CN111745275A - 一种电阻点焊电极帽及焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电阻点焊电极帽及焊接方法，电极帽包括电极帽本体，电极帽本体的整体呈圆柱状，并且具有与焊接金属材料接触的焊接接触面，其中，电极帽本体包括圆周，焊接接触面为圆形平面并包括圆周；焊接接触面设有n个由中心向外发散的焊接增强筋，焊接增强筋选自下组：突脊、凹槽或其组合，其中，n为3‑30的正整数，并且相邻的两个焊接增强筋的中心线的之间的间隔角度为12‑120°之间。使用上述电极帽进行电阻点焊时，电极本体焊接接触面的增强筋(突出脊或凹槽)可以刺破铝合金板表面的氧化膜，降低电极与铝板间接触电阻，减小产热量，提高电极寿命和焊点强度稳定性。

Description

一种电阻点焊电极帽及焊接方法

技术领域

本发明涉及电阻点焊领域，更具体地涉及两层或多层金属工件之间进行电阻点焊时使用的焊接电极帽及焊接方法。

背景技术

随着全球变暖、能源枯竭问题的逐渐加剧，汽车的尾气排放及能源消耗越来越严重，实验证明汽车质量降低一半，燃料消耗也会降低将近一半，由于环保和节能的需要，汽车的轻量化已经成为世界汽车发展的潮流。由于铝合金材料具有强度高、质量轻、耐腐蚀性能优良、适合多种成型方法等优点，采用铝合金代替钢板材料焊接，结构重量可减轻50％以上，被广泛应用于汽车车身中。

目前汽车制造中车身铝合金的连接方法主要以铆接的机械连接方法为主。而铆接是一种成本较高，工序复杂，表面质量差，增加车身重量的方法，一辆全铝车身或混合车身，通常需要1500个以上的钉子。电阻点焊利用工件本身及相互之间的电阻产热来熔化材料实现连接，由于其在连接过程中不需要填充材料，生产效率高且容易实现自动化，所以该方法被广泛应用在汽车车身制造中，例如发动机盖、车门等部位，随着铝合金在汽车中的应用，汽车制造商期望能继续采用电阻点焊对铝合金进行连接。

但是由于铝合金其本身的物理性质，采用普通的点焊工艺进行焊接时存在诸多问题。由于铝合金的高导电性、高导热性导致其在点焊过程中需要特别大的电流和压力，而伴随着大电流和高电极压力的使用，导致其在焊接时就需要更高的制造成本。而且由于铝合金表面高电阻氧化膜的存在,在进行电阻点焊时电极与材料之间的接触电阻较高，导致界面产热量很大，Cu/Al合金化反应严重，电极表面局部不均匀点蚀导致在点焊过程中焊接电极磨损较快、电极寿命短致使焊点强度下降，焊点质量不稳定，表面质量差，焊接修磨频次高，制造成本高，这是制约铝合金电阻点焊应用最重要的因素之一。

因此，本领域迫切需要开发一种能够获得更高焊接强度、电极寿命更长、低成本以及更容易推广的电阻点焊电极帽及电阻点焊铝合金的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电阻点焊电极帽及焊接方法，所述电阻点焊电极帽能够解决Cu/Al合金化反应严重，电极表面局部不均匀点蚀导致在点焊过程中焊接电极磨损较快、电极寿命短致使焊点强度下降，焊点质量不稳定，表面质量差，焊接修磨频次高等问题。

本发明提供了一种电阻点焊电极帽，所述电极帽包括：电极帽本体，所述电极帽本体的整体呈圆柱状，并且具有与焊接金属材料接触的焊接接触面，其中，所述电极帽本体包括第一圆周，所述焊接接触面为圆形平面并包括第二圆周；

所述焊接接触面设有n个由中心向外发散的焊接增强筋，所述的焊接增强筋选自下组：突脊、凹槽或其组合，

其中，n为3-30的正整数，并且相邻的两个焊接增强筋的中心线的之间的间隔角度α为12-120°之间。

在另一优选例中，所述的α为15-90°，更佳地20-60°，最佳地30-45°。

在另一优选例中，所有两个相邻焊接增强筋的中心线之间的α是相同或基本相同的。

在另一优选例中，所有的两个相邻焊接增强筋的中心线之间的α中，至少一部分是不相同的。

在另一优选例中，所述的电阻点焊电极帽具有一中心轴线，所述焊接接触面中心和所述电极帽本体圆周的中心位于所述中心轴线上。

在另一优选例中，所述焊接接触面的外径为D,所述焊接增强筋的长度为l，其中，l/D的范围在0.7-1之间。

在另一优选例中，所述焊接接触面的外径D为3-15毫米。

在另一优选例中，各个焊接增强筋的平均高度h和各个焊接增强筋平均宽度d的比例h/d为0.6～1.5，较佳地0.8-1.2。

在另一优选例中，所述焊接增强筋的平均高度h为20-1000微米。

在另一优选例中，各个焊接增强筋的平均高度h为50-500微米。

在另一优选例中，各个焊接增强筋的平均宽度d为20-1000微米，更佳地50-500微米。

在另一优选例中，两个相邻焊接增强筋之间的间隙所对应的圆心角度为5-45°，较佳地5-30°，更佳地10-20°。

在另一优选例中，所述的焊接增强筋在焊接接触面的径向方向是一连续结构。

在另一优选例中，所述的焊接增强筋在焊接接触面的径向方向是一不连续的结构。

在另一优选例中，所述的不连续结构包括多个圆弧。

在另一优选例中，各圆弧的圆心是重叠或基本重叠的。

在另一优选例中，各圆弧的弧度相同或基本相同。

在另一优选例中，各圆弧的弧长是相同或不同的。

在另一优选例中，各圆弧的弧长是沿径向向外逐渐递增的。

在另一优选例中，电阻点焊电极帽还包括电极帽侧面，所述电极帽侧面为电极帽本体的第一圆周到焊接接触面的第二圆周之间过渡区域。

在另一优选例中，所述侧面的形状为半球形曲面。

在另一优选例中，所述第一圆周与第二圆周的周长比为6：1－2：1，较佳地4:1-3:1。

在另一优选例中，所述的焊接接触面中心还设有高于焊接表面的中心凸台或低于焊接表面的中心凹陷。

在另一优选例中，所述的中心凸台(或凹陷)的面积A1与焊接接触面的面积A0之比为1/5-1/2。

在另一优选例中，所述的中心凸台(或凹陷)表面投影形状为圆形、正多边形。

在另一优选例中，所述的中心凸台(或凹陷)与所述的焊接增强筋是一体的。

在另一优选例中，所述的中心凸台(或凹陷)与所述的焊接增强筋是分离的。

在另一优选例中，所述的中心凸台(或凹陷)的平均高度为Hc，所述平均高度Hc与焊接增强脊的平均高度h的比值(Hc/h)为0.2-1.4，较佳地0.8-1.2。

在另一优选例中，所述本体的一端设有电极安装通道，所述电极安装通道的形状为圆台或圆柱形。

在另一优选例中，所述电极帽可以由任何导电和导热材料制成，例如铜合金。

本发明还提供了一种电阻点焊方法，所述方法包括：

(a)提供待焊接的工件堆叠层，和上述的电阻点焊电极帽；

(b)使所述焊接电极帽的焊接增强筋与所述工件堆叠层的至少一个外表面相接触；和

(c)在所述焊接电极帽和所述工件堆叠层之间通以焊接电流和压力，从而熔化形成电阻点焊熔核。

在另一优选例中，使用上述电阻点焊方法，所述的工件堆叠层包括至少两个工件。

在另一优选例中，使用上述电阻点焊方法，所述的工件为铝合金。

在另一优选例中，使用上述电阻点焊方法，所述工件的厚度为0.3-5毫米。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的可替代的实施方式。

图1表示焊接接触面具有焊接增强筋的电极帽的示意图；

图2表示图1中A-A截面的剖视图的一个实施例；

图3表示接触面上具有沿圆周中心向外发散的焊接增强筋的电极帽示意图；

图4表示焊接接触面上具有沿圆周中心向外发散的焊接增强筋的电极帽的另一个示意图；

图5表示焊接接触面上具有沿圆周中心向外发散的焊接增强筋的电极帽的另一个示意图；

图6表示焊接接触面上具有沿圆周中心向外发散的焊接增强筋的电极帽的另一个示意图；

图7表示焊接接触面上具有沿圆周中心向外发散的焊接增强筋的电极帽的另一个示意图；

图8表示焊接增强筋的截面图的一个实例；

图9表示金属工件电阻点焊时的总体侧视图。

各附图标记

1-电极帽本体

11-电极安装通道

12-电极帽本体圆周(也成为第一圆周)

2-电极帽侧面

3-焊接接触面

31-焊接接触面圆周(也成为第二圆周)

32-焊面上的焊接增强筋

51-第一焊枪臂

52-第二焊枪臂

53-第一焊接电极帽

54-第二焊接电极帽

6，7-焊接工件

8-焊接工件6和7焊接熔核区

l-焊接增强筋的长度

D-焊接接触面的外径

d—焊接增强筋的平均宽度

h—焊接增强筋的平均高度。

具体实施方式

本发明人经过广泛而深入的研究，通过大量试验，发明了一种接触面上具有从该表面凸出或凹陷的槽时电极帽可以解决铝合金电阻点焊焊接表面质量差，接头强度不稳定，电极寿命低等问题，在此基础上完成了本发明。

本发明的主要优点：

(a)本发明中的电极本体焊接接触面的增强筋(突出脊或凹槽)可以刺破铝合金板表面的氧化膜，降低电极与铝板间接触电阻，减小产热量，提高电极寿命和焊点强度稳定性。

(b)本发明中的电极本体焊接接触面的增强筋(突出脊或凹槽)，在刺入铝板的同时，扩大了电极与铝板间的焊接接触面面积，使得焊接表面散热增强，从而提高电极寿命和焊点强度稳定性。

本发明的技术机理：

为了便于理解，提供以下机理供参考。然而应理解，本发明的保护并不受所述机理的限制。

在本发明中，以焊接两层金属工件为例，焊接时由于焊接接触面存在增强筋(突出脊或凹槽)，在接触时，增强筋可以刺破铝合金表面的氧化膜，进而降低接触电阻，并且可以增大接触面积，增强散热，以此来减小电极焊接面与铝合金板接触面的热量，减少Cu/Al合金化反应，从而减少电极点蚀，最终提高电极的使用寿命和焊点强度稳定性。

需要说明的是，在本发明中，对于不规则的(如三角形或其他形状)焊接增强筋，设其平均长度为l₀，表面面积为S₀，可以将该焊接增强筋的横截面转换为面积相同(仍为S₀)且长为l₀的矩形，则该焊接增强筋的平均宽度d为S₀/l₀。

对于焊接增强筋的平均高度h，可依此类推。

术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外，附图为示意图，因此本发明装置和设备的并不受所述示意图的尺寸或比例限制。

参照图1-图2，本实施例的电阻点焊电极帽，包括电极帽本体1，电极帽本体1的整体呈圆柱状，并且具有与焊接金属材料接触的焊接接触面3，其中，电极帽本体1包括圆周12，焊接接触面3为圆形平面并包括圆周31，焊接接触面3具有外径D；焊接接触面的外径D为3-15毫米，优选地为5-12毫米。

在本实施例中，垂直于所述焊接接触面3并穿过所述焊接接触面3中心的中心线，也穿过所述电极帽本体圆周12的中心。

焊接接触面3设有多个由中心向外发散的焊接增强筋32，焊接增强筋32选自下组：突脊、凹槽或其组合，并且相邻的两个焊接增强筋32的中心线的之间的间隔角度为12-120°之间，即3-30个焊接增强筋32；优选地，α为15-90°，更佳地20-60°，最佳地30-45°。两个相邻焊接增强筋之间的间隙所对应的圆心角度为5-45°。

在本实施例中，两个相邻焊接增强筋的中心线之间的α是相同的,当然，两个相邻焊接增强筋的中心线之间的α是相同或基本相同的；或者两个相邻焊接增强筋的中心线之间的α中，至少一部分是不相同的。

电极帽本体1的一端设有电极安装通道11，电极安装通道11的形状为圆台或圆柱形，电极安装通道11的形状也可以为其他一些适当的形状。此处，电极帽本体1的一端指的是电阻点焊时与电阻点焊机相连的一端，另一端指的是靠近焊接工件接触面的一端。

电极帽还包括电极帽侧面2，电极帽侧面2为电极帽本体1的圆周12到焊接接触面3的圆周31过渡区域，侧面2的形状为半球形曲面。第一圆周与第二圆周的周长比为6：1－1：1，较佳地4:1-3:1。即当圆周12的直径与圆周31的外径D相同时，电极帽侧面2就成为电极帽本体1的一部分。也就是说圆周12的直径即为电极帽本体1的直径，圆周12的半径为电极帽本体1的半径。电极帽侧面2也可以为其他一些适当的形状。

焊接增强筋32在焊接接触面3的径向方向是一连续结构或者是一不连续的结构；在本发明中进行了详细的说明和举例；

参照图3-图6，示出了焊接接触面上具有沿圆周中心向外发散的焊接增强筋的电极帽的三个不同实施例，焊接增强筋32在焊接接触面3的径向方向是一连续结构。焊接增强筋32的长度为l，其中，l/D的范围在0.7-1之间。

仍参照图3-图6，焊接接触面中心还设有高于焊接表面的中心凸台或低于焊接表面的中心凹陷，中心凸台(或凹陷)的平均高度为Hc；中心凸台(或凹陷)的面积与焊接接触面的面积之比为1/5-1/2。

在本实施例中，中心凸台(凹陷)的表面投影为圆形，当然也可以为其他形状，例如正多边形；中心凸台(凹陷)与焊接增强筋32是一体的，在其他实施例中，中心凸台(凹陷)与焊接增强筋32可以是分离的；

在本实施例中，中心凸台(凹陷)平均高度Hc与焊接增强脊32的平均高度h的比值(Hc/h)为0.2-1.4，较佳地0.8-1.2。

参照图7，本发明给出了焊接接触面2上沿中心向外发散的焊接增强筋的电极帽的实施例，其中，焊接增强筋32在焊接接触面的径向方向是一不连续的结构；优选地不连续结构包括多个圆弧；其中，各圆弧的圆心是重叠或基本重叠的，各圆弧的弧度相同或基本相同，各圆弧的弧长是相同或不同的，各圆弧的弧长是沿径向向外逐渐递增的。具体地，在本实施例中，图7中的焊接接触面3包括8个焊接增强筋，每个焊接增强筋有5个圆弧，其中，弧度相同，但弧长逐渐递增。

参照图8，焊接增强筋32的截面图的一个实例；焊接增强筋的平均宽度为d，平均高度为h，在本实施例中，各个焊接增强筋的平均宽度为d与平均高度h相等，平均宽度d和平均高度d在20-1000微米之间，在其他实施例中，各个焊接增强筋的平均高度h和平均宽度d的比例h/d为0.6～1.5，较佳地0.8-1.2，优选地，各个焊接增强筋的平均高度h为50-500微米。

图9示出了使用上述电极帽进行金属工件电阻点焊时的总体侧视图，其中，51为第一焊枪臂，52为第二焊枪臂，53为第一焊接电极帽，54为第二焊接电极帽，6，7为焊接工件，8为焊接工件6和7焊接熔核区；

用于将焊接工件6和焊接工件7电阻点焊在一起的方法包括此处所描述的步骤更多、更少/或不同的步骤。在图9中呈现的实施例中，第一焊接电极帽53和第二焊接电极帽54分别与电极帽本体1的一端相连，第一焊接电极帽53和第二焊接电极帽54的另一端指的是靠近焊接工件6和7接触面的一端，其中，第一焊接电极帽53和第二焊接电极帽54为上述焊接接触面设有多个由中心向外发散的焊接增强筋的电极帽；然后使焊接电极帽的焊接增强筋与所述工件堆叠层6和7的外表面相接触；最后，在焊接电极帽和所述工件堆叠层6和7之间通以焊接电流和压力，从而熔化形成电阻点焊熔核8。在本实施例中，工件6和7为铝合金，在其他实施例中，也可以是其他金属工件。

在焊接时，由于焊接接触面存在增强筋32(突出脊或凹槽)，在接触时，增强筋可以刺破铝合金表面的氧化膜，进而降低接触电阻，并且可以增大接触面积，增强散热，以此来减小电极焊接面与铝合金板接触面的热量，减少Cu/Al合金化反应，从而减少电极点蚀，最终提高电极的使用寿命和焊点强度稳定性。

值得注意的是，本发明中的电极帽可以由任何导电和导热材料制成，例如可由铜合金制成，包括铜铬(CuCr)合金、铜铬锆(CuCrZr)合金，添加氧化铝颗粒的铜合金或其他各种的可用作电极材料的铜合金；上述所说铝合金可包含变形铝合金或铸造铝合金，包括表面具有涂层或未涂层的铝合金基板，例如铝镁合金、铝硅合金、铝镁硅合金、铝锌合金、铝铜合金等铝合金。而且其材料状态可以包括各种回火，包括退火、应变强化、固溶强化等状态。铝基板的厚度一般为0.3毫米至5.0毫米之间，优选地为从0.5毫米至3.0毫米之间。

需要说明的是上述实施例采用的参数是发明人一个试验的时候选取的参数，发明人经过反复试验证明选取本发明保护范围内的参数也可以达到同样的效果。

尽管本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限制本发明，任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，做出的种种的等效的变化或替换或组合，均属于本发明保护的范围。因此，本发明的保护范围当视后附的本申请权利要求所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种电阻点焊电极帽，其特征在于，包括：

电极帽本体(1)，所述电极帽本体(1)的整体呈圆柱状，并且具有与焊接金属材料接触的焊接接触面(3)，其中，所述电极帽本体包括第一圆周(12)，所述焊接接触面(3)为圆形平面并包括第二圆周(31)；

所述焊接接触面(3)设有n个由中心向外发散的焊接增强筋(32)，所述的焊接增强筋(32)选自下组：突脊、凹槽或其组合，

其中，n为3-30的正整数，并且相邻的两个焊接增强筋(32)的中心线的之间的间隔角度α为12-120°之间。

2.如权利要求1所述的电阻点焊电极帽，其特征在于，所述焊接接触面(3)的外径D,所述焊接增强筋的长度为l，其中，l/D的范围在0.7-1之间。

3.如权利要求2所述的电阻点焊电极帽，其特征在于，所述焊接接触面(3)的外径D为3-15毫米。

4.如权利要求1所述的电阻点焊电极帽，其特征在于，所述焊接增强筋(32)的平均高度h和焊接增强筋的平均宽度d的比例h/d为0.6～1.5。

5.如权利要求1所述的电阻点焊电极帽，其特征在于，所述焊接增强筋(32)的平均高度h为20-1000微米。

6.如权利要求1所述的电阻点焊电极帽，其特征在于，所述焊接增强筋(32)的平均宽度d为20-1000微米。

7.如权利要求1所述的电阻点焊电极帽，其特征在于，所述两个相邻焊接增强筋(32)之间的间隙所对应的圆心角度为5-45°。

8.如权利要求1所述的电阻点焊电极帽，其特征在于，还包括电极帽侧面(2)，所述电极帽侧面(2)为电极帽本体的第一圆周(12)到焊接接触面的第二圆周(31)之间过渡区域。

9.一种电阻点焊方法，其特征在于，所述方法包括：

(a)提供待焊接的工件堆叠层，和权利要求1-8中任一所述的电阻点焊电极帽；

(b)使所述焊接电极帽的焊接增强筋(32)与所述工件堆叠层的至少一个外表面相接触；和

(c)在所述焊接电极帽和所述工件堆叠层之间通以焊接电流和压力，从而熔化形成电阻点焊熔核。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述工件为铝合金，和/或所述工件的厚度为0.3-5毫米。

Images