铝合金电阻点焊常见问题及工艺措施简析

铝合金电阻点焊常见问题及工艺措施简析

作者：王咪，孙福庆

来源：《中国科技博览》2013年第27期

[摘要]铝合金电阻点焊技术在机车车辆工业应用较少，这是由于铝合金电阻点焊生本身具有较大的焊接缺陷，包括铝合金的焊接性不好、焊点质量不稳定、电极使用寿命短等。本文慨述了铝合金电阻点焊的工艺特点、点焊工艺中的问题，并指出了铝合金点焊工艺问题的解决措施。

[关键词]电阻点焊铝合金问题措施

中图分类号：TG453.9 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）27-0636-01

一、铝合金电阻点焊的原理及问题

电阻点焊是利用电流通过电阻产生的热量和在设备压力共同作用下实现局部焊接的一种工艺方法。铝合金点焊是通过点击对相接触的两个铝板进行通电、加压形成致密熔核。

铝合金的化学活性强，表面易形成氧化膜，且多具有难熔性质（如A1203的熔点约2050℃，MgO熔点约为2500℃），加之铝合金导热性强，焊接时散热快容易造成不熔合现象。铝合金点焊中还经常存在微型空洞、裂纹等不连续缺陷以及过深的压痕等现象，熔核尺寸对接头的静载强度影响很大，但对其疲劳强度影响很小—[1]。

目前铝合金电阻点焊所存在的问题主要有以下几方面：

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四个方面。

（1）喷溅与飞溅

与低碳钢相比，铝合金具有很好的导电、导热性能，其电阻率仅为钢的三分之一，而导热率却为钢的2-4倍。所以为获得合格的焊点，在相同的条件下铝合金就需要更大的焊接电流以获得足够热量。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，这就使得接触电阻比较大。在规定焊接条件下，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-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，影响了熔核直径的大小，对焊质量极为不利。

（2）焊点表面质量差

铝合金容易形成低熔点（547℃）共晶物，这种低熔点共晶物的电阻率比较大。铝合金工件较大的热导率及接触面上较大的热量产生使得电极-工件接触面上产生局部熔化并发生共晶反应，以致出现电极与工件的粘连，影响了焊点的表面质量。电极与工件的粘连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-工件间的接触由起始连续接触变为不连续接触。在规定焊接条件下，这种不连续接触将加剧飞溅、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-工件表面上的局部熔化、飞溅及电极与工件的粘连，破坏了电极表面的连续性；并且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-工件间的接触状态不稳定。另外，点焊过程又受工件表面状态、电极压力、焊接电流等因素的影响。铝合金点焊对以上各因素的变化非常敏感，因此连续点焊中熔核尺寸波动较大。

（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，其导热系数比较大，故而熔核的冷却速度非常快；另一方面，由于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、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—[2]。

2、电极烧损严重，使用寿命短

由于电极-工件间的接触电阻较大，铝合金工件的导热率也较大，而铝合金点焊又是采用规定条件进行焊接，所以电极-工件间接触面上的温度较高，且铝与铜之间存在着强烈的合金化倾向，以上情况导致铝合金点焊时铜电极的烧损严重。铜铝合金化反应生成合金层的主要成分为CuAl2 金属间化合物，其电阻率为铜的5倍左右。由于该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-工件间的接触电阻，即增加电极-工件间的产热量。在连续点焊过程中，电极表面不连续程度的增加也加剧了电极-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。

电极烧损实质上是电极表面铜铝合金化反应的问题。合金化反应的产生条件包括成分和温度；而反应时间对合金化反应程度的影响非常大。从理论上说，只要破坏了成分，温度和反应时间中的一个条件，就可以克服或减弱电极烧损。目前电极烧损方面的研究大多限于从成分条件的角度来考虑如何避免或减弱电极烧损问题，而在如何降低电极-工件接触面温度及减少电极-工件间接触面处于高温区的时间方面做的工作较少—[3]。

3、缺乏有效的焊接质量控制方法

铝合金的电阻率低，阻温系数也比较小。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，也包括飞溅和喷溅、焊点表面成形质量差及工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。而主要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与铝合金点焊，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—[4]。

二、铝合金电阻电焊改进工艺措施

点焊的工艺参数通常是根据工件的材料和厚度，参考该种材料的焊接条件选取。首先确定电极的断面形状和尺寸，其次初步选定电极压力和焊接时间，然后调节焊接电流；以不同的电流焊接试样，经检验熔核直径符合要求后，再在适当的范围内调节电极压力、焊接时间和电流，进行试样的焊接和检验，直到焊点质量完全符合技术条件所规定的要求为止。

通电焊接必须在电极压力达到稳定值后进行，否则可能因压力过低而喷溅，或者因各点压力不一致而影响加热，造成焊点强度波动。

电极提起必须在电流全部切断之后，否则电极工件间将引起电弧，烧伤工件。这一点在直流脉冲焊机上尤为重要。

为了改善接头的性能，有时需要将下列各项中的一项或多项加以考虑：

1）加大预压力以消除厚工件的间隙，使之紧密贴合；

2）用预热脉冲提高金属的塑性，使工件易于紧密贴合、防止喷溅；

3）加大锻压力以压实熔核，防止产生裂纹和缩孔；

4）采用较大电流和较短通电时间，保证既有足够的热量形成熔核，又能减少表面过热；

5）焊前必须清理氧化膜；