隔熱罩三層鍍鋁鋼板電阻點焊工藝參數實驗

李 艷，王皓軒，吳冠文，王日堯，周曉虎

（1.廣州三五汽車部件有限公司，廣東廣州511455；2.廣東工業大學機電工程學院，廣東廣州510006）

隔熱罩三層鍍鋁鋼板電阻點焊工藝參數實驗

李 艷1，王皓軒1，吳冠文1，王日堯1，周曉虎2

（1.廣州三五汽車部件有限公司，廣東廣州511455；2.廣東工業大學機電工程學院，廣東廣州510006）

以確定汽車發動機隔熱罩三層鍍鋁鋼板電阻點焊良品工藝參數為目的，采用電阻點焊產品外部品質（目視）和內部品質（宏觀金相檢驗）的判定標準，以厚度組合為0.5 mm×0.5 mm×1.0 mm的鍍鋁鋼板為研究對象，針對焊接電流、焊接時間對點焊品質的影響規律進行實驗研究，并確定了一組三層鍍鋁鋼板的電阻點焊良品工藝參數。實驗結果表明，在采用CuCr型電極材料的條件下，具體良品工藝參數為：焊接電流7.5 kA，焊接時間16周波0.32 s，電極壓力1.7 kN，電極交換點數104點。為相關理論分析和數值模擬提供了可靠的基礎實驗數據。

三層鍍鋁鋼板；電阻點焊；工藝參數；隔熱罩

0 前言

在焊接技術領域，電阻點焊作為重要分支，占據了世界焊接總量的三分之一。在汽車制造產業中，汽車車身、表面薄板等零部件的點焊又占據總焊接數的95%以上[1]。鍍層鋼板（如鍍鋅鋼板、鍍鋁鋼板）因具有良好的抗腐蝕性，在汽車產業中不斷得到推廣使用[2]。對于汽車發動機隔熱罩，要求其質量輕、抗腐蝕、隔熱效果好，其中隔熱效果尤為重要，三層鍍鋁鋼板既能滿足車身輕量化又能達到較好的隔熱效果，非常適合應用在發動機隔熱罩上，其加工工藝多采用電阻點焊工藝，但存在以下兩方面的困難：（1）熔核形成較無鍍層鋼板困難，鍍鋁層因熔點低、導電好、易破壞、散熱快等特點[3]，焊接時鍍鋁層先熔化，導電面積增大；熔化后的鍍鋁層與銅電極端面粘結，形成導熱性差的新合金，使得點焊接觸電阻變大、通過的電流密度小、熔核直徑不夠以及熔核高度較淺[4]，最終導致產品強度不夠。（2）三層鋼板點焊相比二層鋼板點焊更易產生飛濺[1]，這是因為三層鋼板比二層鋼板多了一層間隙，該間隙容易導致點焊過程中產生較嚴重的飛濺現象，進而導致焊接品質不穩定。

當只考慮焊接電流這一點焊參數條件時，增大電流更有助熔核的形成，與更容易產生飛濺相矛盾。為此，在保證產品質量兼顧兩方面困難的基礎上，如何合理地選擇點焊工藝參數顯得尤為重要。目前針對三層鍍鋁鋼板點焊工藝方面的研究較少，尤其是實驗方面的數據相對缺乏。在此以厚度分別為0.5 mm、0.5 mm和1.0 mm的鍍鋁鋼板為研究對象，開展點焊工藝優化試驗，確定可用于汽車發動機隔熱罩三層鍍鋁鋼板產品量產的最佳點焊工藝參數，研究工藝參數對點焊品質的影響規律。

1 實驗方法

1.1 點焊工藝良品參數確定

點焊工藝研究分為工藝實驗法和模擬分析法。由于三層板連接的復雜性（厚度變化和層數變化），研究良品工藝參數非常困難，最常用的方法是實驗法[1]。本研究確定隔熱罩點焊工藝良品參數的實驗流程如圖1所示。

圖1 點焊工藝良品參數確定流程

步驟③根據產品材質和板厚結合現場點焊經驗初步確定鍍鋁鋼板用的基礎工藝參數：焊接電流，焊接時間、電極壓力。步驟④品質判斷標準：對其結果通過目視進行外部品質判定，通過宏觀金相檢驗進行內部品質判定。步驟⑥確認良品工藝參數后使用同一電極進行大量試做直到出現品質不合格。因為點焊時電極的狀態變化，會引起焊接過程中動態電阻的突變，當該電阻突變后，點焊焊點均不合格[5]。通過試做找到突變時對應的電極點數，一方面可以抽檢確認突變前品質穩定性，另一方面可以確認電極交換頻度，保證焊接質量，得出良品參數。

1.2 點焊品質判定標準

隔熱罩三層鍍鋁鋼板點焊品質的判定標準主要從外部品質和內部品質兩方面進行。外部品質判定標準：點焊過程中無明顯焊渣飛濺現象，焊接部無開裂和凹坑。內部品質判定標準：在宏觀金相試樣上用顯微鏡測定焊點熔核直徑和熔核單側高度，通過熔核直徑（d）和焊透率（A）判定點焊質量。一般結構的薄鋼板（δ＜4 mm），其焊點熔核直徑規格標準應滿足式（1）；焊透率規格應滿足20%≤A≤80%，其具體計算見式（2）

式中d為熔核直徑（單位：mm）；δ為多層板中最薄板厚（單位：mm）。

式中A為焊透率（單位：%）；H為熔核單側高度（單位：mm）；δ為實測板厚（單位：mm）。

不同材料或不同板厚的點焊，焊透率的要求不同，過大或者過小都會影響點焊性能[6]。此處只需保證焊點強度，選擇下限，實驗中根據板厚確定焊透率的規格標準為A≥20%。宏觀金相試樣的熔核直徑尺寸示意如圖2所示。

圖2 三層板點焊形成的熔核結構示意

2 實驗材料和設備

2.1 實驗材料

實驗用鋼板代號為A，B，C，材質均為熱鍍鋁鋼板，其中A型板厚為1.0 mm，B型和C型板厚為0.5 mm，各型號原鋼板化學成分如表1所示。熱鍍鋁鋼板的鍍層附著量及力學性能如表2所示。

表1 原鋼板的板厚及成分質量含量

表2 熱鍍鋁鋼板鍍層附著量及力學性能

需要指出的是，B型鋼板和C型鋼板通過沖壓工藝貼合形成一個沖壓品整體D，如圖3所示。點焊工藝流程中，A型鋼板和沖壓品D通過電阻點焊形成一個組裝品E，如圖4所示。

圖3 沖壓品D

圖4 組裝品E

電阻點焊工藝4個焊點的位置和點焊順序如圖5所示。A、B、C型鋼板點焊搭接示意如圖6所示。由于鍍鋁層的導電導熱性好，需要較大的焊接電流，應采用導電性適中且硬度較高的電極進行點焊。硬銅合金的球面電極滿足此類條件，廣泛應用于鍍鋁鋼板點焊[6]。本實驗采用電極材料為CuCr，球面半徑8 mm，點焊上下電極型號一樣，如圖7所示。

圖5 點焊順序

圖6 點焊鋼板搭接

圖7 點焊用電極

2.2 實驗設備及流程方案

實驗設備及流程方案如圖8所示。實驗內容由兩部分組成，一部分是產品生產設備（具體見圖8中的“產品生產”部分）。使用的主要設備有點焊機和工業機器人。點焊機由YR-500S型的單向交流電阻焊機（電源電壓380 V，額定功率50 kVA，最大短路電流19.5kA，最大電極壓力11.7 kN）和YF-0201Z5型的電阻焊機控制器組成，對產品進行點焊工藝加工。此外，為保證焊點位置的穩定性，還使用YR-UP50NA00型的搬運機器人進行產品點焊前后的搬運。

另一部分是產品檢測設備及流程（具體見圖8中的“產品檢測”部分），主要用于產品內部品質測定。基本流程和主要設備有：（1）使用LGK8-63TSMI型的空氣等離子弧切割機進行產品初步切割加工。（2）使用鋸片切割機切割產品焊道中部，進行產品細切加工。（3）部品焊點采用XQ-1型金相試樣鑲嵌機進行鑲嵌。（4）鑲嵌完的試樣用YM-2A型的金相試樣預磨機對焊點的切斷面進行研磨。（5）機械拋光及清洗，使用5%硝酸液對焊道切斷面進行腐蝕處理，擦拭1～2 s，確保焊點熔核單側高度清晰可見后立刻將試樣放入清水內，清洗干凈后擦凈烘干試樣上的殘留水。（6）觀測測量。使用VHX-2000型數碼顯微鏡，觀察和測量熔核直徑、熔核單側高度和點焊后的板厚。

3 實驗結果及分析

3.1 基礎工藝參數選擇與確認

圖8 實驗設備及流程方案示意

影響點焊品質的三要素為：焊接電流、焊接時間、電極壓力。焊接電流、焊接時間對三層板焊接質量影響顯著[1]，電極壓力是點焊三要素影響最小的因素[6]。根據產品材質和板厚，參照現場實際生產鍍鋁鋼板點焊的工藝參數，初步選定工藝參數為：焊接電流8.5 kA，焊接時間13周波，電極壓力1.7 kN。用此條件進行試做，品質結果如表3所示，此處4個焊點都進行了內部品質宏觀金相檢驗，隨機選取其中一個點的數據列出。外部品質不良的現象為焊接過程有中等飛濺。根據內部品質判斷標準式（1）和式（2），得出0.5 mm板厚對應的熔核直徑規格為大于等于2.82 mm，焊透率規格為大于等于20%，其內部品質金相試樣放大圖如圖9所示。

表3 參數1試做結果

圖9 參數1金相試樣放大圖

由圖9可知，熔核直徑較大，最小熔核直徑為4.72 mm，超出要求63%以上；最小熔透率為46.5%，超出要求26.5%。從數據上看，焊接參數可調整范圍較大。

3.2 良品工藝參數選擇與確認

一般隨著焊接電流的減少，熔核直徑和飛濺隨之減小。為了減少飛濺，進行四組數據試做。參數2以工藝參數1為基礎，在電極壓力不變的情況下，焊接電流減小1 kA，焊接時間增加3 Hz；參數3、4、5以參數2為基礎，在電極壓力不變的情況下，分別單因素降低焊接時間3 Hz和降低電流0.5 kA、1 kA進行試做。品質結果如表4所示，外部品質焊接過程中均無飛濺。內部品質金相試樣放大圖分別如圖10～圖13所示。

圖10 參數2金相試樣放大圖

結果表明，參數2在減小電流和增加時間后，電流密度降低，飛濺減少。整體焊接熱量趨近原來參數1，熔核直徑和焊透率都較大，符合良品工藝參數。

表4 參數2、3、4、5試做結果

圖11 參數3金相試樣放大圖

圖12 參數4金相試樣放大圖

圖13 參數5金相試樣放大圖

單因素對比參數1和參數3的試做結果，焊接電流減小，薄板BC間的熔核直徑和焊透率均為0，厚板A與薄板B間的熔核直徑減小，焊透率增加，飛濺減少。這是因為焊接電流降低，焊接熱量減少，產品通過焊接電流處局部發熱，發生塑性變形導致形成的塑性金屬環減小，所以熔核直徑減小。同時避免了塑性金屬環在電極壓力下發生崩潰，防止熔化金屬從焊件之間或焊件表面溢出，所以飛濺減少。而當不等厚鋼板點焊時，薄板的散熱效果更好，熱量損失大，厚板的電阻大，吸收熱量多，所以焊接時熔核中心會向熱量更多的厚板偏移[7]，增加厚板的焊透率。由于熔核向厚板偏移現象以及焊接熱量減小的綜合作用，就會出現薄板C沒有熔核高度、熔核直徑和焊透率均為0的情況。

單因素對比參數2和參數3的試做結果，焊接時間減少，薄板BC間的熔核直徑和焊透率均為0，厚板A與薄板B間的熔核直徑也出現減小，焊透率增加，均無飛濺。分析可知，焊接時間的減少導致焊接熱量的減少，使熔核直徑減小，加上多層板點焊時熔核偏移現象，導致薄板C的熔核直徑和焊透率為0。

綜合對比參數2、3、4、5的試做結果，當減少焊接電流或焊接時間任何一個因素時，焊接熱量會減少，從而導致熔核直徑減小。整體熱量小于某個臨界點時，外側薄板C無法形成熔核直徑。為了改善多層鋼板點焊熔核偏移的現象，適宜用較大熱量的焊接條件，同時為了減小飛濺，不宜使用太大的焊接電流。

從試做結果選定參數2（焊接電流7.5 kA，焊接時間16 Hz，電極壓力1.7 kN）為良品工藝參數。

3.3 良品工藝參數穩定性及電極交換頻度確認

點焊電極由于使用次數增加發生磨損，一直使用會出現失效影響點焊品質的情況。為此進行良品工藝參數穩定性及電極交換頻度的確認很有必要。本實驗以工藝參數2為條件，使用新電極進行試做直到出現品質不合格為止。每個部品進行外部品質確認，焊接飛濺從125點開始逐漸出現且為增加趨勢。每點焊4點取一個進行內部品質確認，品質熔核直徑和焊透率結果如圖14、圖15所示。

圖14 電極使用點數與熔核直徑關系

圖15 電極使用點數與焊透率關系

由圖14可知，當電極使用點數小于137點時，焊點的熔核直徑均合格，當電極使用點數為137點時，熔核直徑不合格，0.5 mm的鋼板B與鋼板C開始出現熔核直徑小于規格標準2.82 mm的情況。由圖15可知，當電極使用點數小于133點時，焊點的焊透率均合格，當電極使用點數為133點時，0.5 mm的鋼板C出現焊透率A1低于規格標準20%的現象。

這是因為隨著電極使用次數的增加，與工件接觸的電極端面發生磨損和變形，接觸面積增大，電流密度降低，無法使板材間局部加熱到熔化或塑性狀態，導致熔核直徑不夠。同時由于板材是鍍鋁鋼板，在焊接時鍍鋁層因為熔點低先熔化粘附在電極上，過厚的鍍鋁層導致電流不能通過或者局部通過。電流不能通過時引起熔核直徑不夠，質量低下；電流局部通過時，電流密度太大產生點焊飛濺。電極上鍍鋁層的不均勻也會引起不同焊點加熱不均，最終導致焊接品質不穩定[6]。綜合考慮上述隱患，當電極使用到一定點數時需更換新電極或者研磨修復表面才能保證焊點品質的合格及穩定性。

因為焊點品質在電極使用點數133點開始不合格，現場生產電極交換頻度取0.8的安全系數，即132×0.8=105.6，一個組裝品上有4個焊點，為了避免組裝品點焊到50%時交換電極的情況，電極交換頻度取離105.6最近的4的倍數，即104點交換電極。

4 結論

（1）鍍鋁鋼板點焊時，電極易與鍍層粘附，需及時研磨修復電極或更換新電極以保證焊接品質及其穩定性。

（2）鍍鋁鋼板點焊的工藝參數較窄，電流過大容易產生飛濺，電流過小容易使先熔化的鍍層阻礙熔核直徑的形成，需嚴格控制點焊工藝參數。

（3）電極材料為CuCr時，電阻點焊的良品工藝參數為：焊接電流7.5 kA，焊接時間16周波0.32 s，電極壓力1.7 kN，電極交換點數104點。

[1]黃煥林.三層板點焊工藝參數優化的研究與應用[D].上海：上海交通大學，2009.

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[4]張義淑，李治強.鍍鋅鋼板點焊的研究[J].焊接技術，1985（2）：21-25.

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[6]中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊（第1卷）[M].北京：機械工業出版社，2007.

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Experimental study on resistance spot welding parameters of three layer aluminized steel plate for heat shield

LI Yan1，WANG Haoxuan1，WU Guanwen1，WANG Riyao1，ZHOU Xiaohu2
（1.SANGO Co.，Ltd.，Guangzhou 511455，China；2.School of Electro-Mechanical Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China）

To determine the resistance spot welding process parameters of car engine heat shield three layer aluminized steel for the purpose of good product quality，the external resistance spot welding products(visual)and internal quality(macroscopic metallographic examination)criterion to thickness combination was 0.5 mm×0.5 mm×1.0 mm type aluminum plate as the research object，aiming at the key factors of welding current law of welding time on spot welding quality was studied,and the yield of resistance spot welding process parameters of a group of three layer aluminized steel plate was determined.The experimental results show that when using CuCr type electrode materials under the condition of specific yield parameters：welding current 7.5 kA，welding time 16 cycle 0.32 s，electrode pressure 1.7 kN，the electrode exchange points 104 points.It provides reliable experimental data for theoretical analysis and numerical simulation.

three layer aluminized steel plate；resistance spot welding；technique parameters；heat shield

TG406

A

1001－2303（2017）04－00

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.04.

獻

郭吉昌，朱志明，閆國瑞，等.基于UG的弧焊機器人離線編程系統開發[J].電焊機，2017，47（01）：1-6.

2016-10-07；

：2016-12-14

李 艷（1990—），女，廣東人，工程師，學士，主要從事焊接技術的研究工作。