铝合金电阻点焊的加工工艺研究.docx

1、铝合金电阻点焊的加工工艺研究铝合金电阻点焊的加工工艺研究摘要 铝合金电阻点焊技术是一项即将在汽车制造中获得广泛应用的技术，其在各种焊接方法中，具有静强度高、可靠性好、性能稳定、产效率高和易于实现自动化等优点，对车身的轻量化有着重要的作用及研究意义，但铝合金电阻焊生本身也具有很大的焊接缺陷，包括铝合金的焊接性不好、焊点质量不稳定、电极烧损严重使用寿命短等，需要我们更好的试验研究，解决铝合金的焊接问题。本文慨述了铝合金电阻点焊的工艺特点、点焊工艺中的问题，以及国内外在这方面的研究现状，进行了焊接接头的影响因素的试验，并指出了铝合金点焊时影响接头质量稳定性的因素及工艺缺陷。对工艺焊接参数进行了正交分

2、析实验，获得了最佳的工艺优化,完成了铝合金的加工工艺设计。 AbstractResistance spot technology of Aluminum is applied widely in automobile manufacturing. In Its various welding method, with the advantages of static strength, high reliability, performance stability, high production efficiency and easy to realize automation.Its pl

3、ay a important role in the lightweight of car and have a great research significance. But aluminum alloy resistance we- lding itself also has great welding defects. Including the bad of aluminum alloy welding sex, anstable of solder quality and so on . Then we need to solve the experimental research

4、 of alum- inum welding problem better. This paper describes the process characteristics of aluminium alloy resistance spot. the problem of welding process and the research status in this respect at home and abroad.we have a experiment of the factors in welding joint . Pointed out the major factors w

5、hich affect of the quality of welding joints in aluminum alloy spot. And we have a orthogonal analysis experiment of the process of welding parameters. The last ,Acquired optimal process optimization and Completed the design of aluminum alloy processing. 第一章 绪论1.1 前言随着我国工业的迅猛发展，对工业产品(特别是汽车)外壳用材的性能提出

6、了更高的要求，并促进了产品钢材的更新换代。例如：为了减轻车身总体质量，节省能源消耗，世界各大汽车公司正在开发铝合金或高强钢车身的汽车铝合金的应用和铝合金焊接技术的发展是相辅相成的，汽车上的铝合金结构件多数要求焊接并要求焊缝有良好机械性能。在汽车制造业长期以来广泛应用的电阻点焊工艺方法，具有机械化、自动化程度高、生产率高、焊接质量可靠的特点。将单个零件拼接成车身结构的工作属于汽车制造商的核心技术。为保证焊接质量，研究铝合金等新材料的电阻点焊性能已成了非常迫切的任务。近年来，各国焊接工作者就此做了大量的理论及实际研究工作，并取得了一定的成绩。铝及其合金是汽车轻量化的最重要材料，同时铝的消费指标及生

7、产能力也是衡量一个国家和地区工业发展基础和技术进步程度的重要标志1。铝合金电阻焊连接技术在汽车车体组装过程中占有重要地位，是汽车车体生产的关键技术。近年来，汽车工业发达国家都有铝制车体的概念车或批量生产的车型问世，而我国在汽车车体轻量化应用研究方面基本属于空白。在国产化的铝合金汽车车体研究中，采用传统的电阻点焊技术，遇到许多困难：如设备投资巨大、电力消耗严重、焊接质量不稳定及需要进行大量铝合金电阻点焊工艺研究开发等(目前，国内在铝合金电阻点焊方面仍存在许多有待解决的问题)。因此，为了推广铝合金在汽车、家电等行业中的应用，必须对铝合金的点焊性能作进一步深入细致的研究。在各种焊接方法中，点焊具有静

8、强度高、可靠性好、性能稳定、生产效率高和易于实现自动化等优点，因此目前在汽车车身结构上被广泛采用。1.2 铝合金电阻点焊研究的必要性能源短缺和环境污染已经成为目前制约全球经济，社会发展的两大问题。交通运输业是导致能源短缺和环境污染尤其是空气污染的一个主要因素，在美国该行业的石油消耗占到了石油消耗的三分之二，其中汽车燃油的比例为75%。在我国，汽车燃油的比例高达85%，据国际制造商协会统计，2011年全世界汽车生产总量为5754万辆，我国汽车产量也达到万辆，已居世界第8位，居估算，燃油汽车给城市造成了至少30%以上的空气污染，汽车排放所造成的污染已成为当今社会的一大公害，从80来年代世界各国尤其

9、是发达国家就开始研究采取各种措施来减少汽车能源的消耗和排放污染。为此，美国制定了PNGV计划德国制定了3升汽车计划，汽车的轻量化是其中非常重要的一个途径，轻量化已经成为汽车发展的主要方向，对降低汽车能源消耗和减少环境污染是至关重要的。 铝合金材料是实现汽车轻量化得理想材料，铝合金的比重是碳钢的1/3,采用铝合金材料制造汽车车身，在保证具有与钢同样强度和刚度的前提下，车身重量可减少50%，整车重量可减少10%，同时可以减少相同数量的燃油消耗和环境污染。铝合金材料还被称为“绿色材料”，可反复回收利用，回收重熔铝合金所需能量仅是生产新铝合金所需能量的5%，而再生铝合金材料能够保持原有材料的性能，而不

10、像一般碳钢具有良好的防腐性能，其表面只需稍加处理就可获得满意的防腐性能，而电镀，镀锌等处理不仅工艺复杂，成本高，而且环境污染严重。目前经济发达国家已开始进行铝合金汽车的研制，一些公司现已推出了铝合金汽车，如美国通用公司推出的“Precept”，福特公司推出的“合成-210”,德国宝马公司推出的“528”，德国大众推出的“奥迪A8”及推出的“奥迪A2”，现已都批量生产。 由于电阻点焊具有焊接质量可靠，生产效率高且易实现机械化和自动化等优点，在汽车工业领域获得了广泛应用，现在它已成为汽车制造领域中的主导加工工艺。但是，铝合金点焊所存在的问题限制了点焊在铝合金汽车生产中的应用。目前国外推出的铝合金汽

11、车很少单独采用电阻点焊工艺，而大多采用气保焊，激光焊，胶焊等连接工艺。如新近推出的采用第二代铝合金空间架构（ASF）的“奥迪A2”就采用了MIG焊工艺和激光焊，但这些工艺并不适合汽车的规模化和连续化生产。为实现铝合金汽车的大规模化生产，就必须开展铝合金材料电阻点焊的研究。在航空航天领域，为减轻飞行器的重量，大量的薄板结构采用了铝合金材料。电阻点焊是薄板结构最理想的连接工艺，铝合金点焊所存在的问题使得这些板筋结构目前的连接工艺还是铆接。与点焊相比，其具有刚性差，重量大等缺点。若解决了铝合金电阻点焊问题，大量采用点焊工艺，飞行器的重量将会进一步降低，动力学性能也会得到进一步的提高。可以说，铝合金电

12、阻点焊技术已经成为铝合金在汽车，航空航天等领域推广应用的一个主要制约因素。随着科技的发展，铝合金材料将会在更多的领域得到广泛的应用。因此，对铝合金点焊进行研究是非常必要的，并且在目前它已成为焊接研究领域中的热点。1.3 铝合金点焊所存在的问题及现状研究1.3.1 所存在的问题铝及其合金的化学活性很强，表面极易形成氧化膜，且多具有难熔性质(如A1203的熔点约2050，MgO熔点约为2500)，加之铝及其合金导热性强，焊接时容易造成不熔合现象。此外，铝及其合金的线胀系数大导热性又强，焊接时容易产生翘曲变形。研究人员对铝合金点焊接头本身的性能进行了研究，并指出：在铝合金点焊中还经常存在微型空洞、裂

13、纹等不连续缺陷以及过深的压痕等现象，熔核尺寸对接头的静载强度影响很大，但对其疲劳强度影响很小14。由于铝合金在其物理性能上的特殊性，使它在电阻点焊可焊性方面与常用冷轧低碳钢相比有其一定的特点 其中存在的最严重的问题是电极的烧损及寿命问题。对于一般低碳钢的点焊，电极寿命可以达到几千点而铝合金的点焊一般仅能达到几十点。铝合金电阻点焊技术还存在着飞溅问题、焊点表面成型质量问题及点焊接头的焊接质量不稳定等问题，这些问题皆与电极的磨损及其工作寿命存在着密切的关系。因此，电极磨损及寿命问题是铝合金电阻点焊技术的关键问题。目前铝合金电阻点焊所存在的问题主要有以下几方面：1.焊点质量不稳定铝合金点焊焊点质量不

14、稳定主要体现在以下四个方面。(1)喷溅与飞溅严重。与低碳钢相比，铝合金具有很好的导电，导热性能，其电阻率仅为钢的三分之一，而导热率却为钢的2-4倍。所以，为获得合格的焊点，在相同的条件下铝合金就需要更大的焊接电流，即需要使用硬规范进行焊接。铝元素非常活泼，在铝合金材料表面非常容易形成氧化膜，这层氧化膜组织致密，熔点极高，导电性能极差，这就使得接触电阻比较大。在硬规范焊接条件下，接触面上产生较多的热量。另一方面，铝合金材料熔点低，加热熔化时的塑性温度区间窄，所以很容易在工件间接触面上造成喷溅，在电极-工件间造成飞溅。喷溅和飞溅的产生会带走部分热量和熔化金属，严重影响了熔核直径的大小，对焊质量极为

15、不利。如图 1-1 所示熔核喷溅和表面飞溅缺陷。 a 熔核的喷溅 b 表面飞溅 图 1-1 熔核喷溅和表面飞溅缺陷(2)焊点表面质量差。铝和铝合金容易形成低熔点（547）共晶物，并且这种低熔点共晶物的电阻率比较大。铝合金工件较大的热导率及接触面上较大的热产量使得电极-工件接触面上产生局部熔化并发生较为剧烈的共晶反应，以致出现电极与工件的粘连，恶化了焊点的表面质量。电极与工件的粘连及飞溅严重破坏了电极表面的连续性。进而恶化了后续焊点焊接时电极与工件间的接触状态，使电极-工件间的接触由起始宏观上的连续接触变为宏观上的不连续接触。在硬规范条件下，这种宏观上的不连续接触更家具了飞溅，局部熔化及粘连的产

16、生，对焊点的表面质量更为不利。（3）熔核尺寸波动大。电极-工件表面上的局部熔化，飞溅及电极与工件的粘连，严重破坏了电极表面的连续性。并且在连续点焊过程中电极表面的不连续性具有较强的随机性，这使得电极-工件间及工件间的接触状态和不稳定。另外，点焊过程又受工件表面状态，电极压力，焊接电流等因素的影响。铝合金点焊对各种因素的变化非常敏感，因此连续点焊中熔核直径波动较大。（4）熔核内部易产生缺陷。与弧焊相比，铝合金在点焊时金属的熔化量较少，其导热系数比较大，所以熔核的冷却速度非常快。另一方面，由于铝合金是非导磁材料，液态熔核区的流动速度非常小，熔核在凝固时极易形成缩孔，缩松和气孔。虽然这些缺陷对接头强

17、度影响不大，但对接头的疲劳性能却有显著影响10。2 电极烧损严重，使用寿命短由于电极-工件间的接触电阻较大，铝合金工件的导热率也较大，而铝合金点焊又是采用硬规范进行焊接，所以电极-工件间接触面上的温度较高。由于铝与铜之间存在着强烈的铝合金化倾向，因此铝合金点焊时铜电极的烧损非常严重。铜铝合金化反应生成合金层的主要成分为CuAl2 金属间化合物，其电阻率为铜的5倍左右。由于合金层粘附在电极表面，在后续焊点的焊接过程中，合金层的存在增大了电极-工件间的接触电阻，也增加电极-工件间的产热量。在连续点焊过程中，电极表面不连续程度的增加也加剧了电极-工件间局部熔化和飞溅的产生，同时也加剧了铜铝合金化反应

18、的程度，如图1-2所示。上述因素使得铝合金点焊时电极的烧损速度大为增加，其使用寿命非常短。电极烧损实质上是电极表面铜铝合金化反应的问题。合金化反应的产生条件包括成分和温度；而反应时间对合金化反应程度的影响非常大。从理论上说，只要破坏了成分，温度和反应时间中的一个条件，就可以克服或减弱电极烧损。目前电极烧损方面的研究大多限于从成分条件的角度来考虑如何避免或减弱电极烧损问题，而在如何降低电极-工件接触面温度及减少电极-工件间接触面处于高温区的时间方面做的工作较少11。 a 焊第一点后 b焊完第50点后 图1-2电极表面的粘接和烧损情况3 缺乏有效的焊接质量控制方法铝合金的电阻率低，其阻温系数也比较

19、小。从室温到熔化温度电阻率的变化幅度仅为3倍左右。所以，铝合金电阻点焊过程很难用焊接电参量的变化来描述。这给铝合金电阻点焊过程的闭环控制带来很大困难。铝合金点焊的焊点质量不仅包括了熔核尺寸的波动，而且也包括飞溅和喷溅严重，焊点表面成形质量差及工件与电极易出现粘连等。因此，铝合金点焊所面临的质量问题远比低碳钢复杂。而主要针对低碳钢点焊问题所提出的以保证熔核大小稳定为目标的各种控制方法并不适合与铝合金点焊，尤其是对工件电极的粘连问题和焊点表面成形质量差的问题更是无能为力。能量是点焊过程的本质问题。从理论上说，能量控制是点焊质量控制中的最为本质的方法。能量控制的理论基础是点焊过程中的产热分析和能量分

20、布分析，而点焊过程中的产热分析和能量分布分析是无法通过实验来进行的。应该说，在目前能量控制的理论依据及如何实现能量控制还没得到很好的解决17。1.3.2 问题的研究近年来，国内外学者就铝合金问题做了多方面的研究工作，主要归结为以下几个个面：由于铝合金易氧化造成焊接区性能不稳定，故采用多参数的线性回归方法预测铝合金点焊时的熔核直径、焊点强度及喷溅情况，监控铝合金的点焊质量。(1)通过把铝合金点焊的焊接性能和电极寿命试验，提出:在铝合金两面分别镀不同厚度的铬酸盐层，使它与电极的接触电阻相对较小，加速熔核形成，既保证了街头的性能，又能提高电极的使用寿命。(2)用数值模拟法模拟铝合金点焊过程的热电力学

21、过程，分析电极头与铝板接触上的瞬时温度分布，得出熔核尺寸及接触面积随时间的变化规律、电极表面压力及温度的变化规律以及焊接区的等效塑性应变及残余应力分布，并预测点焊熔核的生长、电极磨损和裂纹形成情况等。(3)点焊熔核孕育处理理论与方法的研究，已取得很好的研究成果，或等了全部凝固组织为等轴晶的点焊熔核，使全部为柱状晶的点焊熔核贴合而出现等轴晶区，缩小熔核柱状晶区，使凝固组织晶粒显著细化。而且研究结果表明，孕育处理可提高点焊接头力学性能，尤其是疲劳强度。为点焊质量监控技术开辟了一条新道路，从“质”的方面根本改善了点焊接头质量。(4)随机多脉冲回火热处理点焊工艺方法可解决焊接性较差的可淬硬钢的接头脆性

22、和焊接质量不稳定，其工艺特点为：增大电极压力（为相同板厚低碳钢点焊时的1.5-1.7倍），调制焊接电流脉冲（即使用热量递增控制以减轻或避免内喷溅）以防止点焊接头宏观缺陷（缩孔、缩松、热裂）的产生；随机多脉冲回火热处理（回火脉冲次数n3），以防止点焊接头显微组织缺陷（硬脆马氏体、过烧组织）的处理，以及准确控制点焊接头组织及其分布特征，使接头高应力区获得完全回火处理。该工艺与通常采用的双脉冲点焊工艺相比，可显著提高接头强度和疲劳性能17。1.4 本文研究的内容以及方案综上所述，铝合金电阻点焊加工工艺的研究是解决铝合金电阻点焊问题的基础和关键，根据目前国内外铝合金电阻点焊领域科学研究的现状和存在的问

23、题，确定了本文的研究目的，方法和内容。本文在总结前人工作的基础上，分析了铝合金电阻点焊的特点以及缺陷，设计试验分析了不同焊接参数对铝合金电阻焊焊接接头的影响，使用正交设计的实验方法来研究铝合金的点焊质量以及电阻点焊工艺参数对铝合金点焊接质量的影响，获得最佳焊接工艺参数，完成铝合金电阻点焊的加工工艺设计。我们先要了解电阻点焊的焊接特性及其原理，熟悉影响电阻点焊质量的焊接工艺因素；其次，借鉴国内外的研究成果，对铝合金的焊接性进行评估；接下来研究电阻点焊工艺参数对铝合金焊接质量的影响；最后通过以上分析，完成铝合金电阻点焊的工艺设计研究。第二章 铝合金电阻点焊工艺特点分析2.1 电阻点焊的原理及特点

24、电阻点焊是在电极压力的作用下，通过电阻热加热熔化金属，断电后在压力下结晶而形成焊点的工艺方法。每焊接一个焊点称为一个焊接循环。 1阻焊变压器 2.电极 3.焊件 4.熔核 图2-1 电阻点焊原理图2.1.1 焊点的形成 点焊的形成可以分为彼此相连的三个阶段：预加压力，通电加热和锻压。（1） 预加压力阶段 预加压力是为了使焊件在焊接处紧密接触。若压力不足，则接触电阻过大，导致焊件烧穿或将电极工作面烧损。因此，通电前电极压力应达到预定值，以保证电极和焊件，焊件和焊件之间的接触电阻保持稳定。（2） 通电加热阶段通电加热时为了供焊件之间形成所需的熔化核心。在预加电极压力下通电，则在两电极解除表面之间的

25、金属圆柱体内有最大的电流密度，靠焊件之间的接触电阻和焊件自身的电阻，产生相当大的热量，温度也很高。尤其是在焊件之间的接触面处温度很高首先熔化，形成熔化核心。电极与焊件之间的接触电阻也产生热量，但大部分被水冷的铜合金电机带走，于是电极与焊件之间接触处的温度远比焊件之间接触处低，正常情况下是达不到熔化温度的。在圆柱体周围的金属因电流密度小，温度不高，其中靠近熔化核心的金属温度较高，达到塑性状态，在压力作用下产生焊接，形成一个塑性金属环，紧密的包围着熔化核心，不使熔化金属向外溢出。 在通电加热过程中有两种情况可能引起飞溅：一种是开始时电极预压力过小，熔化核心周围未形成塑性金属环热向外飞溅；另一种是加

26、热结束时，因加热时间过长，熔化核心过大，在电极压力下，塑性金属环发生崩溃，熔化金属从焊件之间或焊件表面溢出。（3）锻压阶段 锻压是在切断焊接电流后，电极继续对焊点挤压的过程，对焊点起着压实作用。断电后，熔化核心是在封闭的金属壳内开始冷却结晶的，收缩不自由。如果此时没有压力作用，焊点易出现缩孔和裂纹，影响焊点强度。如果有电极压挤，产生的压挤变形使熔核收缩自由并变得密实。因此电极压力必须在断电后继续维持到熔核金属全部凝固之后才能解除。锻压持续时间视焊件厚度而定，对于厚度1-8mm的钢板一般为0.1s-0.2s。 当焊件厚度较大（铝合金为1.6-2mm）时，因熔核周围金属壳较厚，常需增加锻压力。加大

27、压力时间需控制好，过早会把熔化金属挤出来变成飞溅，过晚熔化金属已凝固失去作用。一般断电后0-0.2s内加大锻压力。以上是焊点的形成的一般过程。在实际生产中，往往根据不同材料，结构以及对焊接质量的要求，采用一些特殊的工艺措施。例如，对热裂纹倾向较大的材料，可采用附加冷脉冲的点焊工艺，以降低熔核的凝固速度；对调制材料的焊接，可在两电极之间做焊后热处理，以改善因快速加热，冷却而产生的脆性淬火组织；在加压方面，可以采用马鞍形，阶梯型或多次阶梯型等电极压力循环换，以满足不同质量要求的零件焊接12。2.1.2 点焊的工艺参数 点焊的工艺参数通常是根据工件的材料和厚度，参考该种材料的焊接条件选取。首先确定电

28、极的断面形状和尺寸；其次初步选定电极压力和焊接时间。然后调节焊接电流，以不同的电流焊接式样，经检验熔核直径符合要求后，再在适当的范围内调节电极压力，焊接时间和电流，进行式样的焊接和检验，直到焊点质量完全符合技术条件所规定的要求为止。点焊有时也应用于连接厚度达6mm或更厚的金属板，但与熔焊的对接接头相比较，接头的承载能力低，搭接接头增加了构件的重量和成本，且需要昂贵的特殊焊机，因而是不经济的8。2.1.3 点焊的焊接循环电阻点焊过程中，焊接循环由4个基本阶段组成:（1）预压时间自电极开始下降到焊接电流开始接通的时间。这一时间是为了确保在通电之前电极压紧工件，使焊接区各接触面压力达到设定的稳态值。

29、（2）焊接时间焊接电流通过工件的持续时间。在该时间内焊接区被加热并形成熔核。（3）维持时间焊接电流切断后，电极压力继续保持的时间。该时间使熔核在一定压力下冷却凝固至具有足够强度。（4）休止时间连续点焊时，自电极开始提起到再次开始下降的时间。该时间内电极离开工件，使操作人员得以移动工件准备焊接下一点。通电焊接必须在电极压力达到稳定值后进行，否则可能因压力过低而喷溅，或者因各点压力不一致而影响加热，造成焊点强度波动。电极提起必须在电流全部切断之后，否则电极工件间将引起电弧，烧伤工件。这一点在直流脉冲焊机上尤为重要。为了改善接头的性能，有时需要将下列各项中的一项或多项加于基本循环。1）加大预压力以消

30、除厚工件的间隙，使之紧密贴合。2）用预热脉冲提高金属的塑性，使工件易于紧密贴合、防止喷溅。3）加大锻压力以压实熔核，防止产生裂纹和缩孔。2.1.4 点焊的应用 点焊广泛用于汽车驾驶室，金属车厢腹板，家具等低碳钢产品的焊接。在航空航天工业中，多用于连接飞机，发动机，火箭，导弹中由合金钢，不锈钢，铝合金，等材料制成的部件。2.2 铝合金电阻点焊的工艺特点 2.2.1 焊接性能分析 和低碳钢相比，铝的膨胀系数，熔化潜热和热容量都大 ，熔点为657，=2.72g/cm2 ，纯铝无同素异构变化，不能用热处理来改变性能，但对杂志很敏感，有少量的铁或硅就易在晶界上生成复杂化合物或共晶体，严重影响耐腐蚀性。

31、（1）强氧化性能：铝极易氧化生成Al2O3,它是一层难溶的硬模。其熔点高达2050，=3.85g/cm3 ，对内部能起保护作用。这也是铝具有耐蚀性的重要原因。焊接时氧化更加剧烈，一方面妨碍熔池内液体金属的正常流动，另一方面因此比重大于液体铝而下沉变成夹渣，损害焊缝金属耐蚀性，熔核面上若生成氧化膜，则阻隔了工件与焊缝金属熔融，无法焊接。 （2）热裂纹：铝的线膨胀系数为低碳钢的2倍，而凝固时的收缩率又比钢大2倍，因此焊接时会产生较大的应力。当铝成分中的杂质超过规定范围时，在熔池中将形成较多的低熔点共晶。两者共同作用的结果，在焊缝中就容易产生热裂纹。防止热裂纹产生应根据结构形式采用不同的焊接接头形式

32、和合理的焊接规范以及锤击焊缝等措施，可防止热裂纹的产生。 （3）焊接熔透性：纯铝的导热性约为低碳钢的5倍，热损较大，另外铝的热容量大，熔化潜热大，焊接时需要更高的线能量，需要大功率或能量集中的热源，并且需要预热，板厚度增加时熔透问题更加突出。为了达到高质量的焊接接头，必须采用能量集中，功率大的热源，必要时并采取预热等措施。 （4）气孔：铝熔池凝固速度快，熔池液体金属比重低，熔池内的夹杂物受到的浮力小，难于浮出而存在焊缝中，使气孔和夹渣倾向加大。铝焊缝中的气孔主要是高温铝水吸入的氢气，氢则来源于各种潮气，能溶于液态铝，但几乎不溶于固态铝，熔池结晶时，液态铝中的氢气会大量析出，形成气泡，从而出现气孔。 （5） 烧穿：铝的固态和液态色泽不易区别，高温度强度极低，焊接时掌握困难，易引起金属烧穿，导致塌陷或下漏。 (6) 焊缝强度低：焊接时由于热影响区受热而发生软化，致使强度下降。此外铝的焊接过程中，易产生焊接变形，主要原因是线膨胀系数大。减少焊接变形，焊接过