CN105451924B - 铝点焊方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种焊接头(20)，用于将由导电金属例如铝形成的第一部件(22)点焊至由铝或诸如钢之类的另外的导电金属形成的第二部件(24)。焊接头(20)包括位于远端端部(38)处的凹口(30)和从凹口(30)沿径向向外且向上地延伸的外凸的接触表面(28)以用于接合第一部件(22)的表面。在焊接过程期间，旋转的焊接头(20)在第一部件(22)的表面上形成凹部(32)。凹口(30)在凹部(32)的中心形成销(34)，所述销(34)为旋转的焊接头(20)提供了固定的旋转轴线并且防止焊接头(20)相对于该固定轴线沿径向移动，从而提高了最终焊点(36)的质量并减少了加工时间。

Description

铝点焊方法

相关申请的交叉引用

本PCT专利申请要求于2013年5月3日提交的名称为“Aluminum Sport WeldingMethod(铝点焊方法)”的美国临时专利申请序列号No.61/819,182的权益，该申请的全部公开内容被看作是本申请公开内容的一部分并且因此通过参引并入本申请。

技术领域

本发明总体上涉及点焊方法、用于点焊的工具、以及通过点焊结合的部件。

背景技术

点焊常常用于将由铝形成的第一部件结合至由铝或另外的金属材料形成的第二部件。所述部件通过一对焊接头在压力作用下被保持在一起，所述焊接头还用作电极。向焊接头提供电流并且将电流集中于单点以使表面熔化并形成焊点。点焊铝部件的一个缺点在于通常在表面上形成氧化铝，这降低了焊点的完整性。

为了打碎氧化物表面并减少在点焊期间形成的氧化铝的量，焊接头可能在其末端处具有球半径，并且在焊接头将部件点焊在一起时焊接头以受控速率持续地或间歇地旋转。该技术的示例由KUKA和开发并被称为机器人旋压。机器人旋压技术使用机器人来使焊接头旋转并将部件点焊在一起。然而，由于施加的相当大的力以及被焊接部件的形状，在点焊过程期间旋转的焊接头趋于移出适当位置。另外，旋转的焊接头的末端可能使部件的表面熔化并形成锁定凹坑。

发明内容

本发明提供了一种用于对由诸如铝之类的导电金属形成的部件进行点焊的焊接头。焊接头包括延伸至远端端部并在远端端部处具有凹口的轴。轴还包括从凹口沿径向向外延伸的接触表面。

本发明还提供了一种用于进行点焊的方法。所述方法包括提供由导电金属形成的第一部件和由导电金属形成的第二部件。所述方法另外包括在使焊接头绕该焊接头的中心轴线旋转的同时使第一部件与焊接头相接触。

本发明还提供了一种使用所述焊接头而形成的点焊结构件。点焊结构件包括由导电金属形成的第一部件，所述第一部件通过焊点而结合至由导电金属形成的第二部件。焊点包括凹部和从凹部向上延伸的销。

附图说明

在结合附图考虑时通过参照下面的详细描述，本发明的其它优点将由于变得更好理解而易于领会，在附图中：

图1是根据本发明的示例性实施方式的焊接头的侧截面图；

图2是图1的焊接头的仰视图；

图3是示出了根据示例性实施方式的点焊过程的各阶段的图表；

图4示出了根据示例性实施方式将第一部件点焊至第二部件的一对焊接头；

图5示出了根据示例性实施方式的包括被点焊至第二部件的第一部件的结构件；以及

图6示出了图5的点焊结构件的顶部和底部。

具体实施方式

本发明提供了一种焊接头20，如图1和图2中示出的，该焊接头20用于将第一部件22点焊至第二部件24，所述第一部件22由导电金属——通常为铝——形成，所述第二部件24由导电金属——如铝或另外的金属——形成。点焊过程优选地为机器人旋压过程或机电运动旋压过程，例如在图3和图4中示出的过程，其中，焊接头20绕该焊接头的中心轴线A持续地或间歇地旋转。可以通过本发明的方法形成高质量的点焊结构件25，如图5和图6中示出的结构件25，所述点焊结构件25包括通过焊点36结合至第二部件24的第一部件22。本发明的焊接头20和方法还能够避免在部件22、24的表面上形成凹坑，所述凹坑通常由传统的点焊焊接头形成。焊接头20还能使总的点焊加工时间减少。更具体地，使得将旋转的焊接头20固定至部件22、24中的一个部件所花费的时间减少。另外，与传统的焊接头相比，在点焊过程期间焊接头20需要的电流较小。

焊接头20可以由铜合金或另外的导电材料形成，使得当焊接头20接收到电流时，焊接头20作用为电极。图1的焊接头20是未经涂覆的，但是替代性地，焊接头20可以是经涂覆的以使绕该焊接头20的中心轴线A旋转时的摩擦减小并由此经受较少的磨损。

焊接头20包括通常设置在点焊枪(未示出)中的轴26。轴26沿中心轴线A延伸至远端端部38并且在远端端部38处包括凹口30。接触表面28在远端端部38处围绕凹口30以用于接合待被焊接的部件22、24。如图1和图2中所示出的，接触表面28从凹口30沿径向向外向上延伸。接触表面28还具有提供与远端端部38相邻的圆形表面的球半径。在示例性实施方式中，接触表面28呈现外凸形状或半球形状。接触表面28的面积和球半径的尺寸可根据某些参数而改变，所述参数包括但不限于待被结合的部件22、24的厚度。替代性地，可以根据要形成的焊点36的期望成形而使用其他形状代替外凸状表面。

在图1的示例性实施方式中，轴26包括沿着中心轴线A延伸的槽27，槽27用于接纳焊枪(未示出)的另一部件，所述另一部件在焊接过程期间将电流输送至焊接头20。槽27的端部与点焊焊接头20的接触表面28轴向地间隔开。

焊接头20的凹口30——也被称为空腔、凹窝、凹部或中心孔——使与部件22、24中的一个部件相接触的表面的面积减小。由于面积减小，因此与传统焊接头相比，焊接头20在点焊过程期间需要较少的电流。如图1和图2中所示，凹口30优选地定位在外凸的接触表面28的顶点处并且远离远端端部38沿着中心轴线A向内延伸。如图2示出的，凹口30的横截面通常具有圆形形状，但可以包括其他形状。凹口30的直径D₁可根据待被结合的部件22、24和接触表面28的尺寸或其他因素而改变。然而，如图2中示出的，围绕凹口30的接触表面28的横截面面积通常比凹口30的横截面面积大。

凹口30的深度d₁也可根据待被结合的部件22、24和轴26的尺寸或其他因素而改变。在图1的示例性实施方式中，凹口30的深度d₁被包含在焊接头20的球形部分内并且与槽27间隔开，所述槽27接纳焊枪的部件。例如，凹口30的深度d₁可以小于焊接头20的远端端部38与用于接纳焊枪的槽27之间的距离的百分之三十(30％)、或小于焊接头20的远端端部38与用于接纳焊枪的槽27之间的距离的20％、或小于焊接头20的远端端部38与用于接纳焊枪的槽27之间的距离的10％、或小于焊接头20的远端端部38与用于接纳焊枪的槽27之间的距离的5％。凹口30的深度d₁也可以小于焊接头20的总长度1的10％、或小于焊接头20的总长度1的5％、或小于焊接头20的总长度1的1％。

在点焊过程期间，旋转的焊接头20的接触表面28在待被结合的部件22、24中的一个部件的表面上形成凹部32。当接触表面28形成凹部32时，凹口30形成从凹部32的中心向上延伸的销34。凹口30将焊接头20固定至或紧固至部件22、24中的一个部件的表面，并且销34为焊接头20提供了固定的旋转轴线。销34还防止焊接头20在绕中心轴线A旋转时相对于中心轴线A沿径向移动。凹口30还允许所施加的力和电流的精确定位，这进一步防止旋转的焊接头20移出适当位置。如以上提到的，由于接触表面28减少，因此与传统的焊接头相比，带有凹口的焊接头20具有高得多的电极力密度并且在焊接过程中需要较少的初始电流。凹部32和销34作为加工质量的证据而保留在最终的点焊结构件25上。凹部32和销34可被测量作为与形状圆度和表面凹进深度相关的质量指标。

本发明还提供了一种用于通过使用带有凹口的焊接头20的点焊方法将由导电金属形成的第一部件22结合至由导电材料形成的第二部件24并因此形成点焊结构件25的方法。所述方法优选地包括机器人旋压技术，但可以包括如下另外的方法，所述方法涉及使焊接头20绕其中心轴线A持续地或者间歇地旋转。图3示出了用于对部件22、24进行点焊的示例性方法的各阶段，包括在点焊过程的每个阶段期间所施加的电流I、电阻R以及力F的程度。

所述方法以提供待被焊接的第一部件22和第二部件24开始。第一部件22由诸如铝之类的导电金属形成，并且第二部件24也由导电金属形成，形成第二部件24的导电金属通常为铝、但也可以是诸如钢之类的另外的导电金属。部件22、24的尺寸和形状可根据最终的点焊结构件25的预期应用而改变。例如，部件22、24可以设计成用作机动车辆的部件。另外，部件22、24可以按照本领域中已知的任何方式预先处理以提高最终对部件22、24进行结合的焊点36的完整性。部件22、24的导电金属还可以是经涂覆的或未经涂覆的。涂覆厚度变得越来越厚以应对腐蚀问题。示例性涂层包括铝、锌以及合金的组合以保护导电金属免受腐蚀。

通常，所述方法采用两个带有凹口的焊接头20，包括第一焊接头20和第二焊接头20’，如图4中示出的。使用一对焊枪(未示出)来对部件22、24进行点焊36，其中，所述一对焊枪分别包括带有凹口的焊接头20、20’中的一个带有凹口的焊接头。如图4中示出的，第一焊接头20和第二焊接头20’在待被结合的部件22、24的相反两侧对准。焊接头20、20’优选地具有相同的设计并且同时执行相同的功能。例如，在第一焊接头20接合第一部件22的同时第二焊接头20’接合第二部件24，反之亦然。因此，尽管下面的描述在若干情况下仅涉及第一焊接头20和第一部件22，但该描述也适用于第二焊接头20’和第二部件24。

所述方法从第一阶段开始，第一阶段包括：对焊枪供给动力，优选地在接触部件22之前对焊枪供给动力，由此驱动焊接头20绕该焊接头20的中心轴线A旋转。在示例性实施方式中，旋转步骤在焊接头20接触部件22的表面之前开始以减少加工时间。示例性点焊过程的第一阶段还包括在向焊接头20、20’或部件22、24施加任何电流I或热之前对部件22、24进行压接。这种冷压接第一阶段可应用于任何情形，但通常是在例如由于制造公差而在部件22与部件24之间存在间隙的情况下应用。第一阶段包括焊接过程开始时的第一时间段，在所述第一时间段期间，旋转的焊接头20、20’首先接触部件22、24中的每个部件的表面上的点。如图3中示出的，在第一阶段期间没有向焊接头20、20’施加电流I。当旋转的焊接头20、20’接触部件22、24时，第一阶段包括通过焊接头20、20’向部件22、24施加相当大的力F。如图4中示出的，当焊接头20、20’旋转时，第一焊接头20的中心轴线A与第二焊接头20’的中心轴线A’对准。

在第一阶段期间，焊接头20可以持续地或间歇地旋转。当旋转的焊接头20加大力时，存在于部件22的表面上的任何氧化物层被去除。旋转的焊接头20还能够划擦、去除、修整或擦刷部件22的表面上的任何涂覆层。在第一阶段结束时，通常减小施加至焊接头20的力F以为第二阶段做准备。

图3中示出的示例性方法的第二阶段包括使部件22软化。在作为紧接第一时间段之后的第二时间段的第二阶段期间，仍以恒定的水平向旋转的焊接头20施加力F。然后接通电流I并将电流I施加至焊接头20以使部件22软化。图3示出了：电流I在最初增大并且随后在整个第二阶段中保持于恒定水平，而电阻R在第二阶段开始时最高并且在整个第二阶段中持续降低。

随着焊接头20在与部件22接触的同时持续旋转，部件22的温度在第二阶段期间也增高。因此，由旋转的焊接头20所接合的部件22的表面上的点开始熔化，并且焊接头20开始形成凹部32和从凹部32的中心向上延伸的销34。一旦销34形成，则焊接头20就绕着销34旋转。在旋转步骤期间，凹口30和销34使旋转轴线固定于焊接头20的中心轴线A处并且防止焊接头20相对于中心轴线A沿径向移动。换言之，在第二阶段的旋转步骤期间，凹口30和销34将焊接头20固定或紧固至部件22并防止焊接头20相对于该焊接头20的中心轴线A沿径向移动或移位。

在第二阶段期间，焊接头20可以持续地或间歇地旋转。在任一情况下，焊接头20都足够快速地旋转以防止部件22的熔化的铝或熔化的其他导电金属粘附至焊接头20的接触表面28或凹口30。部件22的表面上没有氧化物也防止了熔化的金属粘附。因此，提高了焊接头22的使用寿命。

图3中示出的示例性方法的第三阶段是焊接阶段。在作为紧接第二时间段之后的第三时间段的第三阶段期间，力F保持在与第二软化阶段中的水平相同的水平。然而，电流I急剧增大至电流的最高水平并且在第三阶段的大部分时间内保持于该水平，而电阻R继续缓慢降低。随着焊接头20继续旋转，温度继续增高并且部件22的表面上的点继续熔化。在第三阶段期间，凹口30继续将焊接头20固定至部件22的表面，同时销34为旋转的焊接头20提供了固定的旋转中心轴线A。因此，凹口30允许所施加的力F和电流I的精确定位，由此获得在最终的结构件25中的较高质量的焊点36。凹口30还继续防止焊接头20移动、滑移或滑动出适当位置。在第三阶段接近结束时，通常在两个部件22、24之间形成焊点36，所述焊点36也称为点焊熔核。在第三阶段结束时，电流I急剧降低至零、电阻R逐渐降低至零并且焊接头20和部件22的温度开始下降。因此，部件22在第三阶段结束时以及在第三阶段之后开始冷却。

在图3中示出的示例性实施方式中，第四阶段包括锻造。锻造有利于减少部件22的表面上的裂纹，尤其在部件22由合金形成时更是如此，但锻造步骤不是必需的。在作为紧接第三时间段之后的第四时间段的可选的第四阶段期间，电流I被关断，并且焊接头20和部件22继续冷却。相对于第二阶段和第三阶段而言，在第四阶段期间通过焊接头20向部件22施加的力F增大。在第四阶段期间所施加的力F约等于或至少等于在第一阶段期间所施加的力F，并且力F在第四阶段的大部分时间内保持于此高水平。可能需要高性能焊枪以在第一阶段和第四阶段期间获得高水平的力F。另外可选地，在第四阶段期间，焊接头20可以旋转。

在第三阶段之后，焊接头20通常在一些点处停止绕该焊接头20的中心轴线A的继续旋转。如果所述方法包括可选的第四阶段，则焊接头20在第四阶段之前、第四阶段期间或第四阶段之后停止继续旋转。然后在第三阶段之后、或者在可选的第四阶段之后开始冷却阶段(图3中未示出)，其中，由焊接头20形成的凹部32和销30能够固化并且提供将第一部件22与第二部件24结合的最终焊点36。在冷却阶段开始时，焊接头20仍与部件22相接触，并且所述方法优选地包括使焊接头20沿第一方向绕该焊接头20的中心轴线A“转动”或旋转小于360度，并且优选地随后使焊接头20沿与第一方向相反的第二方向绕该焊接头20的中心轴线A旋转小于360度。例如，转动步骤可以包括沿一个方向旋转10度、或顺时针旋转5度且随后逆时针旋转5度。该转动步骤进一步防止铝或其他导电金属粘附至焊接头20。转动运动可以持续地或间歇地重复多次。转动步骤也可结合至点焊过程的其他阶段中。形成在部件22的表面上的销34在转动步骤期间保持设置在焊接头20的凹口30中并且在转动步骤期间将焊接头20保持就位。

本发明还提供了一种结构件25，如图5和图6中示出的，所述结构件25包括通过焊点36结合在一起的第一部件22和第二部件24，所述第一部件22由铝形成，所述第二部件24由铝或另外的金属材料形成。焊点36包括位于每个部件22、24的表面上的凹部32和从每个凹部32的中心向上延伸的销34。凹部32通常具有内凹表面，并且销34从内凹表面的中心向上延伸。形成在第一部件22中的销34优选地与形成在第二部件24中的销34对准。销34使得易于识别使用本发明的带有凹口的焊接头20所形成的点焊结构件25。每个凹部32的深度d₂和直径D₂均可根据焊接头20的尺寸和点焊过程的压力及温度而改变。然而，如图5中示出的，每个凹部32的总横截面面积通常均比每个销34的总横截面面积大。使用带有凹口的焊接头20所形成的焊点36的质量高于使用没有凹口30的其他焊接头所形成的焊点的质量。

明显地，可以在权利要求的范围内根据以上教导对本发明进行许多修改和改变，并且可以以除具体描述的方式之外的其他方式实施所述修改和改变。

Claims (15)

1.一种用于对由导电金属形成的部件进行点焊的焊接头，其中，所述焊接头能够绕所述焊接头的中心轴线持续地或间歇地旋转，所述焊接头包括：

轴，所述轴延伸至远端端部并且在所述远端端部处具有凹口；以及

所述轴包括从所述凹口沿径向向外延伸的接触表面，其中，

所述焊接头在第一时间段内没有被施加电流；

所述焊接头在所述第一时间段期间在所述焊接头与所述部件相接触之前被旋转；

所述焊接头在所述第一时间段期间对所述部件施加力；以及

在所述焊接头于绕所述焊接头的中心轴线旋转的同时与所述部件中的一个部件接触时，所述接触表面在所述部件中的所述一个部件的表面上形成凹部，并且所述凹口形成从所述凹部的中心向上延伸的销。

2.根据权利要求1所述的焊接头，其中，所述接触表面的横截面面积大于所述凹口的横截面面积。

3.根据权利要求1所述的焊接头，其中，所述接触表面是从所述凹口向上延伸的外凸的表面；以及所述凹口位于外凸的所述接触表面的顶点处。

4.根据权利要求1所述的焊接头，其中，所述轴由导电金属形成。

5.一种用于对由导电金属形成的部件进行点焊的方法，所述方法包括如下步骤：

提供由导电金属形成的第一部件和由导电金属形成的第二部件；

在使第一焊接头绕所述第一焊接头的中心轴线旋转的同时使所述第一部件与所述第一焊接头相接触，所述第一焊接头包括延伸至远端端部并且在所述远端端部处具有凹口的轴，并且所述轴包括从所述凹口沿径向向外延伸的接触表面；

在第一时间段内不向所述第一焊接头施加电流；

在所述第一时间段期间，在使所述第一部件与所述第一焊接头相接触之前使所述第一焊接头旋转；以及

在所述第一时间段期间，通过所述第一焊接头向所述第一部件施加力，

其中，所述旋转步骤包括：

在所述第一部件中形成凹部和从所述凹部向上延伸的销；以及

使所述第一焊接头绕所述销旋转。

6.根据权利要求5所述的方法，包括：

在使所述第一部件与所述第一焊接头相接触的同时使所述第二部件与第二焊接头相接触；以及

在使所述第一焊接头绕所述第一焊接头的中心轴线旋转的同时使所述第二焊接头绕所述第二焊接头的中心轴线旋转，所述第二焊接头包括延伸至远端端部并且具有围绕所述远端端部的接触表面的轴，并且所述轴在所述远端端部处具有凹口。

7.根据权利要求5所述的方法，其中，所述凹口和所述销在所述旋转步骤期间使所述第一焊接头的旋转轴线固定并且防止所述第一焊接头在所述旋转步骤期间相对于固定的所述旋转轴线沿径向移动。

8.根据权利要求5所述的方法，其中，所述第一部件和所述第二部件中的至少一者由铝或铝合金形成。

9.根据权利要求5所述的方法，包括：在使所述第一焊接头旋转的同时接触所述第一部件的步骤期间向所述第一焊接头施加电流。

10.根据权利要求5所述的方法，包括：

在所述第一时间段期间以及在紧接所述第一时间段之后的第二时间段期间，接触所述第一部件上的点；

在所述第二时间段期间，向所述第一焊接头施加电流；

在所述第二时间段期间，使所述第一部件在所述点处熔化；

在所述第二时间段期间，使通过所述第一焊接头向所述第一部件施加的所述力减小；

在紧接所述第二时间段之后的第三时间段期间，接触所述第一部件上的所述点；

在所述第三时间段期间，在使所述第一焊接头旋转的同时增大向所述第一焊接头施加的电流；

所述旋转步骤包括使所述第一焊接头绕所述第一焊接头的中心轴线持续地或间歇地旋转、以及在所述第一部件中形成凹部和从所述凹部向上延伸的销；以及

使所述第一焊接头绕所述销旋转，其中，在所述旋转步骤期间，所述销将所述第一焊接头锁定至所述第一部件并且防止所述第一焊接头相对于所述第一焊接头的中心轴线沿径向移动。

11.根据权利要求10所述的方法，包括：在紧接所述第三时间段之后的第四时间段期间，不向所述第一焊接头提供电流，但是增大通过所述第一焊接头向所述第一部件施加的所述力。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括：使所述第一焊接头旋转。

13.根据权利要求10所述的方法，包括：

通过不向所述第一焊接头施加电流，在所述第三时间段之后在仍旧使所述第一部件与所述第一焊接头相接触的同时允许所述第一部件冷却；以及

在允许所述第一部件冷却的同时以及在使所述第一部件与所述第一焊接头相接触的同时，使所述第一焊接头沿第一方向绕所述第一焊接头的中心轴线旋转小于360度以及使所述第一焊接头沿与所述第一方向相反的第二方向绕所述第一焊接头的中心轴线旋转小于360度。

14.一种使用根据权利要求1所述的焊接头而形成的点焊结构件，包括：

由导电金属形成的第一部件，所述第一部件通过焊点而结合至由导电金属形成的第二部件，其中，所述焊点包括凹部和从所述凹部向上延伸的销。

15.根据权利要求14所述的点焊结构件，其中，所述凹部包括内凹表面，并且所述销从所述内凹表面向上延伸。