点焊压制硬化钢的电极修整系统

技术领域

本公开涉及焊接电极的尖端(帽)修整(dressing)，并且更具体地涉及在压制硬化钢的点焊中涉及尖端修整电极的系统。

背景技术

焊接是连接部件的最常见形式之一并且被广泛使用。点焊是一种电阻焊工艺，其采用铜/铜合金电极向一个或多个金属工件施加压力和电流，以在电流通过工件的电阻材料在电极之间通过时产生热量。当熔化的材料在移除电流之后固化时，热量熔化形成焊接的工件。

点焊通常用于重复焊接操作，例如通过多个焊点将汽车车身结构部件焊接在一起。由于通过电极重复施加压力和电流，最终发生电极劣化。当使用电极时，可能发生几何和/或冶金变化。例如，电极的尖端直径可能增加和/或其他电极可能经历其他变形，诸如蘑菇状。又例如，电极材料的性质，特别是在尖端表面处，可能随时间改变，导致次优的电流传导。

为了解决电极的劣化并延长其使用寿命，可以采用尖端修整。电极尖端修整涉及机械地恢复电极几何形状，诸如通过材料去除。不适当的电极修整可能导致不规则的焊接、电极与工件的粘附以及其他不期望的结果。因此，需要有效的尖端修整系统。

压制硬化钢(PHS)由在水冷模具中将钢加热并成形为其最终形状的工艺产生，所述水冷模具将材料淬火以开发期望的性质。所得材料可以分类为高级高强度钢(AHSS)，其是具有高强度重量比的稳定材料。这种钢的使用是期望的，特别是在考虑重量的情况下。PHS/AHSS材料的物理特性可能在焊接中提出挑战，例如降低的电极寿命。

因此，期望提供用于焊接应用中的尖端修整电极的系统，包括在压制硬化钢的点焊中。还期望这样的系统延长电极的寿命，同时保持优质焊接形成。此外，结合附图和前述技术领域和背景技术，根据随后的详细说明书和所附实施方式，本公开的其他期望特征和特性将变得显而易见。

发明内容

公开了一种用于电极修整的系统。在多个实施例中，所述系统包括切割器，所述切割器具有刃(edge)和中心平台，所述中心平台通过多个沟槽(flute)支撑在所述刃上，在所述沟槽之间限定开口。沟槽和中心平台限定切割器的切割轮廓。切割器构造成围绕穿过中心平台的轴线旋转。切割刃设置在沟槽上，并且由具有至少850HV的维氏硬度(HV)的第一材料制成，该第一材料由具有至少3200HV的维氏硬度的第二材料覆盖。

在另外的实施例中，第二材料包括在第一材料上的厚度小于10微米的涂层。

在另外的实施例中，切割轮廓包括从轴线径向向外延伸的面切割轮廓。面切割轮廓相对于切割器的径向法线以小于六度的角度设置。

在另外的实施例中，切割器包括接收侧表面，电极通过该接收侧表面被接收到切割器中。当从轴线径向向外移动时，面切割轮廓导致轮廓远离接收侧表面后退。

在另外的实施例中，凹槽界定于沟槽中的每一者中。凹槽从中心平台径向向外设置。

在另外的实施例中，每个凹槽包括前端和后端。在前端和后端之间，凹槽逐渐变宽。

在另外的实施例中，前端相对于后端更靠近轴线定位。

在另外的实施例中，第一材料包括高速工具钢，并且第二材料包括钛合金。

在另外的实施例中，电极被配置为焊接压制硬化钢。在焊接压制硬化钢之后，电极包括具有铝硅铜合金的堆积物和金属间层的焊接面。切割器具有大于堆积物和金属间层的硬度。

在另外的实施例中，修整装置包括具有驱动系统的尖端修整器工具和承载切割器的切割器臂。修整装置被配置为驱动切割器旋转以修整电极。

在多个其他实施例中，电极修整系统包括环形缘边和通过沟槽支撑在环形缘边上的中心平台，在沟槽之间限定四个开口。沟槽和中心平台限定切割器的切割轮廓。切割器构造成围绕穿过中心平台的轴线旋转。切割刃形成在沟槽上，并且包括具有至少850HV的维氏硬度(HV)的第一材料，该第一材料由具有至少3200HV的维氏硬度的第二材料覆盖。

在另外的实施例中，第二材料包括以小于10微米的厚度沉积在第一材料上的涂层。

在另外的实施例中，切割轮廓包括从轴线径向向外延伸的面切割轮廓。面切割轮廓在特性上是凸形的并且具有侧面，每个侧面相对于切割器的径向法线以小于六度的角度设置。

在另外的实施例中，切割器包括接收侧表面，电极通过该接收侧表面被接收到切割器的腔中。当从轴线径向向外移动时，面切割轮廓导致轮廓远离接收侧表面后退。

在另外的实施例中，电极具有外周边。所述切割器被配置成接收所述电极，并且所述沟槽中的每一个中的凹槽从所述中心平台径向向外邻近所述电极的所述外周边设置。

在另外的实施例中，每个凹槽包括前端和后端，其中从前端和后端，凹槽在径向方向上逐渐变宽。

在另外的实施例中，所述前端相对于所述后端更靠近所述轴线定位，使得所述凹槽跨越其相应的沟槽偏斜。

在另外的实施例中，第一材料包括高速M4工具钢，并且第二材料包括β相钛合金。

在另外的实施例中，电极被配置为焊接压制硬化钢，并且在焊接压制硬化钢之后，电极包括具有铝硅铜合金的堆积物和金属间层的焊接面。切割器具有大于堆积物和金属间层的硬度。

在多个另外的实施例中，电极修整系统包括切割器，该切割器具有环形缘边和通过沟槽支撑在环形缘边上的中心平台，在沟槽之间限定四个开口。沟槽和中心平台限定切割器的切割轮廓。切割器构造成围绕穿过中心平台的轴线旋转。切割刃限定在沟槽上，其中切割刃包括具有至少850HV的维氏硬度(HV)的第一材料，该第一材料由具有至少3200HV的维氏硬度的第二材料覆盖。切割轮廓包括从轴线径向向外延伸的面切割轮廓。面切割轮廓在特性上是凸形的，并且具有侧面，每个侧面从另一个侧面横跨轴线设置。侧面各自相对于切割器的径向法线以小于六度的角度设置。

附图说明

在下文中将结合以下附图描述示例性实施例，其中相同的附图标记表示相同的元件，并且在附图中：

图1是根据各个实施例的焊接系统的示意图；

图2是根据各个实施例的图1的焊接系统的使用过的焊接尖端的焊接面的放大示意性截面图；

图3是根据各个实施例的图1的焊接系统的尖端修整系统的示意图；

图4是根据各个实施例的图3的尖端修整装置的修整工具的平面图；

图5是根据各个实施例的图3的尖端修整装置的切割器的面的详细图示；

图6是根据各个实施例的大体上通过图5中的线6-6截取的横截面图示；

图7是根据各个实施例的类似于图6的横截面图示，其中电极帽插入到切割器中；

图8是根据各个实施例的图5的切割器的面的横截面的局部放大示意图；和

图9示出了根据各个实施例的图5的切割器的面轮廓。

具体实施方式

以下详细的描述本质上仅仅是示例性的，并不旨在限制应用和用途。此外，不旨在受前述技术领域、背景技术、发明内容或以下详细描述中呈现的任何明示或暗示的理论的约束。

如本文所公开的，系统使用切割器优化电极的修整，包括用于PHS点焊的电极。已经发现，作为本公开的主题的一部分，在PHS(包括具有诸如铝-硅(AlSi)的涂层的PHS)的点焊期间，涂层与铜电极合金化并形成硬度接近典型切割器材料本身的硬金属间层(IML)。作为本公开的一部分，已经发现该IML抵抗有效移除，从而导致电极的次优化修整和减少的切割器寿命。电极的物理性质显著影响诸如焊接质量和表面外观的特性，因此需要适当的修整。如本文所公开的，修整切割器通常采用具有定制硬度的基底材料，通过薄的高强度涂层进一步硬化。切割器还可以包括在切割器内部的优化切割角度设计，以改善修整，包括在存在IML的情况下。已经证明本文公开的切割器的有效性显著改善了PHS钢焊接应用中的电极修整质量，并导致切割器寿命增加。

参考图1，焊接系统22的示意图示出了在PHS的堆叠片材28、30中形成焊接部26的焊接装置24。在一些实施例中，代替将两个片材焊接在一起，焊接系统22可以在一个片材中或在一个片材和另一个部件(未示出)之间形成焊接部26。在当前实施例中，焊接装置24是点焊机。在其他实施例中，焊接装置24是使用需要定期修整的电极的任何类型，例如电阻型焊机。焊接装置24包括具有焊接臂36、38的铰接焊接头34。焊接臂36、38可相对于彼此移动以打开和关闭，从而接收/释放堆叠的片材28、30并向堆叠的片材28、30施加压力。施加的压力的量可能受到切割器的特性的限制。焊接臂36、38分别包括电极40、42，电极40、42传导由焊接装置24施加的电流以形成焊接部26。电极40、42由于其形状也可以被称为电极柄。当与片材28、30连接时，电极40、42使电流通过片材28、30以加热它们连接的点。片材28、30的材料由于电阻产生的热量而熔化并熔合在一起。

在当前实施例中，片材28、30由PHS形成并且包括诸如AlSi的涂层32。在其他实施例中，可以使用另一种涂层材料。为了本公开的目的，涂层32是当暴露于来自焊接装置24的电流时在电极40、42上形成硬层的涂层。涂层32可以通过诸如热浸或通过另一种适当的工艺来施加。电极40、42可以分别包括接触片材28、30的帽44、46。帽44、46是电极40、42的一部分并且是可移除的，诸如通过螺纹连接到电极40、42以用于更换，这是由于它们在重复焊接操作之后可能劣化。

电极帽44、46在涂层32处与PHS片材28、30接触。已经发现，PHS应用中的重复焊接循环导致材料在帽44、46上积聚，而不是帽44、46的变形(蘑菇状)或耗尽(这是迄今为止典型的)。此外，堆积物仅积聚在接触片材28、30的焊接面48、50上，而不是积聚在整个帽44、46上，诸如在它们的周边处。图2示意性地示出了帽46的焊接面50处的堆积物52效应。堆积物52包括IML 54和添加的材料56。在当前实施例中，IML 54和添加材料56包括具有超过600HV的维氏硬度(维氏金字塔数“HV”)的铝硅铜合金(AlSiCu)。帽44、46由铜/铜合金材料制成，在没有堆积物52的情况下，铜/铜合金材料是相对柔软的、可延展的和可塑性的材料。因此，通常容易实现帽44、46的修整。例如，铜通常可以具有50-150HV的硬度。对于修整铜，过度侵蚀性的切割工具将过度消耗铜的材料，导致帽寿命短。因此，如本文所公开的用于修整帽44、46的系统包括有效地去除堆积物52而没有帽44、46的基底铜的不期望的消耗速率的方面。

如图3中示意性地示出的，修整系统60包括焊接装置24和修整装置62。修整装置62包括具有驱动系统66和切割器臂68的尖端修整器工具64。在这种情况下，修整装置62被配置为驱动切割器70旋转并修整帽44。切割器臂68可具有双面切割器以同时修整两个帽44、46，或者可在修整帽44之后倒置以修整帽46。切割器臂68在图4中从设置在图3中的顶部透视图单独示出。驱动系统66可包括齿轮和连杆(未示出)以旋转切割器70。在2022年1月18日授权的美国专利No.11,224,933中描述了代表性的修整系统，该专利被共同转让，并且其通过引用具体地并入本文。

在该实施例中，切割器70包括环形缘边72，该环形缘边72具有通过四个沟槽75-78支撑在环形缘边72上的中心平台74。这导致四个开口81-84轴向延伸穿过切割器70。轴向是指如图3所示的轴线80，切割器70围绕该轴线旋转。切割器70在图5中以放大视图单独示出，并且在图6中以横截面示出，并且在图7中接合帽44。

同时参考图5-7，切割器70成形为接收(图7)和修整帽44、46，并且因此包括接收腔形状。可以是另一种形状的环形缘边72具有外周边86和接收侧表面88，帽44(或46)通过该接收侧表面88被接收。中心平台74相对于接收侧表面88凹入切割器70中，形成腔90，帽44被接收在腔90内，如图7所示。沟槽75-78中的每一个具有相应的切割刃95-98，用于在切割器围绕轴线80旋转时从帽44移除材料，同时帽44、46保持静止。在当前实施例中，如图5所示，切割器70顺时针旋转，当遇到帽44、46时，将切割刃95-98放置在它们各自的沟槽75-78的前侧。切割刃75-78各自延伸到中心平台74上，到达轴线80，并且从那里径向向外延伸到环形缘边72，使得切割器70在其尖端/焊接面100处以及在其邻近焊接面100的缘边/侧面102处经由切割表面79修整帽44。切割器70的每个沟槽75-78包括从轴线80径向向外间隔开的凹槽105-108，如下面进一步描述的。

在图8中示意性地示出了切割器70在切割刃95处的快照。切割器70的基材110被选择为具有至少850HV的硬度。例如，基材110是诸如M4的高速工具钢。切割器70具有在其切割表面79处覆盖基材110的作为涂层32的层112，该层112具有至少3200HV的硬度。在当前实施例中，层112是厚度114小于10微米(μm)的薄涂层。层112的材料可以是β相钛合金，例如钛与钼、钒、铌、钽、锆、锰、铁、铬、钴、镍和/或铜中的一种或多种。层112改善了切割器70的表面显微硬度，并且已经发现以较少的磨损改善了切割并且改善了切割器70的寿命。基材110的硬度与表面层112的硬度相结合已经证明有效地去除由焊接PHS(包括具有AlSi涂层的PHS)产生的堆积物52。基底材料110和表面层112的组合优化了修整，如通过5-10倍或更多的改善的消耗速率所证明的，这意味着切割器70在延长的寿命内有效地去除材料。

参考图9，示出了切割器70的轮廓120轨迹，其穿过轴线80并穿过沟槽78和76截取。腔90的深度在左侧121上相对于轮廓120与中心线80的相交处的零以毫米表示。如图9中所示的那些(沟槽76和78)所示，沟槽75-78中的每一个从平台74后退到切割器70中，远离轴线80径向向外移动。对于从轴线80径向向外到凹槽106、108的距离，沟槽75-78，特别是焊接面切割轮廓124取向的切割角度122相对于径向法线125最大为六度。焊接面切割轮廓124在凹槽106、108之间的特性上是凸形的。径向法线125是相对于轴线80垂直(以九十度)径向延伸穿过切割器70的参考线。焊接面切割轮廓124跨轮廓120延伸距离126。在腔90内的切割器70的内部处的切割角度122设计使得能够将增加的切割力施加到帽44、46并且引导切割动作集中在帽44、46的与它们的侧面相反的焊接面100上，如果蘑菇生长是主要关注的问题，则这将是这种情况。

如轮廓120所示，与六度切割角度122相比，凹槽105-108(图9中所示的106和108)急剧地缩回到切割器70中。例如，焊接面切割轮廓124后退距离127，并且凹槽106后退距离128。距离127在大于3.0mm的径向距离上深度约为0.25mm，而距离128在小于0.30mm的径向距离上深度超过0.50mm。这些凹槽105-108有助于在切割期间排除碎屑/废料，以保持切割清洁并有利地限定帽44、46的焊接面100。结果是，切割器70将切割动作集中在焊接面100处，并且通过有效地移除硬质材料而不会过度消耗帽44、46的铜来解决堆积物52。

如图7所示，当被接收在腔90中时，凹槽105-108中的每一个定位成靠近/邻近帽44的外周边104。如图5中最佳示出的，凹槽105-108中的每一个远离其相应的切割刃95-98跨越其相应的沟槽75-78逐渐变细，并且相对于轴线80以角度偏差设置。例如，凹槽105包括前端130和后端132。在前端130和后端132之间，当在轴线80的方向上观察时，凹槽105变得越来越宽。另外，前端130相对于后端132以相对于轴线80的倾斜角度取向定位成更靠近轴线80。结果是，当切割器70操作时，凹槽105-108有效地剥离碎屑和其他废料。

切割器70的有效性已经被优化以在PHS焊接应用中有效地修整电极/帽。然而，切割器70不限于那些应用，而是在存在困难的修整挑战的情况下具有更广泛的适用性。如上所述，已经证明消耗速率显著改善。下表1通过将中间列中的现有技术切割器的结果与第三列中的本公开的切割器70的结果针对第一列中列出的一系列十九个连续切割进行比较而提供此改进的细节。第1列的“切割”是指单尖端修整以毫米计去除多少材料以完全去除帽污染。行意味着总共进行了18次切割(修整)。如所证明的，对于第二列中所示的现有技术切割器，在19个切割的系列中去除的总材料为0.505mm，并且对于第三列中所示的切割器70，去除的总材料为1.942mm。对于1-18号切割，切割器70比现有技术切割器基本上去除更多的材料，现有技术切割器的有效性迅速降低。第2列的现有技术切割器的劣化相对于第3列的切割器70的劣化是快速的。总之，切割器70更具攻击性，并且具有长得多的使用寿命，并且对于系列中的18个切割保持一致的有效性。有效地去除堆积物和IML的能力证明了当前切割器70在许多应用中的益处。

表1

如本文所公开的，修整切割器70采用具有定制硬度的基底材料，该基底材料通过薄的高强度涂层进一步硬化。切割器70还可以在切割器内部包括优化的切割角度设计，以改善修整，包括在存在IML的情况下。已经证明本文公开的切割器的有效性显著改善了PHS钢焊接应用中的电极修整质量，并导致修整切割器寿命增加。

虽然在前述详细说明书中已经呈现了至少一个示例性实施例，但是应当理解，存在大量的变型。还应当理解，一个或多个示例性实施例仅是示例，并不旨在以任何方式限制本公开的范围、适用性或配置。相反，前述详细说明书将为本领域技术人员提供用于实现一个或多个示例性实施例的方便的路线图。应当理解，在不脱离如所附权利要求及其法律等同物中阐述的本公开的范围的情况下，可以对元件的功能和布置进行各种改变。