CN109475969A - 电阻点焊电极和该电极的用途 - Google Patents

电阻点焊电极和该电极的用途 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电阻点焊电极，用于汽车工业的碰撞相关结构部件中的异种焊接搭接接头，所述碰撞相关结构部件由高强度材料制成。电阻点焊电极设有帽(1，6，11，16，21)，所述帽在焊接过程中与待焊接在一起的材料接触的电极的那端具有非轴对称的接触区域，以便在材料之间实现具有基本相似的非轴对称形状的焊接熔核。

Description

电阻点焊电极和该电极的用途
技术领域
本发明涉及一种电阻点焊电极，其用于和与碰撞相关的结构部件中的高强度金属材料(例如铝、奥氏体不锈钢或碳钢)一起使用。
背景技术
汽车工业中与碰撞相关的结构部件(例如b柱)被制造为具有不同的异种板(dissimilar sheets)的壳体结构，然后通过电阻点焊工艺点焊在一起。b柱的外壳使用高强度压制硬化钢等级，例如22MnB5，其与硼形成合金并且碳含量高达0.22-0.25重量％。结果是高极限强度Rm为1500MPa，但焊接性降低。在碰撞试验期间，注意到在点焊中降低了横交拉伸力和脆性破坏性能，这导致完整的b柱的不可接受的临界“焊点崩开(zipper)”状态。对于b柱的内壳，使用延性材料来吸收碰撞能量并提高乘客安全性。特别是对于具有高强度以及高碳合金材料的异种组合中的电阻点焊，焊接熔核(weld nugget)表现出不可接受的断裂性能。对于焊工来说，很难影响最终的点焊质量。原因是焦耳定律(电阻加热)的物理背景以及对于电阻焊接过程不可能通过诸如不同填充金属或保护气体的混合物的焊接添加剂产生冶金影响的情况。
关于其他焊接工艺，例如雷射光焊接工艺，很少可能调节受控的热管理或在材料中产生深焊接效果。此外并且对于电阻点焊过程是至关重要的是，所使用的电极类型的焊接工具对于材料以旋转对称、大多数情况为圆形的接触区域执行操作。结果，在可焊接板之间也成型了旋转对称、大多数情况为圆形的焊接熔核。在这种旋转对称的焊接熔核的情况下，力前进的限定的和有针对性的偏离是不可能的。具有旋转对称形状的现有技术焊接熔核在其在横交拉伸方向上尤其是在剥离条件下的可承受载荷方面具有局限性。另外，在碰撞期间用于搭接接头的负载(例如用于横向负载的弯矩或轴向负载下的剪切应力)进一步降低了焊接熔核的可容许负载。
对于激光束焊接接缝，几何形状是现有技术，但对于电阻点焊，对于限定的力偏转没有解决方案。在电阻点焊中，电极轴和电极帽根据标准DIN EN ISO 5182由铜或铜合金制成，以具有良好的电流传输，并具有低电阻和低热损失。在从铜到金属板、在板之间以及从第二板到铜的过渡位置处，电流能量变为欧姆电阻。由于这种效果，两板之间的过渡电阻是迄今为止最高的，热能也是最高的。最后，在该位置的热能达到板的熔化温度，并产生点焊熔核。
标准DIN EN ISO 5821管理用于电阻点焊的标准铜合金电极帽的几何形状。
美国专利公开US2008/0078749涉及一种电阻焊接电极体，其具有用于与工件接触的圆形焊接面，该面设置有从焊接面的中心径向延伸的由脊或凹槽构成的同心环。同心环的结构特征穿透表面氧化物或其他导电屏障。
美国专利公开US2011/0094999描述了一种用于制备电阻点焊电极的方法，该电阻点焊电极具有带圆柱轴线的大致圆的圆柱形主体，以在焊件上赋予可见图像。首先将电极成型以形成大致平坦或凸形的工件接触表面。然后，工件接触表面的部分成型有图像形成特征，以便使突起和/或侵入部在工件接触表面的相邻区域的上方或下方延伸，使得工件接触表面在焊件中施加可见的相反的图像。
这些美国专利公开US2008/0078749和US2011/0094999将不利用电极帽的几何形状来产生力偏转或增强待焊接材料的动力传递或碰撞特性。
美国专利公开US2014/0319105涉及一种在工件中形成电阻点焊接头的方法，该工件包括设置成与第二钢基板接触的第一钢基板，以在其间限定接合界面。工件设置在焊接电极之间，焊接电极包括电极保持器和可拆卸地附接到保持器并具有中心纵向轴线的电极帽。电极帽包括具有端部的主体以及基本上光滑并且没有限定在其中的任何凹槽的焊接表面。电极帽还包括裙部，裙部远离主体延伸并构造成抵靠保持器。裙部具有第一面，该第一面基本上平行于轴线并与所述表面间隔开。主体具有将第一面和所述表面互连的第二面，并且主体从第一面到所述表面逐渐减缩。因此，美国专利公开US2014/0319105描述了一种电极和形成点焊熔核的方式。
韩国专利申请KR2015/0125458涉及一种用于控制压力标记的点焊电极，使得导体部分被压到基材的焊接部分，从而使电流流动，并且非导体部分与要被按压在基材的焊接部分周围的导体部分相联，同时将导体部分压到基材的焊接部分。根据本发明的点焊电极用于使基材上的压痕深度最小化。韩国专利申请KR2015/0125458的控制对板方向上的焊接熔核具有影响，这对于电阻点焊不是最佳的。
美国专利公开US2015/0231729涉及一种用于点焊包括钢制工件和铝合金工件的工件的方法。工件重叠以提供接合表面界面。电流通过钢焊接电极和铝合金焊接电极之间，使得电流至少最初通过铝合金焊接电极中的周边区域，使得焊接电极在钢制工件中比在铝合金工件中具有更大的电流密度。美国专利公开US2015/0231729的方法仅适用于旋转对称的电极形状。
发明内容
本发明的目的是消除现有技术的缺点，并建立一种改进的电阻点焊电极，所述电阻点焊电极用于与不同连接组合的高强度金属材料(如铝、奥氏体不锈钢或碳钢)一起使用。本发明的电阻点焊电极将通过产生所需的接缝几何形状来增强焊接熔核的能量传输，并因此影响负载的方向和负载消散/旁路到部件的非临界(uncritical)区域。本发明的必要特征在所附权利要求中列出。
在电阻点焊中，根据标准DIN EN ISO 5182，焊接电极帽由铜或铜合金制成，以具有良好的电流传输并具有低电阻和低热损耗。根据本发明，焊接电极有利地用于待用在汽车工业的与碰撞相关的结构部件中的焊接部件。由铜或铜合金制成的焊接电极帽成形为使得通过待焊接材料之间的良好能量传递实现用于异种焊接搭接接头的所需焊接熔核。焊接电极设置于在焊接期间与待利用焊帽焊接在一起的材料接触的端部，所述焊帽具有非轴对称的接触区域。在焊接期间将焊帽相对于待焊接材料放置一位置，使得由焊接实现的焊接熔核相对于焊接部件的横交方向(cross direction)非轴对称，该横交方向是焊接部件的最可能的碰撞方向。由此产生的焊接材料之间的焊接熔核然后在碰撞情况中将碰撞能量偏转到焊接结构中的非临界位置或者将能量旁通到非临界部件区域。此外，非轴对称的形状为其他点焊位置产生了抵抗剥离力的依赖几何形状的阻力，从而避免整个凸缘的并因此避免整个部件的“焊点崩开(zipping)”。
代替在现有技术的结构中碰撞时的力在纵向产生影响并导致每个点焊逐渐失效，根据本发明，碰撞时的力被偏转到焊接部件的横交方向并导致从小凸缘上的一个焊接熔核出来的非临界裂纹出口，并且仅对整个部件的功能造成局部非临界失效。
根据本发明的焊接电极帽的非轴对称几何形状是所讨论的所需几何形状中的宽度、长度和相对端之间的距离的特定比值。焊接电极帽的所需几何形状基本上可以是具有不同能量偏转的所有几何形状。这些类型形状是经过改型或未经改型的C、T、L或S形状；经改型或未经改型的月牙形、夹子或支架形状。此外，合适的形状是传统的点与腹板的改型或未改型的组合，以及当改型或未改型的W和H形状在横交方向上倾倒时的改型或未改型的W或H形状。
在焊接期间，焊接电极帽朝向待焊接的材料取向，使得非轴对称的帽的一部分(其基本上与焊接结构的最长尺寸平行)定位成在最可能的碰撞方向上靠近焊接结构的相对边缘。也可以将与焊接结构的最长尺寸基本平行的非轴对称的帽的所述一部分定位成在最可能的碰撞方向上靠近焊接结构的第一边缘。
在根据本发明的非轴对称电阻点焊电极帽中使用的几何尺寸对于在碰撞情况下吸收第一动态冲击或避免其他点焊的不期望的剥离性能的可能性也是重要的。此外，周向尺寸和面积尺寸也是重要的参数，例如帽的腹板宽度w和帽的腹板长度l。腹板宽度是指相对于部件的可用凸缘尺寸的所需焊缝宽度。腹板长度l指的是介于与帽的一端一致的平面(level)与帽在部件凸缘的横向方向上离该平面最远的位置之间的距离。
腹板宽度w应不小于1.5mm且不大于5mm，否则在焊接熔核完全形成之前出现焊接飞溅。优选的腹板宽度w在2.5和3.5mm之间，这一方面在根据材料或材料组合通常焊接电流为4-8.5kA的情况下避免了焊接飞溅。另一方面，腹板宽度太大导致与传统的旋转对称电极帽相同的性能，传统的旋转对称电极帽具有受限的能量传输和受限的目标负载消散的可能性。因此，一个几何特征是腹板长度l与腹板宽度w的比值，该比值l/w大于2.0，优选地在2.5和4.0之间，但是小于6.0。该比值保证了裂缝可以旁通到目标非临界部件区域，例如旁通到凸缘(flange)的纵向边缘侧。上限源自于框架条件，用以使用15至25mm之间的汽车结构部件的典型凸缘宽度。腹板长度的取向(也可称为“柄(shank)”)必须与部件纵向方向(例如凸缘宽度)几乎垂直(75-90°)。而且，在几何过渡区域中，可以定义半径r。下限等于用以避免导致不希望的焊接飞溅的局部热点的腹板宽度。此外，当帽利用传统的轴对称区域和非轴对称区域构建或组合时，需要距离d。距离d是部件纵向中的长度，并且是指轴向对称区域的末端与消散元件或部分进入凸缘的横向侧的开始部之间的距离。有必要消散力，否则可能在这种组合中确定传统性能。因此，距离d应该是腹板宽度w的2倍或更多。
利用根据本发明的非轴对称焊接电极帽实现的焊接熔核基本上具有类似的非轴对称形状。焊接熔核的非轴对称形状在碰撞情况下导致偏转到焊接结构中的横交方向的力。
根据本发明的一个实施例，还可以在一个金属板接触区域上组合非轴对称电极帽，在另一个金属板接触区域上组合现有技术的轴对称帽。由此产生的焊接熔核满足前面提到的要求，这意味着所得到的焊接熔核是非轴对称的。
本发明的另一个优点是，在现有技术中，不可能将接缝连接方法与粘接相结合，其仅用于被称为熔接(weld bonding)的点焊。利用本发明，现在可以通过同时使用粘合材料来以组合连接方式产生电阻焊缝。
根据本发明的具有非轴对称焊接电极帽的电阻点焊电极用于焊接高强度材料，例如屈服强度大于400MPa的碳钢和不锈钢，并且在所得到的异种焊接熔核中碳含量超过0.15％(重量)。其中可以使用根据本发明的非轴对称焊接电极帽的其他有限的可焊接高强度材料是高强度铝合金，例如5xxx，6xxx或7xxx系列。
根据本发明的非轴对称焊接电极帽除了用于B柱以外通常可以用于汽车工业中的所有碰撞相关部件，例如门侧冲击构件、A柱、碰撞盒保险杠、加强板或上纵梁(rocketrail)。还可以在除使用搭接接头作为连接情况的汽车工业之外的其他解决方案领域中使用本发明，例如卡车的驾驶室、铁路建筑部件、用于电池电动车辆的电池组或混合动力车辆、以及耐压罐，或者白色家电应用，如洗碗机的束缚(trammel)内门。
附图说明
参考以下附图更详细地说明本发明。
图1从顶视图示意性地示出了本发明的一个优选实施例。
图2从顶视图示意性地示出了本发明的另一个优选实施例。
图3从顶视图示意性地示出了本发明的另一个优选实施例。
图4从顶视图示意性地示出了本发明的另一个优选实施例。
图5从顶视图示意性地示出了本发明的另一个优选实施例。
具体实施方式
图1示出了电阻点焊电极帽1的端部，其在焊接期间与待焊接材料接触并且具有旋转180度的改型字母C的形状。帽1在竖直方向上是非轴对称的。在图1中，示出了帽1的腹板宽度w、腹板长度l和几何过渡区域中的半径r。帽1定位于焊接部件，使得焊接部件的纵向方向由箭头2示出。
图2示出了电阻点焊电极帽6的端部，其在焊接期间与待焊接的材料接触并且具有旋转180度的未改型的字母L的形状。帽6在竖直方向上是非轴对称的。在图2中，示出了帽6的腹板宽度w和腹板长度。帽6定位于焊接部件，使得焊接部件的纵向方向由箭头7示出。
图3示出了电阻点焊电极帽11的端部，其在焊接期间与待焊接的材料接触并且具有未改型的字母T的形状。帽11在竖直方向上是非轴对称的。在图3中，示出了帽11的腹板宽度w和腹板长度。帽11定位于焊接部件，使得焊接部件的纵向方向由箭头12示出。
图4示出了电阻点焊电极帽16的端部，其在焊接期间与待焊接的材料接触并且具有旋转90度的未改型的字母W的形状。帽16在竖直方向上是非轴对称的。在图4中，示出了帽16的腹板宽度w和腹板长度。帽16定位于焊接部件，使得焊接部件的纵向方向由箭头17示出。
根据图5，在焊接期间与待焊接材料接触的电阻点焊电极帽21的端部是非轴对称区域22和轴对称区域23的改型组合的形状。帽21在竖直方向上是非轴对称的，并因此为了实现根据本发明的所需焊接熔核，帽21在焊接期间沿横向方向相对于待焊接材料定位。在图5中，示出了帽21的腹板宽度w和腹板长度以及传统的现有技术轴向对称区域和非轴对称区域之间的距离d。帽21定位于焊接部件，使得焊接部件的纵向方向由箭头24示出。

Claims (14)

1.一种电阻点焊电极，用于汽车工业的碰撞相关结构部件中的异种焊接搭接接头，所述碰撞相关结构部件由高强度材料制成，其特征在于，电阻点焊电极设有帽(1，6，11，16，21)，所述帽在焊接过程中与待焊接在一起的材料接触的电极的那端具有非轴对称的接触区域，以便在材料之间实现具有基本相似的非轴对称形状的焊接熔核。
2.根据权利要求1所述的电阻点焊电极，其特征在于，所述电阻点焊电极定位成使得：非轴对称的所述帽(1，6，11，16，21)的、基本平行于待焊接结构的最长尺寸的部分定位成在横交方向上靠近焊接部件的相对边缘。
3.根据权利要求1所述的电阻点焊电极，其特征在于，所述电阻点焊电极定位成使得：非轴对称的所述帽(1，6，11，16，21)的、基本平行于待焊接结构的最长尺寸的部分定位成在横交方向上靠近焊接部件的第一边缘。
4.根据前述权利要求中任一项所述的电阻点焊电极，其特征在于，所述帽(1，6，11，16，21)的腹板宽度(w)不小于1.5mm且不大于5mm，优选在2.5mm至3.5mm之间。
5.根据前述权利要求中任一项所述的电阻点焊电极，其特征在于，所述帽(1，6，11，16，21)中的腹板长度l与腹板宽度w的比值大于2.0，但是小于6.0，优选在2.5至4.0之间。
6.根据前述权利要求中任一项所述的电阻点焊电极，其特征在于，所述腹板长度相对于部件的纵向(2，7，12，17，24)以75-90°取向。
7.根据前述权利要求中任一项所述的电阻点焊电极，其特征在于，所述帽(1，6，11，16，21)具有改型的或未改型的C、T、L或S形状。
8.根据前述权利要求1-6中任一项所述的电阻点焊电极，其特征在于，所述帽(1，6，11，16，21)具有改型的或未改型的月牙形的夹子或支架形状。
9.根据前述权利要求1-6中任一项所述的电阻点焊电极，其特征在于，所述帽(1，6，11，16，21)具有改型或未改型的传统的点与腹板的组合。
10.根据前述权利要求1-3中任一项所述的电阻点焊电极，其特征在于，所述帽(1，6，11，16，21)具有改型的或未改型的W或H形状。
11.带有帽的电阻点焊电极的用途，所述帽在电极与待焊接在一起的材料接触的那端具有非轴对称的接触区域，用于焊接高强度材料，例如碳钢和不锈钢，所述高强度材料的屈服强度大于400MPa，在所得的异种焊接熔核中碳含量大于0.15％的重量百分比。
12.带有帽的电阻点焊电极的用途，所述帽在电极与待焊接在一起的材料接触的那端具有非轴对称的接触区域，用于焊接高强度铝合金，如5xxx，6xxx或7xxx系列。
13.带有帽的电阻点焊电极的用途，所述帽在电极与待焊接在一起的材料接触的那端具有非轴对称的接触区域，用于焊接汽车工业中的碰撞相关部件，例如门侧冲击构件、A柱、B柱碰撞盒保险杠、加强板或上纵梁。
14.带有帽的电阻点焊电极的用途，所述帽在电极与待焊接在一起的材料接触的那端具有非轴对称的接触区域，用来焊接卡车的驾驶室中的碰撞相关部件、铁路建筑部件、用于电池电动车辆或混合动力车辆电池组、耐压罐、或者白色家电应用，例如洗碗机的束缚内门。
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