专利名称：热管式点焊电极的制作方法
技术领域：
本发明的技术领域属于材料加工技术的焊接，具体地讲是一种热管式点焊电极。
点焊电极是点焊机的重要零件，由于在点焊操作中，其端面直接与高温的工件表面接触，连续、反复承受高温和高压。因此，粘附、合金化和变形是电极设计中应着重考虑的问题。对于该问题，人们进行了长期而有效的研究，研究证明电极与工件材料之间的亲和力是粘附和合金化的主要原因；抗变形能力取决于电极的强度和硬度。虽然我们可以采用高强度和高硬度的材料来制造电极，但是电极在工作中的发热将大大影响这些材料的强度和硬度。
为了解决电极的散热冷却问题，现在采用的办法主要是1、端部、甚至全部电极采用导热性能比较好的铜合金制造；2、把端头设计成顶角为120度的锥形，以利于端面的散热；3、把电极的主体制成中空形内腔，并在其中通循环水而进行冷却。这些方法都已经在实际应用中取得了一定的效果。
从传热学的角度讲，热是从端面的(与工件)接触面产生，这些热量首先要以传导的方式从该表面通过端部的横截面向主体方向传递和扩散，按照热传导理论，所传导的热量1、与这个端部所采用的材料的导热系数成正比。应该采用导热系数高的金属—铜合金。然而如果整个电极都采用铜合金，其造价就比较高了。2、与这个端部的横截面面积成正比。应该保证端部有一定的横截面面积，然而这个面积大了，使用的材料当然也就多了，同时，实际应用中也受到空间尺寸的限制，而不可能做得太大。3、与发热点到散热点的距离(热传递时间)成反比。就是说即使采用导热系数高的材料，也要尽快地散热冷却，距离越远，热量就越不容易传递过去。4、与发热点和散热点之间的温差(温度梯度)成正比。一般情况下，发热点的温度是基本不变的，要提高这个温差就只有降低散热点的温度。降低散热点的温度的方法有两个一是扩展散热面积，二是在散热点进行强制性冷却，如采用风机吹、采用循环水冷却等。
前面所说的人们已经采取的3个办法中，都涉及到了这些传热学的基本原理，但是也可以看出这3个办法中各有不足之处。即材料造价高、传热距离长、散热点的散热面积小、温度不能保证等，虽然通水冷却可以降低散热点的温度，但是水循环是需要附加许多管道和设备的，而且循环水必须经过软化处理，否则会结垢。这就随之带来了设备的复杂性、操作和维护上的麻烦、也增加了许多影响设备正常工作的不稳定因素。
本发明之目的就在于克服以上技术之不足，而提供一种传热速度快、散热点温度低而稳定、散热面积可扩展、工作状态比较稳定而又比较节省铜合金材料的热管式点焊电极。
本发明的目的是这样实现的一种热管式点焊电极，由尾部(1)、端部(2)、主体(3)组成，其特征在于主体(3)是一根金属管，它与尾部(1)、端部(2)组合焊接后，形成一个空腔K，且该空腔K是一个密闭的、处于真空状态的空间，空腔K内装有热管工质(4)和吸液芯(5)。这样的电极，按照热管理论，就是一支完整的热管，在该热管中，尾部(1)是热管的上封头；端部(2)是热管的下封头；主体(3)是热管的管壳；空腔K是热管的内腔；热管内腔内装有热管工质(4)和热管的吸液芯(5)。当该电极工作时，其端面发热—这就是热管的热源，热量传递到端部—热管的蒸发段，使热管内的热管工质吸热汽化，工质蒸汽通过热管的内腔通道迅速流向电极的尾部—热管的冷凝段，同时也把热量带到了电极的尾部—热管的冷凝段，并且在这里把热量散发出去——散热的方法可以是通过电极原有的外表面或者扩展的外表面(加装散热翅片)自冷、也可以附加强制性风冷或者水冷。失去热量的气态热管工质凝结成液体，这些液态的热管工质依靠重力或者吸液芯的毛细力返回到端部—热管的蒸发段，从而进入新一轮的蒸发—冷凝热力学循环，也就不断地将发热点的热量传递到散热点，使电极得到冷却。从而实现本发明的目的。
根据热管理论，当电极工作时，如果其端部水平高度低于其尾部的水平高度，该热管可以采用重力热管和重力辅助热管，热管的内腔可以不设置或少设置吸液芯。不然，则必须或全部设置吸液芯。
由于一般采用的点焊电极材料的软化温度在160℃以上(如Cu-ETF为160℃、CuCdI为250℃、CuZrNb为500℃、CuCrl为475℃、CuCrZr为550℃、CuCrZrNb为575℃、CuCo2Be为475℃、CuNi2Si为500℃、CuCo2CrSi为600℃等)，所以热管工质可以根据电极的温度高低采用常温下呈固态、液态或气态的介质。
为了使电极能够与其他零件(如夹持件、冷却附件等)进行良好的配合和连接，所以在电极的上部，即尾部(1)和主体(2)组合以后的上部外壁上，可以制有连接用的阳螺纹，也可以制成能与其他零件相配合和连接的锥体。
采用本发明将取得以下的效果1、只需要在电极的端部使用铜合金，而其它部位可以使用高强度、高硬度、价格低廉的材料，如紫铜、黄铜、钢等。从而节省价格昂贵的铜合金，降低成本。
2、热管传热的速度可达到铜的数十以至数千倍，传热速度快、发热点到散热点之间的传热距离短、温差大、而且散热点的温度比较稳定，从而使电极的冷却有保证。如采用氨作为热管工质，电极散热点温度在0～50℃；采用水，则在100～250℃；采用萘，则在150～400℃，等等。
3、冷却方式可以多样化、简单化。即可以借助于扩展电极的外表面(加装散热翅片)而采用自冷、强制性风冷或水冷。而且这样的水冷方式不需要复杂的辅助设备，也不怕结垢，也不易发生水渗漏。
4、由于热管技术的发展，热管的制造工艺已经成熟，质量也比较稳定。
5、特别适合于长而粗的电极。
下面将结合附图对本发明做进一步地说明。
图1是本发明中尾部为螺纹的标准电极(即直电极)的结构示意图(半剖视图)。
图2是本发明中尾部为锥体的标准电极(即直电极)的结构示意图(半剖视图)。
图3是本发明中尾部为锥体的普通弯电极的结构示意图(半剖视图)。
图4是图3中A-A截面的剖视图。
由
图1和图2可见，尾部(1)是一个金属制的圆板、主体(3)是一根金属管、端部(2)则用铜合金制成。当尾部(1)、端部(2)和主体(3)组合焊接后，组合体内就形成了一个空腔K，且该空腔K是一个密闭的、处于真空状态的空间，空腔K内装有热管工质(4)和吸液芯(5)。这样，按照热管理论，这种一个标准直电极的结构就是一个典型的直杆形热管。即这种标准直电极既是一支完整的电极，又是一支完整的热管。电极中的各部分与热管各部分一一相对应的关系是电极的尾部(1)是热管的上封头；电极的端部(2)是热管的下封头；电极的主体(3)是热管的管壳；电极的空腔K是热管的内腔；热管内腔内装有热管工质(4)和热管的吸液芯(5)。当该电极工作时，其端面发热—这就是热管的热源，热量传递到端部(2)—热管的蒸发段，使热管内的热管工质(4)吸热汽化，工质蒸汽通过热管的内腔通道迅速流向电极的其他部位—主体(3)和尾部(1)—热管的冷凝段，同时也把热量带到了这些地方，并在这里把热量散发出去——散热的方法可以是通过这些地方原有的外表面或者扩展的外表面(加装散热翅片)自冷、也可以附加强制性风冷或者水冷。失去热量的气态热管工质凝结成液体，这些液态的热管工质依靠重力或者吸液芯(5)的毛细力返回到端部—热管的蒸发段，从而进入新一轮的蒸发—冷凝热力学循环，也就不断地将发热点的热量传递到散热点，使电极得到冷却。
很明显，电极的散热冷却部位包括端部的外表面、主体和尾部。同时，按照热管的工作温度分布，从端部的上表面开始，一直到主体和尾部，它们的温度基本的相等的(热管的等温性)，也就是说，电极在传热时，仅仅只有端部上下表面这一段距离是通过金属的热传导进行传热，而其他则都是主要通过热管工质的相变传热，所以热传导的距离大大缩短，温度梯度大大提高，对电极的散热冷却极为有利。这也就是为什么仅仅只需要在端部采用铜合金，而可以在其他部位采用其他金属的原因。
按照电极与其他零件(如夹持件、冷却附件等)进行配合和连接的一般方式，在电极的上部，即尾部(1)和主体(3)组合以后的上部外壁上，可以制有连接用的阳螺纹(
图1)，也可以制成能与其他零件相配合和连接的锥体(图2)。从电极传统连接方式看，采用锥体的比较普遍，而从热管传热的角度看，采用螺纹连接的方式应该更好一些。因为采用螺纹连接的方式来连接冷却附件时，两者之间的接触面积比较大而且紧密，有利于传热。
在大多数情况下，电极在工作时，电极的安装方式是尾部在上、端部在下，即发热的端部比散热的尾部要低。很少出现位置一样高和端部比尾部高的情况。根据热管理论，当电极工作时，如果其发热的端部(热管的热源)的水平高度低于其散热的尾部(热管的热汇)的水平高度，则该热管可以采用重力热管和重力辅助热管，热管的内腔可以不设置或少设置吸液芯。这样的热管成本低、传热性能好、易于制造。不然，则必须或全部设置吸液芯。
对于本电极所采用的材料，由于一般采用的点焊电极材料的软化温度在160℃以上(如Cu-ETF为160℃、CuCdI为250℃、CuZrNb为500℃、CuCrl为475℃、CuCrZr为550℃、CuCrZrNb为575℃、CuCo2Be为475℃、CuNi2Si为500℃、CuCo2CrSi为600℃等)，所以热管工质可以根据电极的温度高低采用常温下呈固态、液态或气态的介质。
例如Cu-ETF紫铜的软化温度为160℃，它的价格比较低，如果电极的端部采用它，则可以大大降低成本，这时候，热管工质应该采用低沸点介质，如氨、丙酮、甲醇，把热管的蒸发段温度定在50℃左右，最高不超过100℃。如果要采用水作为热管工质，则有可能会使蒸发段的温度达到150～250℃，对于这种情况，只有在热管的冷凝段进行强制水冷却，才有可能使蒸发段的温度保持在100℃左右。当然，如果采用了其他铜合金材料，由于它们的软化温度都在250℃以上，所以这里可以采用水作为热管的工质。同时，由于材料的软化温度越高则价格越贵，再说，电极的温度应该是越低越好，温度越低则材料的强度和硬度也就越高。所以在实际应用中，热管式电极一般不采用的常温下呈固态的热管工质(如钠、钾等)，尽管它们的传热系数特别高，但是他们的启动温度和正常工作温度也都相当高，不利于使电极保持在比较低的温度下工作。
为了节省价格比较昂贵的铜合金，在本热管式电极中，只需要在电极的端部采用铜合金，其他部位可以采用高强度、高硬度、价格低廉的材料，如紫铜、黄铜、钢等。从而节省价格昂贵的铜合金，降低成本。
图3和图4是一种热管式弯形电极的示意图，它的结构比较复杂，特别是其热管的内腔形状复杂，在制造中需要分几段进行加工，然后一部分一部分地组合。但是其工作原理与直电极是一样的。说明本发明不但适用于标准直电极，也适用于其他特殊点焊电极。
由于热管的传热方式是相变传热，传热速度极快，所以电极的长度对传热的影响极小，反而随着电极长度的增大，其散热面积增大，并有利于在距离电极端部接触面较远的地方附加冷却装置。这就意味着它特别适合应用于长电极。同时，根据热管理论，其传热量与它的内腔蒸汽通道的横截面面积成正比，所以它也特别适合应用于直径较大的粗电极。
权利要求1.一种热管式点焊电极，由尾部(1)、端部(2)、主体(3)组成，其特征在于主体(3)是一根金属管，它与尾部(1)、端部(2)组合焊接后，形成一个空腔K，且该空腔K是一个密闭的、处于真空状态的空间，空腔K内装有热管工质(4)和吸液芯(5)。
2.根据权利要求1所说的电极，其特征在于所说的吸液芯(5)可以设置在空腔K全部内壁上，也可以设置在空腔K的部分内壁上。
3.根据权利要求1所说的电极，其特征在于所说的热管工质(4)可以根据电极的温度高低采用常温下呈固态、液态或气态的介质。
4.根据权利要求1所说的电极，其特征在于所说的尾部(1)和主体(3)组合以后的上部的外壁可以制有连接用的螺纹(6)，也可以制成能与其他零件相配合和连接的锥体。
专利摘要一种热管式点焊电极,由尾部、端部、主体组成,其特征是:主体是一根金属管,它与尾部、端部组合后,形成一个密闭的、处于真空状态的空腔,空腔内装有热管工质和吸液芯。按照热管理论,该电极就是一支完整的热管。当电极工作时,其端部发热而成为热管的热源和蒸发段,其他就是热管的冷凝段,就能够按照热管的原理进行热传递,从而使电极得到冷却。其尾部可加装散热片自冷、风冷或水冷。本电极节省铜合金、冷却可靠、工作温度稳定。
文档编号B23K35/02GK2501627SQ0126672
公开日2002年7月24日 申请日期2001年10月30日 优先权日2001年10月30日
发明者朱丹平 申请人:朱丹平