鋁合金電阻點(diǎn)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(xué)上海市激光制造與材料改性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jī)和環(huán)境污染的加劇，汽車工業(yè)開(kāi)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(shí)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(jià)值，但是對(duì)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(zhǎng)期以來(lái)汽車制造中，鋼的電阻點(diǎn)焊具有良好的適用性，但是對(duì)于鋁合金而言，原先用于鋼材焊接的整套標(biāo)準(zhǔn)卻無(wú)法直接適用在鋁合金的電阻點(diǎn)焊上，且電阻點(diǎn)焊用于鋁合金焊接上存在以下問(wèn)題：能耗較高（如焊接6111鋁合金1 mm薄板時(shí)每次焊接耗能為50～100 kJ，其焊接時(shí)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(dǎo)熱性、導(dǎo)電性較高）、熱變形大（熱膨脹系數(shù)較大）、電極壽命相對(duì)鋼的電阻點(diǎn)焊較短等。

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

1 鋁合金及其電阻點(diǎn)焊的特點(diǎn)

1.1 鋁合金的特點(diǎn)

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(diǎn)為660℃，而鋁合金由于其加入其他合金元素后熔點(diǎn)為480℃～660℃，鋁及其鋁合金有以下特點(diǎn)：（1）密度較小，導(dǎo)熱導(dǎo)電性能好，熔點(diǎn)低，與低碳鋼相比有如表1[3]所示的物理特性。（2）強(qiáng)度較高，雖然鋁合金是輕金屬，但是某些型號(hào)鋁合金強(qiáng)度卻能超過(guò)低碳鋼，其強(qiáng)化機(jī)理可以分為冷加工強(qiáng)化與熱處強(qiáng)化。（3）鋁合金的耐蝕性較好，其表面會(huì)在極其短的時(shí)間內(nèi)生成熔點(diǎn)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(gè)厚度還會(huì)增加，其氧化膜為PH 4～PH 9時(shí)是比較穩(wěn)定的。（4）鋁對(duì)光有較強(qiáng)的反射能力，熔融狀態(tài)下沒(méi)有顏色的變化，故無(wú)法直接通過(guò)顏色的變化來(lái)觀察焊接進(jìn)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(diǎn)焊的難點(diǎn)

基于鋁合金材料特性及鋁合金電阻點(diǎn)焊的研究表明，鋁合金電阻點(diǎn)焊存在以下難點(diǎn)與主要問(wèn)題。

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

因此點(diǎn)焊時(shí)必須在回路內(nèi)接入較大的脈沖電流，通常采用短時(shí)間大電流的硬規(guī)范，鋁合金的電阻點(diǎn)焊電流一般是鋼的2～3倍，而時(shí)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(diǎn)焊參數(shù)對(duì)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(wú)規(guī)律，如果未經(jīng)清理將導(dǎo)致焊件間的局部接觸電阻增大，大脈沖電流通過(guò)焊件時(shí)，往往會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生噴濺。文獻(xiàn)[4]指出在鋁合金電阻點(diǎn)焊中，未經(jīng)表面處理的比預(yù)先表面處理的鋁合金點(diǎn)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(shí)所用的純Cu電極，其電導(dǎo)性與Al合金的導(dǎo)電性差別較小，而采用的電流強(qiáng)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(diǎn)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(xiàn)[5]指出：通過(guò)分析認(rèn)定焊核中心易出現(xiàn)的“氣孔”并非氣孔，而是接頭在冷卻時(shí)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(shí)時(shí)間或電流過(guò)大，產(chǎn)生噴濺，部分液態(tài)金屬由核心內(nèi)漏出，凝固時(shí)未及時(shí)回填)，如圖 2 所示[6]。

此外，鋁合金熱膨脹系數(shù)較大，在點(diǎn)焊冷卻時(shí)，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(xiàn)[7]指出：硬鋁、高強(qiáng)度鋁合金等熱處理強(qiáng)化鋁合金點(diǎn)焊時(shí)，熱影響區(qū)強(qiáng)度顯著降低，與焊點(diǎn)相交處的金屬（溫度超過(guò)580℃）晶界上，低熔點(diǎn)、低塑性共晶部分熔化，當(dāng)點(diǎn)焊冷卻速度較快時(shí)，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(xì)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(guò)大等缺陷

文獻(xiàn)[5]采用儲(chǔ)能焊焊接鋁合金快速凝固時(shí)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(diǎn)：一是鋁合金本身材料的特點(diǎn)，高溫強(qiáng)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?zé)嵫h(huán)后點(diǎn)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(chǔ)能焊的冷速過(guò)快，凝固時(shí)間短，金屬來(lái)不及回填。

圖3 焊接裂紋顯微形貌

2 鋁合金電阻點(diǎn)焊國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

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

2.1 鋁合金點(diǎn)焊工藝研究

2.1.1 電阻點(diǎn)焊工藝參數(shù)優(yōu)化研究

電阻點(diǎn)焊通過(guò)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(xué)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(shí)間、電極壓力變化對(duì)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(xiàn)[8]通過(guò)13組正交實(shí)驗(yàn)方法：分別固定兩個(gè)參數(shù)，變化一個(gè)參數(shù)的情況，分析了相應(yīng)參數(shù)對(duì)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?jī)?yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)。文獻(xiàn)[9]指出5083-O鋁合金點(diǎn)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(shí)間與電極壓力，熔核直徑隨電流先增大后減小。文獻(xiàn)[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(duì)接頭性能影響不明顯。文獻(xiàn)[8]指出熔核直徑隨電流增加沒(méi)有出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。其原因是最大電流值還未達(dá)到閥值，剛出現(xiàn)少量的噴濺時(shí)，如繼續(xù)增加電流并超出閥值，將會(huì)出現(xiàn)熔核直徑變小的趨勢(shì)。這種趨勢(shì)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(shí)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(diǎn)焊接頭質(zhì)量的機(jī)理類似，因而規(guī)律也基本一致。

（3）電極壓力相對(duì)于電流大小和時(shí)間來(lái)說(shuō)，其對(duì)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(huì)有些許減小的趨勢(shì)。文獻(xiàn)[9]對(duì)焊接1.5 mm的AA5083-O薄板研究表明：提高電極壓力會(huì)減慢裂紋的萌生與裂紋的擴(kuò)展，提高其疲勞壽命。文獻(xiàn)[11]研究表明較大的電極壓力能夠細(xì)化焊核內(nèi)部組織晶粒，減少氣孔的尺寸和數(shù)量，進(jìn)而提高點(diǎn)焊接頭的疲勞壽命。但電極壓力過(guò)大必然會(huì)讓表面壓痕變深，熔核厚度變薄，接頭性能變差。

這三個(gè)參數(shù)構(gòu)成了一個(gè)焊接質(zhì)量穩(wěn)定的范圍，超出這個(gè)范圍就會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的宏觀與微觀缺陷，因而需要通過(guò)多參數(shù)配合對(duì)點(diǎn)焊接頭質(zhì)量進(jìn)行有效的控制。

2.1.2 焊接前處理工藝研究

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

文獻(xiàn)[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(fēng)干。可以結(jié)合機(jī)械處理的方法用不銹鋼絲刷或者刮刀，化學(xué)與機(jī)械方法同時(shí)使用其表面更干凈。對(duì)于機(jī)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?yàn)樯傲？赡軙?huì)壓入母材最終使焊接產(chǎn)生缺陷。同時(shí)應(yīng)該對(duì)其放置時(shí)間做出規(guī)定，最好是在72 h內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)。

文獻(xiàn)[10]在對(duì)1 mm+1 mm鋁合金板直流點(diǎn)焊時(shí)，只進(jìn)行表面丙酮除油。沒(méi)有進(jìn)行化學(xué)處理（酸堿洗）與機(jī)械處理，但其實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置得較大，電極壓力開(kāi)始是5 kN，通電時(shí)間為6～8周波。是否電極壓力增大和通電時(shí)間增長(zhǎng)會(huì)彌補(bǔ)未前處理的不足，需要實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。

關(guān)于前處理質(zhì)量的檢驗(yàn)問(wèn)題，對(duì)重要焊接結(jié)構(gòu)及鋁合金焊件，需要每批抽測(cè)，具體原理是測(cè)量施加一定電極壓力下的兩電極間的總電阻，驗(yàn)證并評(píng)定清理效果。

2.2 鋁合金點(diǎn)焊接頭形成機(jī)理研究

2.2.1 接頭的形成過(guò)程

點(diǎn)焊接頭形成過(guò)程同液態(tài)金屬凝固過(guò)程類似，包括形核與長(zhǎng)大。

（1）形核。鋁合金電阻點(diǎn)焊形核過(guò)程可以分三個(gè)階段：a.隨機(jī)形核；b.擴(kuò)展融合；c.熔核增厚。圖4給出了按這種劃分方法的形核過(guò)程示意圖[13]。定性地講，接通電流后，初始導(dǎo)電斑點(diǎn)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(diǎn)上溫度將會(huì)首先升高，隨著溫度升高，材料將會(huì)發(fā)生軟化、變形，新的接觸斑點(diǎn)和導(dǎo)電斑點(diǎn)陸續(xù)出現(xiàn)，接觸電阻將會(huì)迅速減小，電流分布將會(huì)變均勻，接觸面內(nèi)溫度也趨于均勻化。

圖4 鋁合金電阻點(diǎn)焊形核過(guò)程三階段示意

（2）長(zhǎng)大過(guò)程。電阻點(diǎn)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)充分的焊點(diǎn)，但是因過(guò)冷，核心中部會(huì)同時(shí)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(diǎn)相關(guān)研究

通常鋁合金進(jìn)行電阻點(diǎn)焊形成的接頭，其微觀組織如圖5所示。

圖5 鋁合金電阻點(diǎn)焊熔核金相顯微圖[8]

點(diǎn)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(dòng)態(tài)結(jié)晶過(guò)程，以競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)和聯(lián)生生長(zhǎng)的方式生長(zhǎng)，分別形成粗大的柱狀晶與核心的少量的等軸晶粒。國(guó)內(nèi)學(xué)者趙熹華等人研究了鋁合金的點(diǎn)焊熔核“柱狀晶+等軸”組織形成機(jī)理[14]。文獻(xiàn)[15]通過(guò)對(duì)熔核進(jìn)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(xué)性能，同時(shí)首次使全部為柱狀晶的點(diǎn)焊熔核貼合面出現(xiàn)等軸區(qū)。

按受力狀態(tài)電阻點(diǎn)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(zhǎng)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(xiàn)[16]提出用酸液腐蝕焊接剖面，中間的疏松區(qū)腐蝕最嚴(yán)重，空穴腐蝕的深淺因材料而異。空穴腐蝕程度是一個(gè)新的焊接接頭性能的指標(biāo)，是對(duì)傳統(tǒng)的熔核直徑衡量指標(biāo)的補(bǔ)充。

2.3 鋁合金點(diǎn)焊電極壽命研究

2.3.1 Cu電極點(diǎn)蝕機(jī)理及電極表面狀況對(duì)壽命影響

（1）對(duì)于低碳鋼電阻點(diǎn)焊，其電極頭壽命是鋁合金電極點(diǎn)焊頭的幾百倍，鋁合金焊接電極頭壽命一般只能達(dá)到幾十個(gè)焊點(diǎn)。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(xiàn)[17]對(duì)點(diǎn)焊過(guò)程的銅鋁合金化進(jìn)行了宏觀、微觀、合金化過(guò)程分析，指出鋁元素存在于電極端面中，同時(shí)證明了銅鋁合金化在點(diǎn)焊過(guò)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(xiàn)[4]提出電極壓力是電極環(huán)形粘連問(wèn)題的力學(xué)原因，指出電阻點(diǎn)焊的粘連開(kāi)始于直徑為5 mm的范圍邊緣，如圖7所示。通過(guò)FEA的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)觀察的結(jié)果分析認(rèn)為，在電極與工件（簡(jiǎn)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(huì)出現(xiàn)在這個(gè)邊界上，這個(gè)滑移會(huì)破壞表面的氧化層使金屬與金屬進(jìn)行接觸，從而導(dǎo)致那一點(diǎn)上的接觸電阻變小，導(dǎo)致電流密度的增加，帶來(lái)更多的熱輸入，因而點(diǎn)蝕開(kāi)始階段會(huì)出現(xiàn)在環(huán)部位置。

圖7 電極上的環(huán)形粘連

國(guó)內(nèi)學(xué)者[13]認(rèn)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(duì)于承力區(qū)較大，電流密度會(huì)彎曲集中在承力致密區(qū)，形成環(huán)狀區(qū)域。文獻(xiàn)[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(rèn)為電極表面點(diǎn)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(duì)壽命的影響：通常情況下，如果表面狀況不好會(huì)加速銅鋁合金化。例如氧化層的存在會(huì)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(kuò)散加劇。

Leone、Altshuller、Patrick 等人的觀點(diǎn)：電極的短壽命和隨之產(chǎn)生的點(diǎn)焊質(zhì)量都是限制鋁合金點(diǎn)焊技術(shù)應(yīng)用的主要因素。文獻(xiàn)[4]通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)（見(jiàn)表3）得出，組1有一個(gè)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。可以說(shuō)明表面是否完全清理對(duì)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(duì)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(kāi)，形成有效厚度的薄膜。

文獻(xiàn)[19]研究表明：在鋁合金表面加入有機(jī)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(diǎn)焊時(shí)的銅鋁合金化。其中有機(jī)油與碳化硼效果最好。

文獻(xiàn)[20]研究表明：因?yàn)榈V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(shí)涂料能填補(bǔ)E/W間的空隙，減少不均勻點(diǎn)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(xiàn)[20]從考慮電極表面出發(fā)，用點(diǎn)焊的時(shí)產(chǎn)生的電阻熱和加壓作用，合成了Cu-Ti-B復(fù)合電極涂層，TiB2具有很好的熱強(qiáng)性，點(diǎn)焊時(shí)可以增加電極端面的強(qiáng)度，減少電極端面局部小爆炸造成的塑性變形，從而延長(zhǎng)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(jìn)行研究，指出導(dǎo)致鋁合金點(diǎn)焊電極壽命顯著降低的根本原因在于點(diǎn)焊時(shí)E/W間產(chǎn)生的銅鋁合金化，并提出深冷處理電極可延長(zhǎng)電極壽命。

2.4 鋁合金點(diǎn)焊數(shù)值模擬

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

楊黎峰[22]建立了軸對(duì)稱模型，并對(duì)鋁合金電阻點(diǎn)焊的熔核行為、孕育處理的相關(guān)機(jī)理進(jìn)行了研究，解釋了點(diǎn)焊過(guò)程的溫度和流場(chǎng)的分布規(guī)律，有助于對(duì)熔體的運(yùn)動(dòng)、凝固組織的細(xì)化和缺陷產(chǎn)生的原因的理解。

日本學(xué)者De A在鋁合金電阻點(diǎn)焊的研究中，采用電-熱-力耦合的有限元模型[23]，預(yù)測(cè)了在不同焊接電流、焊接時(shí)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(yàn)證，這種模型對(duì)于離線檢測(cè)焊接參數(shù)對(duì)焊點(diǎn)尺寸的影響非常有用。

國(guó)外學(xué)者Hasselman等人利用熱-電-力多場(chǎng)耦合的有限元模型分析了鋁合金的電阻點(diǎn)焊過(guò)程，利用基于不確定模型的主元素法，通過(guò)熔核尺寸及表面壓痕計(jì)算的線性方差得出有限元的預(yù)測(cè)精度[24]。

美國(guó)的Mr Sun X等人采用ABAQUS程序，通過(guò)模擬鋁合金點(diǎn)焊過(guò)程的熱-電-力學(xué)過(guò)程，得出熔核尺寸及接觸面積隨焊接時(shí)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(jì)算可用于預(yù)測(cè)鋁合金點(diǎn)焊熔核生長(zhǎng)及其裂紋的形成情況。

3 鋁合金電阻點(diǎn)焊的工業(yè)應(yīng)用

3.1 鋁合金電阻點(diǎn)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(kāi)發(fā)鋁合金汽車車身。目前國(guó)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(jī)械性能[27]。作為整車裝配中的焊裝工藝而言，鋁合金電阻點(diǎn)焊有利于機(jī)械化、自動(dòng)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(diǎn)焊機(jī)器人與其組成的車身焊裝生產(chǎn)線

考慮到鋁合金點(diǎn)焊的難點(diǎn)，且需要大電流、硬規(guī)范的特點(diǎn)，已經(jīng)采用中頻點(diǎn)焊機(jī)替代工頻焊機(jī)焊接鋁合金。國(guó)外部分企業(yè)已將中頻點(diǎn)焊機(jī)器人與伺服加壓點(diǎn)焊機(jī)器人應(yīng)用于轎車白車身焊裝線，歐洲的中頻點(diǎn)焊機(jī)器人使用量已達(dá)到40%，并擴(kuò)大到鋁合金轎車車身的點(diǎn)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(diǎn)焊難度，迫切需要進(jìn)一步深入研究鋁合金電阻點(diǎn)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(diǎn)焊在其他工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

鋁合金的電阻點(diǎn)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(chǎng)份額，高速鐵路市場(chǎng)，鋁合金車體幾乎占據(jù)世界95%以上市場(chǎng)份額[29]。國(guó)內(nèi)2001年長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司建成國(guó)內(nèi)第一條鋁合金車體自動(dòng)焊接生產(chǎn)線。鋁合金車體很少使用電阻點(diǎn)焊，是由其點(diǎn)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(xiàn)[30]研究了鋁制交通標(biāo)志板正面無(wú)壓痕電容儲(chǔ)能點(diǎn)焊設(shè)備及工藝，成功地采用電容儲(chǔ)能焊解決了大型鋁制交通標(biāo)志板的焊接問(wèn)題。

航天航空領(lǐng)域，高強(qiáng)度鋁合金的電阻點(diǎn)焊也有廣泛應(yīng)用。文獻(xiàn)[31]研究了航空用高強(qiáng)度鋁合金點(diǎn)焊工藝對(duì)焊接質(zhì)量的影響，并認(rèn)為高強(qiáng)度鋁合金電阻點(diǎn)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(diǎn)焊具有對(duì)焊機(jī)要求高（焊接電流大，焊接時(shí)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(diǎn)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者已在工藝參數(shù)與熔核直徑、力學(xué)性能（拉剪、正拉載荷）關(guān)系，點(diǎn)焊前處理與焊接質(zhì)量關(guān)系，點(diǎn)焊接頭形成機(jī)理與組織特點(diǎn)，電極粘連機(jī)理與延壽技術(shù)等方面做了相關(guān)的研究工作。需要進(jìn)一步探索和研究的是：鋁合金預(yù)處理狀態(tài)（涂油、鈍化）對(duì)焊接質(zhì)量的影響、工藝參數(shù)與疲勞壽命的關(guān)系，運(yùn)用多參數(shù)配合控制的方法使鋁合金電阻點(diǎn)焊技術(shù)能夠運(yùn)用于大批量、自動(dòng)化生產(chǎn)，以及探索多種焊后質(zhì)量檢測(cè)指標(biāo)與檢測(cè)手段。

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