用于焊接高强度钢的电阻点焊电极及其焊接方法

摘要

本发明涉及一种用于焊接高强度钢的电阻点焊电极及其焊接方法。提供一种电阻点焊电极，包括呈圆柱状的本体，与焊接工件相接触的焊接接触面及位于所述焊接接触面中心的凹槽，接触面位于所述圆柱状本体的上表面，凹槽的深度为焊接接触面外径d1的0.05％‑0.8％。焊接时由于凹槽的存在，本发明电极初期产热集中于电极接触面外侧，高强钢工件与电极外侧首先接触，熔核形成过程为由外向内，随着高强钢材料的熔化和塑性变形，接触区域会向电极中心凹陷处挤压扩展，电流由中心流过，从而增大焊点熔核，并阻挡熔化的金属向外形成飞溅，最终减小飞溅和变形。本发明对于高强度钢板的点焊，可显著减少飞溅产生，扩大焊接窗口，提升焊点力学性能。

说明书

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高强度钢板之间电阻点焊时所用的电阻点焊电极和方法。

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。而在汽车轻量化的众多途径中，在车身中增加高强度钢板来代替传统材料是实现这一目标的有效手段之一。例如增加抗拉强度超过500Mpa的高强度钢。

电阻点焊由于其具有的一系列优势，是目前汽车车身制造中应用最为广泛的一种连接技术。但是在对包括热冲压高强钢、QP钢在内的先进高强钢进行焊接时存在严重的焊接质量问题。由于高强度钢的电阻率较高，导热率低等原因，导致在进行电阻点焊时非常容易产生飞溅，焊接窗口极窄，造成焊点力学性能较低，严重阻碍其在汽车车身制造中的应用。

所以，本领域急需一种能够减少高强钢点焊飞溅产生，扩大焊接窗口和提升力学性能的工艺方法。

发明内容

为解决高强钢电阻点焊时，容易产生飞溅、焊接窗口窄等问题，本发明提供一种应用于高强度钢的高质量电阻点焊电极及其焊接方法，所述电阻点焊电极和方法在进行高强度钢的电阻点焊时能够有效减少焊接飞溅的产生，扩大焊接窗口范围，提升焊点强度。

本发明提供了一种应用于高强度钢的电阻点焊电极，所述电阻点焊电极包括：

呈圆柱状的本体1，与焊接工件相接触的焊接接触面21，及位于所述焊接接触面中心的凹槽3，接触面21位于所述圆柱状本体1的上表面；

所述凹槽3的深度h为所述焊接接触面21外径d1的0.05％-0.8％。

在另一优选例中，所述焊接工件的厚度为0.3-4mm。

在另一优选例中，所述凹槽3的内表面为圆弧面。

在另一优选例中，所述凹槽3的外径d2为1-10mm。

在另一优选例中，所述焊接接触面21为环形平面或环形球面。

在另一优选例中，所述环形平面的外径d1为4-12mm。

在另一优选例中，所述环形球面的外径d1为6-20mm，SR为8-150mm。

在另一优选例中，所述凹槽3的外径d2与所述焊接接触面21的外径d1比值为50％-95％。

本发明还提供一种用于焊接高强度钢板的电阻点焊方法，包括以下步骤：

(a)提供待焊工件构成的堆叠层和上述的电阻点焊电极；

(b)使所述焊接堆叠层的至少一个外表面与所述电阻点焊电极的焊接接触面相接触；

(c)在电阻点焊电极间通以焊接压力和焊接电流，从而使所述待焊工件形成焊接接头；

在另一优选例中，所述待焊工件为抗拉强度高于500Mpa的高强度钢。

本发明的技术效果：焊接时由于凹槽的存在，本发明电极初期产热集中于电极接触面外侧，高强钢工件与电极外侧首先接触，熔核形成过程为由外向内，随着高强钢材料的熔化和塑性变形，接触区域会向电极中心凹陷处挤压扩展，电流由中心流过，从而增大焊点熔核，并阻挡熔化的金属向外形成飞溅，最终减小飞溅和变形。本发明对于高强度钢板的点焊，可显著减少飞溅产生，扩大焊接窗口，提升焊点力学性能。

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表示焊接接触面为环形平面时电阻点焊电极的示意图。

图2表示图1中A-A截面的剖视图。

图3表示焊接接触面为环形球面时电阻点焊电极的示意图。

图4表示图3中A-A截面的剖视图。

图5表示金属工件电阻点焊焊接时整体的总体侧视图。

图6表示使用本发明电阻点焊电极进行焊接时焊接初期的一个横截面示意图。

图7表示使用普通传统电极对2块1.4mm的QP1180高强钢进行电阻点焊后焊点处的截面形状。

图8表示在使用本发明实施例1中电极对2块1.4mm的QP1180高强钢进行电阻点焊后焊点处的截面形状。

图9表示使用普通传统电极对2块1.4mm的PHS2000热冲压高强钢进行电阻点焊后焊点处的截面形状。

图10表示在使用本发明实施例2中电极对2块1.4mm的PHS2000热冲压高强钢进行电阻点焊后焊点处的截面形状。

图11表示传统电极与本发明实施例2中的电极焊接两块厚度为1.4mm的QP1180镀锌高强钢板时焊点拉伸性能对比图。

附图标记，1-电极帽本体、11-电极安装通道、21-焊面、22-侧面、3-凹槽、d1-焊接接触面21的外径、d2-凹槽3的外直径、h-凹槽3的深度、51-第一焊枪臂、52-第二焊枪臂、53-第一电阻点焊电极、54-第二电阻点焊电极、6，7-焊接工件、8-焊接熔核区、9-熔核。

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，发现了一种接触面上中心具有凹槽的电极帽可以解决高强钢工件电阻点焊焊接窗口范围窄，焊接飞溅严重而焊接强度低、不稳定等问题，在此基础上完成了本发明。

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。

需要说明的是，在本专利的权利要求和说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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。

实施例1

如图1-2所示，本实施例的电阻点焊电极包括大致呈圆柱状的电极本体1、与焊接高强钢工件相接触的环形焊接接触面21、位于焊接接触面21中心的凹槽3，本体1的下表面具有电极安装通道11，本实施例电极还包括侧面22，侧面22为本体1到焊接接触面21的过渡区域，侧面22的形状为弧面或圆锥，或其他适当的形状。所述凹槽3的深度h为所述焊接接触面21外径d1的0.05％-0.8％。需要说明的是，当环形焊接接触面的外径d1与电极本体1的外径相同时，侧面22就成为电极本体1的一部分。所述本体1的下表面指的是电阻点焊时与电阻点焊机相连的一端，上表面指的是靠近焊接工件接触面的一端。

在另一优选例中，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。

凹槽3可以理解为在焊接接触面21的中心位置处挖了一个向本体延伸一定深度且具有一定形状的孔，所述凹槽3的形状为弧面或直线、曲线搭配构成的任何形状。此处所指的凹槽3的深度是，凹槽3上部与焊面21所在的同一平面到凹槽3最底部所在平面的垂直距离，其中凹槽3最底部所在平面与焊面相平行。

在另一优选例中，焊接接触面21的外径为4-12mm。

在另一优选例中，焊接接触面21为环形平面或环形球面。

在另一优选例中，凹槽3的外径d2与焊接接触面21外径之比为50％-95％。

在另一优选例中，凹槽与焊接接触面21的接触位置是以圆角过渡连接的，圆角范围为R0.5-R5。

在另一优选例中，所述待焊工件至少为抗拉强度高于500Mpa的高强度钢，钢板的钢种无特别限定。包括双相钢,多相钢，马氏体钢，低合金高强钢，相变诱导塑性(TRIP)钢，铁素体贝氏体钢(FB/SF)，奥氏体孪晶诱导塑性(TWIP)钢，第三代高强钢(TBF、中锰、QP)及其他冷成型或热成型钢，而且其材料状态可以包括各种回火，包括退火、应变强化等热处理状态。在高强度钢板的表面也可以形成有镀层。进而，在与高强度钢板重叠的钢板的表面也可以形成有镀层。镀层的种类可包括例如Zn系、Zn－Fe系、Zn－Ni系、Zn－Al系、Zn－Mg基板系、Pb－Sn系、Sn－Zn系、Al－Si系等。作为Zn系镀层的高强度钢板，可包括例如合金化热浸镀锌钢板、热浸镀锌钢板和电镀锌钢板等。镀层的单位面积重量也无特别限定。另外，也可以在镀层的表面形成无机系或有机系的油膜(例如润滑油膜等)等。与高强度钢板堆叠的钢板(高强度钢板以外的钢板)的钢种无特别限定。可以是与高强度钢板的钢种不同的钢种也可以是相同的钢种。也可以是高强度钢板以外的钢板，例如软钢板。钢板的厚度为0.3毫米至4.0毫米，优选地为0.5毫米至3.0毫米。

实施例2

如图3-4所示，本实施例与实施例1类似，与之不同的是焊接接触面21为环形球面，球面半径SR为8-150mm，外径d1为6-20mm。

实施例3

本实施例揭示了采用本发明电极焊接高强钢工件的装置及焊接方法，如图5所示，51、52为可用于电阻点焊连接第一钢工件6和第钢工件7的焊接位置8处的第一焊枪臂和第二焊枪臂，还包括第一电阻点焊电极53和第二电阻点焊电极54。第一、第二工件6、7由比如抗拉强度超过500Mpa的钢构成，钢工件的厚度为0.3-4mm。焊接时钢工件可以为2个(比如6和7)也可以为2个以上的组合，且各个钢工件的厚度可以相同也可以不同。需要说明的是，本文中所使用的术语“工件”是指广泛地包含金属片层、突起部、铸件和可电阻点焊的钢工件。焊枪臂51、52通常是具有较大自动化焊接操作中的一部分，一般包括C型、X型和其他种类的结构形状，通常是由机器人或自动化部件来实现的。

第一和第二焊枪臂51和52上具有安装的如实施例1所述的第一和第二电阻点焊电极53和54，在点焊时，焊枪臂被操作以使电极53和54可以精密贴靠工件6和7，通过焊枪臂和电极帽传导压力和电流，使工件6、7贴合部位8熔化并形成点焊接头。两电极帽53和54可以为实施例1所述的各种结构，53和54的结构可以相同也可以不同。

图6表示在使用本发明实施例1中电极进行焊接时焊接初期的一个横截面示意图。电极53和54具有相同的结构尺寸，焊接时焊枪通过焊面21传递压力和电流，两层高强钢工件6和7相接触部分受到环形电极作用的区域会产生电阻热，从而形成熔核9，进而形成环形熔池。两层金属工件外侧首先接触，相接触部分受到环形电极作用的区域会产生电阻热、形成环形熔池，随着焊接时间的延长，环形熔池在热传导作用下向中心生长，由于与凹槽相对应的两金属工件中心区域面积(焊点内侧)较小并且未与电极帽接触，热量集中于外侧，随着接触区域金属材料的熔化和塑性变形，其会向电极中心凹陷处挤压扩展，导致环形熔池向环形中心生长，进而使与凹槽相对应的两金属材料接触部分形成熔核，完成焊接。焊接时由于凹槽的存在，本发明电极初期产热集中于电极接触面外侧，高强钢工件与电极外侧首先接触，熔核形成过程为由外向内，随着高强钢材料的熔化和塑性变形，接触区域会向电极中心凹陷处挤压扩展，电流由中心流过，从而增大焊点熔核，并阻挡熔化的金属向外形成飞溅，最终减小飞溅和变形。本发明对于高强度钢板的点焊，可显著减少飞溅产生，扩大焊接窗口，提升焊点力学性能。

当使用本发明实施例2的电极进行焊接时，在压力的作用下，环形球面与焊接工件以曲面的形式与工件相接触，焊接原理与上述当焊接平面为环形平面时相同。

实施例4

表1所示为使用普通的电极和本发明实施例1电极及方法对两块厚度均为1.4mm的QP1180高强钢板进行电阻点焊后，所使用电流及飞溅出现情况；所用传统电极端面直径为6mm,本发明电极焊面直径为6mm，凹槽的外径为4mm，深度为0.05mm。在使用相同的焊接压力，焊接时间的情况下，由表1中可看出传统方法在8.5KA时就产生飞溅，而新方法到11.5KA才产生飞溅。图7、图8分别是使用传统电极和本发明电极所焊的最大熔核的截面图，由图对比可看出，传统电极的最大焊核直径为7.18mm，新方法的最大焊核直径为8.22mm，所以新方法可极大地扩大焊接窗口，减小飞溅并扩大焊核直径，从而提升焊点强度。

表1传统电极与本发明电极焊接两厚度为1.4mm QP1180时飞溅对比

实施例5

表2所示为使用普通的电极和本发明实施例1电极及方法对两块厚度为1.4mm的PHS2000高强钢进行电阻点焊后，所使用电流及飞溅出现情况，所用传统电极的端面直径为6mm,本发明电极的焊面直径为6mm，凹槽的外径为4mm，深度为0.05mm。在使用相同的焊接压力，焊接时间的情况下，由表2中可看出采用传统电极在7.5KA时就产生飞溅，而本发明电极在9KA才产生飞溅；图9、图10分别是使用传统电极和本发明电极所焊的最大熔核的截面图，由图对比可看出，采用传统电极焊接高刚强工件得到的最大焊核直径为5.95mm，采用本发明电极得到的最大焊核直径为6.41mm，因此采用本发明电极焊接高强钢可极大地扩大焊接窗口，减小飞溅并扩大焊核直径，从而提高焊点强度。

表2传统电极与本发明电极焊接两厚度为1.4mm PHS2000时飞溅对比

实施例6

表3、图11所示为使用普通的电极和本发明实施例2电极及方法对两块厚度均为1.4mm的QP1180镀锌高强钢板进行电阻点焊后在不产生飞溅下所得到的焊点的拉伸性能数据。所用传统电极端面球面半径为R150，电极端面直径为8mm，所用电流为9KA、11.5KA。本发明电极为焊面直径为8mm，凹槽的外径为4mm，深度为0.05mm。由表3及图11可看出，使用传统电极时的最大拉剪力为27.2KN，断裂吸收能量为64.2J，而采用本发明电阻点焊电极拉剪力可达到35.5KN，断裂吸收能量值为154.7J，所以新方法可极大地提升焊点强度。

表3传统电极与本发明电极焊接两厚度为1.4mm QP1180时焊点拉伸性能对比

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，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。