電極壓力對(duì)白車身焊點(diǎn)質(zhì)量的影響

覃 鑫，鄭宏良，黃西利

（上汽通用五菱汽車股份有限公司技術(shù)中心，廣西 柳州 545007）

0 前言

電阻點(diǎn)焊具有生產(chǎn)效率高、低成本、節(jié)省材料、易于自動(dòng)化等特點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于航空、航天、能源、電子、汽車、輕工等領(lǐng)域，也是汽車焊裝工藝中最主要的焊接方法之一。目前，在白車身制造中電阻點(diǎn)焊承擔(dān)著70%以上的工作量，一輛微型汽車或轎車的電阻點(diǎn)焊焊點(diǎn)多達(dá)4 000個(gè)以上。電極壓力是電阻點(diǎn)焊的主要控制參數(shù)，也是造成焊接輸入熱量不穩(wěn)定的一個(gè)主要因素，它直接影響著白車身電阻點(diǎn)焊的焊點(diǎn)質(zhì)量。然而電極壓力的控制不是僅僅依靠經(jīng)驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)所能達(dá)到的，因此，電極壓力對(duì)白車身焊點(diǎn)質(zhì)量的影響成為眾多工程技術(shù)人員研究的重點(diǎn)對(duì)象[1-2]。

1 焊接熱量與電極壓力的關(guān)系

電阻焊是利用電極對(duì)被焊工件施加一定的壓力，將其壓緊后通電，利用電極間產(chǎn)生的電阻熱熔化金屬而達(dá)到焊接的目的[3]。電極壓力對(duì)兩電極間總電阻R有明顯的影響，隨著電極壓力的增大，R顯著減小。焊接熱量與電極壓力的關(guān)系為[1]

式中 Q為熱量；I為電流；t為通電時(shí)間；R1為材料本身的電阻；KC為與接觸材料、表面情況、接觸方式等有關(guān)的系數(shù)；Fm為接觸壓力。

根據(jù)式（1）可知，當(dāng)焊接電流和時(shí)間一定時(shí)，焊接熱量與電極壓力的關(guān)系曲線如圖1所示。焊接熱量是隨著電極壓力增大而減少的，當(dāng)Ff1時(shí)，電極壓力越大，焊接熱量會(huì)越穩(wěn)定。但是，過大的電極壓力會(huì)引起工件變形、焊點(diǎn)壓痕深的質(zhì)量問題出現(xiàn)，而且電流的調(diào)節(jié)幅度不大，過大的電極壓力還會(huì)造成虛焊的出現(xiàn)。因此將電極壓力控制在合適的范圍非常重要。

圖1 焊接熱量與電極壓力的關(guān)系Fig.1 Relationship between the heat of pressure

2 點(diǎn)焊循環(huán)過程中的電極壓力控制

通常把一個(gè)焊點(diǎn)形成過程稱為一個(gè)點(diǎn)焊循環(huán)過程。如圖2所示，電阻點(diǎn)焊的單脈沖的簡(jiǎn)單循環(huán)過程分為四個(gè)階段，即預(yù)壓階段、焊接階段、維持階段和休止階段[4]。

在整個(gè)焊接過程中通常會(huì)只設(shè)置一個(gè)電極壓力 ，F(xiàn)預(yù)壓=F焊接=F鍛壓，電阻點(diǎn)焊單脈沖循環(huán)過程壓力與時(shí)間的關(guān)系如圖3所示。在實(shí)際的白車身制造過程中，由于車身的特殊位置或焊件的剛度情況，電極壓力在各階段的設(shè)置會(huì)有所不同。

2.1 預(yù)壓階段

預(yù)壓階段即是從電極開始加壓到焊接電流開始接通之前的階段。電極壓力的作用是使焊件貼合面有良好的接觸，為焊接電流順利通過做好必要的準(zhǔn)備。白車身電阻點(diǎn)焊一般采用錐形電極，選擇適合的錐角（一般為 120°～140°）。預(yù)壓力合適時(shí)，能使得結(jié)合面邊緣的應(yīng)力比較大，而中心部分小且均勻，這有利于結(jié)合面周邊的壓緊，使加熱時(shí)易于形成塑性環(huán)，以防止飛濺的產(chǎn)生。若預(yù)壓力不足時(shí)，接觸電阻和電流密度會(huì)比較大，焊接過程中會(huì)產(chǎn)生大量熱量，導(dǎo)致熔核過大甚至出現(xiàn)焊穿現(xiàn)象。電極壓力過大，將使焊接區(qū)接觸面積增大，總電阻和電流密度均減小，因此熔核尺寸變小，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)虛焊。

圖2 點(diǎn)焊循環(huán)過程Fig.2 Spot welding process

圖3點(diǎn)焊循環(huán)過程的壓力與時(shí)間關(guān)系Fig.3 Relationship between pressure and time

2.2 焊接階段

焊接階段即是通電加熱、熔核形成的階段。通電加熱時(shí)，由于邊緣效應(yīng)和繞流現(xiàn)象，焊件貼合面電流密度最大，加熱最為劇烈。如圖4所示，由于水冷電極的冷卻作用，與電極接觸的焊件表面溫度上升很慢。只有兩焊件接觸面因接觸電阻熱而使電阻率增大、析熱強(qiáng)烈，而散熱又困難，于是首先開始熔化，并逐漸形成橢圓形熔化核心。液態(tài)熔核周圍的高溫固態(tài)金屬在電極壓力作用下產(chǎn)生塑性變形和強(qiáng)烈再結(jié)晶將形成塑性環(huán)。在通電過程中，塑性環(huán)先于熔核形成且始終伴隨熔核長(zhǎng)大，處于產(chǎn)生、擴(kuò)展、部分轉(zhuǎn)化為液態(tài)熔核這一動(dòng)態(tài)變化過程。塑性環(huán)的存在防止了液態(tài)金屬在加熱與壓力作用下向板縫中心飛濺，并避免了外界空氣對(duì)高溫液態(tài)金屬的侵襲。焊接過程中，焊接區(qū)溫度場(chǎng)不斷向外擴(kuò)展，直至核心形狀和尺寸達(dá)到要求為止。

飛濺是焊接階段較易產(chǎn)生的不利現(xiàn)象[7-8]。如圖5所示，飛濺可分為前期飛濺和后期飛濺。前期飛濺即是熔化核心尚未形成以前的飛濺，主要是由于接觸電阻過大或不均勻造成加熱過急，而周圍塑性環(huán)還未形成時(shí)，被急劇加熱的接觸點(diǎn)因溫度上升極快，使內(nèi)部金屬氣化，便以飛濺形式從縫隙噴出。后期飛濺是已經(jīng)形成熔核后產(chǎn)生的，在形成最小熔核后繼續(xù)加熱，熔核和塑性環(huán)不斷向外擴(kuò)展，當(dāng)熔核沿徑向的擴(kuò)展速度大于塑性環(huán)擴(kuò)展速度時(shí)，如果熔化核心軸向增長(zhǎng)過高，在電極壓力作用下也沖破塑性環(huán)向表面噴射而形成外部飛濺，同時(shí)部分飛濺也可能從縫隙噴出。

飛濺會(huì)造成白車身的嚴(yán)重質(zhì)量問題，如焊渣、焊點(diǎn)凹陷等缺陷，這不僅造成車間的返工打磨，也會(huì)降低焊點(diǎn)強(qiáng)度，同時(shí)還影響車間的工作環(huán)境和安全。點(diǎn)焊飛濺的控制需要同時(shí)調(diào)節(jié)電極壓力和加熱速度來實(shí)現(xiàn)。

2.3 維持階段

維持階段又稱冷卻結(jié)晶階段。對(duì)維持壓力的大小要求是要能足以克服焊件的剛度，使焊件的變形能夠抵消熔核液體金屬的冷凝收縮，這樣從熔核周圍成長(zhǎng)起來的樹枝狀晶體，就能在熔核中心彼此接觸，并長(zhǎng)在一起，形成牢固的焊點(diǎn)。如果維持壓力太小，則在熔核的中心可能產(chǎn)生縮孔和裂紋。為了防止焊點(diǎn)產(chǎn)生這樣的收縮缺陷，有時(shí)采用比焊接壓力還大的鍛壓力即F預(yù)壓=F焊接

3 白車身焊接過程中電極壓力的控制

目前，汽車行業(yè)白車身電阻點(diǎn)焊的工藝參數(shù)的選擇一般遵循行業(yè)中通用的規(guī)范，有些企業(yè)也會(huì)根據(jù)自身的經(jīng)驗(yàn)制定適合自身工藝條件的參數(shù)選擇規(guī)范[5]。

3.1 電極壓力的選擇

白車身的制造規(guī)范中，電阻點(diǎn)焊電極壓力參數(shù)的選擇一般分為如圖6所示的三個(gè)步驟。

圖6 電極壓力參數(shù)選擇的一般步驟Fig.6 General steps of electrode pressure parameters

主導(dǎo)板厚(DT)選擇的遵循原則：（1）如果兩個(gè)零件連接時(shí)，選擇薄的零件厚度為主導(dǎo)板厚；（2）如果一個(gè)零件與雙層板總成連接，零件厚度為最厚時(shí)，選擇三者板厚的第二厚度為主導(dǎo)板厚，否則主導(dǎo)板厚選零件板厚；（3）如果一個(gè)零件與三層板的總成連接，選擇零件厚度為主導(dǎo)板厚。主導(dǎo)板厚（DT）的選擇規(guī)范如表1所示[9]。

對(duì)于結(jié)合面狀態(tài)的選擇，遵循的原則為：零件間連接，選擇級(jí)別高的結(jié)合面；零件與總成連接時(shí)，選擇零件與總成間的結(jié)合面。

確定主導(dǎo)板厚和結(jié)合面狀態(tài)后，即可從焊接參數(shù)參考值中選擇電極壓力的設(shè)置。這樣的選擇在白車身焊接中90%的可以得到質(zhì)量較好的焊點(diǎn)[10]。

3.2 特例分析

雖然白車身焊接參數(shù)的選擇規(guī)范都是依據(jù)行業(yè)中或企業(yè)自身多年的經(jīng)驗(yàn)積累編制的，但是隨著汽車造型的日新月異，白車身結(jié)構(gòu)也發(fā)生了很大的改變，按照原有的規(guī)范選擇焊接參數(shù)，車身的一些特殊位置可能無法獲得質(zhì)量良好的焊點(diǎn)。特別是在新車型制造前期，由于電極壓力的選擇不合理造成的焊點(diǎn)質(zhì)量問題時(shí)有發(fā)生。兩廂車前期造車的后輪罩焊點(diǎn)質(zhì)量問題如圖7所示。

表1 點(diǎn)焊主導(dǎo)板厚的選擇Tab.1 Select the thick of dominant plate

由圖7分析可見，這兩廂車的前期造車的后輪罩連接質(zhì)量問題十分嚴(yán)重。焊點(diǎn)凹陷和縮孔產(chǎn)生的主要原因是電極壓力的選擇不合理。焊點(diǎn)凹陷產(chǎn)生的主要原因是電極壓力和焊接電流匹配不合適產(chǎn)生的熱量所致，使得在焊接階段的熔核增大過程中，電極將塑性環(huán)沖破使焊點(diǎn)形成深度壓坑。這樣的情況常常還伴隨著后期飛濺的出現(xiàn)，要解決此問題，應(yīng)該一定幅度增加電極壓力和減少焊接電流?？s孔主要是在維持階段形成的，由于過小的維持壓力無法使焊件變形克服熔核液體金屬的冷凝收縮力，造成熔核周圍成長(zhǎng)起來的樹枝狀結(jié)晶無法在熔核中心彼此接觸，因此這個(gè)位置的焊點(diǎn)應(yīng)該一定幅度調(diào)大以維持壓力。

4 結(jié)論

在白車身焊接中，電極壓力的選擇首先要遵循多年經(jīng)驗(yàn)積累編制的焊接參數(shù)選擇標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于一些特殊位置的焊點(diǎn)，應(yīng)該根據(jù)其材料、結(jié)構(gòu)以及接頭形式，結(jié)合焊接電流、焊接時(shí)間、維持時(shí)間等參數(shù)對(duì)電極壓力進(jìn)行調(diào)整，由此才能保證白車身焊點(diǎn)質(zhì)量滿足要求。

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圖7 輪罩焊點(diǎn)質(zhì)量問題Fig.7 Quality problems of wheel cover joint

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