CN112676690B

CN112676690B - 增强的电阻焊接帽

Info

Publication number: CN112676690B
Application number: CN202011022929.6A
Authority: CN
Inventors: P-C·王; M·J·卡拉古利斯; M·O·万恩
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2019-10-17
Filing date: 2020-09-25
Publication date: 2023-01-31
Anticipated expiration: 2040-09-25
Also published as: CN112676690A; DE102019128076B4; DE102019128076A1

Abstract

提供了一种用于电阻焊接的焊接帽。所述焊接帽包括鼻部、连接到所述鼻部的裙部和冷却剂室。所述鼻部限定所述冷却剂室的底侧。所述焊接帽还包括布置在所述底侧处的第一突出部。所述第一突出部远离所述鼻部延伸并且延伸到所述冷却剂室中。所述第一突出部的截面被成形为增强从所述鼻部到所述冷却剂中的热量提取。

Description

增强的电阻焊接帽

技术领域

本说明书涉及用于电阻焊接的焊接帽以及具有这种焊接帽的焊接电极。更具体地，本说明书涉及允许增强的电极冷却和焊接质量的焊接帽。

背景技术

电阻焊接用于将两个或更多个金属片焊接在一起。将焊接电极施加到金属片的相对侧并且使电流传导通过电极，以将金属片焊接在一起并融合在一起并形成点焊。电阻焊接致使焊接电极和焊接帽加热到相当高的温度值。

因此，期望提供一种具有增强的电极冷却并因此具有增强的焊接质量的焊接帽和焊接电极。此外，结合附图以及前述技术领域和背景技术，从随后的详细描述和所附权利要求书，其他期望的特征和特性将变得明显。

发明内容

提供了用于电阻焊接的焊接帽。在一个实施例中，所述焊接帽包括鼻部、连接到所述鼻部的裙部和被配置为包含冷却剂的冷却剂室。所述鼻部限定所述冷却剂室的底侧。所述焊接帽还包括布置在所述底侧处的第一突出部。所述第一突出部远离所述鼻部延伸并且延伸到所述冷却剂室中。所述第一突出部的截面被成形为增强从所述鼻部到所述冷却剂中的热量提取。

在各种实施例中，所述第一突出部至少部分地为圆形并且具有半球形。

在各个实施例中，所述第一突出部在所述底侧上居中。

在各种实施例中，所述焊接帽包括第一凹陷部，所述第一凹陷部至少部分地围绕所述第一突出部。

在各个实施例中，所述第一凹陷部的截面至少部分地为圆形。

在各种实施例中，所述至少部分圆形的第一凹陷部的中心点与所述第一突出部的中心点重合。

在各种实施例中，所述第一凹陷部以圆形方式围绕所述第一突出部。

在各种实施例中，所述圆形的第一凹陷部的所述截面的半径与所述焊接帽的柄部的内径的比率在0.28和0.36之间。

在各种实施例中，所述圆形的第一突出部的所述截面的半径与所述焊接帽的柄部的内径的比率在0.44和0.56之间。

在各种实施例中，所述冷却剂室的所述底侧限定波纹高度，所述波纹高度是所述第一凹陷部的最低点与所述第一突出部的最高点之间的距离，并且所述波纹高度与所述焊接帽的柄部的内径的比率在0.33和0.53之间。

在各种实施例中，所述焊接帽限定所述圆形的第一突出部的中心点和所述焊接帽的鼻部尖端之间的鼻部长度，并且所述鼻部长度与所述焊接帽的柄部的内径之间的比率在0.8和2.8之间。

在各种实施例中，所述圆形的第一凹陷部的所述截面的半径与所述焊接帽的柄部的内径的比率在0.34和0.44之间。

在各种实施例中，所述圆形的第一突出部的所述截面的半径与所述焊接帽的柄部的内径的比率在0.42和0.51之间。

在各种实施例中，所述冷却剂室的所述底侧限定波纹高度，所述波纹高度是所述第一凹陷部的最低点与所述第一突出部的最高点之间的距离，并且所述波纹高度与所述焊接帽的柄部的内径的比率在0.42和0.58之间。

在各种实施例中，所述焊接帽限定所述圆形的第一突出部的中心点和所述焊接帽的鼻部尖端之间的鼻部长度，并且所述鼻部长度与所述焊接帽的柄部的内径之间的比率在0.62和2.5之间。

在各种实施例中，所述焊接帽包括布置在所述底侧处的第二突出部。所述第二突出部远离所述底侧延伸并且延伸到所述冷却剂室中。所述第二突出部的截面至少部分地为圆形。所述第二突出部以圆形方式围绕所述第一突出部布置并且与所述第一突出部间隔开。

在各种实施例中，所述第二突出部与所述第一突出部等距地间隔开。

在各种实施例中，所述第二突出部的中心点与所述第一突出部的中心点重合。

在各种实施例中，所述焊接帽包括至少部分地围绕所述第二突出部的第二凹陷部。

提供了用于电阻焊接的焊接电极。所述焊接电极包括焊接帽、柄部以及延伸通过所述柄部以向所述焊接帽供应冷却剂的冷却剂供应。所述焊接帽包括鼻部、连接到所述鼻部的裙部和被配置为包含冷却剂的冷却剂室。所述鼻部限定所述冷却剂室的底侧。所述裙部至少部分围绕所述柄部。所述焊接帽还包括布置在所述底侧处的第一突出部。所述第一突出部远离所述鼻部延伸并且延伸到所述冷却剂室中。所述第一突出部的截面被成形为增强从所述鼻部到所述冷却剂中的热量提取。

附图说明

在下文中将结合以下附图描述示例性实施例，其中相似的数字表示相似的元件，并且其中：

图1是现有技术中已知的焊接电极和冷却剂供应管的侧视截面图；

图2是现有技术中已知的焊接电极的侧视截面图；

图3是根据实施例的焊接帽的侧视截面图；

图4是根据另一个实施例的焊接帽的示意性侧视截面图；以及

图5是图4的焊接帽的示意性顶部截面图。

具体实施方式

以下详细描述本质上仅是示例性的并且不旨在限制应用和使用。此外，无意受到在先前技术领域、背景技术、发明内容或以下详细描述中提出的任何明示或暗示的理论的约束。

现在将详细参考在附图中示出的本公开的若干实施例。只要有可能，在附图和说明书中使用相同或类似的附图标号以表示相同或相似的部件或步骤。附图是以简化的形式并且没有按照精确的比例。为了方便和清楚的目的，可以相对于附图使用诸如顶部、底部、左、右、上、上方、上面、下方、下面、后和前的方向性术语。同样地，术语“向前”、“向后”、“内部”、“向内”、“外部”、“向外”、“上方”和“下方”是相对于如附图中所示的元件的取向所使用的术语。这些和类似的方向性术语不应解释为限制本公开的范围。

为了便于描述，在本文中可以使用空间相对术语，诸如“内”、“外”、“下面”、“下方”、“下”、“上方”、“上”等，以描述如图中所示的一个元件或特征与另一个或多个元件或特征的关系。空间相对术语除了附图中描绘的取向之外，还可以意图涵盖使用或操作中的设备的不同取向。例如，如果附图中的设备被翻转，则被描述为在其他元件或特征“下方”或“下面”的元件将被取向为在其他元件或特征“上方”。设备可能以其他方式取向（旋转90度或处于其他取向），并且相应地解释本文中使用的空间相对描述语。

根据图1，现有技术的焊接电极总体上以10示出，并且包括柄部12、焊接帽14和冷却剂供应管15。柄部12适当地附接到未示出的焊机。焊接帽14优选地具有铜或铜合金，并且包括帽尖端16，该帽尖端将被压靠在由一对将被焊接在一起的面板组成的工件17。相对电极19将被压靠在工件17的相对侧。焊接帽14还包括从帽尖端16延伸并且紧密围绕柄部12的圆柱形裙部18。裙部18显示为压配合到柄部12上，但在替代方案中可具有螺纹，该螺纹被拧到柄部12上的配合螺纹上但未显示。如图1中所示，帽尖端16的侧面22（可称为底侧）与裙部18和柄部12协作以限定冷却剂室24。冷却剂供应管15延伸通过柄部12的中心并进入冷却剂室24。冷却剂供应管15具有第一端（可以称为管上端）30，该第一端与帽尖端16的底侧22间隔开。冷却剂供应管15具有第二端，该第二端可以称为管下端。将理解的是，冷却剂供应管15的管下端连接到冷却剂泵或其他加压冷却剂源（未示出）。冷却剂向上流动（当电极如图1中所示的那样被取向时）通过冷却剂供应管15以提供冷却剂通过冷却剂室24的恒定流动，并且然后向下通过柄部12和供应管15之间的空间到排出口34。因此，将理解的是，冷却剂通过电极组件10的流动将使热量从焊接帽14和柄部12传递出去。还将理解和意识到，焊接帽14由一定质量的铜或铜合金构成，其在热量从电极10向外传递并且到循环冷却剂流中期间将用作蓄热介质。

参照图2，示出了另一种现有技术的焊接电极，并且其包括柄部312、具有孔340的焊接帽314，以及冷却剂供应管315。图2的焊接电极包括锥形突出部372，其远离孔端壁344突出并且覆盖冷却剂供应管315的管上端330。将理解并意识到，通过冲击在锥形突出部372上将会使通过冷却剂供应管315上升的冷却剂转向，使得使流体流被转向到端壁344和孔侧壁342上。

图3示意性地示出了根据实施例的焊接帽500的截面图。焊接帽包括具有鼻部长度514的鼻部501。鼻部长度514对应于鼻部的尖端503和第一突出部506的中心点516之间的距离。鼻部的尖端503由焊接帽的外表面限定，即在焊接过程期间用作与工件17（图1）接触的焊接表面的表面。

焊接帽500包括裙部502，该裙部连接到鼻部501以使得形成冷却剂室504。裙部502和鼻部501可以由相同的材料制成（例如，铜），并且裙部502和鼻部501优选为单个整体件。

第一突出部506和第一凹陷部508布置在冷却剂室的底侧505处。

第一突出部506从冷却剂室504的底侧505向上延伸，即第一突出部远离底侧505延伸并且是底侧505的升高部分，其中升高方向对应于焊接帽的纵向方向。纵向方向对应于纵向轴线510。

如在图3中可以看到的，第一突出部506的截面是具有中心点516的圆形，并且第一突出部506的截面的外表面限定围绕中心点516的半径为R2的圆的至少一部分。第一突出部506不是完整圆。而是，第一突出部506的外表面是圆的弧。尽管图3示出了具有圆形截面的第一突出部506，但焊接帽的替代实施例可以包括其外表面具有一系列平坦表面的第一突出部，所述一系列平坦表面限定的形状与图3中所示的形状类似。

第一突出部506的外表面过渡到第一凹陷部508中。第一凹陷部508是冷却剂室的底侧505中的加深部或空腔并且围绕第一突出部506。第一凹陷部508的截面至少部分是围绕中心点518的半径为R1的圆形。在图3中所示的实施例中，第一突出部506的截面的外表面以半径R2弯曲，第一凹陷部508的截面的表面以半径R1弯曲，并且第一突出部506的外表面过渡到第一凹陷部508的表面中。第一突出部的表面的曲率和第一凹陷部的表面的曲率分别取决于半径R2和R1。

冷却剂室的底侧505的波纹高度h由第一凹陷部508的最低点和第一突出部的最高点之间的高度差限定。柄部的内径512由两条垂直虚线指示。垂直虚线与裙部的内表面间隔开。当与焊接帽组装时，裙部的内表面和垂直虚线之间的距离对应于柄部的壁的厚度（参见图1、图4）。

本文所述的焊接帽可以特别用于钢、铝、镁、或异种材料（如铝-钢）的焊接。例如，焊接帽用于焊接总厚度为8mm的钢叠层和总厚度为9mm的铝叠层。电极的过热和劣化可导致较差的焊接质量，并且帽粘连到工件。焊接帽具有优化的电极几何形状并且可以应用于不同尺寸的焊接帽。所描述的电极几何形状增强电极冷却并且由此降低帽操作温度，从而减轻电阻焊接中的枪粘连。具体地，第一突出部506和第一凹陷部508的形状提供了增强的热耗散以及从焊接帽的鼻部移除热量，使得减小了焊接帽在焊接期间和刚好在焊接后的温度。

例如，参见图3，针对所谓的尺寸2电极（例如，外径约为16mm），焊接帽的单个尺寸的比率可以如下：

a）R1/IR=0.28-0.36；

b）R2/IR=0.44-0.56；

c）h/IR=0.33-0.53;

d）NL/IR=0.8-2.8。

这四个比率限定了焊接帽的尺寸和形状。值a）是第一凹陷部508的截面的半径R1与柄部的内半径IR之间的比率。值b）是第一突出部506的截面的半径R2与柄部的内半径IR之间的比率。值c）是波纹高度h与柄部的内半径IR之间的比率。值d）是鼻部长度NL与柄部的内半径IR之间的比率。

作为替代示例，针对所谓的尺寸3电极（例如，19mm或20mm）外径，焊接帽的单个尺寸的比率可以如下：

a）R1/IR=0.34-0.44；

b）R2/IR=0.42-0.51；

c）h/IR=0.42-0.58;

d）NL/IR=0.62-2.5。

图4示出了焊接电极10的示意性截面图。焊接电极10包括焊接帽500和柄部520，其中在柄部520内布置有冷却剂供应515（例如冷却剂供应管）。焊接帽500被布置为使得裙部502例如通过摩擦连接或正（positive）连接来接合柄部520。裙部502和柄部520可包括螺纹或锥形部分（未示出）以建立这两个元件之间的连接。

如图4中所示，冷却剂供应515布置在柄部520内。冷却剂供应可以被布置为使得其流出端522面向焊接帽的冷却剂室的底侧505。冷却剂由冷却剂供应515供应到冷却剂室中并朝向底侧505，参见冷却剂供应内的垂直箭头。如已经在图1中示出并参考图1说明的那样，冷却剂从冷却剂供应流出朝向冷却剂室的底侧，并且在柄部内和冷却剂供应外部沿相反方向（即背离底侧）流动以将热量从焊接帽的鼻部传送出去。

冷却剂室的底侧的特定几何形状和形状由于改善的从焊接帽到冷却剂室内的冷却剂的热流动而允许增强的焊接帽冷却。

如在图4中示例性地示出的，底侧包括被第一凹陷部508围绕的第一突出部506。底侧还包括第二突出部507，其中第一凹陷部508定位在第一突出部506和第二突出部507之间。第二凹陷部509围绕第二突出部507。

第二突出部507具有圆形截面，类似于第一突出部506的截面的形状。第二突出部507的曲率的半径可以与第一突出部506的曲率的半径相同。第一突出部和第二突出部的高度（即第一突出部和第二突出部的尖端的水平）可以相同。然而，第二突出部507的尖端也可能低于第一突出部506的尖端，即冷却剂供应的流出端522与第一突出部506的尖端之间的垂直距离小于流出端522与第二突出部507的尖端之间的垂直距离。同样，第二突出部507的尖端可以高于第一突出部506的尖端。

底侧505的形状，具体是第一突出部506（以及任何附加突出部，其中仅示出了一个附加突出部，即第二突出部507）和第一凹陷部508（以及任何附加凹陷部，其中仅示出了一个附加凹陷部，即第二个凹陷部509）的圆形截面的形状，允许增强的冷却剂流动和冷却剂沿底侧的分布，使得优化焊接帽的鼻部和冷却剂之间的热交换。

应当注意，冷却剂室的底侧505可以包括根据图4所示的方案布置的多个突出部和凹陷部。第一突出部506被第一凹陷部508围绕。附加的突出部（如第二突出部507）和凹陷部（如第二凹陷部509）以同心方式围绕第一突出部506和第一凹陷部508，其中在两个凹陷部之间布置附加突出部，反之亦然。然而，最外部的凹陷部例外，它不布置在两个突出部之间。尽管图4示出了第二凹陷部509是底侧505上的最外部元件，但底侧可以被设计为使得突出部是底侧上的最外部几何元件。

例如，冷却剂供应515相对于底侧定位为使得流出端522相对于第一突出部506居中。此外，底侧505的几何形状和形状提供了底侧的增大的面积，使得流体流动和热传递均被优化。

冷却剂供应515的流出端522和底侧505（具体是第一突出部506的尖端）之间的垂直距离524可以变化。在底侧505上包括的突出部和凹陷部越多，该距离就可能越大。换句话说，柄部的内径越大，流出端522与底侧505之间的距离就越大。

图5示出了在图4中的虚线A-A’的水平处的示意性截面顶视图。因此，下面参考图5描述了通过第一突出部506和第二突出部507的截面图。

在图5中所示的顶视图中，第一突出部516具有圆形形状。第一突出部506的圆形具有中心点516。应当注意，顶视图中的圆形可以不同于参考图3和图4中所示的横向截面图描述的圆形。图5中所示的中心点516是图5的截面图中所示的圆的共同中心点。在图3的实施例中，中心点516用作第一突出部506的圆形截面的中心点。然而，在图5的顶视图中的圆的曲率（即半径）和在图3的侧视图中的第一突出部的圆形截面的半径可不同，尽管这些圆可具有相同的中心点。

中心点516可以相对于冷却剂供应515（图4）的流出端522居中。

在图5的顶部截面图中，第一凹陷部508具有围绕第一突出部506的环的形状。第一凹陷部508是具有与第一突出部506相同的中心点516的圆。

在图5的顶部截面图中，第二突出部507具有环的形状并且围绕第一凹陷部508。例如，在图5中所示的底侧505的顶视图中，第一凹陷部508和第二突出部507是与中心点516同心的环。

最后，第二凹陷部509同心地围绕第二突出部508。第二凹陷部509邻近裙部502或焊接帽或鼻部的外壁。

尽管在附图中示出并且在上面参考附图描述的实施例涉及母帽，但应当理解，本文描述的帽的设计原理也适用于用于电阻焊接的公帽。具体地，第一突出部和第二突出部以及第一凹陷部和第二凹陷部的设计可以适用于母帽和公帽两者。

此外，可以在用于电阻焊接、突出部焊接和所谓的Arplas焊接的任何类别和形状的电极中利用本文描述的帽。

尽管在前面的详细描述中已经提出了至少一个示例性实施例，但应当理解，存在大量的变型。还应当理解，一个或多个示例性实施例仅是示例，并且无意以任何方式限制本公开的范围、适用性或配置。相反，前述详细描述将为本领域技术人员提供用于实现一个或多个示例性实施方式的便利路线图。应当理解，在不偏离所附权利要求书及其合法等同方案所阐述的本公开的范围的情况下，可以对元件的功能和布置进行各种改变。

Claims

1.一种用于电阻焊接的焊接帽（500），包括：

鼻部（501）；

裙部（502），所述裙部连接到所述鼻部；

冷却剂室（504），所述冷却剂室被配置为包含冷却剂，其中所述鼻部限定所述冷却剂室的底侧（505）；

其中所述焊接帽还包括布置在所述底侧处的第一突出部（506）；

其中所述第一突出部（506）远离所述鼻部（501）延伸并且延伸到所述冷却剂室（504）中；

其中所述第一突出部（506）的截面被成形为增强从所述鼻部到所述冷却剂中的热量提取;

其中所述焊接帽包括第一凹陷部（508），所述第一凹陷部至少部分地围绕所述第一突出部（506）；

其中所述第一凹陷部（508）的截面至少部分地为圆形；

其中所述圆形的第一凹陷部（508）的截面的半径（R1）与所述焊接帽（500）的柄部（520）的内半径的比率在0.28和0.36之间；

其中所述圆形的第一突出部（506）的截面的半径（R2）与所述焊接帽的柄部（520）的内半径的比率在0.44和0.56之间；

其中所述冷却剂室（504）的所述底侧（505）限定波纹高度（h），所述波纹高度是所述第一凹陷部（508）的最低点与所述第一突出部（506）的最高点之间的距离；

其中所述波纹高度（h）与所述焊接帽的柄部（520）的内半径的比率在0.33和0.53之间；

其中所述焊接帽限定所述圆形的第一突出部（506）的中心点（516）和所述焊接帽的鼻部尖端（503）之间的鼻部长度（NL）；

其中所述鼻部长度（NL）与所述焊接帽的柄部（520）的内半径之间的比率在0.8和2.8之间。

2.根据权利要求1所述的焊接帽（500），

其中所述第一突出部（506）的截面至少部分地为圆形，并且所述第一突出部具有半球形。

3.根据权利要求1或2所述的焊接帽（500），

其中所述第一突出部（506）在所述底侧（505）上居中。

4.根据权利要求1所述的焊接帽（500），

其中所述至少部分圆形的第一凹陷部（508）的中心点（516）与所述第一突出部（506）的中心点重合。

5.根据权利要求1所述的焊接帽（500），

其中所述第一凹陷部（508）以圆形方式围绕所述第一突出部（506）。

6.根据权利要求1所述的焊接帽（500），

其中所述圆形的第一凹陷部（508）的截面的半径（R1）与所述焊接帽（500）的柄部（520）的内半径的比率在0.34和0.44之间；

其中所述圆形的第一突出部（506）的截面的半径（R2）与所述焊接帽的柄部（520）的内半径的比率在0.42和0.51之间；

其中所述波纹高度（h）与所述焊接帽的柄部（520）的内半径的比率在0.42和0.58之间；

其中所述鼻部长度（NL）与所述焊接帽的柄部（520）的内半径之间的比率在0.62和2.5之间。

7.一种焊接电极（10），包括

根据权利要求1至6中任一项所述的焊接帽（500）；

柄部（520）；

冷却剂供应（515），所述冷却剂供应延伸通过所述柄部（520）并且被配置为将冷却剂供应到所述焊接帽（500）。