汽車用鋁合金薄板Delta電阻點(diǎn)焊工藝研究

穆春艷 王蕾

長春汽車工業(yè)高等專科學(xué)校 吉林省長春市 130013

1 課題背景及意義

在現(xiàn)代汽車工業(yè)生產(chǎn)中，實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的途徑主要有三個(gè)方向：（1）采用新型的輕量化材料；（2）優(yōu)化設(shè)計(jì)汽車的結(jié)構(gòu)和形狀；（3）應(yīng)用先進(jìn)的加工技術(shù)，其中鋁合金突出的性能和優(yōu)勢(shì)使其成為汽車輕量化的首選材料。

圖1 鋁合金輕量化車身及點(diǎn)焊應(yīng)用

點(diǎn)焊在汽車用焊接技術(shù)中是主要的方法，可算是汽車生產(chǎn)中的主要焊接工藝。這種方法不僅質(zhì)量可靠，效率高同時(shí)還容易利用大量機(jī)器人來進(jìn)行焊接。但是，由于鋁合金材料與碳鋼材料的不同，使得鋁合金點(diǎn)焊在汽車制造中的運(yùn)用受到了限制。據(jù)了解目前鋁合金汽車單獨(dú)采用電阻點(diǎn)焊的不多，基本采用氣保焊，激光焊，等連接工藝。

2 鋁合金點(diǎn)焊所存在的問題及現(xiàn)狀研究

2.1 所存在的問題

2.1.1 鋁合金點(diǎn)焊焊點(diǎn)質(zhì)量不穩(wěn)定的四個(gè)方面

（1）噴濺與飛濺嚴(yán)重。如圖2所示熔核噴濺和表面飛濺。

（2）焊點(diǎn)表面質(zhì)量不好；（3）熔核內(nèi)部易產(chǎn)生缺陷；（4）熔核尺寸變化大。

圖2 熔核噴濺和表面飛濺缺陷

2.1.2 電極嚴(yán)重?zé)龘p，壽命變短

由于鋁合金點(diǎn)焊時(shí)電極的嚴(yán)重?zé)龘p，導(dǎo)致65壽命很短，如圖3所示。

圖3 電極表面的粘接和燒損情況

電極燒損根本原因就是電極表面銅鋁合金化反應(yīng)，而反應(yīng)時(shí)間對(duì)合金化反應(yīng)程度的影響又很大；合金化反應(yīng)的條件一是成分二是溫度。

2.1.3 沒有可靠的焊接質(zhì)量控制手段

鋁合金點(diǎn)焊的質(zhì)量問題要比低碳鋼復(fù)雜得多，主要是鋁合金材料的電阻率低，阻溫系數(shù)也較小。因此點(diǎn)焊低碳鋼時(shí)保證質(zhì)量的各種手段并不適合鋁合金材料，特別是焊點(diǎn)表面成形質(zhì)量差和工件電極的粘連問題更是沒有好的辦法。

2.2 問題的研究

隨著鋁合金材料的廣泛應(yīng)用，很多專家做了大量的研究工作，具體如下所述：

（1）通過把鋁合金點(diǎn)焊的焊接性能和電極壽命試驗(yàn)，提出：為了加速熔核形成，在鋁合金的兩面鍍不同厚度的鉻酸鹽層，使它與電極的接觸電阻相對(duì)較小，不但保證了接頭的性能，還提高電極的使用壽命。

單因素試驗(yàn)就是在其中2個(gè)因素固定的前提下來改變第3個(gè)因素而進(jìn)行的播種試驗(yàn)。在試驗(yàn)中為了減小試驗(yàn)誤差，對(duì)于每個(gè)水平播種3盤，統(tǒng)計(jì)出總的空穴穴數(shù)、單粒穴數(shù)和重播穴數(shù)，計(jì)算空穴率、單粒率和重播率，利用空穴率、單粒率和重播率3個(gè)指標(biāo)對(duì)各個(gè)因素對(duì)排種器性能的影響進(jìn)行對(duì)比。

（2）通過點(diǎn)焊熔核孕育處理理論與方法的研究結(jié)果表明，孕育處理不僅提高點(diǎn)焊接頭力學(xué)性能，特別是疲勞強(qiáng)度。對(duì)點(diǎn)焊的質(zhì)量控制問題提供了有效的理論基礎(chǔ)和依據(jù)。

（3）用數(shù)值模擬法模擬鋁合金點(diǎn)焊過程的熱—電—力學(xué)過程，分析電極頭與鋁板接觸上的瞬時(shí)溫度分布，得出熔核尺寸及接觸面積隨時(shí)間的變化規(guī)律、電極表面壓力及溫度的變化規(guī)律以及焊接區(qū)的等效塑性應(yīng)變及殘余應(yīng)力分布，并預(yù)測(cè)點(diǎn)焊熔核的生長、電極磨損和裂紋形成情況等。

3 本文要研究的內(nèi)容和方案如下

隨著鋁合金在汽車生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，研究鋁合金點(diǎn)焊工藝問題是為了生產(chǎn)運(yùn)中可靠應(yīng)用的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，根據(jù)目前大多鋁合金電阻點(diǎn)焊領(lǐng)域科學(xué)研究的結(jié)果，確定了本文的研究目的，方法和內(nèi)容。

本文在同行業(yè)專家研究的基礎(chǔ)上，為了提高鋁合金點(diǎn)焊的接頭強(qiáng)度，使用金屬電極帶輔助點(diǎn)焊改變焊接區(qū)的溫度場(chǎng)從而改善焊接接頭表面的接頭質(zhì)量。分析了鋁合金電阻點(diǎn)焊的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了不同工藝參數(shù)對(duì)鋁合金點(diǎn)焊質(zhì)量的影響，進(jìn)行試驗(yàn)和分析，從而獲得最佳焊接工藝參數(shù)，完成鋁合金電阻點(diǎn)焊的焊接工藝設(shè)計(jì)。 為了能更確切地解決鋁合金焊接性問題，我們認(rèn)為與碳鋼點(diǎn)焊工藝對(duì)比，研究焊接參數(shù)及改變溫度場(chǎng)對(duì)于鋁合金點(diǎn)焊接頭的質(zhì)量和性能的影響更有意義。

4 鋁合金點(diǎn)焊試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及其分析結(jié)果

4.1 實(shí)驗(yàn)材料與采用的設(shè)備

4.1.1 實(shí)驗(yàn)材料

試驗(yàn)所采用鋁合金材料為厚度為1.5mm的5083鋁合金。其所含的化學(xué)成分見下表1：

4.1.2 試驗(yàn)設(shè)備

本項(xiàng)目焊接設(shè)備為奧地利福尼斯公司生產(chǎn)的固定式C300Delta電阻點(diǎn)焊機(jī)，圖4為點(diǎn)焊機(jī)外觀與電極形貌。

圖4 Delta電阻點(diǎn)焊設(shè)備

4.2 試驗(yàn)的方法

鋁合金電阻點(diǎn)焊接頭常溫抗剪試驗(yàn)按照GB/T 2651-1989標(biāo)準(zhǔn)制備，試樣加工成100 mm×25mm×1.5mm的尺寸，點(diǎn)焊接頭采用搭接形式。焊接試驗(yàn)前，鋁合金試樣表面首先利用角磨機(jī)打磨以去除表面的氧化膜，然后在酒精中進(jìn)行清洗去除雜質(zhì)。

本研究通過對(duì)焊點(diǎn)熔核尺寸大小和焊點(diǎn)表面壓痕深度的測(cè)量和分析，來選出合適于試驗(yàn)鋁合金板的點(diǎn)焊參數(shù)范圍，從而進(jìn)行鋁合金板的點(diǎn)焊工藝參數(shù)優(yōu)化試。之后再對(duì)點(diǎn)焊接頭進(jìn)行金相分析，拉伸試驗(yàn)來檢驗(yàn)和選取工藝參數(shù)的范圍。

4.3 實(shí)驗(yàn)的參數(shù)

點(diǎn)焊工藝參數(shù)的選擇主要根據(jù)金屬材料自身的性質(zhì)、板料厚度和點(diǎn)焊設(shè)備的特點(diǎn)。本試驗(yàn)用的Delta直流電阻點(diǎn)焊機(jī)，主要的參數(shù)有：焊接電流、焊接時(shí)間、電極壓力等。通過對(duì)試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行分析后，明確了對(duì)熔核質(zhì)量影響最大的參數(shù)是焊接電流，因此該實(shí)驗(yàn)選取了該厚度板，采用搭接接頭的5組工藝參數(shù)如下表2所示。

表2 點(diǎn)焊工藝參數(shù)表

4.4 試驗(yàn)結(jié)果

4.4.1 試件宏觀照片如圖5

從試件的焊接過程和宏觀形貌中可見，在合適的焊接參數(shù)下，可保證焊接鋁合金的過程無飛濺，提高了焊接質(zhì)量，減少了能量損失。

圖5 焊件宏觀照片

4.4.2 試件熔核外觀形貌，如圖6

4.4.3 試件拉剪力

試件進(jìn)行拉剪試驗(yàn)，拉剪力在電流為21KA時(shí)，達(dá)到最好，此時(shí)熔核直徑也較大。大量實(shí)驗(yàn)研究表明，焊接接頭強(qiáng)度與熔核直徑成正比，熔核尺寸的增加，使接頭拉剪力也隨之增加，隨著電流增大時(shí)，焊件加熱增快，但焊接電流過大時(shí)加熱程度過大，熔核擴(kuò)展的速度會(huì)超過塑性環(huán)擴(kuò)展的速度，這樣就會(huì)導(dǎo)致熔核內(nèi)部的液態(tài)金屬在電極壓力作用下擠出焊接區(qū)域而形成飛濺，使形成的焊點(diǎn)強(qiáng)度有所降低，焊件的拉剪力也會(huì)隨之下降。

圖6 試件熔核外觀形貌

表1 5083鋁合金的化學(xué)成分

4.4.4 破壞形式（圖7）

圖7 試件撕裂形貌

對(duì)焊件進(jìn)行破壞性試驗(yàn)，焊件呈紐扣斷裂形式，說明兩個(gè)試件已經(jīng)完全熔合。

4.4.5 電極形貌

由于點(diǎn)焊過程中使用的Delta帶極電阻點(diǎn)焊機(jī)，本設(shè)備特有金屬工藝帶既能保證焊接時(shí)提供足夠的熱輸入，又能對(duì)電極與焊點(diǎn)起到保護(hù)作用，圖8，9對(duì)比了在使用電極工藝帶后電極形貌的對(duì)比，傳統(tǒng)點(diǎn)焊對(duì)于鋁合金焊接幾十點(diǎn)后就需要處理電極，而Delta帶極電阻點(diǎn)焊焊接過程中在參數(shù)合理的情況下，幾乎實(shí)現(xiàn)了零飛濺，不僅節(jié)省了電能，而且充分保證了焊接質(zhì)量，提高了焊接效率，為鋁合金點(diǎn)焊能夠在汽車行業(yè)中使用提供了可靠保障。

圖8 加電極工藝帶焊接200點(diǎn)后電極形貌

圖9 無工藝帶焊接20點(diǎn)后電極形貌

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

（1）通過Delta帶極電阻點(diǎn)焊機(jī)可以完成鋁合金薄板焊接，各項(xiàng)性能基本滿足要求，焊接質(zhì)量良好。

（2）大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明，焊接過程中的主要影響參數(shù)為焊接電流，當(dāng)焊接電流為20-21KA時(shí)，可獲得較好的熔核直徑和拉剪力。

（3）通過Delta帶極電阻點(diǎn)焊機(jī)的使用，既能保證焊接時(shí)提供足夠的熱輸入，增加了電極使用壽命，對(duì)焊點(diǎn)起到保護(hù)作用，同時(shí)提高了生產(chǎn)效率。

（4）本文在重點(diǎn)研究了焊接電流對(duì)焊接過程中的影響，基本可以保證汽車用薄板鋁合金的焊接質(zhì)量，為了提高焊接工藝，后續(xù)擬定對(duì)焊接時(shí)間，焊接壓力等參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步分析，逐步完善薄板鋁合金的點(diǎn)焊工藝。