電極形式對(duì)鋁合金中頻點(diǎn)焊焊接性的影響研究

鐘麗慧，韓立軍，梁瓊

一汽-大眾汽車有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130011

0 前言

隨著輕量化和電動(dòng)化的快速發(fā)展，越來(lái)越多的輕質(zhì)材料被廣泛應(yīng)用到航空航天、汽車制造、軌道交通等領(lǐng)域［1］。近年來(lái)各大汽車生產(chǎn)主機(jī)廠也相繼在汽車上應(yīng)用鋁合金材料，隨之產(chǎn)生了很多新型連接技術(shù)，如SPR鎖鉚、Clinch沖連、FDS流鉆、激光焊、鋁合金點(diǎn)焊技術(shù)等。其中鋁合金點(diǎn)焊技術(shù)由于其設(shè)備的高柔性、高效率、低成本等特點(diǎn)［2］，近年來(lái)應(yīng)用越發(fā)廣泛。鋁合金受其本身材料特性的影響，電極-工件間接觸電阻較大，鋁合金熱導(dǎo)率大，導(dǎo)熱系數(shù)和線膨脹系數(shù)的差異較為明顯，導(dǎo)致焊接過(guò)程中熱量分布不均，焊后冷卻收縮能力不同，導(dǎo)致點(diǎn)焊焊縫變形較大，焊接過(guò)程中容易產(chǎn)生焊接裂紋［3-5］，為了保證熔核的形成，需采用硬規(guī)范焊接，電極與工件接觸面上的溫度也較高，而鋁與銅之間存在強(qiáng)烈的合金化傾向［6］，因此鋁合金點(diǎn)焊時(shí)銅電極的燒損非常嚴(yán)重，形成的CuAL2等金屬化合物，其電阻率為銅的5倍左右。由于合金粘附在電極表面，在后續(xù)焊點(diǎn)焊接中增大了電極-工件間的接觸電阻，也增加了電極-工件間的產(chǎn)熱量，加劇了銅鋁合金化反應(yīng)的程度。上述因素使得鋁合金點(diǎn)焊時(shí)電極的燒損增加，也縮短了電極的使用壽命［7-8］，制約了鋁合金點(diǎn)焊焊接能力和生產(chǎn)節(jié)拍，通常在生產(chǎn)制造中焊接20個(gè)焊點(diǎn)就需要對(duì)電極進(jìn)行修磨。

鋁合金點(diǎn)焊電極使用壽命與電極材料、形狀、板材材料及表面狀態(tài)、焊接規(guī)范、冷卻狀態(tài)等有關(guān)［9-11］。電極形狀是影響鋁合金電阻點(diǎn)焊熔核質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，國(guó)內(nèi)外也有很多關(guān)于電極形狀對(duì)焊點(diǎn)質(zhì)量影響的研究。行業(yè)內(nèi)也相繼研究了很多種焊接方式來(lái)提高鋁合金點(diǎn)焊的焊接性。如美國(guó)通用公司提出利用多環(huán)圓頂電極（multi-ring domed，MRD）端面凸起的同心圓環(huán)刺穿鋁合金表面氧化膜，減小電極/板材之間的接觸電阻，但是需要定制專用的修磨器，隨著電極帽的磨損每次修磨之后環(huán)的狀態(tài)很難一致，焊接質(zhì)量的一致性不易保證。FRONIUS福尼斯開(kāi)發(fā)的Deltaspot技術(shù)通過(guò)焊帶式的焊接方法，有效保證了每次的焊接接觸表面狀態(tài)和焊點(diǎn)焊接熱量，使得電極表面狀態(tài)和接頭質(zhì)量更加穩(wěn)定，但是其生產(chǎn)成本較高，同時(shí)由于電極帶的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)也使得焊槍結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，考慮到焊槍通過(guò)性，在汽車生產(chǎn)的底板等區(qū)域進(jìn)行設(shè)備選型時(shí)會(huì)存在一定限制。

本文通過(guò)研究改變電極的形狀和焊接模式來(lái)提升鋁合金點(diǎn)焊單次焊接能力。采用特定規(guī)格的壓緊模具，對(duì)鋁合金點(diǎn)焊電極進(jìn)行壓緊處理，使電極表面形成蜂窩狀模型，并通過(guò)一定的壓緊規(guī)范，進(jìn)行反復(fù)壓緊、焊接、再壓緊、焊接的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)鋁合金點(diǎn)焊的焊接能力。以期望提升單次焊接后焊接性及質(zhì)量，延長(zhǎng)電極壽命。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

在選材上考慮應(yīng)用6系鋁合金，由于6系鋁合金強(qiáng)度適中，成形性和耐蝕性好，綜合性能優(yōu)良，且具有良好的沖壓成形性，而且在烤漆處理后強(qiáng)度提高，抗凹陷能力增強(qiáng)等特點(diǎn)，是汽車輕量化的首選材料。本試驗(yàn)以6系鋁合金中的TL091為試驗(yàn)基材，對(duì)不同電極下的點(diǎn)焊焊接性進(jìn)行深入研究。

表1 TL091材料成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1 Composition of TL091 （wt.%）

1.2 電極帽尺寸設(shè)計(jì)

選用20 mm直徑的電極帽，電極前端采用近乎平面的圓弧電極，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定R100～150 mm。對(duì)電極前端不同圓弧尺寸R分別進(jìn)行試驗(yàn)分析比對(duì)，來(lái)確定本試驗(yàn)所采用的電極規(guī)格。前端分別帶有R100 mm 和R150 mm弧度的電極帽結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 不同規(guī)格尺寸電極Fig.1 Electrodes of different sizes and specifications

1.3 焊接參數(shù)設(shè)計(jì)

為了對(duì)前端帶有不同R弧度尺寸電極的焊接效果進(jìn)行對(duì)比分析，在其它焊接條件都一樣的前提下，包括板材材料、厚度、電極接法、焊接設(shè)施等，分別在表2中設(shè)置了不同的焊接規(guī)范輸入，進(jìn)行連續(xù)焊接，并對(duì)焊接后的焊點(diǎn)進(jìn)行鑿檢測(cè)量焊核直徑，分析電極形狀對(duì)焊接性的影響。

表2 不同規(guī)格電極及規(guī)范組合Table 2 Different electrodes and welding parameters

1.4 電極帽壓緊模具設(shè)計(jì)

1.4.1 電極模具規(guī)格設(shè)計(jì)

本方法通過(guò)設(shè)計(jì)采用特定形式的壓緊蜂窩狀模具，對(duì)焊接電極的表面狀態(tài)進(jìn)行壓緊處理，使得電極表面形成一層蜂窩狀凹凸有序的形狀，帶有蜂窩的電極接觸工件時(shí)，電極與工件的整體面接觸變?yōu)橐粋€(gè)個(gè)的小截面接觸，更容易刺破鋁合金表面的氧化膜實(shí)現(xiàn)焊接，如圖2、圖3所示。

圖2 通過(guò)模具對(duì)電極進(jìn)行壓緊后的狀態(tài)Fig.2 The state of the electrode after being compressed by the mold

圖3 模具Fig.3 Mold structure

1.4.2 電極壓緊模具性能及壓緊參數(shù)設(shè)計(jì)

電極壓緊模具要有較高的硬度和耐磨性，試驗(yàn)選用模具鋼，硬度≥HRC63，設(shè)置不同的壓緊規(guī)范，其中每次電極壓緊后焊接的點(diǎn)數(shù)，電極的壓緊壓力，壓緊時(shí)間以及壓緊次數(shù)，電極與模具的壓緊角度是壓緊過(guò)程的關(guān)鍵控制指標(biāo)。模具性能及壓緊參數(shù)設(shè)置如表3所示。

表3 模具性能及壓緊參數(shù)設(shè)置Table 3 Mold performance and compression parameter settings

1.5 焊接前提

1.5.1 焊接輸入

水流量要求20 L/min，壓縮空氣≥6 Bar；每個(gè)焊槍回路水流量8 L/min，共2個(gè)回路；焊接逆變器水流量4 L/min；焊接材料為TL091 2 mm+2 mm，鋁合金無(wú)磁焊接夾具一套，焊接設(shè)備配置見(jiàn)表4。

表4 焊接設(shè)備配置Table 4 Welding equipment configuration

1.5.2 焊接規(guī)范參數(shù)

試驗(yàn)設(shè)備具備預(yù)熱焊接及AMF壓力自適應(yīng)控制功能，通過(guò)對(duì)該組合板材進(jìn)行實(shí)際焊接及金相檢驗(yàn)，確定推薦焊接規(guī)范參數(shù)如表5所示，焊接曲線如圖4所示。

圖4 焊接曲線Fig.4 Welding curve

表5 焊接規(guī)范參數(shù)Table 5 Welding parameters

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 電極帽尺寸對(duì)焊接結(jié)果的影響

采用前端帶有弧度R100 mm和R150 mm的電極連續(xù)焊接7點(diǎn)后測(cè)得的焊核尺寸如圖5所示。焊接后的焊核直徑在7.4～9.0 mm之間，兩電極在不同的焊接電流輸入下，得到的焊核尺寸基本一致，且滿足大眾標(biāo)準(zhǔn)要求的5t，即dp≥7.07 mm。隨后用這兩種形式電極分別進(jìn)行連續(xù)焊接，焊后焊點(diǎn)及電極表面狀態(tài)如圖6所示。

圖5 不同工藝輸入下的焊點(diǎn)檢驗(yàn)狀態(tài)Fig.5 Spot welding inspection status under different input conditions

圖6 不同模具形式焊接后的焊點(diǎn)表面狀態(tài)Fig.6 Picture of continuous spot welding points under different molds

可以看出采用前端R150 mm弧度電極，連續(xù)焊接到30多點(diǎn)時(shí)，焊點(diǎn)表面就出現(xiàn)了電極粘連現(xiàn)象，且電極帽表面燒損較重。R100 mm的電極在焊接60點(diǎn)逐步出現(xiàn)電極侵蝕現(xiàn)象，由此可見(jiàn)，前端采用R100 mm的電極，在小電流規(guī)范下更有利于焊接。

2.2 模具尺寸對(duì)焊接結(jié)果的影響

為確定適合的模具規(guī)格范圍，在相同規(guī)范下，研究不同模具尺寸下焊點(diǎn)的焊接狀態(tài)。先對(duì)1組模具進(jìn)行初步的試驗(yàn)摸索確定模具尺寸范圍，如表6所示，通過(guò)試驗(yàn)狀態(tài)發(fā)現(xiàn)模具1-3、1-4焊接后的焊接點(diǎn)數(shù)較多，由此發(fā)現(xiàn)模具深度和寬度對(duì)焊接效果的影響較大。

表6 不同規(guī)格尺寸模具下的連續(xù)焊接點(diǎn)數(shù)記錄Table 6 Continuous welding results by molds with different size

故參照1-3，1-4對(duì)模具尺寸進(jìn)行第二輪優(yōu)化，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)模具寬度在0.4 mm時(shí)，焊點(diǎn)連續(xù)焊接的點(diǎn)數(shù)相對(duì)更多，所以將模具寬度調(diào)整為0.4 mm，模具深度調(diào)整為0.3～0.5 mm，并開(kāi)展連續(xù)點(diǎn)焊焊接試驗(yàn)。

如圖7所示，a1為模具2-1焊接到48個(gè)焊點(diǎn)后的產(chǎn)品狀態(tài)，a2為首次壓緊后焊點(diǎn)表面狀態(tài)，a3是第48點(diǎn)狀態(tài)；b1為模具2-2焊接到128個(gè)焊點(diǎn)后的產(chǎn)品狀態(tài)，b2為壓緊后焊點(diǎn)表面狀態(tài)，b3是第128點(diǎn)的狀態(tài)。b2相對(duì)于a2表面紋路更加明顯和細(xì)密，壓緊模具在一定的寬度尺寸范圍下，模具凹坑深度對(duì)于焊接能力的影響很大，若深度過(guò)小，產(chǎn)生的合金氧化物會(huì)粘附到電極上，影響電極的連續(xù)焊接能力，所以設(shè)計(jì)適合規(guī)格尺寸的模具可以極少電極上合金物的粘附，提升焊接能力。

圖7 不同模具下的焊接產(chǎn)品狀態(tài)Fig.7 Status of Spot Welding Points under Different Molds

模具2-2電極壓緊后，觀察壓緊后的電極表面狀態(tài)，可以看出，在壓力的作用下，電極表面經(jīng)過(guò)模具壓緊后，會(huì)形成均勻有序的表面凹坑，如圖8所示。

圖8 掃描電鏡下模具壓緊后的電極表面狀態(tài)Fig.8 Surface state of electrode after mold compression under scanning electron microscope

每焊接16點(diǎn)，將電極進(jìn)行再次壓緊、焊接，如此反復(fù)，單個(gè)電極連續(xù)焊接128點(diǎn)的焊接表面如圖9、10所示，焊點(diǎn)表面良好，可以看出電極仍可以進(jìn)行持續(xù)焊接。

圖9 連續(xù)焊接后的工件焊點(diǎn)表面狀態(tài)Fig.9 Surface of the joints after continuous welding

圖10 焊接128點(diǎn)后的焊點(diǎn)及電極表面狀態(tài)Fig.10 Surface state of spot welding points and electrodes after welding 128 points

對(duì)每次壓緊前后的焊點(diǎn)試樣進(jìn)行破壞性檢測(cè)，測(cè)得的焊核尺寸及剪切強(qiáng)度如圖11所示。焊核直徑及剪切強(qiáng)度均滿足大眾標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖11 焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度及焊核直徑Fig.11 Shear strength and nugget diameter of spot welded joints

從上述拉伸剪切結(jié)果和焊核直徑變化趨勢(shì)可以看出，隨著焊接點(diǎn)數(shù)的增加，焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度呈逐漸增加趨勢(shì)，這是由于隨焊點(diǎn)數(shù)增加，電極經(jīng)過(guò)模具的反復(fù)壓緊，在電極表面粘附的合金物也會(huì)有增加，導(dǎo)致電極與工件的接觸電阻增加，使得電極工件接觸區(qū)域焊接熱加大，焊核尺寸和焊點(diǎn)強(qiáng)度也隨之增加。

3 結(jié)論

（1）采用帶有蜂窩狀紋路的模具，通過(guò)對(duì)前端帶有圓弧R100 mm的電極壓緊后進(jìn)行焊接的方式，可以提升鋁合金點(diǎn)焊修磨后的單次焊接能力；

（2）壓緊模具的規(guī)格形狀會(huì)影響合金物與電極的粘附程度，模具凹坑深度，凹坑距離寬度、凸臺(tái)尺寸對(duì)鋁點(diǎn)焊單次修磨后的焊接能力有較大影響。

（3）需設(shè)置合理壓力規(guī)范，如壓緊壓力、壓緊時(shí)間、壓緊周期等，以獲得適合連續(xù)焊接的電極表面狀態(tài)，本試驗(yàn)提供的壓緊力7 kN，壓緊時(shí)間5 ms，16個(gè)焊點(diǎn)的壓緊周期可以作為后續(xù)試驗(yàn)研究的參考。

（4）鋁合金點(diǎn)焊在連續(xù)焊接時(shí)，在相同規(guī)范輸入下，隨著焊接點(diǎn)數(shù)的增加，電極表面由于合金化合物的存在，接觸電阻逐漸變大，焊點(diǎn)焊核直徑、焊接剪切力呈逐步增加的趨勢(shì)。