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技术领域

本发明涉及电阻点焊系统和方法。

背景技术

焊接是用于将两个或更多工件(例如金属基板)连结的工艺。通常，焊 接可以包括对至少两个工件加热且加压，以便将工件联合。多年来已经开发 了许多焊接工艺。

发明内容

电阻点焊是一类焊接工艺，其中电流经过两个电极和工件，以在工件中 产生局部加热。形成工件的材料熔化且在两个工件之间的界面处结合，由此 形成焊接熔池。焊接熔池随后冷却以形成焊核。有用的是使得完成电阻点焊 过程所花费的时间最小化，且使得使用电阻点焊工艺形成的焊接接头的强度 和质量最大化。为此，本发明公开一种已经开发出来的电阻点焊系统和方法。

本发明公开的电阻点焊系统可用于连结两个或更多聚合物工件。在一实 施例中，电阻点焊系统包括配置为供应电能的电源。电源具有正端子和负端 子。电阻点焊系统进一步包括电连接到电源的焊接电极组件。焊接电极组件 包括壳体、第一导电销，和第二导电销。第一和第二导电销两者从壳体突出。 第一导电销电连接到电源的正端子，且第二导电销电连接到电源的负端子。 第二导电材料与第一导电销电绝缘且两个销与壳体电绝缘。第一和第二导电 销至少部分地用按照Rockwell C度量具有50HRC到70HRC范围的硬度的 材料制造。本发明还涉及焊接电极组件。此外，本发明涉及电阻点焊方法。 电阻点焊方法至少包括下列的步骤：(a)将导电涂层置于第一聚合物工件和第 二聚合物工件之间；(b)用焊接电极组件的第一和第二导电销穿入第一聚合物 工件；和(c)将电能施加到第一和第二导电销，使得电流流过第一导电销、涂 层和第二导电销，以便至少部分地熔化第一聚合物工件、第二聚合物工件和 涂层，由此在接合界面处形成焊接熔池。

根据本发明的一个方面，提出一种电阻点焊电极组件，包括：

壳体；

第一导电销，从壳体突出，其中第一导电销配置为电连接到电源的正端 子；

第二导电销，从壳体突出，其中第二导电销配置为电连接到电源的负端 子且与第一导电销电绝缘；和

其中第一和第二导电销至少部分地用硬度范围为50HRC到70HRC的材 料制造。

优选地，其中第一和第二导电销每一个具有锥形末端。

优选地，其中壳体限定分别接收第一和第二导电销的第一和第二开口。

根据本发明的另一方面，提出一种电阻点焊方法，包括：

将导电涂层置于第一聚合物工件和第二聚合物工件之间；

用焊接电极组件的第一和第二导电销穿入第一聚合物工件；和

将电能施加到第一和第二导电销，从而电流流过第一导电销、涂层和第 二导电销，以便至少部分地熔化第一聚合物工件、第二聚合物工件和涂层， 由此形成焊接熔池。

优选地，方法进一步包括将夹持力施加到第一和第二聚合物工件，以便 将第一聚合物工件压抵涂层和第二聚合物工件。

优选地，方法进一步包括让第一和第二导电销前进通过第一聚合物工 件，直到第一和第二导电销部分地刺入第二聚合物工件。

优选地，方法进一步包括在形成焊接熔池之后将第一和第二导电销从第 一聚合物工件取出。

优选地，方法进一步包括冷却焊接熔池直到焊接熔池固化。

优选地，其中第一和第二聚合物工件的每一个具有约270摄氏度的熔点， 且将电能施加到第一和第二导电销包括将足够的电流供应到涂层达到足够 量的时间，以便以大于270摄氏度的温度加热第一聚合物工件、第二聚合物 工件和涂层。

优选地，其中涂层至少部分地用导电且导热的材料制造。

在下文结合附图进行的对实施本发明的较佳模式做出的详尽描述中能 容易地理解上述的本发明的特征和优点以及其他的特征和优点。

附图说明

图1是焊接系统的示意性正视截面图；

图2是在两个聚合物工件之间的两个聚合物工件和涂层的示意性正视截 面图；

图3是图2所示的两个聚合物工件、涂层的示意性正视截面图，且焊接 电极组件将夹持力施加到聚合物工件；

图4是图3所示的两个聚合物工件、涂层和焊接电极组件的示意性正视 截面图，其中焊接电极组件正对涂层施加电能；

图5是图4所示的两个聚合物工件、涂层和焊接电极组件的示意性正视 截面图，其中焊接电极组件从工件取出；

图6是插入件和焊接熔池的截面图。

具体实施方式

参见附图，其中相同的附图标记指示相同的部件，图1示意性地示出了 用于连结两个或更多聚合物工件的电阻点焊系统100。在所示实施例中，焊 接系统100可用于连结第一聚合物工件10和第二聚合物工件20(图3)。第 一和第二聚合物工件10、20(图3)完全或部分地用合适的聚合物复合材料 制造，例如纤维强化聚合物。作为非限制性的例子，合适的聚合物复合材料 包括热朔性复合材料，其具有用聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯并咪唑、聚乙烯、 聚丙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯等制造的基质。第一和第二聚合物工件10、 20(图3)还可完全或部分地用碳纤维强化的尼龙化合物制造。形成第一和 第二聚合物工件10、20的聚合物复合材料具有从120摄氏度到600摄氏度 范围的熔点。例如，形成第一和第二聚合物工件10、20的聚合物复合材料 可以具有约270摄氏度的熔点。

焊接系统100可用在电阻点焊过程中。在电阻点焊中，电流经过两个电 极和工件，以在工件中产生局部加热。形成工件的材料熔化且在两个工件之 间的界面处结合由此形成焊接熔池。焊接熔池随后冷却以形成将两个工件连 结在一起的焊核。

继续参考图1，焊接系统100包括电连接到电源104的电阻点焊电极组 件102，电源例如是直流(DC)或交流(AC)电源。焊接电极组件102和 电源104是电路106的一部分。电源104包括正端子108和负端子110，且 配置为向焊接电极组件102供应电能。换句话说，电源104可供应电流到焊 接电极组件102。

除了电源104，电路106还包括串联电连接到电源104的电开关112。 电开关112可在接通(ON)状态(或位置)和断开(OFF)状态(或位置) 之间变换。在接通状态下，电开关112允许电流流过电路106。如此，在电 开关112处于接通状态时电流可从电源104流动到焊接电极组件102。相反 地，在其处于断开状态时电开关112中断从电源104而来的电流流动。由此， 在断开状态下，电开关112中断电路106，且因此电流不能从电源104流动 到焊接电极组件102。焊接系统100可以进一步包括变压器，以将主回路中 的低电流改变为次回路中的高电流。

焊接系统100另外包括串联电连接到电源104的安培计114。安培计114 可测量电路106中的电流。应理解，安培计114可以是动圈式安培计、电动 式安培计、动铁式安培计、热线式安培计、数字安培计、积算安培计或适于 测量电路106中电流的任何其他类型的安培计。

焊接系统100进一步包括用于测量时间间隔的计时器116。在所示实施 例中，计时器116并联电连接到电源104。计时器116可用于测量和监测电 源104将电流供应到焊接电极组件102的时间。

参见图1和3，焊接电极组件102电连接到电源104且包括壳体118。 壳体118限定第一和第二开口120、122(图1)，所述开口彼此间隔开。作 为非限制性的例子，第一和第二开口120、122可以是一个或多个孔或洞， 且基本上平行于彼此。壳体118还限定壳体腔室119。

焊接电极组件102进一步包括从壳体118突出的第一和第二导电销124、 126。第一和第二导电销124、126可以分别称为第一和第二电极，且每一个 至少部分地设置在壳体118中。在所示实施例中，第一导电销124部分地设 置在第一开口120中，且第二导电销126部分地设置在第二开口122中。换 句话说，第一开口120部分地接收第一导电销124，且第二开口122部分地 接收第二导电销126。第一和第二开口120、122与壳体腔室119连通，且壳 体腔室119部分地接收第一和第二导电销124、126。第一和第二开口120、 122彼此并排且平行布置。因而，第一和第二导电销124、126也彼此并排且 平行布置。

第一和第二导电销124、126完全或部分地用导电材料制造，例如金属， 其具有的硬度按Rockwell C度量处于50HRC到70HRC的范围。作为非限 制性的例子，形成第一和第二导电销124、126的材料的硬度按Rockwell C 度量为约65HRC。有用的是，第一和第二导电销124、126至少部分地用具 有如上所述硬度和硬度范围的材料制造，从而第一和第二导电销124、126 可穿入第一和第二聚合物工件10、20(图3)。第一和第二聚合物工件10、 20具有按Rockwell C度量的10HRC到50HRC范围内的硬度，以便允许第 一和第二导电销124、126(具有如上所述的硬度)穿入第一和第二聚合物工 件10、20。作为非限制性的例子，第一和第二导电销124、126可以完全或 部分地用钢制造。例如，第一和第二导电销124、126每一个可以完全或部 分地用高速钢T1、高速钢M2和H-13工具钢制造。进一步地，第一和第二 导电销124、126可以完全或部分地用铜合金、碳化钨、钴合金钢、基于钨 或钼的合金制造。如果第一和第二导电销124、126用钢制造，则第一和第 二导电销124、126通过铜合金钎焊，以从第一和第二导电销124、126消散 热量。

为了有助于穿入第一聚合物工件10，第一和第二导电销124、126每一 个分别包括锥形或尖的末端125、127。锥形末端125、127也可以限定沟槽， 以有助于穿入第一聚合物工件10。

第二导电销126与第一导电销124电绝缘。如此，电流不能从第一导电 销124直接流动到第二导电销126。为了让第一和第二导电销124、126彼此 电绝缘，焊接电极组件102包括第一电绝缘覆盖件128和第二电绝缘覆盖件 130。第一和第二电绝缘覆盖128、130完全或部分地用电绝缘材料制造，例 如聚合物。第一电绝缘覆盖件128部分地设置在第一开口120中且至少部分 地围绕第一导电销124。因而，第一开口120部分地接收第一电绝缘覆盖件 128和第一导电销124。第二电绝缘覆盖件130部分地设置在第二开口122 中且至少部分地围绕第二导电销126。因此，第二开口122部分地接收第二 电绝缘覆盖件130和第二导电销126。替换地或除了第一和第二电绝缘覆盖 128、130以外，焊接电极组件102可以包括电绝缘体129(图3)，以便将第 一导电销124与第二导电销126电分离。

焊接电极组件102包括将第一导电销124电连接到电源104的正端子 108的第一导电连接件132。电开关112串联地电连接在电源104的正端子 108和第一导电销124之间。进一步地，焊接电极组件102包括将第二导电 销126电连接到电源104的负端子110的第二导电连接件134。安培计114 串联地电连接在电源104的负端子110和第二导电连接件134之间。

图2-5示意性地显示了使用如上所述焊接系统100的电阻点焊方法。首 先，在图2中，通过将涂层30置与第一和第二聚合物工件10、20之间而开 始该方法。换句话说，涂层30置于第一和第二聚合物工件10、20之间的界 面(即焊接界面)处。在焊接界面处不需要放置其他加热元件。涂层30用 完全或部分地导电且导热的材料制造。作为非限制性的例子，涂层30可以 是碳黑或热朔性材料。例如，涂层30可以是839石墨导电涂层、838总地碳 导电涂层(838total ground carbon conductive coating)或843镀银的铜导电 涂层。第二工件20可以包括工件腔室24，所述工件腔室配置、成形且大小 设置为至少部分地接收涂层30。此外，第一聚合物工件10限定第一接合面 12，且第二工件20限定第二接合面22。在图2示出的步骤中，涂层30可以 首先被置于工件腔室24中或在第二接合面22上。随后，第一聚合物工件被 置于第二聚合物工件20和涂层30的顶部，使得第一接合面12面对第二接 合面22。随后，方法继续到图3示出的步骤。

图3示出了焊接电极组件102朝向第一聚合物工件10前进从而第一和 第二导电销124、126穿入第一聚合物工件10的步骤。换句话说，图3示出 的步骤实现了通过第一和第二导电销124、126穿入第一聚合物工件10。一 旦第一和第二导电销124、126穿入第一聚合物工件10，则焊接电极组件102 沿箭头F1示出的方向前进，以便让第一和第二导电销124、126前进通过第 一聚合物工件10。第一和第二导电销124、126沿箭头F1示出的方向同时 地前进通过第一聚合物工件10，直到第一和第二导电销124、126接触设置 在第一和第二聚合物工件10、20之间的涂层30。替换地，第一和第二工件 10、20可同时地前进通过第一工件10且朝向第二工件20前进，直到第一和 第二工件10、20部分地刺入第二工件20。由此，图3示出的步骤实现了让 第一和第二导电销124、126前进通过第一聚合物工件10，直到第一和第二 导电销124、126接触设置在第一聚合物工件10和第二工件20之间的涂层 30。

参考图6，对于插入设计，涂层或插入件123起到重要作用。其形状应 该在如图6所示的焊核N周围提供均匀的热量。例如，插入件123可以具有 大致圆柱形形状，以便在焊核N周围提供均匀热量。

图3所示的步骤还实现了对第一聚合物工件10施加压力(通过沿箭头 F1和F2示出的方向施加夹持力)，以便将第一聚合物工件10压抵涂层30 和第二工件20。为此，焊接电极系统102沿箭头F1示出的方向朝向第一聚 合物工件10和涂层30前进，直到壳体118接触第一聚合物工件10。一旦壳 体118接触第一聚合物工件10，则焊接电极组件102连续沿箭头F1示出的 方向前进，以便将第一聚合物工件10压抵涂层30和第二聚合物工件20。由 此，焊接电极组件102抵靠第一聚合物工件10施加压力，以便将第一和第 二聚合物工件10、20挤压在一起。因为焊接电极组件102用于在第一和第 二聚合物工件10、20上施加压力且在第一和第二聚合物工件10、20之间的 界面处传导电流，所以焊接电极组件102可以被称为混合焊接电极组件。

虽然在压力被施加到第一聚合物工件10时让第一和第二导电销124、 126同时地前进通过第一聚合物工件10，但是第一和第二导电销124、126 可以部分地穿入第二聚合物工件20。第一和第二导电销124、126可以沿箭 头F1示出的方向前进通过第一聚合物工件10，直到第一和第二导电销124、 126接触涂层30且部分地刺入第二聚合物工件20。

如图4所示，一旦第一和第二导电销124、126接触涂层30，则电能施 加到第一和第二导电销124、126，使得电流首先(从电源104)流动到第一 导电销124，随后通过涂层30，且接下来通过第二导电销126。电源104以 足够的电流供应电能到涂层30(经由第一和第二导电销124、126)并经过 足够的时间。因涂层30和销对电流的阻碍带来的热量使得销124和126周 围的材料软化或熔化，且熔化涂层30和第一和第二聚合物工件10、20的至 少一部分，由此在接合界面处形成焊接熔池W。如上所述，第一和第二聚合 物工件10、20用具有约270摄氏度熔点的材料制造。由此，足够高的电流 经过涂层或插入件123并经过足够量的时间，以便以大于270摄氏度的温度 加热第一聚合物工件10、第二聚合物工件20和涂层或插入件123。还有， 具有足够电阻的用于涂层30的材料可以被选择，以便减少循环周期时间。 在装置加热过程中，涂层或插入件123可以熔化且第一和第二聚合物工件 10、20的围绕涂层或插入件123的一些部分可以熔化以形成焊核N。为了避 免任何电冲击，焊接工艺过程应该避免初始电流冲击且利用电阻稳定持续时 间以形成联接焊核。

如图5所示，在形成焊接熔池W之后，第一和第二导电销124、126从 第一聚合物工件10取出。有用的是在取出第一和第二导电销124、126之前 等待预定时间段，以便确保第一和第二工件10、20被熔化的焊核保持住。 为此，焊接电极组件102从第一聚合物工件10沿箭头R示出的方向运动离 开。焊接熔池W随后冷却，以便形成连结第一和第二聚合物工件10、20的 焊核N。换句话说，图5所示的步骤实现了焊接熔池W的冷却，直到焊接 熔池W固化且形成焊核N。冷却可以通过自然的传导实现。即焊接熔池W 可以被允许降温。不管冷却的方法如何，一旦焊接熔池W冷却下来，则其 形成将第一和第二聚合物工件10、20连结的焊核N。因为第一和第二工件 10、20的聚合物具有相对较低的热传导性，所以在去除第一和第二导电销 124、126之后留在第一和第二工件10、20中的腔室可能被周围的粘性聚合 物部分地填充。

尽管已经对执行本发明的较佳模式进行了详尽的描述，但是本领域技术 人员可得知在所附的权利要求的范围内的用来实施本发明的许多替换设计 和实施例。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2014年4月24日递交的美国临时专利申请NO.61/983,656 的权益，该申请通过引用全部合并于此。