2A16铝合金电阻点焊焊点表面缺陷分析与工艺优化

2A16铝合金电阻点焊焊点表面缺陷分析与工艺优化学生姓名：班级：指导老师：摘要：电阻点焊是现代汽车制造工业和航空航天领域中重要的工艺方法，它具有生产效率高、易于实现自动化等特点，因而被广泛应用于汽车和飞行器的焊装线上。

近年来，随着绿色环保型铝合金轿车的生产和我国航空事业的发展，铝合金的应用越来越广泛，铝合金点焊也已成为焊接工作者致力研究的重要课题。

本文在铝合金点焊热过程分析和材料分析的基础上，深入研究产生焊接缺陷的本质原因；改进电极材料，优化焊接工艺，以期消除焊接表面星状裂纹，提高电极寿命；选用不同电极材料，分析电极寿命；制作试样，进行焊点表面荧光检验，分析焊点表面质量。

焊接过程中每隔6个焊点对电极进行清理，显微镜下放大400倍观察金相试样，未发现表面裂纹。

通过选用不同电极材料，对电极寿命进行了详细的实验研究。

实验结果表明，用于铝合金点焊的电极材料制品通常为铬锆铜和氧化铝铜。

铬锆铜属于时效硬化合金，软化温度在500℃以下。

焊接时，铬、锆更易与铝形成金属粘连，电极寿命短；氧化铝铜电极制品软化温度高，抗粘连性好，使用寿命长，综合性价比优异。

关键词：铝合金电阻点焊表面缺陷电极寿命指导老师签名：第1章绪论1.1研究的重要意义铝及铝合金具有优异的物理特性和力学性能。

因其密度低、比强度高、热导率高、电导率高、耐腐蚀性能强及具有良好的成型能力，已广泛应用于机械、电子电力、化工、轻工、航空、航天、铁道、舰船、车辆等工业的产品上。

因此也成为21世纪应用最广泛的材料之一[1]。

目前汽车工业发展迅猛，世界范围能源问题、环保问题变得越来越突出，减轻汽车自重、降低油耗和废气排放量至关重要。

实验证明，汽车质量的轻重与汽车的能耗有着直接关系，即一辆汽车减少10％的重量，可相对减少6～8％的燃料消耗，燃油效率则提高5.5％[2]。

燃油效率提高，意味着汽油的耗油量和排放量降低。

在相同的情况下，轿车质量每减轻100千克，每百公里的燃油消耗将减少0.4～1升，若一辆中型轿车（约3000磅）减重700磅，则这辆车在使用年限内至少能降低约10500磅的废气（注：1公斤＝2.2磅），节约至少几千升燃料。

全球汽车拥有量在2007年已经达到8亿辆，其中轿车已超过6亿辆。

如果都按以上标准计算，节约的燃料和减少的尾气排放量非常可观。

因此，汽车的轻量化，降低油耗和排放，提高性能及保证安全，延长汽车使用寿命已经成为汽车工业发展的主要方向。

铝及铝合金由于具有比强度高、比重小、大气环境下耐腐蚀性强、散热性能好，易于进行多种加工和自然界含量较丰富等特点。

在保证相同刚度和强度下，采用铝合金制造轿车车身可以减少车体重量的60％左右，从而减少相当数量的燃料消耗和环境污染[3，4]。

此外，铝合金由于表面有一层致密的氧化物保护膜，其表面无需如一般碳刚材料那样进行镀层处理即可获得满意的抗腐蚀性能，从而提高汽车的使用寿命，而电镀，热镀锌钢板的镀层处理不仅工艺复杂，成本较高，并且严重污染环境[5]。

显然，环保型的铝合金轿车乃是21世纪汽车制造业发展的必然趋势。

随着铝及其合金产品的推广和应用，加工过程中的问题也随之出现。

尤其是铝及其合金焊接零部件的质量问题。

这是因为铝合金具有的独特的物理、化学及力学性能，在焊接过程中易产生多种缺陷，进而影响产品的使用性能。

铝及其合金电阻点焊工艺简单，易于实现机械化和自动化，生产率高，成本低，广泛应用于航空、航天、汽车车辆、轻工家电、仪器、仪表等部门。

但在点焊过程中易出现许多问题。

如：未焊透，焊缝夹杂，不融合，焊接裂纹（表面裂纹、结晶裂纹），熔核在凝固时极易形成缩孔、缩松和气孔；焊点表面质量差；电极寿命短等。

铝合金焊接通常分软铝和硬铝两类，软铝合金点、缝焊时的焊接性较好；硬铝合金有一定的铜元素，铜与铝会形成低熔点的共晶体，分布在晶界上，产生裂纹的倾向较大。

另外，铝合金具有熔点低、电阻率低、导热性好、强度低、易氧化等特点[6]。

因此，优化焊接工艺，消除铝合金电阻点焊过程中产生的焊接裂纹、飞溅等缺陷，提高焊点表面质量，提高电极寿命，以保证航空飞行器品质，具有十分积极的现实意义。

1.2铝合金电阻点焊所存在的主要问题1.2.1焊点质量不稳定铝合金点焊焊点质量不稳定主要体现在以下几个方面。

(1)喷溅与飞溅严重。

铝元素非常活泼，在铝合金材料表面非常容易形成氧化膜，这层氧化膜组织致密、熔点极高、导电性能极差。

这就使得接触面上的接触电阻比较大。

在硬规范焊接条件下，接触面上产生较多的热量。

另一方面，铝合金材料熔点低，加热熔化时的塑性温度区间窄，所以很容易在工件间接触面上造成喷溅，在电极与工件间造成飞溅，喷溅和飞溅的产生会带走部分热量和熔化金属，严重影响了熔核直径的大小，对焊点质量极为不利[7]。

(2)焊点表面质量差。

铝与铜合金容易形成低熔点(547℃)共晶物，并且这种低熔点共晶物的电阻率比较大，接触面上较大的产热量使电极与工件接触面上产生局部熔化，并发生较为剧烈的共晶反应，以致出现电极与工件的粘连，恶化了焊点的表面质量[8]。

电极与工件的粘连及飞溅严重破坏了电极表面的连续性，进而恶化了后续焊点焊接时电极与工件间的接触状态，使电极与工件间的接触由起始宏观上的连续接触变为不连续。

在硬规范条件下，这种宏观上的不连续接触加剧了飞溅、局部熔化及粘连的产生，对焊点的表面质量更为不利。

(3)熔核尺寸波动大。

电极与工件接触面上的局部熔化、飞溅及电极与工件的粘连，破坏了电极表面的连续性。

在连续点焊过程中电极表面的不连续性具有较强的随机性，这使得电极与工件间及工件间的接触状态很不稳定。

另外，受工件表面状态、电极压力、焊接电流等因素的影响，连续点焊中熔核直径波动较大。

(4)熔核内部易产生缺陷。

与弧焊相比，铝合金在点焊时金属的熔化量较少，其导热系数又比较大，所以熔核的冷却速度非常快。

另外，铝合金是非导磁材料，液态熔核区的流动速度非常小，熔核在凝固时极易形成缩孔、缩松和气孔。

虽然这些缺陷对接头强度影响不大，但对接头的疲劳性能却有显著影响。

(5)结合线伸入。

结合线伸入是点焊和缝焊某些高温合金和铝合金时特有的缺陷，是指结合面伸入到熔核中的部分。

对于铝合金，主要是工件表面有强氧化物，焊接过程中通电时间短暂，导致结合面熔合不完整。

结合线伸入减小了熔核的有效直径，会降低强度，当伸入前端有裂纹时还会影响接头的动载强度和高温持久强度[9]。

(6)熔核偏移。

熔核偏移在铝合金电阻点焊中也经常出现。

不同厚度和不同材料点焊时，熔核不以贴合面为对称，而向厚板或导电、导热性差的焊件中偏移，其结果使其在贴合面上的尺寸小于该熔核直径。

同时，也使其在薄件或导电、导热性好的焊件中焊透率小于规定数值，这均使焊点承载能力降低。

(7)电极寿命低。

由于电极与工件间的接触电阻较大，铝合金的热导率高，而铝合金点焊又是采用硬规范进行焊接，电极与工件间接触面上的温度较高，铝与铜之间存在着强烈的合金化倾向，因此铝合金点焊时铜合金电极的烧损非常严重。

铜铝合金化反应生成合金层的主要成分为CuA12金属间化合物，其电阻率为铜的5倍左右。

在后续焊点的焊接过程中，合金层的存在，增大了电极与工件间的接触电阻，也增加了电极与工件间的产热量，电极表面不连续程度的增加也加剧了电极与工件间局部熔化和飞溅的产生，同时也加剧了铜铝合金化反应的程度。

上述因素使得铝合金点焊时电极的烧损速度增加，使用寿命缩短[10]。

1.2.2电极烧损严重由于电极与工件间的接触电阻较大，铝合金工件的热导率也较大，而铝合金点焊又是采用硬规范进行焊接，所以电极与工件间接触面上的温度较高。

由于铝与铜之间存在着强烈的合金化倾向，因此铝合金点焊时铜合金电极的烧损非常严重。

铜铝合金金属间化合物，其电阻率为铜的5倍左右[11]。

化反应生成合金层的主要成分为CuA12由于合金层粘附在电极表面，在后续焊点的焊接过程中，合金层的存在增大了电极与工件间的接触电阻，也增加了电极与工件间的产热量。

在连续点焊过程中，电极表面小连续程度的增加也加剧了电极与工件间局部熔化和飞溅的产生，同时也加剧了铜铝合金化反应的程度。

上述因素使得铝合金点焊时电极的烧损速度大为增加，使用寿命缩短。

1.2.3缺乏有效的焊接质量控制方法铝合金的电阻率低，其阻温系数也比较小。

因为从室温到熔化温度电阻率的变化幅度仅为3倍左右，所以铝合金电阻点焊过程很难用焊接电参量的变化来描述，这给铝合金电阻点焊过程的闭环控制带来很大困难。

铝合金点焊的焊点质量不仅包括了熔核尺寸的波动，而且也包括飞溅和喷溅严重、焊点表面成形质量差及下件与电极易出现粘连等。

因此，铝合金点焊所面临的质量问题远比低碳钢复杂。

针对低碳钢点焊问题所提出的以保证熔核大小稳定为目标的各种控制方法并不适合于铝合金点焊[12，13]，尤其是对工件电极的粘连问题和焊点表面成形质量差的问题更是无能为力。

能量是点焊过程的本质问题。

从理论上说，能量控制是点焊质量控制中的最为本质的方法。

能量控制的理论基础是点焊过程中的产热分析和能量分布分析，而点焊过程中的产热分析和能量分布分析是无法通过实验来进行的。

应该说，在目前能量控制的理论依据及如何实现能量控制还没得到很好的解决。

1.3国内外研究概况及发展趋势1.3.1国内外研究概况近年来随着汽车车辆、航空航天、建筑、运输以及轻工家电等工业的飞速发展，相应的工业产品在其材料、结构及应用领域上不断更新和发展，对产品的加工质量要求不断提高，作为这些工业产品制造中的一种广泛使用的材料加工工艺——电阻焊也受到了很大的挑战。

由于电阻焊过程相当复杂，包含了多种影响因素，例如：被焊材料、电流、电极压力、通电时间、电极端面形状及尺寸、分流、焊点离边缘的距离、板厚、工件表面状态等，而且这些因素之间互相联系，有一定的交互作用。

同时，加之焊接过程中熔核的不可见性及焊接过程进行的瞬时性，给焊接质量控制带来较大的困难。

为了适应新材料、新工艺、新产品在工业上开发应用的需要，以使电阻焊工艺及设备能满足现代化生产的要求，近十年来，各国焊接界在电阻焊工艺和设备控制方面做了大量的工作，主要集中在以以下几个方面[14]：(1)电阻焊过程的计算机模拟研究电阻焊是一个牵涉到电学、传热、冶金和力学的复杂过程，包括焊接时的电磁、传热过程、金属熔化和凝固、冷却时的相变、焊接应力与变形等。

要得到一个高质量的焊接接头必须要控制这些因素。

传统的电阻焊工艺及参数制定方法是通过一系列工艺实验和经验数据得到的。

但是对于一些航空航天重要结构，没有多少经验可以凭借，如果只依靠实验方法积累数据要花很长的时间和经费，而且任何尝试和失败，都将造成重大经济损失。

一旦各种焊接现象能够实现计算机模拟，我们就可以通过计算机系统来确定焊接各种结构和材料时的最佳设计、最佳工艺方法和焊接参数。