温度时，所述形状记忆材料中间件转变为训练形状。

5. 如技术方案4所述的装置，其中，所述训练形状降低所述焊接电极和所述形状记忆材料中间件之间的间隙。

6. 如技术方案4所述的装置，其中，所述训练形状被选择为改善所述焊接电极和所述形状记忆材料中间件之间的传导接触。

7. 如技术方案4所述的装置，还包括定位在所述形状记忆材料中间件附近的传感器，以便监测所述形状记忆材料中间件转变为训练形状。

8. 如技术方案7所述的装置，其中，所述传感器包括监测施加在所述形状记忆材料中间件和所述焊接电极的顶端之间的力的力传感器；并且

其中，监测所述形状记忆材料中间件转变为训练形状包括将施加在所述形状记忆材料中间件和所述焊接电极的顶端之间的力与预先确定的力进行比较。

9. 如技术方案7所述的装置，其中，所述传感器包括定位为监测所述形状记忆材料中间件的温度的温度传感器；并且

其中，监测所述形状记忆材料中间件转变为训练形状包括将监测到的温度与预先确定的温度进行比较。

10. 如技术方案7所述的装置，其中，所述焊接装置被操作为基于所述传感器的输出而预先调节所述形状记忆材料中间件。

11. 如技术方案7所述的装置，其中，外部加热装置被操作为基于所述传感器的输出而预先调节所述形状记忆材料中间件。

12. 如技术方案3所述的装置，其中，所述焊接装置被预先调节为基于先前时间段内的焊接装置的非活性而加热所述形状记忆材料中间件。

13. 如技术方案3所述的装置，其中，所述形状记忆材料中间件是导电的；并且

其中，所述焊接装置使电流通过所述形状记忆材料中间件。

14. 如技术方案1所述的装置，其中，所述热管包括第一热管；

其中，所述焊接电极包括第一焊接电极；以及

还包括联接到第二热管的第二焊接电极，其中，所述第一焊接电极和所述第二焊接电极协作地执行电阻焊接。

15. 如技术方案1所述的装置，其中，所述焊接电极用于电阻点焊。

16. 一种用于电阻焊接的装置，包括：

包括中空管的热管；

配合在所述热管的一部分周围的焊接电极；以及

定位在所述热管和所述焊接电极之间的形状记忆材料中间件；

定位为邻近所述形状记忆材料中间件的传感器；

其中，所述形状记忆材料中间件传导地将所述热管联接到所述焊接电极；

其中，所述形状记忆材料中间件构造成当所述形状记忆材料中间件被加热到转变温度时转变为训练形状，所述训练形状被选择为降低所述焊接电极和所述形状记忆材料中间件之间的间隙；

其中，所述传感器监测所述形状记忆材料中间件转变为所述训练形状。

17. 一种用于操作电阻焊接装置的方法，包括：

操作电阻焊接装置，所述电阻焊接装置包括焊接电极，所述焊接电极接触工件并且使电流通过所述工件；以及

通过将所述焊接电极配合在热管的一部分上将所述焊接电极的温度维持在操作温度范围内，其中，所述焊接电极和所述如果被传导地联接以便使热量在所述焊接电极的内表面上传导。

18. 如技术方案17所述的方法，其中，将所述焊接电极的温度维持在操作温度范围内包括在所述热管和所述焊接电极之间采用形状记忆材料中间件，其中，当所述形状记忆材料中间件被加热到转变温度时，所述形状记忆材料中间件具有训练形状，所述训练形状有利于增加所述形状记忆材料中间件和所述焊接电极之间的传导连接。

19. 如技术方案18所述的方法，还包括根据操作图来操作所述焊接装置，以便维持所述形状记忆材料中间件中的最小期望温度。

附图说明

现在参考附图，通过示例描述一个或多个实施例，附图中：

图1示出了根据本公开的示例性凹型焊接电极和连接热管；

图2示出了根据本公开的、在组装之前的示例性热管、电极和SMM中间件；

图3示出了根据本公开的示例性的热管、电极和SMM中间件，在这些部件之间包括多个间隙；

图4示出了根据本公开的图3的热管、电极和SMM中间件，其中，SMM中间件已经被加热到转变温度，并且SMM中间件的训练形状已经使部件之间直接接触，消除了部件之间的间隙；

图5示出了根据本公开的来自三个冷却方法的示例性数据，三个冷却方法包括联接到实心铜棒的电极、联接到设置有水冷却回路的棒的电极、以及联接到热管的电极；

图6示出了根据本公开的示例性的操作焊接装置的过程，包括SMM中间件传导式地连接热管和焊接电极；

图7示出了根据本公开的示例性构造，包括凸型焊接电极和SMM中间件。

具体实施方式

现在参考附图，其中，附图仅用于示出某些示例性实施例的目的，不用于限制本发明，电阻焊接将两个电极放置在工件的两侧，电流施加到电极，在电极之间通过的高电流造成工件局部熔化。主要的焦耳热在该过程中产生，电极必须被保持在操作温度范围内，以便避免过度的温度损坏电极。具体而言，当较薄规格的工件用在被制造的物体中时，电极更加地受到焊接在工件之间的区域中引起的熔化材料附近的较高温度。电极上的超过操作温度范围的高温能够损害电极并且接下来影响焊接质量。电极的损害可以包括电极与工件接触时变平，导致失去电流密度并且导致焊接装置的焊接效率的下降。

电极可以使用柄内的室温的冷却水来冷却。冷却剂可以被引导通过联接到每个电极的热管。热量可以从电极传递到冷却剂，有利于将电极的温度保持在操作温度范围内，同时降低循环次数，例如，降低更换电极或修磨电极所用的时间。尽管冷却水能够有效地冷却电极，但它需要管、泵以及维护，并且从而造成高的制造成本。因此，需要消除在电阻焊接中利用水或其它液体进行的冷却。在制造环境中，额外地对焊接设备提供水管线可能是昂贵或不可行的。

热管主要通过传导从装置移去热量。热管的一个实施例包括由热传导材料制成的中空结构。热管在冷却装置方面的效率取决于该热管是否包括与被冷却的装置尽可能多的牢固接触。如果热管和被冷却的装置应该接触的区域的部分没有接触，则热管在冷却装置方面的效率可能被降低。

可以使用热管来冷却焊接装置的一个或多个焊接电极。图1示出了示例性焊接电极和连接热管。构造5包括热管10和焊接电极20。焊接电极20配合在一部分热管10的周围。通过传导式地连接焊接电极20的内表面和热管10，可以主要通过传导从焊接电极20移除热量。在焊接装置操作期间，电流通过焊接电极20进入连接工件。在高电阻的点，通常在第一工件和第二工件之间的搭接界面处，由焊接电流导致的焦耳热使工件熔化，周围的熔化材料变成得到的焊接部。来自该焊接过程的热量通过工件被传导到电极，并且增加电极20的温度。通过热管10的传导可以使热量从电极20移除。

可以使用热管来冷却焊接装置上的焊接电极。热管可以插入电极内。热管在冷却电极方面的效率与热管和电极之间的接触面积直接相关。通过在电极和热管之间的基本整个接触面积上传导式地连接焊接电极和热管，可以尽可能地增大这两者之间的热传导。热管是本领域已知的装置，并且不在此具体讨论。在一个示例性实施例中，热管在热管的中空部分中包括液体。该液体接触到该热管靠近被冷却的装置的部分，并且当液体被加热并改变状态为气体时，热量从被冷却的装置移除。气体移动通过热管到达冷却装置，诸如采用风扇和/或暴露于周围空气的冷却翅片的装置。当气体冷却回到液体时，热量通过冷却装置排出，并且液体可以返回以便再次冷却被冷却的装置。多种因素可以用于降低热管和电极之间的接触面积，由此降低部件之间的热传导。热管和电极的制造公差可能降低接触面积。在焊接装置的寿命期间，热管或电极都可能由于温度的循环、通过与工件的接触而施加的力、或制造环境中的正常磨损而变形。为了尽可能降低这些潜在的影响，传导中间件可以被插入热管和电极之间以便有利于热管和电极之间的热传导。热管在冷却电极方面的效率与热管和中间件之间的接触面积以及中间件与电极之间的接触面积直接相关。然而，中间件与热管和电极之间的接触面积还是受到制造公差的影响并且可能随着时间改变。

形状记忆材料（SMM），诸如形状记忆合金或形状记忆聚合物，能够产生这种工件，其基于工件的温度而改变形状。形状记忆材料可以包括多种成分。形状记忆材料可以基于加热而在一个方向上改变形状为训练形状，或者形状记忆材料可以在较热温度的第一训练形状和较冷温度的第二训练形状之间变化。形状记忆材料是本领域已知的并且不在此具体讨论。

由形状记忆材料制成的工件可以用作热管和电极之间的界面，通过降低或消除部件之间的间隙而有助于热量传递离开电极，而不需要使用水冷却。形状记忆材料构成的中间件可以被训练为一形状，该形状被校准以便改善部件之间的传导性。训练形状可以被选择为跨接中间件和焊接电极之间的间隙，和/或有助于焊接电极完全地配合在热管上。通过以这种方式弯曲，形状记忆材料（SMM）中间件可以降低或填充存在于或形成在热管、电极、和SMM中间件之间的任何间隙。

图2示出了组装之前的示例性热管、电极和SMM中间件。热管10包括配合在其上的SMM中间件30。电极20包括腔25，该腔25的尺寸被设定为接收热管10和SMM中间件30。腔25的尺寸可以被设定为当热管10和SMM中间件30被插入时包括轻微的干涉配合、正常配合或轻微的松配合。当热管10和SMM中间件30插入腔25内时，热管10和SMM中间件30彼此直接接触，电极20和SMM中间件30彼此直接接触。SMM中间件30可以由电传导并且热传导的材料制成，使得电流能够通过该工件并且热量可以从电极传导进入热管。

图3示出了示例性的热管、电极和SMM中间件，在这些部件之间包括多个间隙。热管10和SMM中间件30已经被插入到电极20中。如果在部件之间不存在间隙，则沿着部件之间的整个界面，每个部件将包括与相邻部件的接触面积，导致部件之间的理想的热传导性。本来就存在，或者是由于随着时间的过去在部件之间造成间隙的因素，存在间隙35。结果，间隙35降低了电极20和SMM中间件30之间的接触面积。结果，通过SMM中间件30从电极20至热管10的热传导性较没有间隙时存在的理想的热传导性有所降低。图3示出了一个实施例，其中，采用传感器40来估计SMM中间件30是否转变为训练形状。

图4示出了图3的热管、电极和SMM中间件，其中，SMM中间件已经被加热到转变温度，并且SMM中间件的训练形状已经使部件之间直接接触，消除了部件之间的间隙。热管10、SMM中间件30和电极20直接接触，使得部件之间的接触面积尽可能地增大，在热管10、SMM中间件30和电极20之间可以发生相对应的尽可能大量的热传递。

当被加热到转变温度时，SMM中间件可以降低或消除间隙。通过焊接装置的正常操作，电极的温度将升高，并造成SMM转变到其训练形状。然而，在SMM中间件达到其转变所需温度或其转变温度之前的时间段中的焊接装置的操作可能在SMM中间件没有处于该温度并且在部件之间存在任何间隙的时间期间受到不利影响。结果，其有利于在先前时间段中基于焊接装置的无活性或不充分的活性来预先调节焊接装置，并且提高SMM中间件的温度，使得在操作焊接装置之前SMM转变为训练形状并且降低或消除部件之间的任何间隙。在先前时间段中的焊接装置的非活性可以通过诸如记录焊接装置的循环操作或监测通过电极的电流的方法来监测。可以设想多种方法来预先调节焊接装置。电流可以在电极之间传递，造成电极被加热，并且由此使SMM中间件的温度升高。在另一个实施例中，外部电热加热装置可以定位为靠近电极、热管、或SMM中间件，并且热量可以被传递到SMM中间件。

基于对设置有一个或多个传感器的代表性构造的校准，可以估计或建模焊接装置中的SMM中间件的行为。例如，定位在电极顶端的边界处或附近的力传感器，例如在电极与SMM中间件联接的表面处的电极的下侧，以及SMM中间件可以监测在边界处的力的施加，并且基于施加的力来诊断电极和SMM中间件是否接触。如果SMM中间件和焊接电极直接接触，则作为焊接过程的一部分的由焊接装置施加到电极的夹持力将导致焊接电极和SMM中间件之间的压缩力。如果SMM中间件和焊接电极仅轻接触或点接触，则焊接装置的较小的夹持力将导致焊接电极和SMM中间件之间的较小的压缩力。如果间隙完全地分开焊接电极的顶端和SMM中间件，则由焊接装置施加到电极的夹持力将不会导致压缩力。以这种方式，电极的顶端和SMM中间件之间的区域中的SMM中间件和电极之间的间隙或不完全接触可以被诊断。可以通过在焊接过程中要求监测的力满足阈值力而实现焊接装置的操作，并且如果阈值不被满足，则更多的热量必须被施加到SMM中间件，或者焊接装置需要被预先调节，以便使SMM中间件达到转变温度。可以通过校准、建模或足以精确地预测包括SMM中间件的焊接装置的操作的任何方法来选择阈值力。

在另一实施例中，温度传感器可以定位成靠近SMM中间件，并且可以基于对SMM中间件的监测的或估计的温度与工件的转变温度的比较而估计SMM中间件的行为。可以基于校准、建模或足以估计焊接装置的操作以及SMM中间件的转变的任何方法来选择SMM中间件的最小期望温度或阈值温度。阈值温度可以是SMM中间件的转变温度或者是选择在转变温度以上的某个值。可以通过校准、建模或足以精确地预测包括SMM中间件的焊接装置的操作的任何方法来选择阈值温度。

基于对SMM中间件的行为的校准或预测，可以生成焊接装置的操作图。操作图可以使焊接装置每分钟操作一定次数以便维持最小期望温度，或者对焊接装置的操作中断几分钟，要求焊接装置被预先调节或者采取其它补救措施，诸如增加电极在加热器工件上的停留时间，以便增加SMM中间件的温度。

图5示出了来自三个冷却方法的示例性数据，三个冷却方法包括联接到实心铜柄的电极、联接到设置有水冷却回路的柄的电极、以及联接到热管的电极。水平x轴表示焊接时间，单位为秒。竖直y轴表示电极的下侧的温度，单位为开氏度。曲线表示了来自三个冷却方法的建模结果，包括表示联接到实心铜柄的电极的曲线100、表示联接到设置有水冷却回路的柄的电极的曲线110、以及表示联接到热管的电极的曲线120，如图所示。温度中每个最大的峰值代表正在被执行的焊接。在执行焊接之后，每个曲线的温度快速返回到较低值。采用联接到实心柄的电极的焊接装置显示了在所示的时间跨度上以较低值增加，示出了带有实心铜柄的焊接装置中的热累积。随着时间过去，该焊接装置的温度可以超过电极的操作温度范围，并且对电极造成损坏。采用设有水冷却回路的柄的焊接装置显示了在所示的时间跨度上较低值的基本稳定的结果，示出了带有水冷却回路的焊接装置中的温度控制。类似地，采用设有热管的柄的焊接装置显示了在所示的时间跨度上较低值的基本稳定的结果，示出了带有热管的焊接装置中的温度控制。

图6示出了操作焊接装置的示例性过程，包括SMM中间件传导地连接热管和焊接电极。提供表1作为图6的关键字，其中数字标记框及相应的功能如下所述。

表1

过程200开始于框202。在框204，在先前的时间段中监测焊接装置的操作，以便评估焊接装置内的SMM中间件的状况。在框206，过程确定先前的时间段内监测的操作是否指示需要焊接装置的预先调节，以便使SMM中间件达到最小期望温度。如果框206的回答为否，则路径218前进到框210。如果框206的回答为是，则路径220前进到框208，在框208中预先调节焊接装置。在框210中，焊接装置被操作。在框212中，监测焊接装置内的传感器。在框214，过程确定SMM中间件是否适当地转变到训练状态。如果框214的回答为是，则过程通过路径222返回到框204。如果框214的回答为否，则采取路径224，在返回到框204之前，在框216中预先调节焊接装置。该过程是如何能够操作本文所述的装置和方法的示例，并且本公开不旨在局限于本文所提供的特定的示例性实施例。

焊接装置可以包括定位在要焊接的工件的两侧上的两个电极。本文公开的装置和方法能够用在焊接装置的一个或两个电极上。

SMM中间件在转变温度转变为训练形状。训练形状被选择为跨接SMM中间件和焊接电极之间的任何间隙，和/或有助于焊接电极完全地配合在热管上。本领域技术人员将认识到，SMM件具有基于材料性质和本领域已知的件构造的限制，并且SMM中间件必须被选择为基于这些限制填充间隙。

本文所述的构造和方法可以被应用于各种焊接装置和电极布置中。图1至图4的焊接电极可以被描述为凹型的焊接电极。图7示出了示例性构造，包括凸型焊接电极和SMM中间件。热管10和SMM中间件330已经被插入到电极320中。电极320包括变细的电极端322和323，其中，电极可以插入焊接装置的柄中，例如，包括用于通过电极320对工件施加夹持压力的夹具，和/或用于使焊接装置施加的电流到达电极的传导路径。SMM中间件330类似于SMM中间件30，其带有不同的特征以匹配电极320的内部形状。另外，SMM中间件330包括训练形状，该训练形状被选择或校准以便消除可能特定地在电极320中产生的间隙。在SMM中间件330和电极的界面处或附近，可以采用传感器如本文所公开的那样来确定SMM中间件330是否转变。

控制模块、模块、控制、控制器、控制单元、处理器及类似的术语意味着下列项中的一个或多个的任意恰当的一种或各种组合：专用集成电路（ASIC）、电子电路、执行一种或多种软件或固件程序的中央处理单元（优选为微处理器）和相关联的存储器和存储装置（只读、可编程只读、随机存取、硬盘等）、组合逻辑电路、输入/输出电路和设备、恰当的信号调节和缓冲电路、及提供所述功能的其它适当构件。软件、固件、程序、指令、例程、编码、算法以及类似术语指的是任何控制器可执行指令组，包括校准和查询表。控制模块具有一组控制例程，这些例程被执行以提供期望的功能。可以通过例如中央处理单元来执行例程，并且可操作以监测来自传感设备和其它联网控制模块的输入，并且执行控制和诊断例程从而控制致动器的操作。例程可以规则的时间间隔执行，例如在进行中的发动机和车辆操作期间每3.125、6.25、12.5、25和100毫秒。可替代地，例程可以响应事件的发生而执行。

可以根据多个实施例来操作电阻焊接，包括电阻点焊、电阻凸焊、电阻缝焊、以及本领域已知的其它焊接形式，并且本文公开的装置和方法可以用于这些实施例的任何一个。

本公开已经描述了某些优选实施例及其改型。在阅读和理解本说明书的情况下可以进行其它改型和替代。因此，本发明不限于作为用于实现本公开的最佳模式而公开的一个（多个）具体实施例，而是本公开将包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。

Claims

1.一种利用焊接装置来进行电阻焊接的装置，包括：

包括中空管的热管；

配合在所述热管的一部分周围的焊接电极，所述热管用于冷却焊接电极；和

其中，所述形状记忆材料中间件将所述焊接电极和所述热管传导地联接，以便在所述焊接电极的内表面上传导热量。

2.如权利要求1所述的装置，其中，所述焊接电极和所述热管在所述热管的基本整个所述部分上传导地联接。

3.如权利要求1所述的装置，其中，当被加热到转变温度时，所述形状记忆材料中间件转变为训练形状。

4.如权利要求3所述的装置，其中，所述训练形状降低所述焊接电极和所述形状记忆材料中间件之间的间隙。

5.如权利要求3所述的装置，其中，所述训练形状被选择为改善所述焊接电极和所述形状记忆材料中间件之间的传导接触。

6.如权利要求3所述的装置，还包括定位在所述形状记忆材料中间件附近的传感器，以便监测所述形状记忆材料中间件转变为训练形状。

7.如权利要求6所述的装置，其中，所述传感器包括监测施加在所述形状记忆材料中间件和所述焊接电极的顶端之间的力的力传感器；并且

8.如权利要求6所述的装置，其中，所述传感器包括定位为监测所述形状记忆材料中间件的温度的温度传感器；并且

9.如权利要求6所述的装置，其中，所述焊接装置被操作为基于所述传感器的输出而预先调节所述形状记忆材料中间件。

10.如权利要求6所述的装置，其中，外部加热装置被操作为基于所述传感器的输出而预先调节所述形状记忆材料中间件。

11.如权利要求1所述的装置，其中，所述焊接装置被预先调节为基于先前时间段内的焊接装置的非活性而加热所述形状记忆材料中间件。

12.如权利要求1所述的装置，其中，所述形状记忆材料中间件是导电的；并且

其中，所述焊接装置使电流通过所述形状记忆材料中间件。

13.如权利要求1所述的装置，其中，所述热管包括第一热管；

其中，所述焊接电极包括第一焊接电极；以及

14.如权利要求1所述的装置，其中，所述焊接电极用于电阻点焊。

15.一种用于电阻焊接的装置，包括：

包括中空管的热管；

配合在所述热管的一部分周围的焊接电极，所述热管用于冷却焊接电极；以及

定位为邻近所述形状记忆材料中间件的传感器；

16.一种用于操作电阻焊接装置的方法，包括：

通过将所述焊接电极配合在热管的一部分上将所述焊接电极的温度维持在操作温度范围内，其中，将所述焊接电极的温度维持在操作温度范围内包括在所述热管和所述焊接电极之间采用形状记忆材料中间件，其中所述形状记忆材料中间件传导地联接所述焊接电极和所述热管以便使热量在所述焊接电极的内表面上传导。

17.如权利要求16所述的方法，其中，当所述形状记忆材料中间件被加热到转变温度时，所述形状记忆材料中间件具有训练形状，所述训练形状有利于增加所述形状记忆材料中间件和所述焊接电极之间的传导连接。

18.如权利要求17所述的方法，还包括根据操作图来操作所述焊接装置，以便维持所述形状记忆材料中间件中的最小期望温度。