5052鋁合金電阻點焊電極形狀對電極壽命的影響

杜慧敏， 羅 震， 敖三三， 張 禹， 郝志壯

(天津大學 材料科學與工程學院， 天津 300350)

隨著汽車向輕量化發展，鎂鋁合金等輕質材料已逐步取代普遍采用的鋼板.由于鋁合金車身在電阻點焊(RSW)過程中需要采用大電流而使得電極出現嚴重燒損，造成了大量的經濟損失并降低了生產效率.

在點焊過程中，電極與工件會發生合金化反應并引起燒損[1]，而采用機械方法隔離鋁向銅電極表面的擴散是減小燒損的有效途徑[2-3]，但其成本較高且工藝復雜，難以推廣到大規模工業生產中.另外，改善電極-工件接觸面的溫度分布也有助于減輕電極燒損.文獻[4-5]中采用數值模擬方法對鋁合金的電阻點焊過程進行了分析.Li等[6]研究發現，從焊接質量和電極成本考慮，適宜的電極錐角為30° 和45°.但是，對于應用廣泛的幾種電極還缺乏系統性研究.

本文利用ANSYS軟件建立5052鋁合金電阻點焊過程的有限元模型，分析了不同電極形狀下的焊接質量和電極燒損情況及其燒損機制，以期為5052鋁合金薄板電阻點焊中的電極選擇提供依據.

1 有限元模型建立和工藝試驗

1.1 有限元模型建立

利用ANSYS軟件自帶的建模系統建立二維有限元模型.為簡化問題進行了如下假設：熔化的金屬為不可壓縮黏性流體；工件及電極均為均質材料，服從von Mises屈服準則和等效強化準則，為雙線性各向同性硬化模式.同時，結合傳熱方程、Laplace方程、von Mises屈服準則和等效強化準則建立描述金屬的彈塑性應力-應變關系、電壓分布、熱傳導情況的數學模型.針對直徑6 mm的錐臺電極所建二維有限元模型如圖1所示，模型劃分為 4 688 個節點，5 480 個單元.

圖1 錐臺電極的有限元模型Fig.1 Finite element model for the RSW with cone electrode

本文模擬的邊界條件：在結構場方面，在上電極的上端面A施加壓力載荷，下電極的下端面B約束其垂直方向位移；在電場方面，在端面A施加電流載荷，端面B的約束電勢為0；在熱場方面，將兩電極端面A、B視為絕熱面，其余部分與空氣發生對流換熱，對流換熱系數為50 W/(m2·K)，參考溫度為 20 ℃.相應地，建立直徑8 mm的錐臺電極和直徑 16 mm 的球電極的電阻點焊有限元模型.

點焊焊接的材料性能參數詳見文獻[7-10]中，高溫下的性能參數由外推法獲得.由測量得到初始接觸電阻，高溫下的電阻率為[11]

ρ=RcAc

(1)

式中：Ac為接觸面積；Rc為接觸電阻.室溫時的接觸電阻可以采用四點法測量得出.室溫以上的接觸電阻可由下式計算：

(2)

式中：Rc(Tr)為室溫(Tr=20 ℃)時的接觸電阻；σ(T)、σ(Tr)分別為溫度T和室溫時的平均屈服強度.在高溫下，金屬熔化而使界面的接觸電阻率很小，故可假設電阻率ρ=8.3×10-8Ω·m2 [12].

模擬計算完成后，在ANSYS軟件自帶的后處理模塊中直接讀取電流密度、溫度等結果.

1.2 工藝試驗

在相同的焊接工藝參數下分別采用球電極和錐臺電極進行連續電阻點焊試驗，每隔10個焊點測量一次熔核直徑，共測量90次，并將平均熔核直徑作為評價熔核性能的指標.每焊接50個點，取下電極，用肉眼觀察電極的燒損情況.

2 模擬結果與分析

2.1 焊接結束時的電場與溫度場分布

焊接結束(焊接時間200 ms)時，不同電極形狀對應的鋁合金薄板的電流密度分布如圖2所示.可見，鋁合金薄板電流密度的分布較為均勻，直徑6 mm的錐臺電極和直徑16 mm的球電極對應的鋁合金電流密度均約為 3.71×108A/m2，直徑8 mm的錐臺電極對應的電流密度僅為 3.10×108A/m2.這是由于電流密度與接觸壓力、電極形狀等有關，電極-工件的接觸面積約等于電極端面面積，工件-工件的接觸面積略大于電極端面面積，在接觸壓力相同的情況下，直徑8 mm的錐臺電極的端面面積較大，故所對應的電流密度較低.

電流密度的分布不同，將導致最終的溫度場分布不同，熔核直徑也不同.本文取不同電極對應的連續電阻點焊試驗的第1個焊點，采用金相顯微鏡觀察熔核形貌(×12.5)，所得實際焊接的熔核形貌與模擬結果的對比如圖3所示.可見：采用直徑16 mm的球電極時，熔核直徑的測量值為 5.2 mm，模擬值為 5.0 mm；采用直徑6 mm的錐臺電極時，熔核直徑的測量值為 5.0 mm，模擬值為 4.9 mm；采用直徑8 mm的錐臺電極時，熔核直徑的測量值為 3.8 mm，模擬值為 3.9 mm.另外，3組模擬結果的誤差均小于4%，模擬與試驗結果較吻合.

圖2 不同電極形狀對應的鋁合金電流密度分布Fig.2 Current distributions for RSW of aluminum under different electrode shapes

圖3 焊點熔核形貌的金相照片與模擬結果對比Fig.3 Comparison of the nugget diameters between experimental and simulation

由于點焊試驗中所需合格熔核直徑至少應達到4 mm，即其閾值為4 mm，而在本文的試驗參數條件下，采用直徑8 mm的錐臺電極時熔核直徑未滿足條件，所以其不適用于厚度1 mm的 5052鋁合金薄板的搭接點焊.

2.2 電極的燒損情況

為探究電極的燒損機制，讀取ANSYS軟件中不同時刻對應的上電極下表面中心處的溫度分布，所得結果如圖4所示.其中，d為取樣點與電極中心的距離，虛線為錐臺電極的邊界.可見：在焊接開始后，電極溫度迅速升高，然后，隨著時間的增加而趨于穩定，且球電極的升溫速度明顯快于錐臺電極；球電極與錐臺電極的最高溫度都出現在中心點處，溫度約為550 ℃.此時，銅與鋁發生了反應并生成CuAl2，使得電極燒損.而當存在Mg時，電極燒損出現在更低的溫度，即在550 ℃以下就可生成鎂鋁合金.在電極與工件的接觸面上主要靠接觸電阻產生熱量.在焊接初始，球電極與工件的接觸面積取決于預壓力，其值約為10 mm2.由于球電極的導電面積較小、電流密度很大，故其升溫速度遠大于錐臺電極，在20 ms內上升的溫度較錐臺電極高 100 ℃.

圖5所示為試驗所得不同焊接次數時電極頭的燒損表面形貌照片(×1.5).其中，每焊接50次進行1次觀察.由圖5可見：采用球電極情況下，在焊接150次時已經發生了明顯的燒損，當焊接250次時，在直徑 2.8 mm的范圍內出現了燒損，表面出現了大量毛刺與飛邊，且焊接過程中出現了嚴重的飛濺，焊接質量很差；而采用直徑6 mm的錐臺電極情況下，在焊接150次時只在邊緣出現了輕微燒損，這是由于實際焊接過程中施加的電極壓力與工件不是完全垂直；在焊接250次時，電極整個端面均出現了燒損，但其燒損程度輕于球電極，僅為輕微的凹凸不平.

圖4 電極表面的溫度分布Fig.4 Temperature distributions at the electrode surface

2.3 熔核尺寸的變化情況

試驗后統計的不同焊點數對應的平均熔核直徑如圖6所示.其中，紅色虛線表示合格熔核直徑的閾值(4 mm).可見，隨著焊接次數增加，兩種電極對應的熔核直徑均呈現出逐漸減小的變化趨勢，且球電極熔核直徑的下降幅度更大，表明電極壽命逐漸降低.直徑6 mm的錐臺電極的壽命比直徑16 mm的球電極的壽命提高了20%.

圖6 熔核尺寸的變化情況Fig.6 Changes of nugget diameter

3 結論

(1) 電極端面直徑越大，電流密度越小，熔核尺寸越小，直徑8 mm的錐臺電極不適用于5052鋁合金薄板焊接.

(2) 獨特的電極形狀致使球電極-工件接觸面的溫度在焊接初期快速上升，且發生了比錐臺電極更為嚴重的燒損.

(3) 隨著電極燒損，焊點的質量下降.對于5052鋁合金薄板焊接，直徑6 mm的錐臺電極的壽命比直徑16 mm的球電極的壽命提高了20%.從生產和成本兩方面考慮，應采用直徑6 mm的錐臺電極.