[0002] 本申请是要求了与此案相关的、2015年4月23日提交、题为“改进的
焊接电极”的美国临时
专利申请序列号62/151,682的优先权的完整申请，其公开内容在此通过引用并入本文。
背景技术
1、技术领域
[0003] 本
发明大体上涉及
电阻点焊设备，更具体地，涉及电阻点焊电极。更具体地说，本发明涉及可更换电阻点焊电极帽。更更具体地说，本发明涉及用于改进此类焊接电极帽的
散热性的装置和方法。
[0004] 2、相关技术描述
[0005] 电阻点焊工艺广泛用于接
合金属板材(包括涂布的金属和
铝)的耐用品以及
金属加工工业中。具体来讲，电阻点焊利用电引发金属局部熔融，将两
块或多块金属接合在一起。通常，所述两块或多块金属是薄板材。但是，已发现该工艺可同样用于接合较厚的金属板材和涂布的金属板材，比如锌涂布
钢材(即
镀锌钢)和铝涂布钢材(渗铝钢)。
[0006] 点焊工艺通常包括将待接合的金属件(
工件)固定在两个轴向对齐的电极之间并对齐施加高压。然后，两个电极之间有高
电流通过。电流通过两个电极之间，同样通过金属件。电流路径上的电阻点或电阻位变热。根据公式Q＝I2R(热量＝电流2×电阻)，整个
电路上的每个电阻点处的热量按比例生成。
[0007] 电阻焊电极通常由
铜合金制成。相对于待接合的金属，铜电极的总电阻较小。需要施加大电流以在工件上产生足够的热效应，形成焊接。由于铜电极与工件表面的
接触电阻比待接合金属的配合表面(接合面)之间的接触电阻小得多，产热量最大的
位置在待接合工件的接合面处。该工艺较复杂，包括电流、热量、机械、
冶金和表面现象的相互作用。
[0008] 总的来说，焊接电流电路中有两个区域电流足够高，能产生大量的热：(1)两者之中较低处位于电极和工件表面之间的界面处；(2)较高处位于金属工件之间的界面或接合面处。对于所有类型的电阻点焊以及所有类型的金属都是如此，铝可能有例外。将高电流维持足够长的时间，电阻最大的位置(即两个工件之间的界面处)会出现局部熔融，并向外扩散，生成焊点熔核。在焊接循环过程中，保持电极压
力，以补偿较高的内部热扩散，从而在工件的界面处包裹金属熔池。这可以防止液态金属喷溅。电极压力还有助于保持适当的电接触和热接触，直至完全形成焊点熔核。切断电流，终止焊接循环，同时保持电极压力。该工艺的最终阶段是保持循环(hold cycle)，该阶段确立了焊点熔核的冶金
质量。在保持循环过程中，熔核冷却并收缩。机械压力主要用于提供必需的锻压压力，以获得良好的金相结构并防止在熔核中形成
缩孔。保持时间很重要，因为其确立了冷却速度。所有相关变量(即焊接电流、焊接时间、保持时间等)通过可编程焊接
控制器进行管理和控制。
[0009] 有几个因素与获得可接受且合格的点焊有关，即待焊接的金属类型、采用的电极类型、施加到电极上的夹持压力的大小以及需要完成焊接的电流的大小和时间。所有上述因素中，采用的电极类型影响最大。电阻焊电极通常由铜合金制成。焊接工艺中，这些铜合金起到三个主要作用：(1)由于它们电阻较小，其提供了向工件运送高电流而不产生明
显热(焦
耳)损失的接头；(2)它们较高的导热性提供了用于从工件导出热量和控制冷却过程的方法，从而促进焊点熔核的形成；以及(3)它们提供了一机构，用于在施加焊接电流前将工件适当的
定位并夹持在一起，以形成良好的界面和电接触。
[0010] 焊接过程中，随着时间的推移，电极和/或电极帽逐渐
变形。与焊接工艺相关的反复加热和压力循环导致机械疲劳，由此导致电极变形，这通常称为“蕈状扩展”(mushrooming)。该效应增大了电极体或电极帽与工件之间的接触面的界面积，从而减小了焊接电流
密度。随着焊接持续进行，这种界面积的增大逐渐减小电流密度，直至不能再形成焊接。为补偿这种电流密度的减小，焊接控制器中被编入了自动调整程序，以通过被称为“步进”的程序周期性地增大(升高)焊接电流
水平。控制器受限于整个系统的峰值电流输送能力，以通过步进提供电流水平。一旦达到该限制，可以通过利用工业上公知的工艺
对电极进行再整形(修整)以及将控制器重置到其初始状态延长电极寿命。由于修整包括从电极表面物理移除材料，在电极被判定完全耗损且必须替换前，只能进行几次(通常两次或三次)。
[0011] 最有效的延长电极寿命的方法是在焊接循环中使电极保持冷却。在焊接循环中从电极上移除热量能延长电极使用寿命，保证了焊接循环的冷却阶段并能防止电极和工件粘合或焊接在一起。
[0012] 保持电极冷却还对需要形成焊接的
能量水平有积极的作用。在电极的常规操作
温度范围内，温度和铜的体
电阻率之间几乎是线性关系。由于电极和工件之间的界面构成焊接电路中总电阻的一部分百分比，降低电阻能使电极朝工件接合面成比例移动。保持电极温度越低，电极电阻越小，其对能量流动的阻碍越小，流过工件接合面以形成焊接的总能量百分比越大。因此，降低电极操作平衡温度利用通过减小电极的体电阻率节省的百分比而减小了需要形成焊接的总能量水平。
[0013] 通常采用液冷来保持电极冷却，因为其为用于减轻电极在负载下出现蕈状扩展倾向的一种最有效的方法。因此，电阻焊电极被设计成液冷的，通过将冷却剂(通常是一股水流)引入位于与电极工作面相对一端处的腔体的内表面上。
[0014] 过去曾有很多电极设计方法用于提高操作中电极保持冷却的能力。最有效的是在电极腔内部引入鳍片。该方法通过增加暴露到冷却剂中的冷却腔表面积提高热交换效果。该种方法的示例描述在美国专利No.4,476,372、4,728,765、4,760,235、5,041,711、5,349,
153和8,299,388中，这些专利的公开内容在此通过引用全文并入本文。在所有案件中，鳍片设计的重点全部都放在与其相应增大表面积有关的好处上。没有案件考虑到有效控制冷却剂流通过鳍片组的动力学的潜在有益效果。
[0015] 如前文提及的专利所描述的以及从现场操作中使用的产品上观察到的，鳍片并入电极冷却剂腔的设计具有各种各样的结构。不考虑它们的特殊设计，在构成鳍片和冷却腔
侧壁的一系列平面的交叉处的
流体直接流动路径上，所有鳍片都展示出锐
角转角。由于被迫急转方向，流过这些区域的流体变成
湍流。这导致在这些交叉处形成汽穴，冷却效率大大降低。
[0016] 通过在待冷却的表面上维持
层流流动，能够大幅度提高液冷效果。层流确保了流体和待冷却表面的紧密接触。引入湍流则会在交界面处产生流体扰动，导致在这些点处形成
蒸汽汽穴。这种低导热性的蒸汽汽穴是热绝缘的并且会阻碍热量传出电极冷却腔表面，因此降低了热交换工艺的效率。
[0017] 此外，利用在电极冷却腔形成层流并增加暴露电极的表面积，通过节约焊接能量并延长电极寿命，由此使得降低了制造成本。如下文讨论的，本发明包含了能带来前文提到的有益效果的改进和特征。
发明内容
[0018] 在本发明的第一个
实施例中，本发明提供了一种改进的铜或铜合金电极帽，包括用于促进鳍片式内腔中冷却剂层流的装置。所述用于促进层流的装置增大了电极向外扩散内腔内部产生的热量的能力。
[0019] 内腔在电极帽主体中形成。该电极帽的内腔稍微呈锥形并且从内部中心朝外朝着进入内腔的开口稍微变小。
[0020] 用于促进层流的装置通常包括设置于电极帽内腔中的多个鳍片，其中每个鳍片包括带
倒角的端部。每个带倒角的端部足够宽并且设置于鳍片界面的交叉面上，具有分别为从约0.020″至约0.120″的最小和最大半径。这些倒圆的倒角端部能减小和缓和
冷却液冷却剂的方向变化并将冷却剂流从湍流变为层流。
[0021] 在本发明的第二实施例中，本发明提供了铜或铜合金可替换电极帽，其具有一体成型的工作端和主体。基于本申请，虽然电极帽的工作端能采用各种结构，但主体的形状依照惯例通常为管状或圆柱形。
[0022] 多个凹坑或凹槽沿主体的外表面按等距离且径向间隔开的排列纵向延伸。优选地，所述凹槽在靠近电极工作端的第一端部和靠近主体末端、距离其约1mm至3mm处终止的第二端部之间延伸。该种靠近末端的终止定义了一狭窄区域，其在若没有该区域将会是主体最薄的部分处为电极帽提供了附加的结构
支撑。
[0023] 为了更全面的了解本发明，参考以下详细描述和
附图。在附图中，贯穿若干附图，同样的附图标记表示同样的部件，其中：
附图说明
[0024] 图1是根据本发明的第一实施例的外设凹槽的标准电极帽的侧视图；
[0025] 图2是图1沿线2-2截取的截面图；
[0026] 图3是与图2类似但示出了安装在电极轴上的本发明电极帽的视图；
[0027] 图4是根据本发明的第二实施例的具有多个带倒角的鳍片的电极帽的截面图；
[0028] 图5是与图4类似但示出了安装在电极轴上的本发明电极帽的视图；以及[0029] 图6是本发明电极帽的局部透视图。
具体实施方式
[0030] 首先，应当注意本发明的电极帽是RWMA(美国电阻焊协会(Resistance Welding Manufacturing Alliance))标准兼容的。RWMA是全球工业赞助的专业协会，其致力于发展控制许多与电极尺寸和形状相关的尺寸特征的工业标准。这些通常已得到认可的世界标准设计用于促进和提供焊接部件和消耗品(比如焊接电极)的通用应用以及互换性。RWMA可替换电极帽通常是标准兼容的、可替换电阻焊电极帽，能用于但不限于
汽车、电器以及其他耐用品的大批量生产。
[0031] 下面具体参考图4-6，其中描述了RWMA电极帽(主要标记为10)的第一实施例。
[0032] 根据该实施例，示出的电极帽110具有圆顶形工作端118，其一体成型为主体128，但是可以使用其他结构。
[0033] 如图4和5所示，电极帽110具有RWMA标准的锥形内腔120，并与轴124的RWMA标准圆顶形凸部122摩擦配合，与上述描述的第一实施例类似。
[0034] 主体128设有设置在主体128的内表面129b上的多个内部形成的鳍片112以及在外表面129a上形成的多个凹槽126。除了包括多个内部冷却鳍片112之外，该种电极帽110结构上与图1-3的电极帽10类似。鳍片112相互等距离且径向间隔开。
[0035] 每个鳍片112具有自由端116。每个鳍片112的自由端116上形成倒角114。倒角114通常沿主体128的内表面129b在交叉鳍片/腔壁平面界面处冷成型。随着冷却剂进入电极帽110的内腔120，倒角114起到减小和缓和流体方向变化并将冷却剂流从湍流变为层流的作用。优选地，每个倒角114的最小和最大半径分别为从约0.020″至约0.120″。
[0036] 此外，在该实施例中，如图6所示，多个凹槽126绕电极帽110的主体128的外表面129a等距离径向设置。主体128包括末端131，其定义了进入内腔120的开口132。与第一实施例类似，凹槽126的下端126a未到末端131终止。狭窄区域130定义了凹槽126的下端和末端
131之间的空间。
[0037] 与常规RWMA电极帽相比，我们认为本发明带凹槽、倒角的鳍片式电极帽将表现出外部帽表面积22％的增加，通过
对流传递额外量热量的能力的相应增加以及质量上33％的减小和材料及制造成本的相应减少。
[0038] 由于具有倒角端，本发明电极帽具有改进的散热性能，从而提高了能效并延长了电极帽的使用寿命，因而通过减少材料降低了其制造成本。
[0039] 此外，所述鳍片式/凹槽式电极帽通过显著降低其制造所需的铜或铜合金的量具有降低电极制造成本的附加有益效果。
[0040] 现在参考图1-3，其中描述了本发明的第二实施例。这里，电极帽10具有大体上圆柱形主体12和圆顶形工作端或凸部14。所述帽10意图用于安装到电极轴25上。
[0041] 应当注意，电极帽10的工作端14取决于用户应用，能够采用各种不同的结构，这里描述的是圆顶形凸部。
[0042] 主体12包括外表面13a和内表面13b。具有第一端部16a和第二端部16b的多个凹坑或凹槽16绕主体12的外表面13a周向形成。电极帽10具有末端18。凹槽16从靠近工作端14的第一端部16a延伸至靠近电极帽10的末端18的第二端部16b。
[0043] 通常，凹槽16的第二端部16b在末端18上部约1mm至约3mm的距离处终止。狭窄区域24定义了凹槽16的第二端部16b和末端18之间的空间。在将会是主体12最薄的部分(若凹槽
16完全延伸至电极帽10的末端18)处，该狭窄区域24为本发明的电极帽10提供了附加的结构支撑。
[0044] 凹槽16是等距离且径向间隔开的半圆柱形凹坑排列。一般来说，凹槽16形成的深度为约0.020″至约0.050″。
[0045] 凹槽16通常采用冷成型或类似方法形成。所述凹槽或凹坑提供了更大的表面积，用于散热。
[0046] 主体12还包括锥形内腔22。设置在末端18上的开口20提供了进入主体12的内腔22的入口。如图3所示，内腔22从靠近凸部处至开口20逐渐变小，用于接收电极轴25的安装端。
[0047] 这种轴通常具有液体冷却剂通道26，用于将冷却剂引入电极帽10的内腔22，以及返回通道28，用于重复循环冷却剂。应当理解轴25本身对本发明来说并不重要，但是它是本发明需要附带使用的。
[0048] 根据本发明，应当注意带倒角的鳍片的应用同样可以用于“标准”鳍片式电极帽，凹槽也是如此。但是，具有带倒角的鳍片的凹槽式电极帽是优选电极帽。
[0049] 以该种方式描述的本发明，其
权利要求是：
