鋁合金電阻點焊研究現(xiàn)狀及工業(yè)應(yīng)用

吳 松 ，王 敏 ，程軒挺 ，吳嘉元 ，孫 游

（1.上海交通大學上海市激光制造與材料改性重點實驗室,上海 200240；2.上海翼銳汽車科技有限公司，上海 201814）

0 前言

隨著全球能源危機和環(huán)境污染的加劇，汽車工業(yè)開始采用鋁合金作為結(jié)構(gòu)材料以減輕汽車質(zhì)量，在保證汽車安全性的同時增加能源的有效利用率[1]。鋁合金作為一種新型的節(jié)能材料，在工業(yè)生產(chǎn)中具有廣泛的應(yīng)用價值，但是對于其取代現(xiàn)有鋼材料的地位還有相關(guān)難題亟待解決。如長期以來汽車制造中，鋼的電阻點焊具有良好的適用性，但是對于鋁合金而言，原先用于鋼材焊接的整套標準卻無法直接適用在鋁合金的電阻點焊上，且電阻點焊用于鋁合金焊接上存在以下問題：能耗較高（如焊接6111鋁合金1 mm薄板時每次焊接耗能為50～100 kJ，其焊接時間0.15～0.3 s[2]）、焊接質(zhì)量不夠穩(wěn)定（其表面易生成氧化膜）、焊接工藝有難度（其導熱性、導電性較高）、熱變形大（熱膨脹系數(shù)較大）、電極壽命相對鋼的電阻點焊較短等。

為了使鋁合金電阻點焊焊接質(zhì)量更優(yōu)異、更穩(wěn)定，以廣泛運用于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)，在此針對已有的國內(nèi)外鋁合金電阻點焊技術(shù)難點和研究現(xiàn)狀進行相應(yīng)歸納、總結(jié)，提出未來鋁合金電阻點焊工藝研究發(fā)展的重點趨勢。

1 鋁合金及其電阻點焊的特點

1.1 鋁合金的特點

鋁合金是以鋁為基體，包含銅、鎂、硅、鋅、錳等主要元素的材料。純鋁的熔點為660℃，而鋁合金由于其加入其他合金元素后熔點為480℃～660℃，鋁及其鋁合金有以下特點：（1）密度較小，導熱導電性能好，熔點低，與低碳鋼相比有如表1[3]所示的物理特性。（2）強度較高，雖然鋁合金是輕金屬，但是某些型號鋁合金強度卻能超過低碳鋼，其強化機理可以分為冷加工強化與熱處強化。（3）鋁合金的耐蝕性較好，其表面會在極其短的時間內(nèi)生成熔點為2000℃的Al2O3氧化膜，厚度約5 nm，如果在溫度較高以及潮濕多氧的條件下，這個厚度還會增加，其氧化膜為PH 4～PH 9時是比較穩(wěn)定的。（4）鋁對光有較強的反射能力，熔融狀態(tài)下沒有顏色的變化，故無法直接通過顏色的變化來觀察焊接進行的程度。

表1 鋁合金與低碳鋼的物理性質(zhì)

1.2 鋁合金電阻點焊的難點

基于鋁合金材料特性及鋁合金電阻點焊的研究表明，鋁合金電阻點焊存在以下難點與主要問題。

（1）鋁合金具有良好的導電性與導熱性，但由于其電阻系數(shù)ρ較小，電流通過工件產(chǎn)生的熱量較少，如圖1所示，同時熱導率較高，產(chǎn)生較多的熱量流失，其能量利用率較低。

因此點焊時必須在回路內(nèi)接入較大的脈沖電流，通常采用短時間大電流的硬規(guī)范，鋁合金的電阻點焊電流一般是鋼的2～3倍，而時間卻只有其1/3～1/2，如焊接1.0 mm+1.0 mm低碳鋼和鋁合金的電阻點焊參數(shù)對比如表2所示。

（2）表面氧化膜及電極粘連。鋁合金表面易生成氧化鋁，而且其分布不致密，無規(guī)律，如果未經(jīng)清理將導致焊件間的局部接觸電阻增大，大脈沖電流通過焊件時，往往會導致產(chǎn)生噴濺。文獻[4]指出在鋁合金電阻點焊中，未經(jīng)表面處理的比預(yù)先表面處理的鋁合金點焊接頭的質(zhì)量差。

圖1 電阻構(gòu)成與熱平衡原理

表2 5xxx、6xxx系鋁合金與低碳鋼焊接參數(shù)比較

在焊接鋁合金時所用的純Cu電極，其電導性與Al合金的導電性差別較小，而采用的電流強度是焊接低碳鋼的2～3倍，從而可能出現(xiàn)E/W界面接觸點集中大量熱量，甚至出現(xiàn)加速銅鋁合金化，以及粘連的現(xiàn)象，極大的縮短了電極的壽命。

（3）易出現(xiàn)縮孔、裂紋等缺陷。文獻[5]指出：通過分析認定焊核中心易出現(xiàn)的“氣孔”并非氣孔，而是接頭在冷卻時形成的縮孔。大多數(shù)是由于工藝的因素產(chǎn)生縮孔缺陷的(如焊接時時間或電流過大，產(chǎn)生噴濺，部分液態(tài)金屬由核心內(nèi)漏出，凝固時未及時回填)，如圖 2 所示[6]。

此外，鋁合金熱膨脹系數(shù)較大，在點焊冷卻時，外部散熱較快，熔核內(nèi)部溫度較高，熔核最后凝固，凝固的部位體積收縮，易出現(xiàn)裂紋源。文獻[7]指出：硬鋁、高強度鋁合金等熱處理強化鋁合金點焊時，熱影響區(qū)強度顯著降低，與焊點相交處的金屬（溫度超過580℃）晶界上，低熔點、低塑性共晶部分熔化，當點焊冷卻速度較快時，往往在內(nèi)應(yīng)力的作用下形成裂紋。鋁合金裂紋缺陷常為熱裂紋且可以細分為裂紋發(fā)生位置不同的結(jié)晶裂紋與液化裂紋。

圖2 縮孔與熔核過大等缺陷

文獻[5]采用儲能焊焊接鋁合金快速凝固時在熔核區(qū)形成裂紋缺陷，如圖3所示。將裂紋形成原因歸結(jié)為兩點：一是鋁合金本身材料的特點，高溫強度低、塑性差、熱膨脹系數(shù)和結(jié)晶收縮率卻很大[8-9]，經(jīng)高溫熱循環(huán)后點接接頭易產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力與相應(yīng)的變形，容易產(chǎn)生裂紋；二是儲能焊的冷速過快，凝固時間短，金屬來不及回填。

圖3 焊接裂紋顯微形貌

2 鋁合金電阻點焊國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外研究現(xiàn)狀包括對鋁合金電阻點焊的工藝參數(shù)研究，焊接接頭形成機理研究以及電阻點焊電極頭壽命技術(shù)研究。

2.1 鋁合金點焊工藝研究

2.1.1 電阻點焊工藝參數(shù)優(yōu)化研究

電阻點焊通過控制參數(shù)的優(yōu)化，理論上可以得到需要的熔核直徑、焊接質(zhì)量、力學性能。

關(guān)于工藝參數(shù)的研究而言，其包括焊接電流、焊接時間、電極壓力變化對熔核直徑、焊接接頭微觀組織，以及組織性能（如其硬度）的影響。文獻[8]通過13組正交實驗方法：分別固定兩個參數(shù)，變化一個參數(shù)的情況，分析了相應(yīng)參數(shù)對熔核直徑，厚度減薄程度、熔核剖面的硬度以及斷裂載荷的影響。

熔核直徑一般作為衡量焊接質(zhì)量優(yōu)劣的標準。文獻[9]指出5083-O鋁合金點焊隨著熔核直徑的增大，最大拉伸斷裂載荷將提高。

（1）固定焊接電流時間與電極壓力，熔核直徑隨電流先增大后減小。文獻[10]指出在一定范圍內(nèi)，接頭的拉剪載荷與熔核直徑都將隨電流一起增加，而加壓方式如高壓與低壓，對接頭性能影響不明顯。文獻[8]指出熔核直徑隨電流增加沒有出現(xiàn)下降的趨勢。其原因是最大電流值還未達到閥值，剛出現(xiàn)少量的噴濺時，如繼續(xù)增加電流并超出閥值，將會出現(xiàn)熔核直徑變小的趨勢。這種趨勢的原因是：電流增大，熱輸入增大，電極和壓潰區(qū)接觸面變大，電流密度減小，使熔核直徑變小。

（2）焊接時間增加與焊接電流增加都是增加熱輸入，兩者影響熔核直徑與點焊接頭質(zhì)量的機理類似，因而規(guī)律也基本一致。

（3）電極壓力相對于電流大小和時間來說，其對熔核直徑影響較小，增加到一定范圍值之后其影響基本穩(wěn)定，超出一定的閥值后會有些許減小的趨勢。文獻[9]對焊接1.5 mm的AA5083-O薄板研究表明：提高電極壓力會減慢裂紋的萌生與裂紋的擴展，提高其疲勞壽命。文獻[11]研究表明較大的電極壓力能夠細化焊核內(nèi)部組織晶粒，減少氣孔的尺寸和數(shù)量，進而提高點焊接頭的疲勞壽命。但電極壓力過大必然會讓表面壓痕變深，熔核厚度變薄，接頭性能變差。

這三個參數(shù)構(gòu)成了一個焊接質(zhì)量穩(wěn)定的范圍，超出這個范圍就會出現(xiàn)相應(yīng)的宏觀與微觀缺陷，因而需要通過多參數(shù)配合對點焊接頭質(zhì)量進行有效的控制。

2.1.2 焊接前處理工藝研究

文獻[12]指出在AA5182材料表面的氧化層特別復雜。除了氧化鋁外還包含其他氧化物、水等，因而前處理對于焊接的穩(wěn)定性有重要的作用。鋁合金電阻點焊前處理方法主要有四種：化學方法（酸堿）、機械方法（不銹鋼刷、刮刀）、兩種上述方法配合、單獨用丙酮除油。

文獻[7]中先利用堿液除油，用10%～30%NaOH擦洗至金屬表面出現(xiàn)金屬光澤，再用30%稀硝酸擦拭中和堿液后冷水洗凈，最后風干?？梢越Y(jié)合機械處理的方法用不銹鋼絲刷或者刮刀，化學與機械方法同時使用其表面更干凈。對于機械方法而言，鋁合金較軟的材質(zhì)決定其不能用砂輪、砂紙打磨，因為砂?？赡軙喝肽覆淖罱K使焊接產(chǎn)生缺陷。同時應(yīng)該對其放置時間做出規(guī)定，最好是在72 h內(nèi)進行試驗。

文獻[10]在對1 mm+1 mm鋁合金板直流點焊時，只進行表面丙酮除油。沒有進行化學處理（酸堿洗）與機械處理，但其實驗參數(shù)設(shè)置得較大，電極壓力開始是5 kN，通電時間為6～8周波。是否電極壓力增大和通電時間增長會彌補未前處理的不足，需要實驗進一步驗證。

關(guān)于前處理質(zhì)量的檢驗問題，對重要焊接結(jié)構(gòu)及鋁合金焊件，需要每批抽測，具體原理是測量施加一定電極壓力下的兩電極間的總電阻，驗證并評定清理效果。

2.2 鋁合金點焊接頭形成機理研究

2.2.1 接頭的形成過程

點焊接頭形成過程同液態(tài)金屬凝固過程類似，包括形核與長大。

（1）形核。鋁合金電阻點焊形核過程可以分三個階段：a.隨機形核；b.擴展融合；c.熔核增厚。圖4給出了按這種劃分方法的形核過程示意圖[13]。定性地講，接通電流后，初始導電斑點附近，電流線收縮，電流密度增大，在電流熱效應(yīng)作用下，這些點上溫度將會首先升高，隨著溫度升高，材料將會發(fā)生軟化、變形，新的接觸斑點和導電斑點陸續(xù)出現(xiàn)，接觸電阻將會迅速減小，電流分布將會變均勻，接觸面內(nèi)溫度也趨于均勻化。

圖4 鋁合金電阻點焊形核過程三階段示意

（2）長大過程。電阻點焊熱循環(huán)方式?jīng)Q定了一般情況下熔核以柱狀晶形式長大，將合金溶度較高的成分排至晶叉及枝晶前端位置，直至生長的枝晶相互抵住，獲得較牢固的金屬鍵合，結(jié)合面消失，得到柱狀晶生長充分的焊點，但是因過冷，核心中部會同時形成等軸晶粒，即為兩種組織并存的熔核。

2.2.2 接頭形成組織特點相關(guān)研究

通常鋁合金進行電阻點焊形成的接頭，其微觀組織如圖5所示。

圖5 鋁合金電阻點焊熔核金相顯微圖[8]

點焊接頭從外到內(nèi)依次為：熱影響區(qū)、熔合區(qū)、熔核。熔核內(nèi)部組織形成是非平衡動態(tài)結(jié)晶過程，以競爭生長和聯(lián)生生長的方式生長，分別形成粗大的柱狀晶與核心的少量的等軸晶粒。國內(nèi)學者趙熹華等人研究了鋁合金的點焊熔核“柱狀晶+等軸”組織形成機理[14]。文獻[15]通過對熔核進行孕育處理，首次獲得了第三種凝固組織——單一的等軸晶，大大改善了其力學性能，同時首次使全部為柱狀晶的點焊熔核貼合面出現(xiàn)等軸區(qū)。

按受力狀態(tài)電阻點焊接接頭分為塑性區(qū)（即熱影響區(qū)），承力致密區(qū)、疏松區(qū)，如圖6所示。塑性環(huán)先于熔核形成且伴隨其長大，可防止周圍氣體浸入和保證熔核液態(tài)金屬不沿著工件縫隙往外噴濺。

圖6 電阻電焊接頭示意[16]

文獻[16]提出用酸液腐蝕焊接剖面，中間的疏松區(qū)腐蝕最嚴重，空穴腐蝕的深淺因材料而異?？昭ǜg程度是一個新的焊接接頭性能的指標，是對傳統(tǒng)的熔核直徑衡量指標的補充。

2.3 鋁合金點焊電極壽命研究

2.3.1 Cu電極點蝕機理及電極表面狀況對壽命影響

（1）對于低碳鋼電阻點焊，其電極頭壽命是鋁合金電極點焊頭的幾百倍，鋁合金焊接電極頭壽命一般只能達到幾十個焊點。究其原因是銅電極與鋁合金工件發(fā)生了銅鋁合金化反應(yīng)。文獻[17]對點焊過程的銅鋁合金化進行了宏觀、微觀、合金化過程分析，指出鋁元素存在于電極端面中，同時證明了銅鋁合金化在點焊過程電極端面是存在的，并且合金化產(chǎn)物主要是金屬化合物（CuAl2），這種產(chǎn)物在電極層往里約50 μm處也存在。

文獻[4]提出電極壓力是電極環(huán)形粘連問題的力學原因，指出電阻點焊的粘連開始于直徑為5 mm的范圍邊緣，如圖7所示。通過FEA的結(jié)果與實驗觀察的結(jié)果分析認為，在電極與工件（簡稱E/W）接觸面的外圍環(huán)狀大概4～5 mm直徑的邊緣上其切應(yīng)力與壓力的比值比心部大，一些顯微的滑移會出現(xiàn)在這個邊界上，這個滑移會破壞表面的氧化層使金屬與金屬進行接觸，從而導致那一點上的接觸電阻變小，導致電流密度的增加，帶來更多的熱輸入，因而點蝕開始階段會出現(xiàn)在環(huán)部位置。

圖7 電極上的環(huán)形粘連

國內(nèi)學者[13]認為承力致密區(qū)與環(huán)狀粘連有關(guān)。疏松區(qū)接觸電阻相對于承力區(qū)較大，電流密度會彎曲集中在承力致密區(qū)，形成環(huán)狀區(qū)域。文獻[18]利用Ansys軟件研究在電極與工件接觸區(qū)的邊緣區(qū)域電極壓力、電流密度與溫度，認為電極表面點蝕環(huán)形成主要原因在于，E/W接觸區(qū)邊緣位置處存在應(yīng)力集中和電流的邊緣效應(yīng)。

（2）電極與工件界面條件對壽命的影響：通常情況下，如果表面狀況不好會加速銅鋁合金化。例如氧化層的存在會大大增加E/W之間的接觸電阻，從而得到更多的熱量，提升銅電極的溫度，使鋁元素朝著電極的擴散加劇。

Leone、Altshuller、Patrick 等人的觀點：電極的短壽命和隨之產(chǎn)生的點焊質(zhì)量都是限制鋁合金點焊技術(shù)應(yīng)用的主要因素。文獻[4]通過對比實驗（見表3）得出，組1有一個較寬的加工工藝參數(shù)范圍以及粘連傾向性更小。組1在33kA的大電流情況下依然工件表面光滑，而組2電極上已經(jīng)出現(xiàn)粘連，且鋁板上表面質(zhì)量變得非常差，如圖8所示?？梢哉f明表面是否完全清理對焊接參數(shù)、電極壽命以及焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性有很大的影響。

表3 材料為AA5754的2 mm+2 mm板

圖8 表面清理狀態(tài)焊接質(zhì)量的影響對比

2.3.2 新型涂層材料與電極涂層的延壽技術(shù)

涂層材料（工件表面的材料和電極鍍層材料）都能夠減慢銅鋁合金化并減輕電極的塑性變形和磨損，其基本原理都是將E/W界面隔離開，形成有效厚度的薄膜。

文獻[19]研究表明：在鋁合金表面加入有機油、硫酸銅溶液、碳化硼等，都能使基體組織得到改善，有效地減弱了點焊時的銅鋁合金化。其中有機油與碳化硼效果最好。

文獻[20]研究表明：因為礦物油以及碳化硼的加入，隔離銅與鋁之間的接觸，并指出其還有降低E/W界面溫度，減少生成合金化產(chǎn)物CuA12的概率的作用，同時涂料能填補E/W間的空隙，減少不均勻點接觸，以及減弱由此引起的局部小爆炸和銅鋁合金化作用。

文獻[20]從考慮電極表面出發(fā)，用點焊的時產(chǎn)生的電阻熱和加壓作用，合成了Cu-Ti-B復合電極涂層，TiB2具有很好的熱強性，點焊時可以增加電極端面的強度，減少電極端面局部小爆炸造成的塑性變形，從而延長電極使用壽命。吳志生等人從電極端面的銅鋁合金化的角度進行研究，指出導致鋁合金點焊電極壽命顯著降低的根本原因在于點焊時E/W間產(chǎn)生的銅鋁合金化，并提出深冷處理電極可延長電極壽命。

2.4 鋁合金點焊數(shù)值模擬

Jamil.A.Khan[21]研究了鋁合金電阻點焊的三維熱模型，但沒有考慮到點焊時接觸面間產(chǎn)生的變化。

楊黎峰[22]建立了軸對稱模型，并對鋁合金電阻點焊的熔核行為、孕育處理的相關(guān)機理進行了研究，解釋了點焊過程的溫度和流場的分布規(guī)律，有助于對熔體的運動、凝固組織的細化和缺陷產(chǎn)生的原因的理解。

日本學者De A在鋁合金電阻點焊的研究中，采用電-熱-力耦合的有限元模型[23]，預(yù)測了在不同焊接電流、焊接時間、電極力作用下的熔核直徑、熔深、電極與板的接觸直徑等，經(jīng)驗證，這種模型對于離線檢測焊接參數(shù)對焊點尺寸的影響非常有用。

國外學者Hasselman等人利用熱-電-力多場耦合的有限元模型分析了鋁合金的電阻點焊過程，利用基于不確定模型的主元素法，通過熔核尺寸及表面壓痕計算的線性方差得出有限元的預(yù)測精度[24]。

美國的Mr Sun X等人采用ABAQUS程序，通過模擬鋁合金點焊過程的熱-電-力學過程，得出熔核尺寸及接觸面積隨焊接時間的變化規(guī)律、電極表面壓力及溫度的變化規(guī)律，以及焊接區(qū)的等效塑性應(yīng)變及殘余應(yīng)力分布[25]。此模擬的計算可用于預(yù)測鋁合金點焊熔核生長及其裂紋的形成情況。

3 鋁合金電阻點焊的工業(yè)應(yīng)用

3.1 鋁合金電阻點焊在汽車車身裝配中的應(yīng)用

有數(shù)據(jù)表明[26]：汽車自重每降低100 kg，油耗就可減少0.7 L/km，并相應(yīng)降低CO2排放量。世界各大汽車公司正在開發(fā)鋁合金汽車車身。目前國際上變形鋁合金在汽車車體的應(yīng)用主要為5xxx系、6xxx系，鋁合金的應(yīng)用與其焊接技術(shù)的發(fā)展是相輔相成的。汽車上的鋁合金結(jié)構(gòu)件多數(shù)要求采用焊接的方式，并要求焊縫有良好的機械性能[27]。作為整車裝配中的焊裝工藝而言，鋁合金電阻點焊有利于機械化、自動化、生產(chǎn)率的提高以及焊接質(zhì)量保證，如圖9所示。

圖9 點焊機器人與其組成的車身焊裝生產(chǎn)線

考慮到鋁合金點焊的難點，且需要大電流、硬規(guī)范的特點，已經(jīng)采用中頻點焊機替代工頻焊機焊接鋁合金。國外部分企業(yè)已將中頻點焊機器人與伺服加壓點焊機器人應(yīng)用于轎車白車身焊裝線，歐洲的中頻點焊機器人使用量已達到40%，并擴大到鋁合金轎車車身的點焊作業(yè)[28]。

鋁合金在汽車上的巨大應(yīng)用前景，及鋁合金的電阻點焊難度，迫切需要進一步深入研究鋁合金電阻點焊相關(guān)工藝，形成一套完整的、能夠保證質(zhì)量、成本、效率的工業(yè)流程。

3.2 鋁合金電阻點焊在其他工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

鋁合金的電阻點焊不僅在汽車工業(yè)中有應(yīng)用前景，還涉及軌道交通、航空航天等。

在軌道車輛裝備制造領(lǐng)域，歐洲鋁合金車體占據(jù)了70%的市場份額，高速鐵路市場，鋁合金車體幾乎占據(jù)世界95%以上市場份額[29]。國內(nèi)2001年長春軌道客車股份有限公司建成國內(nèi)第一條鋁合金車體自動焊接生產(chǎn)線。鋁合金車體很少使用電阻點焊，是由其點焊技術(shù)難度決定的，其主要應(yīng)用還是車體部件的焊接。

文獻[30]研究了鋁制交通標志板正面無壓痕電容儲能點焊設(shè)備及工藝，成功地采用電容儲能焊解決了大型鋁制交通標志板的焊接問題。

航天航空領(lǐng)域，高強度鋁合金的電阻點焊也有廣泛應(yīng)用。文獻[31]研究了航空用高強度鋁合金點焊工藝對焊接質(zhì)量的影響，并認為高強度鋁合金電阻點焊作為比較有效的焊接方法，在航天產(chǎn)品制造中有較多的應(yīng)用。

4 結(jié)論

鋁合金電阻點焊具有對焊機要求高（焊接電流大，焊接時間短），電極頭易粘連且壽命短，易產(chǎn)生缺陷（縮孔、裂紋）等難點。國內(nèi)外學者已在工藝參數(shù)與熔核直徑、力學性能（拉剪、正拉載荷）關(guān)系，點焊前處理與焊接質(zhì)量關(guān)系，點焊接頭形成機理與組織特點，電極粘連機理與延壽技術(shù)等方面做了相關(guān)的研究工作。需要進一步探索和研究的是：鋁合金預(yù)處理狀態(tài)（涂油、鈍化）對焊接質(zhì)量的影響、工藝參數(shù)與疲勞壽命的關(guān)系，運用多參數(shù)配合控制的方法使鋁合金電阻點焊技術(shù)能夠運用于大批量、自動化生產(chǎn)，以及探索多種焊后質(zhì)量檢測指標與檢測手段。

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