電阻焊在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用及發(fā)展現(xiàn)狀

郭瑞鵬，楊戰(zhàn)利，李遠(yuǎn)

(1.河南化工職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州450042;2.機(jī)械科學(xué)研究院哈爾濱焊接研究所，黑龍江 哈爾濱150028;3.南方匯通股份有限公司，貴州 貴陽(yáng)550017)

0 前言

電阻焊發(fā)明于19世紀(jì)末期，它是一種通過(guò)電極對(duì)組合后的焊件施加壓力，利用電流通過(guò)接頭的接觸面及鄰近區(qū)域產(chǎn)生的電阻熱進(jìn)行焊接的方法。電阻焊生產(chǎn)效率高、質(zhì)量好、且成本低，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化，所適用的焊接材料也非常廣泛，不但可以焊接鋼鐵材料，而且還可以焊接鋁、銅等有色金屬及其合金。隨著航空航天、電子、汽車、家用電器等工業(yè)部門的發(fā)展，電阻焊受到了越來(lái)越多的重視[1]。但是由于電阻焊焊接過(guò)程復(fù)雜，影響其焊接質(zhì)量的參數(shù)較多，為保證焊接接頭質(zhì)量，仍需要對(duì)焊接參數(shù)及焊接質(zhì)量之間的關(guān)系進(jìn)行進(jìn)一步的研究和優(yōu)化。

1 電阻焊在工業(yè)中的應(yīng)用

1.1 電阻焊在汽車制造業(yè)中的應(yīng)用

在工業(yè)應(yīng)用中，電阻點(diǎn)焊主要用來(lái)焊接金屬薄板和金屬絲網(wǎng)，厚板焊接由于熱流更容易向周圍傳導(dǎo)，因而很難實(shí)現(xiàn)點(diǎn)焊。目前，電阻點(diǎn)焊主要用于汽車制造中的薄板焊接，生產(chǎn)中已將工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用于組裝生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)了焊接過(guò)程的自動(dòng)化。

電阻焊作為傳統(tǒng)汽車制造中的一項(xiàng)重要工藝，在車身底板、車頂、車門、側(cè)圍及車身總成的焊裝過(guò)程中都得到了大量應(yīng)用。轎車的白車身結(jié)構(gòu)是其主要承載結(jié)構(gòu)，在轎車制造中對(duì)整車質(zhì)量起著決定性的作用。在白車身的制造和焊裝過(guò)程中大量應(yīng)用到了電阻點(diǎn)焊，如圖1所示，統(tǒng)計(jì)顯示，每輛汽車車身上都約有4 000～6 000個(gè)電阻點(diǎn)焊焊點(diǎn)。在汽車制造中焊點(diǎn)質(zhì)量至關(guān)重要，因?yàn)楹更c(diǎn)質(zhì)量的好壞，直接決定了白車身質(zhì)量的好壞，進(jìn)而影響到整車的制造質(zhì)量[2]。

圖1 電阻焊在汽車制造中的應(yīng)用

此外，電阻焊在汽車零部件的生產(chǎn)中也得到了廣泛的應(yīng)用，汽車油箱采用了電阻縫焊，汽車減震器制造時(shí)用到了電阻點(diǎn)焊、縫焊和凸焊，汽車輪圈生產(chǎn)中用到了連續(xù)的閃光對(duì)焊[3]。

1.2 電阻焊在石油化工行業(yè)中的應(yīng)用

在石油化工行業(yè)中，石油、天然氣以及石化企業(yè)生產(chǎn)中化工物料的輸送都通過(guò)管道來(lái)完成，因?yàn)榛ば袠I(yè)對(duì)管道用鋼管的要求非常嚴(yán)格，早期管道用鋼管主要采用無(wú)縫鋼管。隨著鋼鐵冶煉及焊管技術(shù)的發(fā)展，電阻焊直縫鋼管的質(zhì)量也不斷提高，由于在制造成本方面存在較大優(yōu)勢(shì)，在許多發(fā)達(dá)國(guó)家的石油化工行業(yè)中得到了大量的應(yīng)用，以替代高成本的無(wú)縫鋼管[4]。

近年來(lái)，雖然高頻電阻焊管在我國(guó)石油、天然氣管道方面的應(yīng)用逐漸增多，但是高頻電阻焊鋼管的焊接缺陷及質(zhì)量檢驗(yàn)方面依然存在一些問(wèn)題，仍有待進(jìn)一步的研究，這也在很大程度上影響了電阻焊管的推廣和應(yīng)用，這也是目前國(guó)內(nèi)焊管行業(yè)亟待研究解決的問(wèn)題。

1.3 電阻焊在其它行業(yè)中的應(yīng)用

電阻焊在家電制造行業(yè)也有著廣泛的應(yīng)用，因適合薄鋼板的焊接，且接頭質(zhì)量高，在冰箱、空調(diào)、洗衣機(jī)外殼的制造中得到了廣泛的應(yīng)用。

此外，電阻焊也可用于鎳－鎘或者鎳－金屬氫化物電池組的組裝。電池組裝時(shí)，可通過(guò)電阻點(diǎn)焊將鎳帶焊接到電池電極上，由于點(diǎn)焊時(shí)間很短，因而可以防止電池在連接過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)熱，而傳統(tǒng)的錫焊卻很容易產(chǎn)生過(guò)熱現(xiàn)象。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，牙醫(yī)也會(huì)用小型電阻焊來(lái)進(jìn)行金屬臼齒的尺寸修復(fù)。此外，電阻焊在飛機(jī)機(jī)身的制造、食品工業(yè)中食品包裝罐的制造中都有著廣泛的應(yīng)用。

2 電阻焊質(zhì)量控制的研究現(xiàn)狀

2.1 焊接參數(shù)對(duì)焊接質(zhì)量影響的研究現(xiàn)狀

目前，雖然電阻焊在工業(yè)中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，但是依然存在一些問(wèn)題，因?yàn)殡娮韬甘且粋€(gè)由熱、力、電和冶金學(xué)現(xiàn)象共同決定的復(fù)雜過(guò)程，焊接時(shí)電流強(qiáng)度、電極壓力、工件的材料和厚度、電流作用時(shí)間等參數(shù)都會(huì)影響到焊接質(zhì)量，而這些參數(shù)與焊接質(zhì)量之間的關(guān)系，仍有待進(jìn)一步的研究，也是目前電阻焊相關(guān)研究的熱點(diǎn)。

為了提高焊接質(zhì)量，目前主要從實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析方面對(duì)電阻焊做了研究。熔核形成、焊接電流、電極壓力等參數(shù)對(duì)焊接質(zhì)量影響的研究為焊接過(guò)程中的參數(shù)設(shè)置提供了有價(jià)值的信息。

為了擴(kuò)大電阻焊在高導(dǎo)電材料焊接中的應(yīng)用，需要對(duì)電阻焊參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，以降低生產(chǎn)成本，同時(shí)提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量。Florea 研究了6061－T6鋁合金搭接接頭點(diǎn)焊時(shí)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，對(duì)電阻點(diǎn)焊微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了量化，為了解電阻焊參數(shù)對(duì)點(diǎn)焊搭接接頭準(zhǔn)靜態(tài)拉伸性能的影響提供了一種新的方法。該研究表明，焊接加工參數(shù)對(duì)電阻點(diǎn)焊接頭質(zhì)量有著巨大的影響，通過(guò)不斷的重復(fù)和采集觀測(cè)試樣，獲得了6060－T6鋁合金焊接的最佳焊接電流、電極壓力和作用時(shí)間[5]。

電阻點(diǎn)焊的實(shí)驗(yàn)研究雖然能夠提供一些有價(jià)值的信息，但是代價(jià)太高。而數(shù)值分析的方法不僅能夠降低成本，同時(shí)也可以為實(shí)驗(yàn)研究提供一些有效的補(bǔ)充。然而目前應(yīng)用的大部分模擬軟件，包括以有限元為基礎(chǔ)的軟件，在建立模型時(shí)把電阻焊相關(guān)的所有因素都考慮進(jìn)去是很困難的，這是因?yàn)殡娮韬甘怯蔁?、力、電和冶金學(xué)現(xiàn)象共同決定的一個(gè)復(fù)雜過(guò)程。為了解決這個(gè)難題，在最近的研究中，Mohsen 提出了一個(gè)熱－電－力－冶金學(xué)相關(guān)的二維模型，圖2表明了電阻焊加工中不同現(xiàn)象之間的相互作用[6]，該模型很好地解釋了模擬過(guò)程中物理學(xué)與冶金學(xué)之間的相互作用，圖3是模擬過(guò)程中用到的模型及有限元網(wǎng)格劃分[6]。

模型建立后，通過(guò)有限元模型模擬軟件SYSWELD對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行了模擬，并分析了電流強(qiáng)度、電極半徑、電極壓力、焊件厚度等參數(shù)對(duì)熔核厚度、焊接熱影響區(qū)半徑及熔化區(qū)體積的影響。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)焊接電流在6～10 kA 時(shí)，在所有參數(shù)中，電流強(qiáng)度對(duì)焊接質(zhì)量的影響最大。隨著焊接時(shí)間的延長(zhǎng)，熔化區(qū)體積及熱影響區(qū)半徑均增大，而電極半徑的增大卻會(huì)導(dǎo)致熔化區(qū)體積的減小;該研究通過(guò)有限元分析，評(píng)估了各種電阻焊參數(shù)對(duì)熔核和熱影響區(qū)大小的影響，為確定電阻點(diǎn)焊的工藝規(guī)范，獲得所需要的微觀結(jié)構(gòu)和焊接質(zhì)量提供了參考和依據(jù)[6]。

圖2 電阻焊中各物理現(xiàn)象間的相互作用[6]

圖3 模擬時(shí)的幾何模型及有限元網(wǎng)格[6]

Hou Zhigang 等[7]用一個(gè)軸對(duì)稱的二維有限元模型，通過(guò)ANSYS 對(duì)電阻點(diǎn)焊加工的傳熱和力學(xué)特性進(jìn)行了分析。研究發(fā)現(xiàn)，電阻點(diǎn)焊加工時(shí)的力學(xué)特性對(duì)焊點(diǎn)性能和焊接結(jié)構(gòu)質(zhì)量都有很大的影響，會(huì)影響到焊點(diǎn)的強(qiáng)度和疲勞壽命。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表明，在接觸面邊界保持較大的壓力有利于防止液態(tài)金屬的飛濺，也有利于形成一個(gè)壓縮的熔核和良好的冶金學(xué)結(jié)構(gòu)。為保證焊接質(zhì)量，獲得優(yōu)質(zhì)電阻焊熔核及冶金學(xué)結(jié)構(gòu)，同時(shí)防止液態(tài)金屬飛濺提供了參考依據(jù)。

2.2 在線檢測(cè)技術(shù)在電阻焊質(zhì)量控制中的應(yīng)用

電阻點(diǎn)焊常見(jiàn)的焊接缺陷有脫焊、虛焊、縮孔和裂紋等，目前，為了提高焊接質(zhì)量，一些焊接參數(shù)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)也逐漸在電阻焊焊接中得到了應(yīng)用，由于電阻焊焊接過(guò)程非常復(fù)雜，單一參數(shù)的監(jiān)測(cè)往往無(wú)法很好地反映焊接過(guò)程，因而多參數(shù)監(jiān)控的方法得到了應(yīng)用，通過(guò)對(duì)焊接參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以在線評(píng)估焊接接頭質(zhì)量，不僅方便了焊接設(shè)備的調(diào)試，也提高了電阻焊的焊接質(zhì)量。

李偉[2]對(duì)白車身電阻點(diǎn)焊進(jìn)行了研究，提出了一套電阻點(diǎn)焊質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可對(duì)焊接電流、電極電壓和電極位移三個(gè)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并從中提取出影響焊接質(zhì)量的特征值，以達(dá)到檢測(cè)焊點(diǎn)質(zhì)量的目的。為了證實(shí)該檢測(cè)系統(tǒng)的有效性，將測(cè)試結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明，該系統(tǒng)可有效獲得焊接過(guò)程中的特征信號(hào)，進(jìn)而對(duì)焊接質(zhì)量做出評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合，這也證明了該系統(tǒng)的有效性，從而為電阻點(diǎn)焊質(zhì)量檢測(cè)提供了一種更簡(jiǎn)便有效的方法。

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)外焊接過(guò)程檢測(cè)方法存在不能及時(shí)、準(zhǔn)確、可靠的反應(yīng)焊縫質(zhì)量的問(wèn)題，陶霖[8]用渦流檢測(cè)的方法對(duì)焊縫質(zhì)量進(jìn)行了檢測(cè)，完成了薄板焊縫質(zhì)量在線檢測(cè)方法及檢測(cè)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的研制。該系統(tǒng)可完成焊縫未焊透及燒穿等缺陷的檢測(cè)，也可對(duì)焊接質(zhì)量進(jìn)行準(zhǔn)確、快速的評(píng)價(jià)，為電阻焊焊接質(zhì)量的保證提供了更行之有效的方法。

3 電阻焊的發(fā)展前景

目前，電阻焊在工業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，隨著電阻焊質(zhì)量與焊接參數(shù)之間關(guān)系、在線檢測(cè)技術(shù)研究的不斷深入，也將為焊接參數(shù)的調(diào)整與控制和焊接質(zhì)量的檢測(cè)提供更可靠的依據(jù)，從而更有利于獲得穩(wěn)定的焊接質(zhì)量。此外，焊接材料得到了進(jìn)一步的拓展，電阻焊的應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣。隨著電阻焊技術(shù)的不斷進(jìn)步，在今后的工業(yè)生產(chǎn)中，電阻焊將會(huì)占據(jù)更加重要的地位。

[1]吳英俊.多模式電阻焊機(jī)控制器及其控制模式研究[D].上海:上海交通大學(xué)，2013.

[2]李偉.轎車白車身的電阻點(diǎn)焊質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究[D].沈陽(yáng):沈陽(yáng)大學(xué)，2013.

[3]王敏.電阻焊在汽車工業(yè)中的應(yīng)用[J].電焊機(jī)，2003，33(1):1－6.

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[8]陶霖.電阻焊焊縫質(zhì)量在線檢測(cè)技術(shù)的研究[D].上海:華東理工大學(xué)，2014.