CN110238501A - 一种镀锌钢板凸焊电极的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种镀锌钢板凸焊电极的设计方法，包括电极和电极座，且所述电极座和电极末端垂直连接，一体成型，所述电极座的端面为圆盘形状，所述电极为圆柱形结构，且电极内部为中空柱形结构，所述电极前端的外壁面为锥面结构，所述凸焊电极靠近末端处的对称两侧面上均加工有一个矩形槽。所述凸焊电极前端面与工件凸焊点另一面的接触面积的计算公式为：本发明由于采用大平面盘电极，且凸点设置在工件的另一面上，所以可最大限度地减轻电极前端面与凸焊件的接触面上压痕和烧损。同时大平面电极的电流密度小，散热好，使电极与工件接触面不产生任何损伤，既使电极的磨损要比常规凸焊电极小得多，又使焊接工件表面抗腐蚀性及外观性能良好。

Description

一种镀锌钢板凸焊电极的设计方法

技术领域

本发明涉及一种镀锌钢板凸焊电极的设计方法，属于金属加工领域。

背景技术

点焊，是指焊接时利用柱状电极，在两块搭接工件接触面之间形成焊点的焊接方法。点焊时，先加压使工件紧密接触，随后接通电流，在电阻热的作用下工件接触处熔化，冷却后形成焊点。凸焊是指在一焊件的贴合面上预先加工出一个或多个凸起点，其与另一焊件表面相接触并通电加热、然后压塌形成焊点的方法。

凸点接头的形成过程与点焊类似，可划分为预压、通电加热和冷却结晶三个阶段。

①预压阶段。在电极压力作用下，凸点与下板贴合面增大，使焊接区的导电通路面积稳定，破坏了贴合面上的氧化膜，形成良好的物理接触。

②通电加热阶段。由压溃过程和成核过程组成。凸点压溃、两板贴合后形成较大的加热区，随着加热的进行，由个别接触点的熔化逐步扩大，形成足够尺寸的熔化核心和塑性区。

③冷却结晶阶段。切断焊接电流后，熔核在压力作用下开始结晶，其过程与点焊熔核的结晶过程基本相同。

对于镀锌钢板，由于低熔点镀锌存在，不仅使焊接区的电流密度降低，而且使电流场的分布不稳定；若增大焊接电流又进一步促进了电极工作断面铜与镀层金属形成固溶体及金属间化合物等合金，加快了电极的粘损和镀层的破坏。同时，低熔点的镀层金属会使熔核在结晶过程中产生裂纹和气孔。因此，镀层钢板合适的点焊参数范围窄，接头强度波动大，电极修整频繁，焊接性较差。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种镀锌钢板凸焊电极的设计方法，可以更加精准的选择凸焊电极加工时接触面面积，既不破坏镀锌层，又能保证焊接接头的质量的工艺。

本发明中主要采用的技术方案为：

一种镀锌钢板凸焊电极的设计方法，凸焊电极的前端面为圆盘形结构，且凸焊电极内部为中空柱形结构，所述凸焊电极末端的外壁面为锥面结构，所述凸焊电极靠近前端处的对称两侧面上均加工有一个矩形槽，所述凸焊电极前端面与凸焊工件接触面的具体计算步骤如下：

步骤1：凸焊电极与凸焊工件接触处的电热Q₁的计算公式如式(1)所示：

Q₁＝I²Rt (1)；

式(1)中，I为焊接电流，R为凸焊电极与凸焊工件接触处的电阻，t为焊接时间；

步骤2：凸焊电极与凸焊工件接触处的升温所需热量Q₂的计算公式如式(2)所示：

Q₂＝cmΔT (2)；

式(2)中，c为凸焊材料的等效比热容，m为凸焊电极等效质量，且m＝shγ，s为凸焊电极与凸焊工件接触面积，h为导热深度，γ为凸焊电极与凸焊工件接触处密度，ΔT为温升；

步骤3：考虑电热转化为凸焊电极与凸焊工件接触处温升所需热量，令Q₁＝Q₂，则如式(3)所示：

I²Rt＝cshγΔT (3)；

式(3)中，焊接电流I＝js，j为电流密度，s为凸焊电极与凸焊工件接触处面积；凸焊电极圆盘与凸焊工件接触处等效电阻ρ为凸焊电极与凸焊工件接触处等效电阻率，h为导热深度；

步骤4：所述式(3)经变换可以得到温升ΔT与凸焊电极与凸焊工件接触处面积s的关系，如式(4)所示：

如式(4)所示，电流密度与温升呈指数关系，且当凸焊电极前端面与凸焊工件接触面增加接触面积，接触电流密度降低，温升降低。

有益效果：本发明提供一种镀锌钢板凸焊电极的设计方法，结合实际加工焊接材料，可以精准的计算得到采用电极的接触面积，提高了工作效率，减少了工作误差，针对镀锌钢板，由于采用大平面圆盘电极，且凸点设置在一个工件上，所以可最大限度地减轻电极前端面与凸焊件的接触面上压痕和烧损。同时大平面电极的电流密度小，散热好，使电极与工件接触面不产生任何损伤，既使电极的磨损要比常规凸焊电极小得多，又使焊接工件表面抗腐蚀性及外观性能良好。

附图说明

图1是本发明装置的剖面图；

图2是本发明装置的俯视图；

图3是对比试验中凸点示意图；

图4是传统点焊电极；

图5是本发明的凸焊电极前端面与凸焊工件接触面的工作示意图；

图中：凸焊电极1、锥面1-1、中空柱形结构1-2、矩形槽2、圆盘形结构3、凸焊工件4。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

下面结合附图对本发明的技术方案做了进一步的详细说明：

如图1-2所示，一种镀锌钢板凸焊电极的设计方法，凸焊电极1的前端面为圆盘形结构3，且凸焊电极1内部为中空柱形结构1-2，所述凸焊电极1末端的外壁面为锥面1-1结构，所述凸焊电极1靠近前端处的对称两侧面上均加工有一个矩形槽2，所述凸焊电极1前端面与凸焊工件4接触面的具体计算步骤如下：

步骤1：凸焊电极1与凸焊工件4接触处的电热Q₁的计算公式如式(1)所示：

Q₁＝I²Rt (1)；

式(1)中，I为焊接电流，R为凸焊电极与凸焊工件接触处的电阻，t为焊接时间；

步骤2：凸焊电极与凸焊工件接触处的升温所需热量Q₂的计算公式如式(2)所示：

Q₂＝cmΔT (2)；

式(2)中，c为凸焊材料的等效比热容，m为凸焊电极等效质量，且m＝shγ，s为凸焊电极与凸焊工件接触面积，h为导热深度，γ为凸焊电极与凸焊工件接触处密度，ΔT为温升；

步骤3：考虑电热转化为凸焊电极与凸焊工件接触处温升所需热量，令Q₁＝Q₂，则如式(3)所示：

I²Rt＝cshγΔT (3)；

式(3)中，焊接电流I＝js，j为电流密度，s为凸焊电极与凸焊工件接触处面积；凸焊电极圆盘与凸焊工件接触处等效电阻ρ为凸焊电极与凸焊工件接触处等效电阻率，h为导热深度；

步骤4：所述式(3)经变换可以得到温升ΔT与凸焊电极与凸焊工件接触处面积s的关系，如式(4)所示：

如式(4)所示，电流密度与温升呈指数关系，且当凸焊电极前端面与凸焊工件接触面增加接触面积，接触电流密度降低，温升降低。凸焊处由于凸点接触面积未发生变化，所以凸焊处电流密度并未减低，对凸焊点的质量无任何影响。当凸焊电极1前端的圆盘面(圆盘形结构3)与凸焊工件4的接触面积增大到一定程度时，凸焊电极与镀锌板接触处的温度很低，不发生熔化，而凸点处熔合良好。达到既保证焊接质量，又破坏镀层的目的。

优选地，所述锥面的角度为6°，如图1所示。

如图1所示，凸焊电极的垂直剖面呈“T”字型。

传统点焊与本发明的凸焊对比试验如下：

采用200mm X200mm X2mm镀锌Q235钢板，分别进行点焊和凸焊试验，其中，凸点的直径为6mm，深度为1.4mm(如图3所示)。

点焊试验：

采用传统的点焊电极，其结构如图4所示，镀锌钢板点焊工艺参数如表1所示：

表1镀锌钢板点焊工艺参数

注：I*99％＝19.5kA，1cyc＝0.02s

点焊试验结果：四组实验中的第1组、第2组、第3组的焊接电流和焊接时间都小，输入的能量较小。未能形成真正的熔核，所以焊接的试板非常容易撕裂。第4组焊接电流较大和焊接时间较长，输入的能量较大，形成真正的熔核，所以焊接的试板未能撕裂，但电极铜严重粘损在镀锌工件上。焊点熔核直径为Φ12mm，远远大于规定的直径Φ7mm。

凸焊试验：

采用本申请的凸焊电极，其结构如图1所示，其工作示意图如图5所示(图5中的尺寸为本对比试验中采用的尺寸参数，本领以技术人员可根据本发明的设计方法根据实际情况设定尺寸参数)，镀锌钢板凸焊工艺参数如表2所示：

表2镀锌钢板凸焊工艺参数

如表2所示，前面四组(1、2、3、4)基本调整好了参数，宏观上显示焊接性能良好，锯开板子后，经打磨腐蚀之后发现熔核区过大，但是鉴于点焊实验结果，焊接电流，焊接时间基本正确，现在就需要考虑预压时间和压力影响，尤其是压力。因而又追加了后三组(5、6、7)的实验，发现压力大小对凸焊性能影响显著。尤其是第5组，由于压力过大，在加热时压平了凸点，从而从点接触变成面接触，导致无法焊接，因而后两组降低压力，再同样操作之后，发现7号板子的焊接性能效果最好，熔核区良好，焊接性能较好。

在镀锌钢板的焊接过程中，电流密度与温升是指数关系，当增加面积接触的电流密度降低，温升降低。单凸焊处由于凸点接触面积未发生变化，所以凸焊处电流密度并未减低，对凸焊点的质量无任何影响。从而出现电极与镀锌接触处的温度很低，不发生熔化，而凸点处熔合良好。达到既保证焊接质量，又破坏镀层的目的。

综上所述，采用点焊焊接镀锌钢板不合适，必须改用凸焊的方法对镀锌钢板进行焊接。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种镀锌钢板凸焊电极的设计方法，其特征在于：凸焊电极的前端面为圆盘形结构，且凸焊电极内部为中空柱形结构，所述凸焊电极末端的外壁面为锥面结构，所述凸焊电极靠近前端处的对称两侧面上均加工有一个矩形槽，所述凸焊电极前端面与凸焊工件接触面的具体计算步骤如下：

步骤1：凸焊电极与凸焊工件接触处的电热Q₁的计算公式如式(1)所示：

Q₁＝I²Rt (1)；

式(1)中，I为焊接电流，R为凸焊电极与凸焊工件接触处的电阻，t为焊接时间；

步骤2：凸焊电极与凸焊工件接触处的升温所需热量Q₂的计算公式如式(2)所示：

Q₂＝cmΔT (2)；

式(2)中，c为凸焊材料的等效比热容，m为凸焊电极等效质量，且m＝shγ，s为凸焊电极与凸焊工件接触面积，h为导热深度，γ为凸焊电极与凸焊工件接触处密度，ΔT为温升；

步骤3：考虑电热转化为凸焊电极与凸焊工件接触处温升所需热量，令Q₁＝Q₂,则如式(3)所示：

I²Rt＝cshγΔT (3)；

式(3)中，焊接电流I＝js，j为电流密度，s为凸焊电极与凸焊工件接触处面积；凸焊电极圆盘与凸焊工件接触处等效电阻ρ为凸焊电极与凸焊工件接触处等效电阻率，h为导热深度；

步骤4：所述式(3)经变换可以得到温升ΔT与凸焊电极与凸焊工件接触处面积s的关系，如式(4)所示：

如式(4)所示，电流密度与温升呈指数关系，且当凸焊电极前端面与凸焊工件接触面增加接触面积，接触电流密度降低，温升降低。