CN103658958A

CN103658958A - 铝到铝以及钢到钢的电阻点焊

Info

Publication number: CN103658958A
Application number: CN201310423665.9A
Authority: CN
Inventors: D.R.西格勒; M.J.卡拉古利斯
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2012-09-17
Filing date: 2013-09-17
Publication date: 2014-03-26
Also published as: DE102013218275A1

Abstract

本发明涉及铝到铝以及钢到钢的电阻点焊。一种方法，用于使用同一焊接机进行多个铝到铝焊缝以及多个钢到钢的焊接的焊接，包括提供具有一对焊接电极的电阻点焊焊接机，电极表面的曲率半径在20毫米和40毫米之间的范围内。首先进行一系列铝到铝的焊接，然后，在完成了铝到铝的焊接之后，进行一系列钢到钢的焊接。在完成了钢到钢的焊接之后，靠研磨剂清理电极以清除铝在电极上的任何堆积或污物。如果电极已经成蘑菇形，那么，就提供电极的修整，然后执行喷砂清理以复原表面纹理。

Description

铝到铝以及钢到钢的电阻点焊

技术领域

本发明涉及将金属板焊接在一起，并且尤其提供一种方法，使用单个焊枪将铝板与铝板以及把钢板与钢板电阻点焊在一起。

背景技术

汽车车身制造操作包括通过电阻点焊把两个金属薄板层连在一起。点焊操作通常是通过把金属薄板组装在合适的夹具或其它夹紧器具中然后把焊接电极压在邻接金属板的相对侧上来完成。焊接电极既提供夹紧力又传递焊接电流到与金属板的接触点。

焊枪通常由机器人操作，因此，能够在特定的制造单元进行连续焊接。制造效率要求尽可能快速地连续进行焊接，从而减少组装车身所需的焊接机和机器人的数量。

现代的机动车辆通常可以既采用钢板又采用铝板，从而最优化车身的强度和重量特性。因此，车身的焊接操作可以既包括焊接铝板到铝板，又包括焊接钢板到钢板。钢板通常电镀有锌镀层用作防腐蚀。

关于钢的点焊，大家都知道，在许多焊接之后，归因于夹紧压力、高温和铜与镀锌钢表面的合金化的联合作用，铜电极将软化并且成蘑菇形。因此，现有技术已经承认，当铜电极用来焊接钢或镀锌钢时，必须定期修整电极以便整形电极以延长其使用年限并保持焊接质量。

关于铜电极在焊接铝板上的使用，大家都知道，铝从铝薄板堆积到电极表面上会导致低熔点的Cu-Al低共熔混合物的形成，这最后在电极表面产生凹点。为了最小化点蚀反应，现有技术已经承认，用于焊接铝板的铜电极需要不定期地重修表面以便去除其表面的污物。

因此，关于焊接铝到铝，转让给本发明的受让人的美国专利6,861,609通过用小砂粒喷砂或用砂纸打磨以便清理和复原铜电极的表面来使电极表面具有某种纹理。另外，也转让给本发明的受让人的2006年9月28日提交的美国专利申请序列号11/536,001公开了一种方法，用于使用工具修整铜电极的顶部并且在其上形成一系列同心环。在同心环形成期间切割或修整表面的目的既是为了清理电极表面也是为了形成纹理。

因此，虽然现有技术已经发展了钢到钢的焊接技术和铝到铝的焊接技术，但是，还没有做到使用单个焊枪焊接钢到钢和铝到铝，这主要有两个原因。第一，以点焊这些材料中的一种为目的的焊接电极通常不适于点焊另一种材料。例如，用于点焊钢的球头电极在用于点焊铝时引起过多的薄板变形和焊接金属喷溅。第二，焊接电极传递的含铁粒子对铝板的污染能够引起电化腐蚀和过早的板恶化。

因此，会想要提供对焊接过程的进一步改善，从而，单个焊枪使用同一对铜电极能够既进行钢板到钢板的焊接又进行铝板到铝板的焊接，而不会引起上面指出的问题。

发明内容

一种方法，用于使用同一焊接机进行多个铝到铝焊缝以及多个钢到钢焊缝的焊接，包括提供具有一对焊接电极的电阻点焊焊接机，所述焊接电极具有曲率半径在20毫米至40毫米的范围内的电极表面。选择的电极材料具有足够的高温强度，从而使钢焊接过程不会过分地软化电极并损坏用于铝点焊的纹理的有效性。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，靠研磨剂清理焊接电极以清除铁在电极上的堆积或污物。如果电极已经形成蘑菇形，那么，就进行电极的修整，然后执行喷砂清理以复原表面纹理。

本发明提供下列技术方案。

1. 一种方法，用于使用同一焊接机进行多个铝到铝以及多个钢到钢的电阻焊接的焊接，包括：

提供具有一对焊接电极的电阻点焊焊接机，所述焊接电极具有曲率半径在20毫米和40毫米之间的范围内的电极表面，并且所述电极表面具有从电极表面突出的高度为20微米至200微米的多个同心环形隆起；

首先进行一系列铝到铝的焊接；

在完成了铝到铝的焊接之后，接下来进行一系列钢到钢的焊接；

在完成了钢到钢的焊接之后，接下来，在下次开始新的一系列铝到铝的焊接之前，清理和修整焊接电极以清除铝在电极上的任何堆积并且重新切削出高度为20微米至200微米的突出隆起环。

2. 如技术方案1所述的用于焊接的方法，进一步地包括，如果电极已经成蘑菇形了，则修整电极。

3. 如技术方案1所述的方法，进一步地包括，在完成钢到钢的焊接之后，测量电极以确定电极蘑菇形化的程度，并且，如果确定了蘑菇形化，则在对电极重新纹理化之前重新修整电极。

4. 如技术方案1所述的方法，进一步地包括，铜电极的屈服强度至少为400兆帕。

5. 如技术方案1所述的方法，进一步地包括，铜电极的屈服强度优选为大于500兆帕。

6. 如技术方案1所述的方法，进一步地包括，电极是铜合金的，其不会在400℃的温度下软化。

7. 如技术方案1所述的方法，进一步地包括，电极的导电率大于80% IACS导电率并且优选为大于90% IACS。

8. 如技术方案1所述的方法，进一步地包括，清理和重新修整是由切削刀片执行。

9. 如技术方案1所述的方法，进一步地包括，同心环形隆起的隆起与隆起之间的间距在80微米至1500微米的范围内。

10. 如技术方案1所述的方法，进一步地包括，环形隆起的宽度在40微米至2000微米的范围内。

11. 如技术方案1所述的方法，进一步地包括，同心环形隆起的每一个的横截面都是圆形。

12. 如技术方案1所述的方法，进一步地包括，如果确定铝到铝的焊接数量导致过多的点蚀或铝在电极上的堆积，那么就暂时停止铝到铝的焊接以在完成铝到铝的焊接且进入钢到钢的焊接之前执行电极表面的中途清理和纹理化。

13. 一种方法，用于使用同一焊接机进行多个铝到铝以及多个钢到钢的电阻焊接的焊接，包括：

提供具有一对焊接电极的电阻点焊焊接机，所述焊接电极具有曲率半径在20毫米和40毫米之间的范围内的电极表面，所述电极表面具有从电极表面突出的高度为20微米至200微米的多个同心环形隆起；铜电极的屈服强度至少为400兆帕，电极是铜合金的，其不会在400℃的温度下软化，电极的导电率大于80% IACS导电率并且优选为大于90% IACS；

首先进行一系列铝到铝的焊接；

在完成了钢到钢的焊接之后，接下来，在下次开始新的一系列铝到铝的焊接之前，清理和修整焊接电极以清除铝的任何堆积并且重新切削出高度为20微米至200微米的突出隆起环。

14. 如技术方案13所述的方法，进一步地包括，如果电极已经成蘑菇形了，则修整电极。

15. 如技术方案13所述的方法，进一步地包括，在完成钢到钢的焊接之后，测量电极以确定电极蘑菇形化的程度，并且，如果确定了蘑菇形化，就在对电极重新纹理化之前重新修整电极。

16. 如技术方案13所述的方法，进一步地包括，由切削刀片执行清理和重新纹理化，该切削刀片的切削面匹配多个同心环形隆起的形状。

17. 如技术方案13所述的方法，进一步地包括，同心环形隆起的隆起与隆起之间的间距在80微米至1500微米的范围内。

18. 如技术方案13所述的方法，进一步地包括，如果确定铝到铝的焊接数量导致过多的点蚀或铝在电极上的堆积，那么就暂时停止铝到铝的焊接以在完成铝到铝的焊接且进入钢到钢的焊接之前执行电极表面的中途清理和纹理化。

19. 如技术方案13所述的方法，进一步地包括，环形隆起的宽度在40微米至2000微米的范围内。

20. 如技术方案13所述的方法，进一步地包括，同心环形隆起的每一个的横截面都是圆形。

通过下文提供的详细描述，本发明的更多适用领域将变得显而易见。应当理解，详细描述和特定例子虽然说明了本发明的示范性实施例，但是仅仅意图用于示例并且不意图限制本发明的范围。

附图说明

通过详细描述和附图将更完整地理解本发明发明，其中：

图1是焊接设备的示意图，使用本发明的焊接电极点焊铝到铝以及钢到钢。

图2是在本发明的实施中使用的电极的立体图。

图3是图2所示电极的侧视图，去除了一些部分。

图4是用砂轮进行清理和重新形成纹理的一对电极的侧视图。

图5是用砂轮进行清理和重新形成纹理的这对电极的另一侧视图。

图6是用砂轮进行清理和重新形成纹理的一对电极的另一侧视图。

图7是在本发明的实施中使用的电极的另一实施例的立体图。

图8是图7所示电极的侧视图，去除了一些部分且取截面。

图9是图8的局部放大图。

图10是用切削刀片进行清理和修整的一对电极的侧视图。

图11是用切削刀片进行清理和修整的一对电极的另一侧视图。

具体实施方式

图1是代表性点焊焊枪设备10的侧视示意图，带有点焊操作用到的相关设备。在这样的操作中，准备要焊接的具有两个或更多金属薄板13和14的组件并且通过传送带或其它装置输送到焊枪设备10。焊枪设备10通常安装在机器人上，机器人沿着金属薄板13和14移动焊枪设备10以快速地完成一系列独立的电阻点焊。金属板13和14能够是两块都是铝的，或者能够是两块都是钢的。

在图1中，金属板13和14示为保持在焊枪臂20的一对沿轴向对齐且对立的电极16和18之间。焊枪臂20构造为C形，从而使得对立的电极16和18能够朝向且压在金属板13和14的对立侧上。在示出的布置中，电极16安装在焊柄17上，焊柄17插入夹持器22中，夹持器22连在焊枪臂20的固定臂24上。另一个电极18安装在焊柄19上并且插入另一夹持器26中，夹持器26支撑在气缸或伺服电动机28上。气缸或伺服电动机28适合于使电极18沿轴向移动成与板14的外表面夹紧接合。来自未示出的远程源的高压空气源输送空气通过可编程空气调节器30、通过空气管道32到达气缸28以提供夹紧力。替代地，伺服电动机控制器给伺服电动机提供电流和电压以提供夹紧。在点焊工序期间，气压及时应用于气缸28或伺服电动机的运动使夹持器26前进，从而使电极18以大约为500至1500磅量级的力把板13和14压到固定电极16上。

通常安装在机器人臂端部的焊枪20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以及焊接控制器36。焊接控制器36调节给焊接变压器的初级焊接电流的传送，焊接变压器向电极供应电流。一有焊接控制器36的指令，初级电流经由初级电流线38输送给焊接变压器40。焊接变压器40把初级电流转化成更低电压、更高电流的次级焊接电流，然后提供这个电流通过次级电流线42和电极夹持器26以及导电焊枪臂20和电极夹持器22。

现在转向图2，公开了铜电极16的一种设计，其特别设计成完成钢板的焊接以及铝板的焊接。如图2所示，电极16具有圆筒形主体50，带有截头圆锥形端部52。主体50具有中空插口51，该插口适合于容纳插入电极夹持器22的焊柄17。截头圆锥形端部52的焊接表面54是冕状的。特别地，我们已经发现，电极焊接表面54的冕的曲率半径应当在20毫米和40毫米的范围内，从而提供有效进行铝到铝的焊接以及钢到钢的焊接的电极。我们已经发现，图3的电极16的弯曲焊接表面54的直径"B"是焊接电极设计的特点，并且电极焊接表面54的直径与铝到铝焊接的期望熔核尺寸有关。铝到铝的最小可接受熔核直径大约为4x(t)^1/2，其中，t是两块叠起来的铝板中较薄的铝板的厚度。我们已经发现，焊接表面54的直径B应至少比该可接受熔核直径大1.5毫米，并且优选地，电极焊接表面54的直径应至少比该可接受熔核直径大3毫米。作为一个例子，如果较薄的铝板的厚度是1毫米，那么焊接1毫米厚的铝板的熔核直径应为4毫米，4x(t)^1/2=4毫米，那么焊接表面54的直径将为4毫米加上至少1.5毫米。因此直径B将为5.5毫米直径。或者，优选地，焊接表面54的直径将为4毫米加上3毫米，因此直径将为7毫米。

另外，我们已经发现，电极表面54应形成纹理以提供2微米至50微米范围内的表面粗糙度从而穿透铝材料上的坚硬的附着氧化物。另外，为了使电极工作顺利，我们已经确定，电极材料必须具有高导电率，具有高硬度或屈服强度并且能够抵抗高温下的软化。电极屈服强度应至少为400兆帕，并且优选为高于500兆帕（MPa），从而使纹理在使用中具有足够的耐久性。当合金暴露在钢的点焊期间获得的高温下时必须抵抗软化。我们已经发现，合金必须在至少400℃的温度下不能软化，并且优选为高于500℃。最后，合金必须具有足够的导电率以防止铝所需的强焊接电流通过时的过热。按照国际退火铜标准（IACS），这必须是大于80%的导电率，并且优选为大于90% IACS。

另外，我们已经确定，在单个焊枪（的用途）用来进行铝板以及钢板的焊接的焊接操作期间，它应包括在进行钢到钢的焊接之前完成全部铝到铝的焊接。特别地，我们已经发现，钢到钢的焊接的进行将引起锌和铁污物在铜电极上的堆积，这些污物又将转移到铝板上并且妨碍在铝板中获得有效的耐腐蚀焊缝。然而，虽然在铝到铝的焊接进行期间，铝将被电极拾起（pick up），但是，我们已经发现，铝对钢焊缝的污染不如锌和铁对铝焊缝的污染那样成问题。因此，已经确定，铝到铝的连续焊接应当在钢到钢的焊接进行之前，由此避免钢到钢焊缝产生的污物可能转移到铝到铝焊缝的情况。另外，钢到钢的焊接的进行比铝到铝的焊接的进行更快地恶化纹理结构，因此，也表明铝到铝的焊接应当在钢到钢的焊接进行之前进行。

还确定，在进行钢到钢的连续焊接之后，电极在再次开始铝到铝的焊接之前应当进行清理并且纹理化。在铝到铝的焊接之前对电极的清理和纹理化确保了没有来自镀锌钢板的铁或锌污物转移到铝板上并且电极具有适于铝焊接的纹理。

另外，如果期望延长的铝焊接，铝焊接能够暂时停止并且能够进行中途的清理和纹理化操作以复原纹理并且清除铝的任何堆积，从而避免电极表面54的腐蚀和点蚀，这是在尝试太多的铝到铝的焊接时可能引起的。

焊接电极的清理/纹理化能够通过使用柔性磨料例如橡胶底硅轮、黑金刚-紫金刚研磨轮（Scotch-Brite wheel）或不锈钢丝轮最有效地完成，以既清理电极又复原期望的表面纹理。因此，焊枪机器人将焊枪与磨料对齐，然后，磨料能够抵靠电极表面旋转。替代地，磨料能够保持固定，机器人能够旋转或使电极表面在固定的磨料的表面上平移。研磨剂既清除铝堆积，又在表面形成一系列的凹槽或隆起以复原期望的表面纹理。清理过程必须清除已经堆积起来的全部污物并且在足够短的时间做这件事以免妨碍生产。

图4示出柔性介质轮56的例子，该轮绕水平轴58旋转，使对立的电极16和18压在柔性介质轮56的轮缘64上。机器人可以按照箭头68的方向来回旋转电极16和18，从而使电极的表面54的冕状表面的全部被柔性介质轮56的轮缘64均匀地接触。

图5示出刚性砂轮74的另一例子，该轮绕水平轴78旋转，使对立的电极16和18压在旋转砂轮74的对立面80和82上。在图5中，砂轮74是刚性砂轮，带有曲底凹槽84和86，它们配合电极表面54的弯曲。机器人可以按照箭头88的方向来回旋转电极16和18，从而使电极16和18的电极表面54的表面的全部将被砂轮74的表面80和82均匀地接触。

图6示出旋转砂轮90的另一例子，该轮90锁位在旋转齿轮92中，该旋转齿轮92绕轴线96旋转，该轴线96与对立的电极16和18的轴线一致，电极16和18压在旋转砂轮90的对立面98和100上。在图6中，砂轮90能够是刚性砂轮，带有曲底凹槽104和106，它们配合电极表面54的弯曲。或者，砂轮能够是柔性介质，其服从电极表面的冕状形状。

另外，我们已经发现，该方法应当包括监测电极的蘑菇形化事件，这通常发生在钢的点焊期间，归因于遇到的高温和压力。使用安装到机器人的伺服枪装置最容易实现该监测，该装置带有传感器来监测伺服压头位移。每个电极的长度能够通过让机器人使固定电极接触参考试块例如安装在固定位置的钢块来确定。对接触固定电极所需的机器人运动的监测将给出固定电极的长度。伺服枪的关闭和压头动作的监测将给出可动电极的长度。电极长度与早期确定的长度的比较用来确定电极由于蘑菇形化引起的缩短。一旦一个电极已经达到预定的缩短程度，将要重新修整电极并且确定新的长度参考点。对于未安装在机器人上的伺服枪，枪关闭仍然能够确定电极长度变化，但是，该关闭将给出两个电极的总变化，而不是单个电极的长度变化。电极长度的确定将优选为在操作站之间输送板且没有进行焊接的同时进行。优选地，在开始修整之前，缩短量不会超过0.1毫米。替代地，将设计机器人控制以追踪进行的焊接次数，特别是钢焊接，并且在预定数量时开始修整。修整电极以复原图2的形状。电极修整设备和过程是现有技术中众所周知的，以便使电极的形状复原到图2的形状。特别地，修整操作清除了蘑菇状材料并且复原电极表面54的期望表面直径和曲率半径。在被修整以复原合适形状之后，电极再次被磨料打磨以便复原期望的纹理化表面。

图7、8和9示出本发明的另一实施例。在图7和8中，铜电极116具有圆形主体150，带有截头圆锥形端部152。主体150具有中空插口151，该插口适合于容纳插入电极夹持器22的焊柄17。截头圆锥形端部152的焊接表面154是冕状的。同图1至6的实施例一样，我们已经发现，电极焊接表面154的冕的曲率应当在20毫米和40毫米的范围内，从而提供能有效进行铝到铝的焊接以及钢到钢的焊接的电极。

如图7、8和9所示，对电极116的焊接表面154进行机加工以提供从焊接表面154突出的多个同心布置的环形隆起160。具体地，如图7、8和9的例子所示，多个环形隆起包括隆起160a、160b、160c、160d和160e。如图9所示，环形隆起都从焊接表面154突出高度"H"，该高度在20微米和200微米的范围内，隆起与隆起之间的间距"S"在80微米至1500微米的范围内。环形隆起的宽度“W”在40微米至2000微米的范围内。

环形隆起160优选为具有圆形横截面形状，如图9所示。替代地，环形隆起160的横截面能够更是三角形的或矩形的。虽然图7、8和9在此示出五个同心隆起，但是应当理解，可以采用更多数量或更少数量的环形隆起，取决于环形隆起的宽度和环形隆起之间间距的变化。

同图1至6的例子一样，图7、8和9的电极在进行了钢到钢的连续焊接之后和在再次开始进行铝到铝的焊接之前将要进行清理和修整。参照图10、11和12，示出用于清理和修整电极的机构。具体地，图10示出的例子中，修整工具162包括刀片164，其具有用于清理和修整第一电极的上切削面166和用于同时清理和修整第二电极的焊接表面154的下切削面168。通过未示出的驱动机构，刀片164将在电极之间快速旋转，而电极通常保持安装在焊枪上。或者，替代地，电极能够安置在保持夹具中并且相对于固定的刀片164快速旋转。

在图11中，修整工具162包括刀片164，其具有带有上切削面166a和下切削面168a的槽164a和带有上切削面166b和下切削面168b的槽164b。因此，把图11的修整工具看作具有与电极焊接表面154的更大接触区域并且可以更迅速地清理和修整焊接表面154的环形隆起160。

将意识到，使用图7-9的电极116的焊接过程的实施使用的过程参数将与在使用图2和3的电极时所描述的相同。在单个焊枪用来进行铝板以及钢板的焊接的焊接操作期间，它将包括在进行钢到钢的焊接之前完成全部的铝到铝的焊接。然后，在进行铝到铝的下一连续焊接之前，对焊接表面154进行清理和修整。此外，铜电极116的屈服强度优选为高于500兆帕，电极是铜合金的，其不会在400℃的温度下软化，电极的导电率大于80% IACS导电率并且优选为大于90% IACS。

因此，应当看出，本发明提供了一种新的改进的焊接方法，其能够使用单个焊枪在单个制造单元共同完成铝板到铝板以及钢板到钢板的焊接。

Claims

1.一种方法，用于使用同一焊接机进行多个铝到铝以及多个钢到钢的电阻焊接的焊接，包括：

首先进行一系列铝到铝的焊接；

在完成了钢到钢的焊接之后，接下来，在下次开始新的一系列铝到铝的焊接之前，清理和修整焊接电极以清除铝在所述电极上的任何堆积并且重新切削出高度为20微米至200微米的突出隆起环。

2.如权利要求1所述的用于焊接的方法，进一步地包括，如果所述电极已经成蘑菇形了，则修整所述电极。

3.如权利要求1所述的方法，进一步地包括，在完成钢到钢的焊接之后，测量所述电极以确定所述电极蘑菇形化的程度，并且，如果确定了蘑菇形化，则在对所述电极重新纹理化之前重新修整所述电极。

4.如权利要求1所述的方法，进一步地包括，铜电极的屈服强度至少为400兆帕。

5.如权利要求1所述的方法，进一步地包括，铜电极的屈服强度优选为大于500兆帕。

6.如权利要求1所述的方法，进一步地包括，所述电极是铜合金的，其不会在400℃的温度下软化。

7.如权利要求1所述的方法，进一步地包括，所述电极的导电率大于80% IACS导电率并且优选为大于90% IACS。

8.如权利要求1所述的方法，进一步地包括，清理和重新修整是由切削刀片执行。

9.如权利要求1所述的方法，进一步地包括，同心环形隆起的隆起与隆起之间的间距在80微米至1500微米的范围内。

10.一种方法，用于使用同一焊接机进行多个铝到铝以及多个钢到钢的电阻焊接的焊接，包括：

提供具有一对焊接电极的电阻点焊焊接机，所述焊接电极具有曲率半径在20毫米和40毫米之间的范围内的电极表面，所述电极表面具有从电极表面突出的高度为20微米至200微米的多个同心环形隆起；铜电极的屈服强度至少为400兆帕，所述电极是铜合金的，其不会在400℃的温度下软化，所述电极的导电率大于80% IACS导电率并且优选为大于90% IACS；

首先进行一系列铝到铝的焊接；

在完成了钢到钢的焊接之后，接下来，在下次开始新的一系列铝到铝的焊接之前，清理和修整所述电极以清除铝的任何堆积并且重新切削出高度为20微米至200微米的突出隆起环。