使用預(yù)冷的電阻焊接方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及使用預(yù)冷的電阻焊接方法。一種用于改善電阻點(diǎn)焊的方法包括：堆疊兩個(gè)或更多個(gè)金屬板，并且將相對(duì)的第一和第二電極定位在金屬堆疊體的相對(duì)側(cè)。在待形成焊縫的區(qū)域中冷卻金屬板中的至少一個(gè)金屬板。僅在至少一個(gè)金屬板的冷卻使搭接界面處的溫度降低至少5℃之后，使焊接電流施加到電極并且通過(guò)金屬板從而產(chǎn)生電阻點(diǎn)焊焊縫，從而改善點(diǎn)焊熔核的形成和焊接接頭的品質(zhì)。可以通過(guò)使冷卻氣體流動(dòng)到最外金屬板中的一者或兩者的表面上或者通過(guò)在施加焊接電流之前使最外金屬板與冷卻的電極接觸一段時(shí)間來(lái)獲得冷卻。
【專利說(shuō)明】使用預(yù)冷的電阻焊接方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電阻焊接的改進(jìn)的方法，更具體地說(shuō)，通過(guò)選擇性預(yù)冷金屬板來(lái)優(yōu)化整個(gè)金屬疊層的熱分布從而改進(jìn)焊接過(guò)程。
【背景技術(shù)】
[0002]通常采用電阻焊接來(lái)將兩個(gè)或三個(gè)金屬板連接成疊層，特別是在汽車車體和其他制品的構(gòu)建中。
[0003]電阻焊接(ERW)是指一組焊接過(guò)程，例如電阻點(diǎn)焊(RSW)，其產(chǎn)生搭接面的聚結(jié)，在此處，當(dāng)電流被施加到板并且力被用來(lái)將金屬板保持在一起時(shí)由電阻產(chǎn)生熱量以形成焊縫。影響對(duì)熱和焊接溫度的控制的一些因素是金屬板的厚度、金屬板的材料和冶金、存在涂層或者缺乏涂層、電極材料、電極幾何形狀、電極按壓力、焊接電流和焊接時(shí)間。
[0004]通常，同時(shí)使用兩個(gè)銅電極將金屬板夾緊在一起并使電流通過(guò)板。當(dāng)電流通過(guò)電極到達(dá)板時(shí)，產(chǎn)生熱量。由于電阻引起在銅電極之間的工件中的熱積聚，升高的溫度導(dǎo)致在電極接觸的區(qū)域中金屬板之間的界面處的熔池。在大約十分之一秒之后，電流流動(dòng)終止并且熱量被散布到整個(gè)金屬板和銅電極以冷卻點(diǎn)焊焊縫，從而導(dǎo)致熔融的熔核在壓力下固化。銅電極被水冷以延長(zhǎng)電極壽命并且迅速除去表面的熱量以加速熔核的凝固，因?yàn)殂~是優(yōu)良的導(dǎo)體。
[0005]在許多焊接應(yīng)用中，兩個(gè)金屬板具有足夠的厚度和相同的冶金材料，所以可以通過(guò)調(diào)整諸如電極焊接力、焊接電流和焊接時(shí)間等等的變量來(lái)容易地控制所產(chǎn)生的點(diǎn)焊焊縫的品質(zhì)。
[0006]然而，點(diǎn)焊過(guò)程的控制在兩個(gè)板均由薄規(guī)格材料制成的那些情況下是更具挑戰(zhàn)性的。在兩個(gè)板具有厚度和/或材料的差異的情況下，焊接過(guò)程的控制也更具挑戰(zhàn)性，在所述情況下，當(dāng)所述板被電極之間流動(dòng)的電流加熱時(shí)，所述差異將導(dǎo)致在板之間的熱失衡。失衡的意思是金屬板之一更迅速地加熱并且獲得比其他金屬板更高的溫度。
[0007]有以下幾種情況引起熱失衡。例如，當(dāng)金屬板具有厚度差異時(shí)可導(dǎo)致熱失衡。這種厚度差異導(dǎo)致兩個(gè)金屬板之間的搭接界面相比于其中一個(gè)銅電極更接近另一銅電極，從而引起熱失衡的情況，其中的較薄板比較厚板被電極更有效地冷卻，從而造成較厚板比較薄板達(dá)到更高的溫度。
[0008]作為另一示例，當(dāng)金屬板由具有不同電特性的不同材料制成時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致熱失衡。例如，一種材料可以是高級(jí)高強(qiáng)度鋼(AHSS)，如雙相(DP)鋼、相變誘導(dǎo)塑性(TRIP)鋼或壓硬鋼(PHS)，其具有高的體積電阻率。其他材料可以是具有非常低的體積電阻率的低碳鋼鋼或無(wú)間隙(IF)鋼。相比于低碳或IF鋼材料，電流通過(guò)金屬板會(huì)導(dǎo)致AHSS材料的更快速加熱。當(dāng)例如將薄規(guī)格的低碳鋼或IF鍍鋅鋼板焊接到較重規(guī)格的DP、TRIP或PHS鋼板時(shí)，會(huì)出現(xiàn)額外的熱失衡復(fù)雜性。
[0009]這些熱失衡導(dǎo)致一些嚴(yán)重問(wèn)題。首先，由高的厚度比、不同的電阻率或所述二者引起的熱失衡相比于一個(gè)板導(dǎo)致更大的熔核滲透到另一板中。對(duì)于具有過(guò)量熔核滲透的板，這可能產(chǎn)生電極和金屬板之間的不良影響，包括:電極粘附、過(guò)多的電極磨損、表面噴濺和可能形成的焊縫表面裂紋。對(duì)于熔核滲透減少的板，該過(guò)程可能變得不穩(wěn)定，使得熔核體積的小的變化引起焊縫按鈕尺寸且因此焊縫強(qiáng)度的大的變化。
[0010]希望的是提供一種新的且改進(jìn)的方法，用于在對(duì)金屬板的選擇導(dǎo)致在點(diǎn)焊過(guò)程期間板之間發(fā)生熱失衡的情況下改善電阻點(diǎn)焊的控制和品質(zhì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]一種用于改善電阻點(diǎn)焊焊縫的方法，包括:堆疊第一和第二金屬板并且將相對(duì)的第一和第二電極定位在金屬堆疊體的相對(duì)側(cè)。金屬板中的至少一個(gè)在將要形成焊縫的區(qū)域中被冷卻。僅在所述至少一個(gè)金屬板的冷卻使搭接界面處的溫度降低至少5°c之后，焊接電流被施加到電極且通過(guò)金屬板以建立電阻點(diǎn)焊焊縫，從而改善焊接熔核的形成和焊接接頭的品質(zhì)。可以通過(guò)使冷卻氣體流動(dòng)到金屬板中的一者或兩者的表面上或者通過(guò)在施加焊接電流之前使金屬板與冷卻的電極接觸一段時(shí)間來(lái)獲得冷卻。在三個(gè)金屬板構(gòu)成的疊層的情況下，通過(guò)使冷卻氣體流動(dòng)到金屬堆疊體的最外金屬板中的一者或兩者的表面上或者通過(guò)在施加焊接電流之前使金屬堆疊體的最外金屬板與冷卻的電極接觸一段時(shí)間來(lái)獲得冷卻。
[0012]本發(fā)明還提供了以下技術(shù)方案。
[0013]方案1.一種用于改善兩個(gè)或更多個(gè)堆疊金屬板的電阻點(diǎn)焊的方法，包括:
提供至少第一金屬板；
提供至少第二金屬板；
堆疊金屬板以形成金屬堆疊體；
將相對(duì)的第一和第二電極定位在金屬堆疊體的相對(duì)側(cè)；
在待形成焊縫的區(qū)域中冷卻金屬板中的至少一個(gè)金屬板；以及僅在待形成焊縫的區(qū)域中冷卻至少一個(gè)金屬板的區(qū)域之后，使焊接電流施加到第一和第二電極并且通過(guò)金屬堆疊體，從而在金屬板之間產(chǎn)生電阻點(diǎn)焊焊縫。
[0014]方案2.根據(jù)方案I所述的方法，還包括:使所述至少一個(gè)金屬板的區(qū)域冷卻至少5攝氏度。
[0015]方案3.根據(jù)方案I所述的方法，還包括:通過(guò)在將焊接電流施加到電極之前使電極與所述至少一個(gè)金屬板接觸并且使冷卻水循環(huán)通過(guò)所述電極的內(nèi)部足夠的時(shí)間段來(lái)冷卻所述區(qū)域，從而冷卻所述至少一個(gè)金屬板的區(qū)域。
[0016]方案4.根據(jù)方案I所述的方法，還包括:通過(guò)在將焊接電流施加到電極之前使冷氣體流動(dòng)到所述至少一個(gè)金屬板上來(lái)冷卻所述至少一個(gè)金屬板的區(qū)域。
[0017]方案5.根據(jù)方案4所述的方法，還包括:在所述電極與所述至少一個(gè)金屬板接觸之前使冷卻氣體流動(dòng)到所述至少一個(gè)金屬板上。
[0018]方案6.根據(jù)方案4所述的方法，還包括:在所述電極與所述至少一個(gè)金屬板接觸之前且在所述電極與所述至少一個(gè)金屬板接觸時(shí)使冷卻氣體流動(dòng)到所述至少一個(gè)金屬板上。
[0019]方案7.根據(jù)方案4所述的方法，還包括:在焊接電流被傳導(dǎo)通過(guò)所述電極和通過(guò)金屬堆疊體時(shí)繼續(xù)使冷卻氣體流動(dòng)到所述至少一個(gè)金屬板上。
[0020]方案8.根據(jù)方案4所述的方法，還包括:在從下述選擇的至少兩個(gè)時(shí)間段期間使冷卻氣體流動(dòng)到所述至少一個(gè)金屬板上:
在電極與所述至少一個(gè)金屬板接觸之前；
在電極與金屬板接觸期間但在使焊接電流流動(dòng)通過(guò)金屬堆疊體之前；
在電流流動(dòng)期間；和 在電流流動(dòng)之后。
[0021]方案9.根據(jù)方案I所述的方法，還包括:在將焊接電流施加到電極和金屬板之前冷卻金屬堆疊體的所有板。
[0022]方案10.根據(jù)方案I所述的方法，還包括:通過(guò)電極上承載的氣流噴嘴與所述至少一個(gè)電極的運(yùn)動(dòng)相結(jié)合地朝向和遠(yuǎn)離所述至少一個(gè)金屬板的運(yùn)動(dòng)來(lái)使冷卻氣體流動(dòng)到所述至少一個(gè)金屬板上。
[0023]方案11.一種用于改善兩個(gè)或更多個(gè)堆疊金屬板的電阻點(diǎn)焊的方法，包括:
提供金屬堆疊體；
將相對(duì)的第一和第二電極定位在金屬堆疊體的相對(duì)側(cè)；
使冷卻氣體流動(dòng)到金屬堆疊體的外表面上以冷卻待形成焊縫的區(qū)域；以及在對(duì)外表面的冷卻已經(jīng)降低堆疊金屬板之間的搭接界面處的溫度之后，使焊接電流施加到第一和第二電極并且通過(guò)金屬堆疊體，從而在堆疊金屬板之間產(chǎn)生電阻點(diǎn)焊焊縫。
[0024]方案12.根據(jù)方案11所述的方法，還包括:在金屬板之間的搭接界面處的溫度已被降低15攝氏度和35攝氏度之間的范圍之后，將焊接電流施加到所述第一和第二電極。
[0025]方案13.根據(jù)方案11所述的方法，還包括:金屬堆疊體包括具有不同特性的金屬板，所述不同特性包括不同厚度、不同金屬合金和不同表面涂層中的至少一者。
[0026]方案14.根據(jù)方案11所述的方法，還包括:通過(guò)第一和第二電極分別承載的第一和第二氣流噴嘴朝向和遠(yuǎn)離金屬堆疊體的運(yùn)動(dòng)來(lái)使冷卻氣體流動(dòng)到金屬堆疊體的表面上。
[0027]方案15.根據(jù)方案14所述的方法，還包括:提供第一和第二操作閥，所述第一和第二操作閥分別向所述第一和第二電極的第一和第二氣流噴嘴供應(yīng)冷卻氣體；以及，操作所述第一和第二閥以選擇性地控制冷卻氣體的流量和流速?gòu)亩鴮?shí)現(xiàn)對(duì)金屬堆疊體的外表面的可變冷卻。
[0028]方案16.根據(jù)方案15所述的方法，還包括:選擇性地操作所述操作閥以在從下述選擇的至少兩個(gè)時(shí)間段期間使冷卻氣體流動(dòng)到所述金屬堆疊體的表面上:
在電極與所述金屬堆疊體接觸之前；
在電極與金屬堆疊體接觸期間但在使焊接電流流動(dòng)通過(guò)金屬堆疊體之前；
在電流流動(dòng)期間；和 在電流流動(dòng)之后。
[0029]方案17.根據(jù)方案16所述的方法，還包括:僅在金屬板之間的搭接界面處的溫度已經(jīng)降低至少5攝氏度之后將焊接電流施加到第一和第二電極。
[0030]方案18.—種用于改善兩個(gè)或更多個(gè)堆疊金屬板的電阻點(diǎn)焊的方法，包括:
提供金屬堆疊體，所述金屬堆疊體的金屬板中的至少一個(gè)金屬板具有與所述金屬板中的另一金屬板不同的厚度或材料；
將相對(duì)的第一和第二電極定位在金屬堆疊體的相對(duì)側(cè)；
操作一個(gè)或多個(gè)閥以使冷卻氣體流動(dòng)到金屬堆疊體的表面上，從而冷卻待形成焊縫的區(qū)域并且獲得在金屬板之間的搭接界面處的至少5攝氏度的溫度降低；以及
僅在第一和第二金屬板之間的搭接界面處的溫度降低至少5攝氏度之后使焊接電流施加到第一和第二電極并通過(guò)金屬堆疊體，從而在所述金屬板之間產(chǎn)生電阻點(diǎn)焊焊縫。
[0031]方案19.根據(jù)方案18所述的方法，還包括:選擇性地操作所述一個(gè)或多個(gè)操作閥以在從下述選擇的至少兩個(gè)時(shí)間段期間使冷卻氣體流動(dòng)到所述金屬堆疊體的表面上:
在電極與所述金屬堆疊體接觸之前的時(shí)段；
在電極與金屬板接觸期間但在使焊接電流流動(dòng)通過(guò)金屬堆疊體之前的時(shí)段；
在電流流動(dòng)期間的時(shí)段；和 在電流流動(dòng)之后的時(shí)段。
[0032]方案20.根據(jù)方案19所述的方法，還包括:通過(guò)第一和第二電極分別承載的第一和第二氣流噴嘴朝向和遠(yuǎn)離金屬堆疊體的最外表面的運(yùn)動(dòng)來(lái)使冷卻氣體流動(dòng)到金屬堆疊體的最外表面上，并且通過(guò)操作閥選擇性地可操作成控制冷卻氣體的流量和流速來(lái)控制冷卻氣體的流動(dòng)，從而根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)第一和第二金屬板的可變冷卻以獲得金屬板的搭接界面處5攝氏度和35攝氏度之間的溫度降低。
[0033]本發(fā)明的適用性從下文提供的詳細(xì)描述將變得顯而易見(jiàn)。應(yīng)當(dāng)理解，詳細(xì)描述和具體實(shí)例雖然表示本發(fā)明的示例性實(shí)施例，但是旨在僅作為說(shuō)明的目的并且不限制本發(fā)明的范圍。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0034]從詳細(xì)描述和附圖中將更充分地理解本發(fā)明，其中:
圖1是點(diǎn)焊設(shè)備的正視圖，具有在截面中剖開(kāi)的部分。
[0035]圖2是點(diǎn)焊過(guò)程的溫度與電阻的曲線圖。
[0036]圖3是點(diǎn)焊設(shè)備的正視圖，具有在截面中剖開(kāi)的部分。
[0037]圖4是沿圖3的箭頭3-3的方向截取的截面圖。
[0038]圖5是另一點(diǎn)焊設(shè)備的具有在截面中剖開(kāi)的部分的正視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0039]本發(fā)明是一種改善鋼板材料的電阻點(diǎn)焊的新的方法和設(shè)備。其由空氣或氣體冷卻器構(gòu)成，用于恰在點(diǎn)焊過(guò)程之前和點(diǎn)焊過(guò)程期間冷卻金屬板表面和電極。冷卻器可以由許多不同類型的用于在點(diǎn)焊之前冷卻板和/或電極的設(shè)備構(gòu)成。其可以被整體形成到焊槍或焊槍機(jī)器人中。冷卻器由將干燥的冷氣體(如空氣、氮?dú)饣蚨趸?流或流動(dòng)直接輸送到板和/或焊接電極上的裝置構(gòu)成。冷卻的氣體有助于控制焊接具有很大不同厚度或體積電阻率的材料所造成熱失衡。這通過(guò)在形成焊縫之前冷卻板材料來(lái)完成。
[0040]圖1示出了用于形成電阻點(diǎn)焊焊縫的常規(guī)設(shè)備。第一金屬板10將被焊接到第二金屬板14。板10和14被堆疊成一個(gè)在另一個(gè)之上。形成焊縫的工具包括第一或下部電阻點(diǎn)焊電極16和第二或上部電阻點(diǎn)焊電極18。電極16和18中的一者或兩者被安裝在使電極16和18朝向和遠(yuǎn)離堆疊板10和14運(yùn)動(dòng)的致動(dòng)器上。例如，在形成焊縫時(shí)，致動(dòng)器被致動(dòng)來(lái)使第一電極16抵靠第一板10運(yùn)動(dòng)并且使第二電極18抵靠第二板14運(yùn)動(dòng)。夾緊力被施加到電極16和18,并且電流被施加在第一電極16和第二電極18之間,從而產(chǎn)生第一板10和第二板14的金屬之間的電阻點(diǎn)焊熔核22。如圖1中所示，每個(gè)電極16和18具有內(nèi)部冷卻室30，其接收液體冷卻劑來(lái)冷卻電極。冷卻劑從冷卻劑源32泵送通過(guò)管40進(jìn)入冷卻室30中，然后通過(guò)管42返回到冷卻劑源。
[0041]通過(guò)在電極16和18之間傳導(dǎo)焊接電流時(shí)所產(chǎn)生的熱來(lái)產(chǎn)生點(diǎn)焊熔核22。產(chǎn)生的熱取決于板10和14的電阻。特別是，如在圖1中所示，電阻是電極18和第二板14之間的界面處的接觸電阻R1、第二板14內(nèi)的體積電阻R2、在所述板被擠壓在一起時(shí)兩個(gè)板10和14之間的搭接界面處的接觸電阻R3、第一板10內(nèi)的體積電阻R4和電極16和第一板10之間的界面處的接觸電阻R5的組合。
[0042]圖2是圖1的焊接設(shè)置的電阻與溫度的曲線圖。Ta是金屬堆疊體的環(huán)境溫度。Rt是包括R1HR4和R5的總電阻。Rb是板10和14的體積電阻R2+R4。Rc是電極與金屬板在兩個(gè)金屬板10和12之間的接觸點(diǎn)處出現(xiàn)的接觸電阻WR515在曲線圖中看出，總電阻Rt通常是恒定的，而與溫度的變化無(wú)關(guān)。然而，接觸電阻Rc，特別是在板10和12之間的搭接界面電阻R3隨著溫度的降低而增大。
[0043]已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，接觸電阻R3，即板10和14之間的搭接界面處的接觸電阻，是最重要的決定因素，其實(shí)現(xiàn)將不同厚度和體電阻率的材料焊接在一起的改進(jìn)。特別是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，對(duì)金屬板中的一者或兩者預(yù)冷5°C (TA-5°C)或以上，可以顯著地改善焊接過(guò)程。此外，已發(fā)現(xiàn)，從環(huán)境溫度如攝氏25°將金屬板預(yù)冷下降到攝氏0°是可以實(shí)現(xiàn)的，并保證了將金屬板焊接在一起的顯著的改善。對(duì)金屬板的冷卻優(yōu)選應(yīng)減少板溫度至少15°C，更優(yōu)選為15°C至 35。。。
[0044]參照?qǐng)D3，示出了類似于圖1的形成焊縫的工具，并具有由相同的參考標(biāo)記標(biāo)識(shí)的相同的元件。除了圖1的元件，圖3的設(shè)備具有安裝在第二電極18上的冷卻歧管48。冷卻歧管48的形狀是環(huán)形的，并包圍第二電極18。冷卻歧管48具有多個(gè)軸向流路或噴嘴50，其連接到冷卻氣體源52。冷卻氣體源52在包圍將形成電阻點(diǎn)焊熔核22的部位的區(qū)域中提供流動(dòng)到第二板14上的冷卻氣體的流動(dòng)。
[0045]根據(jù)本發(fā)明，在焊接電流被應(yīng)用之前，冷卻氣體將流到第二板14上一預(yù)定時(shí)間，以便在嘗試形成點(diǎn)焊熔核22之前降低第二板14的溫度?？梢栽陔姌O與金屬板初始接觸之前或之后開(kāi)始冷卻氣體的流動(dòng)。然而，優(yōu)選的是，冷卻氣體在所述電極18與金屬板接觸之前流動(dòng)，以便提供額外的冷卻時(shí)間而不添加到完成將板焊接在一起的總體周期時(shí)間。將會(huì)理解，冷卻氣體的流速和溫度以及流動(dòng)的持續(xù)時(shí)間將確定完成金屬板14的預(yù)冷的程度。
[0046]參照?qǐng)D5，與圖3相似的形成焊縫的工具被示出且相同的元件由相同的附圖標(biāo)記標(biāo)識(shí)。在圖5的例子中，下部電極16具有冷卻歧管56，其包括連接到冷卻氣體源36的噴嘴58。因此，在圖5的例子中，冷卻氣體可以經(jīng)由歧管56流動(dòng)到第一板10上，而冷卻氣體經(jīng)由冷卻歧管26流動(dòng)到第二板14上。因此，在圖5的例子中，第一板10和第二板14均可以在將形成點(diǎn)焊熔核22的位置周圍的區(qū)域中被預(yù)冷。此外，圖5示出了用于控制通向電極18的歧管26的氣體流量的閥60,以及用于控制通向電極16的歧管56的氣體流量的閥62。
[0047]再次參照?qǐng)D1，將理解的是，可以采用這里所示的常規(guī)焊縫形成設(shè)備來(lái)實(shí)施本發(fā)明。雖然圖1的設(shè)備沒(méi)有冷卻空氣歧管，但是所述設(shè)備可被用來(lái)預(yù)冷卻將形成點(diǎn)焊熔核22的部位。特別地，在圖1中，在使電極與下部板10和上部板14接觸之前，通過(guò)使冷卻水循環(huán)通過(guò)電極來(lái)預(yù)冷卻下部電極16和上部電極18。然后，電極被移動(dòng)至與金屬板接觸，并保持與金屬板10和14接觸一段時(shí)間從而足以通過(guò)在待實(shí)現(xiàn)點(diǎn)焊熔核22的部位將熱量從金屬板傳導(dǎo)走而預(yù)冷卻該焊接部位。因此，在圖1中，可以采用傳統(tǒng)的具有內(nèi)部冷卻的銅焊接電極組來(lái)實(shí)施本發(fā)明，盡管完成在金屬板10和14之間形成焊縫22的總體周期時(shí)間有一些增加。
[0048]由下面的實(shí)例來(lái)證明預(yù)冷將要形成點(diǎn)焊熔核的部位的廣泛的適用性和優(yōu)點(diǎn)。
[0049]例I
在第一個(gè)例子中，金屬板10和14可以是相對(duì)薄規(guī)格的熱浸鍍鋅(HDG)低碳鋼，S卩，<
0.7 _厚。通常，在兩個(gè)相對(duì)薄的鍍鋅低碳鋼板之間形成電阻點(diǎn)焊焊縫可能是有問(wèn)題的，因?yàn)楹缚p容易遭受進(jìn)入兩個(gè)薄板的過(guò)度熔核滲透。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，冷卻和降低薄板中的一者或兩者的溫度降低了兩個(gè)板之間的界面溫度，從而增加了在將要形成熔核的搭接界面處的界面電阻。通過(guò)降低搭接界面處的溫度，促進(jìn)了在搭接界面處的加熱、焊縫起始和熔核生長(zhǎng)并且產(chǎn)生過(guò)度熔核滲透的傾向被控制。通過(guò)預(yù)冷金屬板來(lái)實(shí)現(xiàn)在搭接界面處的較高電阻，并且建立了從搭接界面到電極與金屬板的接觸點(diǎn)的更大溫度梯度，從而允許電極的運(yùn)行溫度更低且使用壽命更長(zhǎng)。
[0050]雖然如圖5所示優(yōu)選的是冷卻兩個(gè)板，但是也能夠如圖3所示冷卻僅僅一個(gè)板，并且第二板14將作為散熱體以將熱量從第一板10吸走，從而完成對(duì)兩個(gè)金屬板10和14的預(yù)冷，即使冷卻空氣流動(dòng)到僅一個(gè)板上也是如此。
[0051]例2
在實(shí)例2中，金屬板10和14都是HDG低碳鋼，但具有不同的厚度。例如，第一板10可以為1.5 mm厚并且第二板14可以僅有0.5 mm的厚度。在常規(guī)焊接中，點(diǎn)焊熔核22的適當(dāng)形成可能是困難的，并且特別是容易受到熔核22進(jìn)入較薄金屬板的滲透不足的影響。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在搭接界面冷卻和降低溫度增加了將要形成熔核的界面處兩個(gè)板之間的界面電阻。通過(guò)降低界面溫度，促進(jìn)了在搭接界面處的加熱、焊縫起始和熔核生長(zhǎng)并且有利地控制和最小化了焊縫22進(jìn)入較薄金屬板的生長(zhǎng)和滲透不足的傾向。雖然優(yōu)選的是冷卻兩個(gè)板，但是如果只有一個(gè)板要被冷卻，那么優(yōu)選的是冷卻較薄板以便更迅速地冷卻較厚板和較薄板之間的界面。
[0052]例3
在實(shí)例3中，板10和14的厚度相等，但由不同的材料制成。例如，下部板2可以是鍍鋅AHSS合金如TRIP鋼，并且上部板14可以是由低碳鋼制成的HDG板。其特點(diǎn)是，AHSS合金具有較高的電阻而低碳鋼具有相對(duì)較低的電阻。在傳統(tǒng)焊接中，存在不足滲透進(jìn)入低電阻板和過(guò)度滲透進(jìn)入高電阻板的傾向。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，冷卻和降低板中的一者或二者的溫度降低了界面溫度，并增加了界面電阻，從而促進(jìn)在搭接界面處的加熱、焊縫起始和熔核生長(zhǎng)。其結(jié)果是改善滲透進(jìn)入低電阻板，在這種情況下是低碳鋼，以及減少滲透進(jìn)入AHSS。雖然優(yōu)選的是使用圖3的設(shè)備冷卻兩個(gè)板，但是替代地，冷卻較高電阻的AHSS合金板將創(chuàng)建散熱體，其有助于防止該材料過(guò)熱。在搭接界面處產(chǎn)生的較高電阻建立了從搭接界面到電極與金屬板的界面的更大溫度梯度，從而允許電極的運(yùn)行溫度更低且使用壽命更長(zhǎng)，特別是在AHSS合金板上。通過(guò)避免AHSS合金板的過(guò)熱，還減小了熱影響區(qū)的大小，并減少了在焊縫表面中產(chǎn)生裂紋的傾向。
[0053]例4 當(dāng)金屬板的厚度和材料均不同時(shí)，本發(fā)明也是適用的。例如，第一板10可以是鍍鋅AHSS合金鋼制成的相對(duì)較厚的板。第二板14可以是HDG低碳鋼制成的相對(duì)較薄的板。在傳統(tǒng)的將薄的低電阻鋼焊接到高電阻鋼中，存在點(diǎn)焊熔核不滲透進(jìn)入較薄板和較厚板的過(guò)度加熱及熔核滲透的傾向。通過(guò)冷卻和降低在搭接界面處的溫度以及增加界面電阻，能夠促進(jìn)在搭接界面處的加熱、焊縫起始和熔核生長(zhǎng)，從而改善點(diǎn)焊熔核22向低電阻鋼制成的較薄板的滲透。優(yōu)選的是如上所述圖3那樣冷卻兩個(gè)板。然而，替代地，對(duì)較薄板的冷卻將迅速轉(zhuǎn)移走將要形成熔核的界面的熱量且冷卻該界面。此外，通過(guò)減少較厚AHSS合金板的過(guò)熱，能夠延長(zhǎng)電極的使用壽命并且減少過(guò)熱的有害影響，如焊縫表面裂紋的形成。
[0054]例5
在將鋁板和鋼板焊接在一起時(shí)預(yù)冷卻焊接部位也是有利的。在傳統(tǒng)的電阻點(diǎn)焊中，熔核22將具有進(jìn)入鋁板的過(guò)度滲透，因?yàn)槠渚哂羞h(yuǎn)遠(yuǎn)低于鋼板的熔化溫度。通過(guò)預(yù)冷卻和降低鋁板的溫度，創(chuàng)建了散熱體，其有助于防止由于從較高電阻鋼板流出的熱引起的向鋁板中的過(guò)度滲透。優(yōu)選的是僅冷卻鋁板以最佳地實(shí)現(xiàn)點(diǎn)焊熔核向鋁板中的滲透減少，從而減少焊接噴濺和電極磨損的發(fā)生。
[0055]例6
本發(fā)明在將不同合金材料制成的第一和第二鋁板焊接在一起時(shí)也是有益的。例如，第一板10可以是沉淀硬化鋁6XXX或7XXX (如6111-T4、6022-T4或7055-Τ6)的合金，第二板14可以是固溶強(qiáng)化鋁5ΧΧΧ (如5754-0或5182-0)的合金。在傳統(tǒng)的焊接中，沉淀硬化合金可導(dǎo)致大的軟化熱影響區(qū)(ΗΑΖ)。冷卻和降低這些沉淀硬化材料的溫度會(huì)產(chǎn)生散熱體，其減小熱影響區(qū)的范圍和嚴(yán)重性，從而限制形成熔核22周圍的材料軟化。對(duì)兩個(gè)板的預(yù)冷或?qū)λ霭逯坏念A(yù)冷將有利于減少熱影響區(qū)和減少合金材料軟化的發(fā)生。
[0056]例7
本發(fā)明在金屬堆疊體包括三個(gè)金屬板的情況下也是有用的。例如，兩個(gè)板可以是厚度為1.5 mm的HDG低碳鋼，而厚度為0.5 mm的HDG低碳鋼制成的第三板位于兩個(gè)較厚板的頂部。因此，三件式金屬堆疊體包括較薄板作為堆疊體中的最外板。在焊接過(guò)程中，在兩個(gè)較厚板之間形成點(diǎn)焊熔核，并且在較薄外板和相鄰的較厚板之間形成點(diǎn)焊熔核。在傳統(tǒng)的焊接中，點(diǎn)焊熔核的適當(dāng)形成是困難的，并且特別容易受到熔核向較薄金屬板滲透不足的影響。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在搭接界面處冷卻和降低溫度增加了將要形成熔核的界面處的三個(gè)板之間的界面電阻。通過(guò)降低界面溫度，促進(jìn)了在搭接界面處的加熱、焊縫起始和熔核生長(zhǎng)并且有利地控制和最小化了焊縫向較薄金屬板的生長(zhǎng)和滲透不足的傾向。所有這三個(gè)板可以被冷卻，或者如果只有一個(gè)板要被冷卻，則對(duì)較薄板的冷卻將更迅速地冷卻較厚板和較薄板之間的界面。
[0057]可以理解，上文描述的每一個(gè)實(shí)例I至6均可以用圖1、圖3或圖5中所示的工具來(lái)實(shí)施。在一般情況下，金屬板將在制造工廠的環(huán)境溫度下進(jìn)入與板的焊接過(guò)程。然后，利用前述的方法和工具來(lái)使焊接部位冷卻至少5攝氏度，以獲得對(duì)如本文所述的難以焊接的材料的改善的焊接。
[0058]在圖1、3、4和5中所示的設(shè)備可根據(jù)需要被操作以獲得寬范圍的操作條件，從而優(yōu)化對(duì)金屬板的焊接區(qū)域的預(yù)冷。例如，可以采用圖1的設(shè)備實(shí)現(xiàn)僅使用冷卻流體的預(yù)冷，優(yōu)選為水。在首先使金屬板與電極接觸后，冷卻的冷卻劑在電極內(nèi)循環(huán)以從金屬板吸走熱量。在獲得所需的冷卻后，開(kāi)始在電極之間施加焊接電流。冷卻流體優(yōu)選地在施加焊接電流期間繼續(xù)循環(huán)以便繼續(xù)從焊接部位帶走熱量。
[0059]圖5的設(shè)備可以被操作成通過(guò)操作閥60和62選擇性地關(guān)閉、打開(kāi)或調(diào)節(jié)冷卻氣體的流動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬板10和14中的一者或兩者的冷卻。此外，閥60和62可被操作成當(dāng)電極中的一者或兩者朝向金屬板前進(jìn)以與其接觸時(shí)使冷卻氣體流動(dòng)到金屬板上?；蛘撸y可被操作成僅在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)電極與金屬板的接觸后使冷卻氣體流動(dòng)到金屬板上。此外，閥60和62可以選擇性地操作成在向電極施加焊接電流期間和/或在焊接電流已經(jīng)終止之后的額外選定的時(shí)間段繼續(xù)使冷卻氣體流動(dòng)到金屬板中的任一者或兩者上。
[0060]因此，這里所公開(kāi)的焊接設(shè)備根據(jù)可能的需要被選擇性地控制成確定兩個(gè)金屬板的相對(duì)預(yù)冷程度，從而在寬的變量范圍(包括金屬板的不同厚度、金屬板的不同材料、和被焊接在一起的兩個(gè)金屬板的其他差異)上優(yōu)化焊接過(guò)程。
【權(quán)利要求】
1.一種用于改善兩個(gè)或更多個(gè)堆疊金屬板的電阻點(diǎn)焊的方法，包括: 提供至少第一金屬板； 提供至少第二金屬板； 堆疊金屬板以形成金屬堆疊體； 將相對(duì)的第一和第二電極定位在金屬堆疊體的相對(duì)側(cè)； 在待形成焊縫的區(qū)域中冷卻金屬板中的至少一個(gè)金屬板；以及僅在待形成焊縫的區(qū)域中冷卻至少一個(gè)金屬板的區(qū)域之后，使焊接電流施加到第一和第二電極并且通過(guò)金屬堆疊體，從而在金屬板之間產(chǎn)生電阻點(diǎn)焊焊縫。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括:使所述至少一個(gè)金屬板的區(qū)域冷卻至少5攝氏度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括:通過(guò)在將焊接電流施加到電極之前使電極與所述至少一個(gè)金屬板接觸并且使冷卻水循環(huán)通過(guò)所述電極的內(nèi)部足夠的時(shí)間段來(lái)冷卻所述區(qū)域，從而冷卻所述至少一個(gè)金屬板的區(qū)域。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括:通過(guò)在將焊接電流施加到電極之前使冷氣體流動(dòng)到所述至少一個(gè)金屬板上來(lái)冷卻所述至少一個(gè)金屬板的區(qū)域。
5.根據(jù)權(quán)利要求 4所述的方法，還包括:在所述電極與所述至少一個(gè)金屬板接觸之前使冷卻氣體流動(dòng)到所述至少一個(gè)金屬板上。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，還包括:在所述電極與所述至少一個(gè)金屬板接觸之前且在所述電極與所述至少一個(gè)金屬板接觸時(shí)使冷卻氣體流動(dòng)到所述至少一個(gè)金屬板上。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，還包括:在焊接電流被傳導(dǎo)通過(guò)所述電極和通過(guò)金屬堆疊體時(shí)繼續(xù)使冷卻氣體流動(dòng)到所述至少一個(gè)金屬板上。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，還包括:在從下述選擇的至少兩個(gè)時(shí)間段期間使冷卻氣體流動(dòng)到所述至少一個(gè)金屬板上: 在電極與所述至少一個(gè)金屬板接觸之前； 在電極與金屬板接觸期間但在使焊接電流流動(dòng)通過(guò)金屬堆疊體之前； 在電流流動(dòng)期間；和 在電流流動(dòng)之后。
9.一種用于改善兩個(gè)或更多個(gè)堆疊金屬板的電阻點(diǎn)焊的方法，包括: 提供金屬堆疊體； 將相對(duì)的第一和第二電極定位在金屬堆疊體的相對(duì)側(cè)； 使冷卻氣體流動(dòng)到金屬堆疊體的外表面上以冷卻待形成焊縫的區(qū)域；以及在對(duì)外表面的冷卻已經(jīng)降低堆疊金屬板之間的搭接界面處的溫度之后，使焊接電流施加到第一和第二電極并且通過(guò)金屬堆疊體，從而在堆疊金屬板之間產(chǎn)生電阻點(diǎn)焊焊縫。
10.一種用于改善兩個(gè)或更多個(gè)堆疊金屬板的電阻點(diǎn)焊的方法，包括: 提供金屬堆疊體，所述金屬堆疊體的金屬板中的至少一個(gè)金屬板具有與所述金屬板中的另一金屬板不同的厚度或材料； 將相對(duì)的第一和第二電極定位在金屬堆疊體的相對(duì)側(cè)； 操作一個(gè)或多個(gè)閥以使冷卻氣體流動(dòng)到金屬堆疊體的表面上，從而冷卻待形成焊縫的區(qū)域并且獲得在金屬板之間的搭接界面處的至少5攝氏度的溫度降低；以及僅在第一和第二金屬板之間的搭接界面處的溫度降低至少5攝氏度之后使焊接電流施加到第一和第二 電極并通過(guò)金屬堆疊體，從而在所述金屬板之間產(chǎn)生電阻點(diǎn)焊焊縫。
【文檔編號(hào)】B23K11/11GK103990901SQ201410054329
【公開(kāi)日】2014年8月20日 申請(qǐng)日期:2014年2月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年2月18日
【發(fā)明者】楊上陸, 大衛(wèi).R.西格勒, 張婧 申請(qǐng)人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作有限責(zé)任公司