CN110814497A - 薄膜绝缘芯部不导电电极帽及环状熔核电阻点焊方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种薄膜绝缘芯部不导电电极帽及环状熔核电阻点焊方法，属于电阻点焊技术领域。包括电极帽芯部和电极帽外围部分，两部分都是导热性良好的同质材料。电极帽芯部外侧表面喷涂一层薄膜绝缘材料。带有薄膜绝缘层的电极帽芯部与电极帽外围部分过盈配合。电极帽芯部与电极帽外围部分具有相同的球面半径，两部分在端面交界处呈圆滑过渡。在焊接通电过程中，由于绝缘层的存在，电流将会在电极帽与工件接触面的外围区域流通，形成环状电流分布。在环状热分布的作用下，工件之间形成环状熔核，实现了在相同的连接面积情况下熔透率的降低，因此可以在减小焊接热输入的条件下保证接头强度，从而减小压痕和变形，进一步提高电阻点焊的接头性能。

Description

薄膜绝缘芯部不导电电极帽及环状熔核电阻点焊方法

技术领域

本发明涉及电阻点焊技术领域，特别涉及点焊工艺技术领域的薄膜绝缘芯部不导电电极帽及环状熔核电阻点焊方法。

背景技术

电阻点焊工艺具有成本低，生产效率高，易于实现机械化、自动化等特点，被广泛应用于汽车、轨道客车、航空航天等机械制造业。据统计，目前电阻点焊方法已占整个焊接工作量的四分之一左右，并有继续增加的趋势。大量的结构连接采用了电阻点焊方法。例如在不锈钢轨道客车的制造过程中，车体结构连接广泛采用电阻点焊工艺，约占整个焊接结构的70%，大约有5万个点焊接头。因此，确保电阻点焊接头的质量具有相当重要的意义。

传统的电阻点焊工艺在焊接完成后，工件的表面会产生较深的压痕，板材会发生翘曲变形，尤其是在焊接较大的薄壁结构时。压痕过深，变形过大不仅影响产品的表面质量，还会使接头的有效连接面积减小，产生应力集中，降低接头的抗剪切强度和抗腐蚀能力。

因此，如何在保证点焊接头力学性能的前提下，减小电阻点焊的压痕和变形，是进一步提高电阻点焊接头性能的关键问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种薄膜绝缘芯部不导电电极帽及环状熔核电阻点焊方法，解决了传统电阻点焊工艺压痕深，变形大，易降低接头的抗剪切强度和抗腐蚀能力等问题。本发明将传统电极帽的中心部分通过薄膜绝缘层与电极帽外围部分绝缘，使电流的流通路径改为电极帽与板材接触面的外围区域，形成了环状的电流分布，从而在两板之间形成连接强度更高的环状熔核，同时降低了板材的熔透率。因此可以实现在减小热输入的条件下保证接头的强度。从而减小了点焊压痕和变形，还有利于解决接头过热、烧穿等问题，进一步提高了电阻点焊接头性能。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

薄膜绝缘芯部不导电电极帽，包括电极帽芯部1和电极帽外围部分3，所述电极帽芯部1的外侧面设有薄膜绝缘层2，电极帽芯部1通过圆锥过盈配合的方式与电极帽外围部分3组合成完整电极帽；电极帽芯部1、电极帽外围部分3在电极帽端面具有相同的球面半径，在交界面处呈圆滑过渡。

所述薄膜绝缘层2为耐高温绝缘材料，如氧化锆，氧化铝，氮化硅等，绝缘层厚度根据绝缘材料进行选择，其厚度范围在2微米到80微米之间，绝缘材料喷涂到电极帽芯部1的外侧面上，形成绝缘层，从而使电极帽芯部1与电极帽外围部分3绝缘。

所述的电极帽外围部分3的端面为环形且为球面，内表面为圆锥配合面。

所述的电极帽芯部1的端面为球面，且与电极帽外围部分3具有相同球面半径；电极帽芯部1的侧面为圆锥配合面，且与电极帽外围部分3的内表面具有相同的圆锥度。

所述的电极帽芯部1端面尺寸设置方法如下：首先确定相同球面半径的传统电极帽在焊接过程中与工件的接触面半径范围，然后根据工件的材料、板厚、接头强度要求等确定小于此接触面半径范围的电极帽芯部1的端面尺寸。

所述的电极帽外围部分3的外径大于相同球面半径的传统电极帽在焊接过程中与工件的接触面半径。

本发明的另一目的在于提供一种环状熔核电阻点焊方法，包括以下焊接步骤：

S1、根据工件的材料、板厚、接头强度要求等确定电极帽芯部（1）的端面半径r1，并且r1满足公式：

πr₁ ²＜πr² (1)

其中r为相同球面半径的传统电极帽在焊接过程中与工件的接触面半径。

S2、确定电极帽外围部分3的外径尺寸r2，r2的确定公式为：

πr²＜πr₂ ² (2)

S3、根据工件的材料、厚度、接头表面质量要求决定两侧电极帽的应用情况，两侧电极帽均采用薄膜绝缘芯部不导电电极帽；或者单侧采用薄膜绝缘芯部不导电电极帽，另一侧采用传统电极帽或铜垫板。

S4、将待焊工件按实际情况放置好，单侧或者两侧均采用薄膜绝缘芯部不导电电极帽，冷却水管路4开启；

S5、设置焊接电流、焊接时间和电极压力，预压阶段后施加电流，电流通过电极帽外围部分3与工件的接触区域传导，形成环状分布状态，工件之间在环状热分布的条件下升温至熔化；

S6、通电阶段结束后进行冷却，电极压力保持不变，一段时间过后电极帽撤离工件表面，工件之间形成环状熔核5，焊接过程完毕。

本发明的设计思想为：在电阻点焊过程中，焊接压痕和变形主要与焊接过程的热输入有关。焊接过程中电流的流通路径为电极帽端面与板材接触的部分。传统的电阻点焊电极帽在焊接时，电流在电极帽与板材接触面的中心区域分布集中，电流密度较高，不仅造成焊接压痕和变形较大，更容易产生过热等焊接缺陷。因此，如果将电极帽的中心部分通过绝缘薄膜与电极帽外围部分绝缘，则会改变电流的分布，迫使电流从电极帽外围部分流通，增大了接触区域外围部分的电流密度，从而在两板之间形成环状熔核。环状熔核的存在实现了在相同的连接面积情况下熔透率的减小，从而在减小热输入的条件下即可确保板材的连接强度。同时，薄膜绝缘芯部不导电电极帽保证了和传统电极帽同样优异的散热性能。最终在保证接头强度的条件下，实现电阻点焊压痕和变形的减小，进一步提高电阻点焊的接头性能。

本发明的有益效果在于：

1、在结构方面考虑了电流的分布状况。传统电极帽为均一材质一体式电极帽，本发明电极帽由两部分组成。电极帽芯部和电极帽外围部分与传统电极帽材料相同，中间薄膜部分为绝缘材料，将电极帽芯部与外围部分电绝缘。

2、优化了电流的分布状况。传统电极帽在焊接时，电流在电极帽与板材接触面的中心区域分布集中，电流密度较高，不仅造成焊接压痕和变形较大，更容易产生过热等焊接缺陷。本发明使电流在电极帽外围部分与工件的接触区域流通，有效解决了电流在接触面中心区域过于集中的问题。

3、减小了焊接压痕和变形，进一步提高了接头性能。本发明使电流呈环状分布，焊接结束后在板材之间形成环状熔核。提高了接头强度，减小了熔透率，这样在减小热输入的条件下即可确保板材的连接强度，从而减小了焊接压痕和变形，进一步提高了接头性能。

4、在提高点焊接头性能的同时，保持了良好的冷却散热性能。

综上所述，应用本发明可以有效解决传统电阻点焊压痕深、变形大的问题，进一步提高电阻点焊的接头性能。本发明适用于不锈钢、高强钢等材料的薄板、超薄板的焊接，尤其适用于对焊接接头表面质量要求较高的领域，如飞机钛合金搭接结构的焊接及汽车白车身的焊接等。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的薄膜绝缘芯部不导电电极帽的示意图；

图2为图1的俯视结构示意图；

图3为本发明的薄膜绝缘芯部不导电电极帽焊接过程及接头环状熔核示意图。

图中：1、电极帽芯部；2、薄膜绝缘层；3、电极帽外围部分；4、冷却水管路；5、环状熔核。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参见图1至图3所示，本发明的薄膜绝缘芯部不导电电极帽及环状熔核电阻点焊方法，旨在减小点焊接头压痕深度和工件变形，进一步提高电阻点焊的接头性能。薄膜绝缘芯部不导电电极帽主要由两部分组成，分别为电极帽芯部和外围部分，两部分都是导热性良好的同质材料，在散热效果上与传统电极帽相同。其中芯部外侧表面喷涂一层薄膜绝缘材料，以实现绝缘效果。带有薄膜绝缘层的芯部与外围部分以过盈配合的方式组合成一个完整电极帽。芯部与外围部分具有相同的球面半径，两部分在端面交界处呈圆滑过渡。在焊接通电过程中，由于绝缘层的存在，电流将会在电极帽与工件接触面的外围区域流通，形成环状电流分布。在环状热分布的作用下，工件之间形成环状熔核，实现了在相同的连接面积情况下熔透率的降低，因此可以在减小焊接热输入的条件下保证接头强度，从而减小压痕和变形，进一步提高电阻点焊的接头性能。

参见图1及图2所示，本发明的薄膜绝缘芯部不导电电极帽主要包括电极帽芯部1和电极帽外围部分3，所述电极帽芯部1的外侧面设有薄膜绝缘层2，电极帽芯部1通过圆锥过盈配合的方式与电极帽外围部分3组合成完整电极帽；电极帽芯部1、薄膜绝缘层2、电极帽外围部分3在电极帽端面具有相同的球面半径，在交界面处呈圆滑过渡。

所述薄膜绝缘层2为耐高温绝缘材料，如氧化锆，氧化铝，氮化硅等，绝缘层厚度根据绝缘材料进行选择，其厚度范围在2微米到80微米之间，绝缘材料喷涂到电极帽芯部1的外侧面上，形成绝缘层，从而使电极帽芯部1与电极帽外围部分3绝缘。

所述的电极帽外围部分3的端面为环形且为球面，内表面为圆锥配合面。

所述的电极帽芯部1的端面为球面，且与电极帽外围部分3具有相同球面半径；电极帽芯部1的侧面为圆锥配合面，且与电极帽外围部分3的内表面具有相同的圆锥度。

所述的电极帽芯部1端面尺寸设置方法如下：首先确定相同球面半径的传统电极帽在焊接过程中与工件的接触面半径范围，然后根据工件的材料、板厚、接头强度要求等确定小于此接触面半径范围的电极帽芯部1的端面尺寸。

所述的电极帽外围部分3的外径应大于相同球面半径的传统电极帽在焊接过程中与工件的接触面半径，通常情况下，电极帽外围部分3的外径在10mm到20mm之间，可根据具体情况进行更改。电极帽芯部1端面最大外径应小于电极帽外围部分的外径，具体尺寸可根据工件材料、厚度、接头强度要求及电极帽整体的球面直径等条件进行相应的设置。

参见图3所示，为应用上述薄膜绝缘芯部不导电电极帽的环状熔核电阻点焊方法示意图。

本发明的环状熔核电阻点焊方法，包括以下焊接步骤：

S1、根据工件的材料、板厚、接头强度要求等确定电极帽芯部（1）的端面半径r1，并且r1满足公式：

πr₁ ²＜πr² (1)

其中r为相同球面半径的传统电极帽在焊接过程中与工件的接触面半径。

S2、确定电极帽外围部分3的外径尺寸r2，r2的确定公式为：

πr²＜πr₂ ² (2)

S3、根据工件的材料、厚度、接头表面质量要求决定两侧电极帽的应用情况，两侧电极帽均采用薄膜绝缘芯部不导电电极帽；或者单侧采用薄膜绝缘芯部不导电电极帽，另一侧采用传统电极帽或铜垫板。

S4、将待焊工件按实际情况放置好，单侧或者两侧均采用薄膜绝缘芯部不导电电极帽，冷却水管路4开启；

S5、设置焊接电流、焊接时间和电极压力，预压阶段后施加电流，电流通过电极帽外围部分3与工件的接触区域传导，形成环状分布状态，工件之间在环状热分布的条件下升温至熔化；

S6、通电阶段结束后进行冷却，电极压力保持不变，一段时间过后电极帽撤离工件表面，工件之间形成环状熔核5，焊接过程完毕。

本发明可以在保证接头强度的条件下，有效减小焊接热输入，从而减小焊点压痕和工件变形，提高接头的连接强度和表面质量。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种薄膜绝缘芯部不导电电极帽，其特征在于：包括电极帽芯部（1）和电极帽外围部分（3），所述电极帽芯部（1）的外侧面设有薄膜绝缘层（2），电极帽芯部（1）通过圆锥过盈配合的方式与电极帽外围部分（3）组合成完整的电极帽；电极帽芯部（1）、电极帽外围部分（3）在电极帽端面具有相同的球面半径，在交界面处呈圆滑过渡；

所述薄膜绝缘层（2）为耐高温绝缘材料，绝缘层厚度根据绝缘材料进行选择，其厚度范围在2微米到80微米之间，绝缘材料喷涂到电极帽芯部（1）的外侧面上，形成绝缘层，从而使电极帽芯部（1）与电极帽外围部分（3）绝缘。

2.根据权利要求1所述的薄膜绝缘芯部不导电电极帽，其特征在于：所述的电极帽外围部分（3）的端面为环形且为球面，内表面为圆锥配合面。

3.根据权利要求1所述的薄膜绝缘芯部不导电电极帽，其特征在于：所述的电极帽芯部（1）的端面为球面，且与电极帽外围部分（3）具有相同球面半径；电极帽芯部（1）的侧面为圆锥配合面，且与电极帽外围部分（3）的内表面具有相同的圆锥度。

4.根据权利要求1所述的薄膜绝缘芯部不导电电极帽，其特征在于：所述的电极帽芯部（1）端面尺寸设置方法如下：首先确定相同球面半径的传统电极帽在焊接过程中与工件的接触面半径范围，然后根据工件的材料、板厚、接头强度要求确定小于此接触面半径范围的电极帽芯部（1）的端面尺寸。

5.根据权利要求1所述的薄膜绝缘芯部不导电电极帽，其特征在于：所述的电极帽外围部分（3）的外径大于相同球面半径的传统电极帽在焊接过程中与工件的接触面半径。

6.一种环状熔核电阻点焊方法，其特征在于：包括以下焊接步骤：

S1、根据工件的材料、板厚、接头强度要求确定电极帽芯部（1）的端面半径r1，并且r1满足公式：

πr₁ ²＜πr² (1)

其中r为相同球面半径的传统电极帽在焊接过程中与工件的接触面半径；

S2、确定电极帽外围部分（3）的外径尺寸r2，r2的确定公式为：

πr²＜πr₂ ² (2)

S3、根据工件的材料、厚度、接头表面质量要求决定两侧电极帽的应用情况，两侧电极帽均采用薄膜绝缘芯部不导电电极帽；或者单侧采用薄膜绝缘芯部不导电电极帽，另一侧采用传统电极帽或铜垫板；

S4、将待焊工件按实际情况放置好，单侧或者两侧均采用薄膜绝缘芯部不导电电极帽，冷却水管路（4）开启；

S5、设置焊接电流、焊接时间和电极压力，预压阶段后施加电流，电流通过电极帽外围部分（3）与工件的接触区域传导，形成环状分布状态，工件之间在环状热分布的条件下升温至熔化；

S6、通电阶段结束后进行冷却，电极压力保持不变，一段时间过后电极帽撤离工件表面，工件之间形成环状熔核（5），焊接过程完毕。

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