輕量化汽車電阻點焊技術(shù)的研究與應(yīng)用

劉磊　縱榮榮　李樂樂　王洪瑋　齊樂

摘 要：電阻點焊因其低成本、較高的生產(chǎn)效率、簡便的操作以及自動化程度高等優(yōu)點一直成為汽車車身的主要連接方式。與此同時，汽車燃油經(jīng)濟性的需求不斷提高，推動了鋁合金取代鋼板在汽車上的使用。因此，鋁合金電阻點焊技術(shù)也受到了越來越多的關(guān)注。本文詳細介紹了鋁合金電阻點焊的特點，焊點質(zhì)量影響因素，以及鋁合金點焊的工藝參數(shù)、點焊機的升級和電極延壽技術(shù)等方面的研究進展，最后介紹了兩種新型點焊技術(shù)在輕量化汽車上的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：鋁合金；電阻點焊；電極；表面狀態(tài) 焊點質(zhì)量

1 前言

汽車輕量化是解決能源與環(huán)境問題的重要途徑之一。據(jù)統(tǒng)計，汽車重量每減輕1%，可節(jié)省燃料消耗0.6%～1.0%；汽車每減重100kg，CO2排放量可減少5g/km[1]。實現(xiàn)汽車輕量化的有效途徑之一是鋁、鎂及其合金等輕質(zhì)高強材料的推廣應(yīng)用。傳統(tǒng)的車身以鋼為主，主要連接方式是電阻點焊，每個車身的焊點可達6000個[2]，但是，隨著鋁合金在汽車車身應(yīng)用比例的提高，采用傳統(tǒng)的電阻點焊技術(shù)極易產(chǎn)生焊縫內(nèi)部的缺陷，例如氣孔、縮孔、裂紋等[3]。本文主要通過分析鋁合金采用傳統(tǒng)電阻點焊存在的問題，進一步介紹輕量化汽車電阻點焊研究趨勢以及目前在車身的應(yīng)用情況。

2 輕量化汽車傳統(tǒng)電阻點焊遇到的挑戰(zhàn)

2.1 鋁合金電阻點焊特點

電阻點焊依靠電阻熱形成焊核，但鋁合金電阻率較低且導熱性和熱傳導性較好，所以在焊接時，需要采用大電流、短時間的硬規(guī)范，一般來說，點焊鋁合金的焊接電流大約為低碳鋼的2～3倍，焊接時間卻只有低碳鋼的1/3～1/2[4，5]。在這種情況下，既對點焊機提出了新的要求，也會使得鋁合金塑性溫度區(qū)間變窄，極易產(chǎn)生縮孔等焊接缺陷。

此外，鋁合金表面存在一層致密的氧化膜，熔點高達2000℃，該致密的氧化膜在電阻點焊時，如果不加處理，導致接觸電阻增大，產(chǎn)生較大焊接飛濺，加之焊接所采用的硬規(guī)范，直接加劇了電極與工件之間的銅鋁合金化，造成了電極的燒損，在連續(xù)點焊的情況下，焊接質(zhì)量出現(xiàn)波動[6，7]。

2.2 鋁合金電阻點焊質(zhì)量影響因素

鋁合金由于其自身特殊的物理特性，導致焊接過程中容易出現(xiàn)一系列質(zhì)量問題。除了選擇合理的工藝參數(shù)，還應(yīng)該從以下兩個方面進行控制，以保證工業(yè)中，連續(xù)點焊質(zhì)量的穩(wěn)定性。

2.2.1 焊前表面的處理

鋁合金點焊質(zhì)量的一致性與電極和工件之間的接觸電阻有很大的關(guān)系，為了保證穩(wěn)定的焊接質(zhì)量，要降低電極和工件表面的接觸電阻。汽車板材表面氧化層的出現(xiàn)，會大大增加焊接過程中的接觸電阻，因此要對其進行預(yù)處理，充分的去除表面氧化層[7]。目前常用的是化學處理，脫脂處理、以及脈沖電流清理。其中，化學處理鋁合金表面氧化層可以提供最長的電極壽命[8，9]。但是，有研究指出，化學處理表面具有不穩(wěn)定性，會造成工件的變形、耐蝕性降低等問題，這些問題導致化學處理鋁合金不能大批量的在汽車點焊中使用[10]。因此，為了避免化學處理帶來的后續(xù)問題，有人提出在焊接程序中增加預(yù)熱電流和預(yù)熱時間來降低工件與電極以及工件與工件之間的接觸電阻，增大焊點熔核直徑，提高焊接的可重復(fù)性。結(jié)果表明：通過預(yù)熱處理的焊點峰值載荷和焊點熔核直徑均增加了33%，進而提高了焊點強度，改善了焊接質(zhì)量[11]。

2.2.2 減少電極燒損

電極的失效通常有磨損、點蝕、塑性變形、合金化等幾種形式[12]。大量研究資料表明，鋁合金點焊電極的失效主要是由電極端頭與工件之間的點蝕和銅鋁合金化導致的。點蝕與電極端頭的應(yīng)力集中和電流的邊緣效應(yīng)有關(guān)，會導致電極的磨損和電極端頭直徑的變大；銅鋁合金化與電極和鋁合金材料之間原子的轉(zhuǎn)移擴散有關(guān)，會直接影響接觸電阻的分布。這些失效形式造成了電極性能的變化，嚴重影響焊點質(zhì)量[13～16]。

于匯泳等[17]人在只考慮焊點強度的情況下，將鋁合金電極的燒損分為初始燒損、平穩(wěn)燒損、快速失效三個階段。而程方杰等[18]人認為，鋁合金的電極燒損與鋁合金表面清理狀態(tài)有關(guān)，在進行酸洗處理的情況下，電極端面黏著一層均勻的合金組織，表面較光滑，電極的燒損呈均勻燒損狀態(tài)；而其它表面處理狀態(tài)下，鋁合金連續(xù)點焊電極端面凹凸不平，電極邊緣呈放射狀分布的凹溝，對應(yīng)的焊點表面也會造成凹凸不平，嚴重的情況下出現(xiàn)大的飛濺和燒穿。

因此，在鋁合金點焊的過程中，對工件表面氧化膜做及時清理的同時，還要不斷的修磨電極，保證電極端面的狀態(tài)。

3 輕量化汽車電阻點焊研究趨勢

針對目前輕量化車身鋁合金點焊存在的焊接工藝窗口窄、電極燒損嚴重、焊點強度波動大等問題，主要從以下幾個方面展開研究。

（1）嚴格控制工藝參數(shù)，通過電極壽命預(yù)測或電極頭磨損監(jiān)測來穩(wěn)定焊接質(zhì)量；

（2）提高點焊機的電源頻率，優(yōu)化電流輸出形式，以提高焊點強度，延長電極壽命；

（3）改善電極端面與工件的接觸狀態(tài)，對電極頭進行強化和延壽處理。

3.1 工藝參數(shù)控制

鋁合金點焊的焊接質(zhì)量與其工藝參數(shù)、電極的磨損、電極頭端面形貌等有關(guān)。張冬冬[19]以大量試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立抗拉剪載荷、熔核直徑與工藝參數(shù)之間的數(shù)學模型，實現(xiàn)對熔核直徑的預(yù)測。而王璐等[20]人，基于電極端面直徑隨焊點數(shù)增加的變化規(guī)律，采用數(shù)值模擬的方法，得出臨界熔核直徑對應(yīng)的臨界電極端面直徑和連續(xù)點焊可焊點數(shù)，從而預(yù)測電極壽命。隨著傳感器和圖像信息技術(shù)的提高，眾多研究者開始將電極的磨損、焊點表面的形貌、壓痕深度變化作為監(jiān)測對象或者信息源，實現(xiàn)電極狀態(tài)的在線監(jiān)控，從而提高焊接質(zhì)量[21～23]。

3.2 點焊機的升級

對于傳統(tǒng)的車身材料來說，采用工頻焊機即可完成點焊工作，但對于鋁合金點焊來說，需要依靠中頻甚至高頻逆變電阻點焊機增大焊接工藝參數(shù)的選擇范圍[24]。對于中頻逆變點焊機來說，二次電流輸出能力更強，電流波形平直，峰值電流和焊接時間減小，非常適合鋁合金等有色金屬的焊接。但目前，國內(nèi)外逆變點焊電源的開關(guān)頻率最高一般不超過8KHz[25]。這就需要研究人員打破次級整流二極管di/dt的限制，進一步提高逆變電阻點焊電源的頻率[26]。此外，電流的波形對于鋁合金點焊也有很大的影響，采用單脈沖可以獲得較強的焊點強度以及較長的電極壽命[27，28]。

3.3 電極延壽技術(shù)

鋁合金點焊電極失效主要與電極端面特性以及鋁合金表面狀態(tài)有關(guān)，因此主要從以下幾個方面來改善電極的燒損情況。

3.3.1 電極表面強化技術(shù)

在實際生產(chǎn)中，鋁合金點焊電極通常用Cu-Cr-Zr電極。相比傳統(tǒng)的電阻點焊采用的紫銅電極，加入鉻、鋯等元素合金化后的銅電極壽命可以提高5倍[4]。另外，對于同等材料的電極使用不同的強化處理方法，可以進一步提高其電極特性[29]。目前常用的表面強化技術(shù)有電火花沉積、離子注入、物理氣相沉積、化學熱處理等，利用這些表面強化處理技術(shù)可以在電極基體形成有效的復(fù)合涂層，提高電極端部的表面強度和硬度。于匯泳等[30]人在鋁合金點焊電極表面原位生成 Cu-TiB2復(fù)合涂層，TiB2在基體中的彌散分布，阻礙了鋁合金和電極的直接接觸，減少了電極端面的塑性變形和銅鋁合金的交互作用，從而延長了電極的使用壽命。鄒家生等[31]人利用電火花沉積的方法在普通鉻鋯銅電極表面沉積鎳和金屬陶瓷涂層，使得涂層電極壽命較普通電極提高了2.5倍。

3.3.2 深冷處理技術(shù)

深冷處理技術(shù)可以提高電極基體的致密性，改變元素的分布和晶粒的擇優(yōu)取向，從而提高電極的導電、導熱性能，降低銅合金電極與鋁合金工件的合金化傾向[32，33]。蔣俊亮[34]系統(tǒng)化研究了深冷時間、深冷溫度、深冷次數(shù)對Cu-Cr-Zr合金點焊電極的電阻率以及強硬度的變化規(guī)律，深冷處理使Cu-Cr-Zr點焊電極的使用壽命提高了200 多點；侯東健[35]在此基礎(chǔ)上，又研究了冷熱復(fù)合處理技術(shù)，即對Cu-Cr-Zr合金進行深冷+時效處理，研究表明，深冷處理+時效處理可以進一步改善Cu-Cr-Zr合金的性能，因為深冷處理后，合金內(nèi)部出現(xiàn)更多的位錯等晶格缺陷，為隨后的時效提供了更多的形核位置，析出相分布更加彌散。

3.3.3 其它延壽技術(shù)

為了避免電極與鋁合金的直接接觸，一些金屬加工潤滑劑可以延長電極的使用壽命，直接降低電極與工件的合金化效應(yīng)[36]。李青松等[37]人指出，在鋁合金板材表面涂覆有機油和碳化硼等溶液，可以有效減弱電極的銅鋁合金化、減輕電極的塑性變形和磨損，從而改善鋁合金點焊質(zhì)量。

4 新型電阻點焊技術(shù)在輕量化汽車中的應(yīng)用

面對鋁合金點焊難點，目前主機廠及設(shè)備廠主要通過兩個方面去改進：一是提升電阻點焊機的頻率，控制電流輸出波形；二是，阻礙板材與電極的接觸，避免電極過快失效。在實際應(yīng)用中，主要有多環(huán)圓頂電極電阻點焊和Delta spot點焊兩種新型電阻點焊技術(shù)。

4.1 多環(huán)圓頂電極電阻點焊

多環(huán)圓頂電極電阻點焊，是指電極帽表面設(shè)計為幾個凸起的同心圓環(huán)，如圖1所示，此技術(shù)為通用的專利技術(shù)。這種多環(huán)圓頂電極頭可在鋁材表面產(chǎn)生不同的應(yīng)力區(qū)，將鋁合金表面氧化膜擠壓到圓環(huán)附近，從而改善氧化膜的不均勻分布，以改善與電極頭的接觸情況；通過環(huán)形觸點與合金形成導電，獲得分布均勻的電流，有利于焊接質(zhì)量的提高；增大了材料與電極間的接觸面積，使產(chǎn)熱減小，可提高電極壽命。與此同時，還可以采用不同的焊接時間和規(guī)范進一步改善熔核產(chǎn)生缺陷的位置以提高焊點的機械性能[38～42]。但在鋁合金點焊實際生產(chǎn)時，因為電極頭的形貌的不同，需配備相應(yīng)的四刀片修磨器修出表面環(huán)狀，相比傳統(tǒng)電極6個點左右修磨一次來說，多環(huán)圓頂電極修磨周期擴大了5倍，約40～50點/次。該技術(shù)已經(jīng)被用于凱迪拉克CT6的制造中。

4.2 Delta spot點焊

Delta spot是在電極和工件之間增加一條全新電極帶，避免了電極與工件的直接接觸，每個點焊后，電極帶自動移動到下一位置，保證了電極表面的清潔狀態(tài)，避免了鋁合金點焊過程中與電極相互擴散和粘附，保證每個焊點都有高質(zhì)量的焊接工況[43]。此外，該技術(shù)可以通過調(diào)整鋼帶的電阻，實現(xiàn)異種金屬或者不同厚度板材的良好焊接。該技術(shù)是Fronius公司提出的，如圖2所示，目前已應(yīng)用于特斯拉的生產(chǎn)中。這種方法雖然節(jié)省了電極頭的過快消耗，但是卻帶來了鋼帶的消耗。

5 結(jié)語

盡管目前可以采用自沖鉚接來進行鋁合金的連接，但是關(guān)鍵工藝參數(shù)（如鉚釘和模具幾何形狀）在生產(chǎn)過程中無法靈活選用，限制了自沖鉚工藝的靈活性，此外，鉚釘?shù)氖褂迷黾恿酥亓亢拖喈敶蟮膯挝怀杀荆瑫r也帶來了一系列的回收問題。因此，使用電阻點焊進行批量生產(chǎn)的需求仍然存在。如何對鋁合金實現(xiàn)高效、低成本、高質(zhì)量的連接在未來很長一段時間仍然會成為研究熱點。而要實現(xiàn)鋁合金穩(wěn)定高質(zhì)量的連接，就需要克服兩個最不利的因素：鋁合金表面的氧化膜和電極燒損。

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