輕量化汽車電阻點焊技術的研究與應用

劉磊　縱榮榮　李樂樂　王洪瑋　齊樂

摘 要：電阻點焊因其低成本、較高的生產效率、簡便的操作以及自動化程度高等優點一直成為汽車車身的主要連接方式。與此同時，汽車燃油經濟性的需求不斷提高，推動了鋁合金取代鋼板在汽車上的使用。因此，鋁合金電阻點焊技術也受到了越來越多的關注。本文詳細介紹了鋁合金電阻點焊的特點，焊點質量影響因素，以及鋁合金點焊的工藝參數、點焊機的升級和電極延壽技術等方面的研究進展，最后介紹了兩種新型點焊技術在輕量化汽車上的應用。

關鍵詞：鋁合金；電阻點焊；電極；表面狀態 焊點質量

1 前言

汽車輕量化是解決能源與環境問題的重要途徑之一。據統計，汽車重量每減輕1%，可節省燃料消耗0.6%～1.0%；汽車每減重100kg，CO2排放量可減少5g/km[1]。實現汽車輕量化的有效途徑之一是鋁、鎂及其合金等輕質高強材料的推廣應用。傳統的車身以鋼為主，主要連接方式是電阻點焊，每個車身的焊點可達6000個[2]，但是，隨著鋁合金在汽車車身應用比例的提高，采用傳統的電阻點焊技術極易產生焊縫內部的缺陷，例如氣孔、縮孔、裂紋等[3]。本文主要通過分析鋁合金采用傳統電阻點焊存在的問題，進一步介紹輕量化汽車電阻點焊研究趨勢以及目前在車身的應用情況。

2 輕量化汽車傳統電阻點焊遇到的挑戰

2.1 鋁合金電阻點焊特點

電阻點焊依靠電阻熱形成焊核，但鋁合金電阻率較低且導熱性和熱傳導性較好，所以在焊接時，需要采用大電流、短時間的硬規范，一般來說，點焊鋁合金的焊接電流大約為低碳鋼的2～3倍，焊接時間卻只有低碳鋼的1/3～1/2[4，5]。在這種情況下，既對點焊機提出了新的要求，也會使得鋁合金塑性溫度區間變窄，極易產生縮孔等焊接缺陷。

此外，鋁合金表面存在一層致密的氧化膜，熔點高達2000℃，該致密的氧化膜在電阻點焊時，如果不加處理，導致接觸電阻增大，產生較大焊接飛濺，加之焊接所采用的硬規范，直接加劇了電極與工件之間的銅鋁合金化，造成了電極的燒損，在連續點焊的情況下，焊接質量出現波動[6，7]。

2.2 鋁合金電阻點焊質量影響因素

鋁合金由于其自身特殊的物理特性，導致焊接過程中容易出現一系列質量問題。除了選擇合理的工藝參數，還應該從以下兩個方面進行控制，以保證工業中，連續點焊質量的穩定性。

2.2.1 焊前表面的處理

鋁合金點焊質量的一致性與電極和工件之間的接觸電阻有很大的關系，為了保證穩定的焊接質量，要降低電極和工件表面的接觸電阻。汽車板材表面氧化層的出現，會大大增加焊接過程中的接觸電阻，因此要對其進行預處理，充分的去除表面氧化層[7]。目前常用的是化學處理，脫脂處理、以及脈沖電流清理。其中，化學處理鋁合金表面氧化層可以提供最長的電極壽命[8，9]。但是，有研究指出，化學處理表面具有不穩定性，會造成工件的變形、耐蝕性降低等問題，這些問題導致化學處理鋁合金不能大批量的在汽車點焊中使用[10]。因此，為了避免化學處理帶來的后續問題，有人提出在焊接程序中增加預熱電流和預熱時間來降低工件與電極以及工件與工件之間的接觸電阻，增大焊點熔核直徑，提高焊接的可重復性。結果表明：通過預熱處理的焊點峰值載荷和焊點熔核直徑均增加了33%，進而提高了焊點強度，改善了焊接質量[11]。

2.2.2 減少電極燒損

電極的失效通常有磨損、點蝕、塑性變形、合金化等幾種形式[12]。大量研究資料表明，鋁合金點焊電極的失效主要是由電極端頭與工件之間的點蝕和銅鋁合金化導致的。點蝕與電極端頭的應力集中和電流的邊緣效應有關，會導致電極的磨損和電極端頭直徑的變大；銅鋁合金化與電極和鋁合金材料之間原子的轉移擴散有關，會直接影響接觸電阻的分布。這些失效形式造成了電極性能的變化，嚴重影響焊點質量[13～16]。

于匯泳等[17]人在只考慮焊點強度的情況下，將鋁合金電極的燒損分為初始燒損、平穩燒損、快速失效三個階段。而程方杰等[18]人認為，鋁合金的電極燒損與鋁合金表面清理狀態有關，在進行酸洗處理的情況下，電極端面黏著一層均勻的合金組織，表面較光滑，電極的燒損呈均勻燒損狀態；而其它表面處理狀態下，鋁合金連續點焊電極端面凹凸不平，電極邊緣呈放射狀分布的凹溝，對應的焊點表面也會造成凹凸不平，嚴重的情況下出現大的飛濺和燒穿。

因此，在鋁合金點焊的過程中，對工件表面氧化膜做及時清理的同時，還要不斷的修磨電極，保證電極端面的狀態。

3 輕量化汽車電阻點焊研究趨勢

針對目前輕量化車身鋁合金點焊存在的焊接工藝窗口窄、電極燒損嚴重、焊點強度波動大等問題，主要從以下幾個方面展開研究。

（1）嚴格控制工藝參數，通過電極壽命預測或電極頭磨損監測來穩定焊接質量；

（2）提高點焊機的電源頻率，優化電流輸出形式，以提高焊點強度，延長電極壽命；

（3）改善電極端面與工件的接觸狀態，對電極頭進行強化和延壽處理。

3.1 工藝參數控制

鋁合金點焊的焊接質量與其工藝參數、電極的磨損、電極頭端面形貌等有關。張冬冬[19]以大量試驗數據為基礎，建立抗拉剪載荷、熔核直徑與工藝參數之間的數學模型，實現對熔核直徑的預測。而王璐等[20]人，基于電極端面直徑隨焊點數增加的變化規律，采用數值模擬的方法，得出臨界熔核直徑對應的臨界電極端面直徑和連續點焊可焊點數，從而預測電極壽命。隨著傳感器和圖像信息技術的提高，眾多研究者開始將電極的磨損、焊點表面的形貌、壓痕深度變化作為監測對象或者信息源，實現電極狀態的在線監控，從而提高焊接質量[21～23]。

3.2 點焊機的升級

對于傳統的車身材料來說，采用工頻焊機即可完成點焊工作，但對于鋁合金點焊來說，需要依靠中頻甚至高頻逆變電阻點焊機增大焊接工藝參數的選擇范圍[24]。對于中頻逆變點焊機來說，二次電流輸出能力更強，電流波形平直，峰值電流和焊接時間減小，非常適合鋁合金等有色金屬的焊接。但目前，國內外逆變點焊電源的開關頻率最高一般不超過8KHz[25]。這就需要研究人員打破次級整流二極管di/dt的限制，進一步提高逆變電阻點焊電源的頻率[26]。此外，電流的波形對于鋁合金點焊也有很大的影響，采用單脈沖可以獲得較強的焊點強度以及較長的電極壽命[27，28]。

3.3 電極延壽技術

鋁合金點焊電極失效主要與電極端面特性以及鋁合金表面狀態有關，因此主要從以下幾個方面來改善電極的燒損情況。

3.3.1 電極表面強化技術

在實際生產中，鋁合金點焊電極通常用Cu-Cr-Zr電極。相比傳統的電阻點焊采用的紫銅電極，加入鉻、鋯等元素合金化后的銅電極壽命可以提高5倍[4]。另外，對于同等材料的電極使用不同的強化處理方法，可以進一步提高其電極特性[29]。目前常用的表面強化技術有電火花沉積、離子注入、物理氣相沉積、化學熱處理等，利用這些表面強化處理技術可以在電極基體形成有效的復合涂層，提高電極端部的表面強度和硬度。于匯泳等[30]人在鋁合金點焊電極表面原位生成 Cu-TiB2復合涂層，TiB2在基體中的彌散分布，阻礙了鋁合金和電極的直接接觸，減少了電極端面的塑性變形和銅鋁合金的交互作用，從而延長了電極的使用壽命。鄒家生等[31]人利用電火花沉積的方法在普通鉻鋯銅電極表面沉積鎳和金屬陶瓷涂層，使得涂層電極壽命較普通電極提高了2.5倍。

3.3.2 深冷處理技術

深冷處理技術可以提高電極基體的致密性，改變元素的分布和晶粒的擇優取向，從而提高電極的導電、導熱性能，降低銅合金電極與鋁合金工件的合金化傾向[32，33]。蔣俊亮[34]系統化研究了深冷時間、深冷溫度、深冷次數對Cu-Cr-Zr合金點焊電極的電阻率以及強硬度的變化規律，深冷處理使Cu-Cr-Zr點焊電極的使用壽命提高了200 多點；侯東健[35]在此基礎上，又研究了冷熱復合處理技術，即對Cu-Cr-Zr合金進行深冷+時效處理，研究表明，深冷處理+時效處理可以進一步改善Cu-Cr-Zr合金的性能，因為深冷處理后，合金內部出現更多的位錯等晶格缺陷，為隨后的時效提供了更多的形核位置，析出相分布更加彌散。

3.3.3 其它延壽技術

為了避免電極與鋁合金的直接接觸，一些金屬加工潤滑劑可以延長電極的使用壽命，直接降低電極與工件的合金化效應[36]。李青松等[37]人指出，在鋁合金板材表面涂覆有機油和碳化硼等溶液，可以有效減弱電極的銅鋁合金化、減輕電極的塑性變形和磨損，從而改善鋁合金點焊質量。

4 新型電阻點焊技術在輕量化汽車中的應用

面對鋁合金點焊難點，目前主機廠及設備廠主要通過兩個方面去改進：一是提升電阻點焊機的頻率，控制電流輸出波形；二是，阻礙板材與電極的接觸，避免電極過快失效。在實際應用中，主要有多環圓頂電極電阻點焊和Delta spot點焊兩種新型電阻點焊技術。

4.1 多環圓頂電極電阻點焊

多環圓頂電極電阻點焊，是指電極帽表面設計為幾個凸起的同心圓環，如圖1所示，此技術為通用的專利技術。這種多環圓頂電極頭可在鋁材表面產生不同的應力區，將鋁合金表面氧化膜擠壓到圓環附近，從而改善氧化膜的不均勻分布，以改善與電極頭的接觸情況；通過環形觸點與合金形成導電，獲得分布均勻的電流，有利于焊接質量的提高；增大了材料與電極間的接觸面積，使產熱減小，可提高電極壽命。與此同時，還可以采用不同的焊接時間和規范進一步改善熔核產生缺陷的位置以提高焊點的機械性能[38～42]。但在鋁合金點焊實際生產時，因為電極頭的形貌的不同，需配備相應的四刀片修磨器修出表面環狀，相比傳統電極6個點左右修磨一次來說，多環圓頂電極修磨周期擴大了5倍，約40～50點/次。該技術已經被用于凱迪拉克CT6的制造中。

4.2 Delta spot點焊

Delta spot是在電極和工件之間增加一條全新電極帶，避免了電極與工件的直接接觸，每個點焊后，電極帶自動移動到下一位置，保證了電極表面的清潔狀態，避免了鋁合金點焊過程中與電極相互擴散和粘附，保證每個焊點都有高質量的焊接工況[43]。此外，該技術可以通過調整鋼帶的電阻，實現異種金屬或者不同厚度板材的良好焊接。該技術是Fronius公司提出的，如圖2所示，目前已應用于特斯拉的生產中。這種方法雖然節省了電極頭的過快消耗，但是卻帶來了鋼帶的消耗。

5 結語

盡管目前可以采用自沖鉚接來進行鋁合金的連接，但是關鍵工藝參數（如鉚釘和模具幾何形狀）在生產過程中無法靈活選用，限制了自沖鉚工藝的靈活性，此外，鉚釘的使用增加了重量和相當大的單位成本，同時也帶來了一系列的回收問題。因此，使用電阻點焊進行批量生產的需求仍然存在。如何對鋁合金實現高效、低成本、高質量的連接在未來很長一段時間仍然會成為研究熱點。而要實現鋁合金穩定高質量的連接，就需要克服兩個最不利的因素：鋁合金表面的氧化膜和電極燒損。

參考文獻：

[1]Huang R，Riddle M，Graziano D，et al.Energy andns saving potential of additive manufacturing：The case of lightweight aircraft components[J].Journal of Cleaner Production，2016，135：1559-1570.

[2]彭西洋.車身點焊質量控制與超聲波檢測技術[J].汽車工藝師，2011（9）：83-86.

[3]高菁菁，李釗文，范林，等.汽車車身上鋁點焊的研究及應用[J].汽車工程師，2018（4）：15-17.

[4]Ambroziak A，Korzeniowski M.Using resistance spot welding for joining aluminium elements in automotive industry[J].Archives of Civil & Mechanical Engineering，2010，10（1）：5-13.

[5]吳松，王敏，程軒挺，等.鋁合金電阻點焊研究現狀及工業應用[J].電焊機，2013，43（9）：10-16.

[6]陳素玲，孫學杰，張玉紅.鋁合金點焊電極端面銅鋁合金化熱物理模擬[J].電焊機，2015，45（4）：161-164.

[7]Han L，Thornton M，Boomer D，et al.Effect of aluminium sheet surface conditions on feasibility and quality of resistance spot welding[J].Journal of Materials Processing Technology，2010，210（8）：1076-1082.

[8]Patrick E P，Auhl J R，Sun T S.Understanding the process mechanisms is key to reliable resistance spot welding aluminum auto body components[J].SAE transactions，1984：435-448.

[9]陳素玲，孫學杰，張玉紅.鋁合金電阻點焊電極壽命及其燒損原因分析[J].電焊機，2014，44（10）：94-98.

[10]Li Z，Hao C，Zhang J，Zhang H.Effects of sheet surface conditions on electrode life in resistance welding aluminum.Welding Journal，2007，86（4）：81–89.

[11]Luo Z，Ao S，Chao Y J，et al.Application of pre-heating to improve the consistency and quality in AA5052 resistance spot welding[J].Journal of Materials Engineering & Performance，2015，24（10）：3881-3891.

[12]吉祥.不同材質電極點焊性能研究及其失效分析[D].江蘇科技大學，2015.

[13]徐梅.點焊鋁合金時點焊電極磨損研究[D].浙江大學，2005.

[14]冀春濤，羅賢星.鋁合金電阻點焊電極壽命及其表面特征分析[J].材料科學與工藝，2005，13（5）：488-491.

[15]米晨雷，吳志生，劉翠榮，等.鋁合金電阻點焊中點蝕環形成的數值分析[J].焊接技術，2011，40（3）：15-18.

[16]陳素玲，孫學杰，張玉紅.鋁合金點焊電極端面銅鋁合金化熱物理模擬[J].電焊機，2015，45（4）：161-164.

[17]于匯泳，周慧琳，劉丹.鋁合金點焊電極燒損失效過程分析[J].熱加工工藝，2013，42（5）：209-210.

[18]程方杰，單平，廉金瑞，等.鋁合金連續點焊時電極燒損與焊點表面質量的變化規律[J].天津大學學報：自然科學與工程技術版，2003，36（6）：753-756.

[19]張冬冬.電阻點焊參數的優化與質量預測模型的建立[D].湖北工業大學，2012.

[20]王璐，錢靜峰，王敏.鍍鋅鋼板點焊電極壽命預測[J].焊接學報，2006，27（7）：109-112.

[21]徐祥建.電阻點焊電極頭磨損程度的監測[D].蘭州理工大學，2012.

[22]張延松，陳關龍.車身電阻點焊電極修磨時刻的在線判別方法[C]// 全國焊接學術會議.2010.

[23]張旭強，張延松.伺服焊槍電阻點焊的焊點質量在線判別方法：中國，CN201210377819.0[P].2014-03-26.

[24]孔諒，王敏，程軒挺.壓力焊在現代汽車車身制造中的應用和發展[J].焊接，2010（3）：28-32.

[25]邱祁.20KHZ、90KVA逆變點焊電源的研究[D].北京工業大學，2009.

[26]周華飛.高頻逆變電阻點焊電源的研制[D].華南理工大學，2015.

[27]郭亞洲，張勇，倪雷.鋁合金電阻點焊性能研究[J].上海汽車，2017（10）：54-56.

[28]程方杰，單平，廉金瑞，等.一種新的適合于鋁合金點焊的電流控制法[J].汽車技術，2002（4）：25-27.

[29]熊燦，羅平，劉康，等.點焊電極表面處理研究現狀[J].熱加工工藝，2017（15）：11-14.

[30]于匯泳，周慧琳，劉丹.鋁合金點焊電極復合涂層的制備[J].熱加工工藝，2013，42（15）：196-197.

[31]鄒家生，王濤，沈喬，等.鍍鋅鋼板電阻點焊涂層電極與普通電極壽命分析[J].焊接學報，2011，32（11）：53-56.

[32]陳輝，吳志生，丁韋，等.深冷處理對提高鉻鋯銅電極壽命的影響[C]// 鐵科院金屬及化學研究所學術活動周研討會.2002.

[33]吳志生，劉翠榮，劉子建，等.深冷處理點焊電極銅合金中位錯環研究[C]// 中國機械工程學會焊接分會鋼結構焊接國際論壇.2006.

[34]蔣俊亮.深冷處理對銅及其合金的影響機理探究[D].天津大學，2014.

[35]侯東健.Cu-Cr-Zr系高強高導銅合金的時效行為研究[D].南京理工大學，2017.

[36]Rashid M，Fukumoto S，Medley J B，et al.Influence of lubricants on electrode life in resistance spot welding of aluminum alloys[J].Welding Journal，2007，86（3）：62.

[37]李青松，羅震，李中偉，等.鋁合金電阻點焊電極延壽技術的研究[J].電焊機，2009，39（7）：59-61.

[38]Sigler D R，Schroth J G，Karagoulis M J.Weld electrode for attractive weld appearance：U.S.Patent 8，222，560[P].2012-7-17.

[39]Sigler D R，Schroth J G，Karagoulis M J，et al.New electrode weld face geometries for spot welding aluminum[C]// AWS Sheet Metal Welding Conference XIV.2010.

[40]Sigler D R，Karagoulis M J.Weld schedule for resistance spot welding of aluminum alloy workpieces：U.S.Patent 9，969，026[P].2018-5-15.

[41]王艷俊，朱政強，楊上陸，等.電極形貌對鋁合金點焊工藝穩定性的影響[J].兵器材料科學與工程，2017（4）：56-60.

[42]Shi L，Kang J，Sigler D R，et al.Microstructure and fatigue behavior of novel Multi-Ring Domed resistance spot welds for thin X626-T4 aluminum sheets[J].International Journal of Fatigue，2019，119：185-194.

[43]穆春艷，王蕾.汽車用鋁合金薄板Delta電阻點焊工藝研究[J].時代汽車，2018（8）：101-103.