電阻點焊最小熔核直徑及剪切強度與板厚的線性化分析

張文揚 郭紹慶 梁海 李能 孫兵兵

摘要：以現行的電阻點焊航空工業標準、國家標準、國家軍用標準以及國際標準為基礎，總結了鋁合金、鈦合金、鋼及高溫合金等合金電阻點焊工藝中，最小熔核直徑及最小剪切強度與板材厚度的關系，結論顯示：對于各種合金在各種熱處理狀態下的電阻點焊，板厚在1.2～1.5 mm范圍內存在分界點，在該分界點以左及以右，最小熔核直徑及最小剪切強度與板厚均大致呈線性關系（對于極限強度在1 035～1 275 MPa和大于1 275 MPa的高溫合金材料，在板厚2.5 mm以右，還需要再細分一段），同時提出了以強度對材料進行系統分類的原則。該結論可以對各種板厚新材料以及標準中未涉及到的板厚的電阻點焊的最小熔核直徑及最小剪切強度提出理論預測。

關鍵詞：電阻點焊;最小熔核直徑;最小剪切強度;線性化;標準

中圖分類號：TG453+.9? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）11-0001-07

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.11.01

0? ? 前言

電阻點焊技術是傳統的焊接技術，方便快捷、效率高、易操作。盡管近30年出現了激光焊、電子束焊以及攪拌摩擦焊和線性摩擦焊等先進焊接技術，電阻點焊技術仍然是重要的連接方法之一，國內外對電阻點焊技術的研究依然活躍。S. M. Manlandan等對鋁合金的點焊技術做了系統全面的評述[1]。SHOUSHOU LI等提出了一種新穎的墊片輔助點焊工藝，提高了中錳含量的相變誘導塑性鋼的點焊焊接性能[2]。Gu?Cheol Kim等通過有限元模擬和拉伸剪切實驗研究了5052鋁合金電阻點焊過程中焊接時間對點焊性能的影響[3]。J P Oliveira等將電阻點焊技術與摩擦焊技術相結合，實現了高強度鋼與沉淀硬化鋁合金的多層板材的連接[4]。程東海等研究了5A90鋁鋰合金電阻點焊力學性能以及微觀組織[5]。梁鍵等研究了航空發動機火焰筒矩形點焊換段修理技術[6]。近些年，還出現了激光點焊技術[7]、攪拌摩擦點焊技術[8]以及超聲與點焊的復合技術[9]等，是點焊技術的新發展。

電阻點焊技術在航空工業中主要應用于飛機蒙皮、口蓋以及整流罩等部件的生產制造。航空工業現行的電阻點焊行業標準主要有HB 5276-1984《鋁合金電阻點焊和縫焊質量檢驗》[10]、HB 5427-1989《鈦及鈦合金電阻點焊和縫焊質量檢驗》[11]、HB 5282-1984 《結構鋼和不銹鋼電阻點焊和縫焊質量檢驗》[12]、HB6737-1993《高溫合金電阻點焊和縫焊質量檢驗》[13]以及國家軍用標準GJB 724A-1998《不銹鋼電阻點焊和縫焊質量檢驗》[14]和國家標準GB19867.5-2008/ISO 15609-5：2004《電阻焊工藝規程》[15]，這些標準從編制時間上看大都已久遠，面臨更新或換版，以及補充新的材料牌號。但是，通過對比和研究這批標準發現：①除了HB6737-1993，其他標準對所涉及的材料都沒有提出明確的材料分類原則;②標準中以表格形式規定的對一定板厚對應的最小熔核直徑及最小剪切強度，蘊含有普遍的內在規律尚未揭示，因而對一定板厚的新材料的最小熔核直徑和最小剪切強度沒有預測能力。傳統上只能通過大量的試驗工作進行確定（拉剪試驗、撕破試驗和低倍試驗），消耗大量成本，耗時費力。

文中通過將標準表格中的數據圖形化，揭示了其中的普遍規律，同時提出對材料進行系統分類的原則，這為各種板厚新材料以及現行標準中未涉及到的板厚的電阻點焊最小熔核直徑及最小剪切強度的預測提供了理論基礎，在此基礎上，只需少量的試驗驗證即可。

1 板材厚度與焊點最小剪切強度及核心尺寸關系的分析

航空工業行業標準HB 5276-84、HB 5427-1989、HB 5282-1984以及國軍標GJB 724A-98、國際標準BS EN ISO18595-2007等標準對板厚與最小熔核直徑、最小剪切強度的規定均以表格形式給出，為便于直觀分析討論，將相應的表格轉換成散點圖。采用Origin軟件，將材料板厚與最小熔核直徑和最小剪切強度制成一張散點圖，為觀察最小熔核直徑與最小剪切強度的關系，再將最小熔核直徑與最小剪切強度制作成一張散點圖。

1.1 鋁合金點焊板厚與最小剪切強度及最小熔核直徑的關系

對于鋁合金電阻點焊和縫焊的質量檢驗，航空工業的標準是HB5276-84《鋁合金電阻點焊和縫焊質量檢驗》。該標準在其表1中規定了選定焊接規范參數的檢驗項目及試樣數量，表2中規定了一定板厚點焊時所對應的熔核最小直徑，以及焊點的最小抗剪強度或縫焊接頭強度系數的最小值。

在此規定下，焊點的最小熔核直徑及最小強度值都可以得到保證。將標準中的表2轉為散點圖，如圖1、圖2所示。為統一單位，將標準中出現的kgf都轉化為kN。圖1、圖2中的硬狀態對應LY12CZ、LF6、LC4CS、LC9CS、LY16CZ等材料;軟狀態對應LF2、LF3、LY12M、LC4M、LY16M等材料（數據取自HB 5276-84）。

由圖1、圖2可知，對每一種具體的鋁合金電阻點焊，板厚大致在1.2 mm（對應最小熔核直徑4.5 mm）以左及1.5 mm（對應最小熔核直徑5.5 mm）以右，分別與最小熔核直徑及最小剪切力呈線性關系;鋁合金點焊最小熔核直徑與最小剪切強度的關系也符合同樣的分段線性關系。

例如，鋁合金板厚與最小熔核直徑的關系可用如下線性公式描述

板厚0.6～1.2 mm：? ?dmin=3.0+2.5×（t-0.6）? ? ? ? ?（1）

板厚1.5 mm以右：? dmin=6.0+2.0×（t-1.8）? ? ? ? ?（2）

式中 dmin為最小熔核直徑;t為板厚。

而最小熔核直徑與最小剪切力的關系，例如取硬狀態，可用如下線性公式描述：

最小熔核直徑2.5～4.5 mm：τmin=0.75+0.53×（dmin-3）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

最小熔核直徑5.5 mm以右：τmin=0.75+1.2×（dmin-3）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

式中 dmin是最小熔核直徑，τmin是最小剪切力。

1.2 鈦合金電阻點焊板厚與最小熔核直徑及最小剪切力的關系

鈦及鈦合金電阻點焊的數據見HB 5427-1989《鈦及鈦合金電阻點焊和縫焊質量檢驗》中表1，將其轉成散點圖，如圖3、圖4所示。

由圖3、圖4可知，鈦合金點焊板厚在1.4 mm （對應熔核直徑5 mm）以左及1.5 mm（對應熔核直徑5.5 mm）以右與最小熔核直徑、最小剪切強度均呈分段的線性關系，而最小熔核直徑與最小剪切強度之間有很好的線性關系（薄板0.3 mm對應的最小熔核直徑2.5 mm處的最小剪切強度略有偏離）。

1.3 結構鋼和不銹鋼電阻點焊板厚與最小剪切強度及最小熔核直徑的關系

1.3.1 HB 5282-1984 《結構鋼和不銹鋼電阻點焊和縫焊質量檢驗》的情況

結構鋼和不銹鋼電阻點焊的情形最為復雜，因為在同樣的板厚條件下，碳鋼與低合金鋼（即結構鋼）的最小熔核直徑相同，但與不銹鋼的最小熔核直徑不同，數據見HB 5282-1984 《結構鋼和不銹鋼電阻點焊和縫焊質量檢驗》中表1、表3，分別繪制成散點圖，如圖5～圖8所示。

由圖5可知，碳鋼與低合金鋼的最小熔核直徑重合;板厚在1.5 mm （對應最小熔核直徑4.5 mm）以左及2.0 mm （對應最小熔核直徑5.5 mm）以右，板厚與最小熔核直徑大致呈分段的線性關系。

由圖6可知，板厚大致在1.5 mm以左及2.0 mm以右，板厚與最小剪切力也大致呈分段的線性關系，低合金鋼的數據略有偏離。

由圖7可知，對碳鋼最小熔核直徑與最小剪切力的關系，可以最小熔核直徑4.2 mm（對應板厚1.5 mm）以左，以及4.8 mm以右，兩邊各自進行曲線的擬合已進行線性化;對低合金鋼最小熔核直徑與最小剪切力的關系，可以最小熔核直徑6.0 mm為界，左右兩邊各自進行曲線的擬合已進行線性化。

由圖8可知，對不銹鋼情況略復雜，最小熔核直徑與最小剪切力的關系，可以按3.8 mm以左、4.2～5.5 mm以及6.5 mm以右三個區間分別進行線性化。

在HB 5282-1984《結構鋼和不銹鋼電阻點焊和縫焊質量檢驗》中，碳鋼與低合金鋼的最小熔核直徑是重合的，二者的最小剪切力，在板厚2.0 mm處有大約3 kN的差別，其余數據幾乎也是重合的。

1.3.2 國軍標GJB 724A-98《不銹鋼電阻點焊和縫焊質量檢驗》的情況

將國軍標GJB 724A-98中表7、表8的數據，分別繪制成散點圖，如圖9、圖10所示。國軍標中冷作硬化態材料包括1Cr11Ni2W2MoVA、1Cr17Ni2、1Cr18Ni9Ti（冷作硬化）、2Cr13Ni4Mn9（冷作硬化）、1Cr21Ni5Ti、1Cr18Ni9（冷作硬化）等;軟態材料包括0Cr13、1Cr13、0Cr18Ni9（軟態）、1Cr18Ni9Ti（軟態）、1Cr19Ni11Si4AlTi、2Cr13Ni4Mn9（軟態）等。

由圖9可見，國軍標中不銹鋼電阻點焊板厚大致1.2 mm（對應最小熔核直徑4.5 mm）以左，及1.5 mm（對應最小熔核直徑5.0 mm）以右與最小熔核尺寸及最小剪切強度呈分段的線性關系。

由圖10可見，最小熔核直徑與最小剪切力的關系，與圖9體現的關系基本一致，最小熔核直徑4.5 mm以左（對應板厚1.2 mm），及最小熔核直徑5.0 mm（對應板厚1.5 mm），與最小剪切強度大致呈分段的線性關系。

1.4 高溫合金點焊板厚與最小剪切強度及最小熔核直徑的關系

將HB6737-1993《高溫合金電阻點焊和縫焊質量檢驗》中表3、表5的數據，分別繪制成散點圖，如圖11、圖12所示。

由圖11可知，高溫合金的電阻點焊，板厚在1.2 mm（對應最小熔核直徑4.6 mm）以左，及板厚在1.5 mm（對應最小熔核直徑5.0 mm）以右，與最小熔核尺寸及最小剪切強度大致呈分段的線性關系;對于極限強度1 035～1 275 MPa及大于1 275 MPa的高溫合金材料，在板厚2.5 mm以右，還需再細分一段。

由圖12可知，最小熔核直徑與最小剪切強度的關系，最小熔核直徑4.6 mm（對應板厚1.2 mm）是一個分界點，其以左及以右，都分別可以進行線性化處理。由圖11、圖12可知，HB6737-1993《高溫合金電阻點焊和縫焊質量檢驗》是以材料的極限強度范圍進行分類，規則明晰，高溫合金電阻點焊板厚與最小熔核直徑以及最小剪切強度的關系可以清楚地呈現。

1.5 鋁合金電阻點焊國際標準

以鋁合金點焊為例，按BS EN ISO18595-2007《Resistance welding-Spot welding of aluminium and aluminium alloy—Weldability，welding and testing》[16]中表1的規定（該表中最小熔核直徑只適用于A類鋁合金，對B類鋁合金的最小熔核直徑沒有給出數據），分別繪制成圖13和圖14。

如圖13所示，板厚以1.5 mm以左、1.8～3.5 mm以及4.0 mm以右，鋁合金點焊板厚與最小熔核直徑大致呈線性關系;BS EN ISO18595-2007中規定的鋁合金（A類合金和B類合金）電阻點焊板厚與最小剪切強度的關系呈現極好的線性關系。

板厚與最小剪切強度的關系可以如下表示：

對A類合金：τmin=0.47+0.78×（t-0.6）? ? ? ? ? ? ? ? （5）

對B 類合金：τmin=0.58+0.97×（t-0.6）? ? ? ? ? ? ? ? （6）

式中 τmin為最小剪切強度;t為板厚。

如圖14所示，A類合金中最小熔核直徑4.5～7.5 mm、8.0～10.0 mm以及11.0 mm以右大致三個區間段內，與最小剪切強度分別成線性關系。

與航標HB5276-84鋁合金電阻點焊和縫焊質量檢驗相比，BS EN ISO18595-2007由于分類方式的變化，板厚、最小熔核直徑與最小剪切力三者之間的規律也發生了變化，但仍是分段線性的。

A類合金與B類合金的分類見GB/T 3880.1-2012表1[17]，這與國際標準中對鋁合金的分類一致，即：Mn（錳）和Mg（鎂）的含量低于某個限值的為A類鋁合金，其余的為B類合金。而在鋁合金中適當添加Mn、Mg等合金元素，可以制成強度較高的鋁合金，若再經變形強化或熱處理，可進一步提高強度。因此A類合金與B類合金的分類實質上是按強度的分類，與HB6737-1993《高溫合金電阻點焊和縫焊質量檢驗》對材料的分類原則一致。

2 討論

綜上所述，HB6737-1993《高溫合金電阻點焊和縫焊質量檢驗》中以強度范圍對材料進行分類值得借鑒，可以將此原則應用于其他標準的修訂或制定。

對于鋁合金，材料的分類可以按照GB/T 3880.1-2012，分成A類和B類，這樣板厚與最小剪切力是完全線性化的，見圖13，并與國際標準完全一致（但是是否還需要細分為軟狀態和硬狀態，還需進一步的研究）。例如需要確定板厚為2.0 mm的6061鋁合金[18]的最小剪切力和最小熔核直徑（航標HB5276-84不包含該材料，但是該材料已獲得電阻點焊的應用，應將該材料納入到標準中），按GB/T 3880.1-2012，6061鋁合金屬于B類，將板厚2.0 mm帶入式（6），可得最小剪切力為2 kN，再通過少量試驗確定最小熔核直徑。

對于鈦合金，HB 5427-1989沒有明確給出材料的分類原則，根據已有材料的強度數據（見中國航空材料手冊）[19]，可以大致分為370～700 MPa（包括TA1、TA2、TA3、TC1和TC2等材料，主要為純鈦和部分近α鈦合金）和785～930 MPa（包括TA7、TC3和TC4等材料，主要是部分α鈦合金和α-β鈦合金）兩個材料范圍（包括了HB 5427-1989中所有的材料，且仍保持其中線性化的規律），如有強度在980 MPa以上的電阻點焊材料可以再增加一個材料范圍。例如需要確定板厚為2.0 mm的TB5鈦合金[19]的最小剪切力和最小熔核直徑（航標HB 5427-1989不包含該材料，但該材料已獲得電阻點焊的應用，并將該材料納入到標準中），按文獻[19]給出的數據，該材料在熔核直徑為6.5 mm時，最小剪切強度為27.4 kN（遠高于HB 5427-1989中熔核直徑為6.5 mm所對應的最小剪切強度），因此不能歸入前兩個材料范圍。因其強度≥1 080 MPa，應屬于980 MPa以上的材料范圍。

對于結構鋼和低合金鋼，HB 5282-1984編制時間較久，包含合金牌號較少，碳鋼和低合金鋼可以合并考慮;不銹鋼的分類應以GJB 724A-98為基礎，按標準中材料所對應的強度數據（見中國航空材料手冊）[20]，可以大致分為520～635 MPa（可以包括0Cr13、1Cr13、0Cr18Ni9（軟態）、1Cr18Ni9Ti（軟態）、2Cr13Ni4Mn9（軟態）等軟態材料）和635～980 MPa

（可以包括1Cr11Ni2W2MoVA、1Cr17Ni2、1Cr18Ni9Ti（冷作硬化）、2Cr13Ni4Mn9（冷作硬化）、1Cr21Ni5Ti、1Cr18Ni9（冷作硬化）等冷作硬化態材料）兩個區間，原標準中的材料1Cr19Ni11Si4AlTi是放在軟態材料中，但是按GJB 2295-1995，該材料在軟狀態下，拉伸強度是715 MPa;冷作硬化后的拉伸強度是880 MPa（見中國航空材料手冊）[20]，因此將該材料納入635～980 MPa范圍的硬化材料更合適。

3 結論

（1）電阻點焊標準應按材料強度范圍對材料進行分類。對于鋁合金，可以按照GB/T 3880.1-2012分成A類和B類。對于鈦合金，可以大致分為370～700 MPa和785～930 MPa兩個材料范圍。對于不銹鋼，可以大致分為520～635 MPa和635～980 MPa兩個區間。

（2）對于各種金屬及其合金在各種熱處理狀態下的電阻點焊，普遍呈現一個規律：板厚在1.2～1.5 mm是一個分界點，在該分界點以左及以右，板厚與最小熔核直徑及最小剪切強度均大致呈分段線性關系。對于鋁合金，板厚的分界點是1.2 mm，BS EN ISO18595-2007中是1.5 mm;對于鈦合金，是1.4 mm以左及1.5 mm以右;對于鋼，綜合參照航標以及國軍標，碳鋼和低合金鋼都是1.5 mm，不銹鋼是1.2 mm;高溫合金是1.2 mm。

（3）而最小熔核直徑與最小剪切強度的關系，也有類似（2）的規律。

（4）采用插值法求取標準中未涉及到的板厚對應的最小熔核直徑及最小剪切力。

（5）在以材料強度范圍進行分類的基礎上，新的點焊材料只要查明其極限強度，就可以按板厚預測其最小熔核直徑及最小剪切力，只需做少量的驗證性工作即可以確定。

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