汽車用鋁合金薄板Delta電阻點焊工藝研究

穆春艷 王蕾

長春汽車工業高等專科學校 吉林省長春市 130013

1 課題背景及意義

在現代汽車工業生產中，實現汽車輕量化的途徑主要有三個方向：（1）采用新型的輕量化材料；（2）優化設計汽車的結構和形狀；（3）應用先進的加工技術，其中鋁合金突出的性能和優勢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焊應用

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

2 鋁合金點焊所存在的問題及現狀研究

2.1 所存在的問題

2.1.1 鋁合金點焊焊點質量不穩定的四個方面

（1）噴濺與飛濺嚴重。如圖2所示熔核噴濺和表面飛濺。

（2）焊點表面質量不好；（3）熔核內部易產生缺陷；（4）熔核尺寸變化大。

圖2 熔核噴濺和表面飛濺缺陷

2.1.2 電極嚴重燒損，壽命變短

由于鋁合金點焊時電極的嚴重燒損，導致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，而反應時間對合金化反應程度的影響又很大；合金化反應的條件一是成分二是溫度。

2.1.3 沒有可靠的焊接質量控制手段

鋁合金點焊的質量問題要比低碳鋼復雜得多，主要是鋁合金材料的電阻率低，阻溫系數也較小。因此點焊低碳鋼時保證質量的各種手段并不適合鋁合金材料，特別是焊點表面成形質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）通過把鋁合金點焊的焊接性能和電極壽命試驗，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。

單因素試驗就是在其中2個因素固定的前提下來改變第3個因素而進行的播種試驗。在試驗中為了減小試驗誤差，對于每個水平播種3盤，統計出總的空穴穴數、單粒穴數和重播穴數，計算空穴率、單粒率和重播率，利用空穴率、單粒率和重播率3個指標對各個因素對排種器性能的影響進行對比。

（2）通過點焊熔核孕育處理理論與方法的研究結果表明，孕育處理不僅提高點焊接頭力學性能，特別是疲勞強度。對點焊的質量控制問題提供了有效的理論基礎和依據。

（3）用數值模擬法模擬鋁合金點焊過程的熱—電—力學過程，分析電極頭與鋁板接觸上的瞬時溫度分布，得出熔核尺寸及接觸面積隨時間的變化規律、電極表面壓力及溫度的變化規律以及焊接區的等效塑性應變及殘余應力分布，并預測點焊熔核的生長、電極磨損和裂紋形成情況等。

3 本文要研究的內容和方案如下

隨著鋁合金在汽車生產中的廣泛應用，研究鋁合金點焊工藝問題是為了生產運中可靠應用的基礎和關鍵，根據目前大多鋁合金電阻點焊領域科學研究的結果，確定了本文的研究目的，方法和內容。

本文在同行業專家研究的基礎上，為了提高鋁合金點焊的接頭強度，使用金屬電極帶輔助點焊改變焊接區的溫度場從而改善焊接接頭表面的接頭質量。分析了鋁合金電阻點焊的特點，設計了不同工藝參數對鋁合金點焊質量的影響，進行試驗和分析，從而獲得最佳焊接工藝參數，完成鋁合金電阻點焊的焊接工藝設計。 為了能更確切地解決鋁合金焊接性問題，我們認為與碳鋼點焊工藝對比，研究焊接參數及改變溫度場對于鋁合金點焊接頭的質量和性能的影響更有意義。

4 鋁合金點焊試驗設計方案及其分析結果

4.1 實驗材料與采用的設備

4.1.1 實驗材料

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

4.1.2 試驗設備

本項目焊接設備為奧地利福尼斯公司生產的固定式C300Delta電阻點焊機，圖4為點焊機外觀與電極形貌。

圖4 Delta電阻點焊設備

4.2 試驗的方法

鋁合金電阻點焊接頭常溫抗剪試驗按照GB/T 2651-1989標準制備，試樣加工成100 mm×25mm×1.5mm的尺寸，點焊接頭采用搭接形式。焊接試驗前，鋁合金試樣表面首先利用角磨機打磨以去除表面的氧化膜，然后在酒精中進行清洗去除雜質。

本研究通過對焊點熔核尺寸大小和焊點表面壓痕深度的測量和分析，來選出合適于試驗鋁合金板的點焊參數范圍，從而進行鋁合金板的點焊工藝參數優化試。之后再對點焊接頭進行金相分析，拉伸試驗來檢驗和選取工藝參數的范圍。

4.3 實驗的參數

點焊工藝參數的選擇主要根據金屬材料自身的性質、板料厚度和點焊設備的特點。本試驗用的Delta直流電阻點焊機，主要的參數有：焊接電流、焊接時間、電極壓力等。通過對試驗的結果進行分析后，明確了對熔核質量影響最大的參數是焊接電流，因此該實驗選取了該厚度板，采用搭接接頭的5組工藝參數如下表2所示。

表2 點焊工藝參數表

4.4 試驗結果

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，在合適的焊接參數下，可保證焊接鋁合金的過程無飛濺，提高了焊接質量，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

試件進行拉剪試驗，拉剪力在電流為21KA時，達到最好，此時熔核直徑也較大。大量實驗研究表明，焊接接頭強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，焊件加熱增快，但焊接電流過大時加熱程度過大，熔核擴展的速度會超過塑性環擴展的速度，這樣就會導致熔核內部的液態金屬在電極壓力作用下擠出焊接區域而形成飛濺，使形成的焊點強度有所降低，焊件的拉剪力也會隨之下降。

圖6 試件熔核外觀形貌

表1 5083鋁合金的化學成分

4.4.4 破壞形式（圖7）

圖7 試件撕裂形貌

對焊件進行破壞性試驗，焊件呈紐扣斷裂形式，說明兩個試件已經完全熔合。

4.4.5 電極形貌

由于點焊過程中使用的Delta帶極電阻點焊機，本設備特有金屬工藝帶既能保證焊接時提供足夠的熱輸入，又能對電極與焊點起到保護作用，圖8，9對比了在使用電極工藝帶后電極形貌的對比，傳統點焊對于鋁合金焊接幾十點后就需要處理電極，而Delta帶極電阻點焊焊接過程中在參數合理的情況下，幾乎實現了零飛濺，不僅節省了電能，而且充分保證了焊接質量，提高了焊接效率，為鋁合金點焊能夠在汽車行業中使用提供了可靠保障。

圖8 加電極工藝帶焊接200點后電極形貌

圖9 無工藝帶焊接20點后電極形貌

5 實驗結果分析

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

（2）大量實驗數據分析表明，焊接過程中的主要影響參數為焊接電流，當焊接電流為20-21KA時，可獲得較好的熔核直徑和拉剪力。

（3）通過Delta帶極電阻點焊機的使用，既能保證焊接時提供足夠的熱輸入，增加了電極使用壽命，對焊點起到保護作用，同時提高了生產效率。

（4）本文在重點研究了焊接電流對焊接過程中的影響，基本可以保證汽車用薄板鋁合金的焊接質量，為了提高焊接工藝，后續擬定對焊接時間，焊接壓力等參數進行進一步分析，逐步完善薄板鋁合金的點焊工藝。