【正文】 湖北工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）鋁合金電阻點焊的加工工藝研究畢業(yè)論文目錄40第一章 緒論 1 前言 1 鋁合金電阻點焊研究的必要性 1 鋁合金點焊所存在的問題及現(xiàn)狀研究 3 所存在的問題 3 問題的研究 6 本文研究的內(nèi)容以及方案 7第二章 鋁合金電阻點焊工藝特點分析 8 電阻點焊的原理及特點 8 焊點的形成 8 點焊的工藝參數(shù) 9 點焊的焊接循環(huán) 10 點焊的應(yīng)用 10 鋁合金電阻點焊的工藝特點 11 焊接性能分析 11 工藝特點及分析 12 工藝措施及焊機的選擇 13 微量元素在鋁合金電阻焊中的作用 13 焊前的工件清理 14 15 本章小結(jié) 17第三章 鋁合金點焊的試驗設(shè)計及其分析 18 實驗材料及設(shè)備 18 實驗材料 18 試驗設(shè)備 18 試驗方法 19 加壓方式 20 實驗參數(shù) 21 試驗結(jié)果 21 實驗結(jié)果分析 24 焊接電流不同對工藝的影響 24 焊接時間不同對接頭的影響 25 電極壓力對接頭性能的影響 26 點焊缺陷及其影響 27 未熔合與未完全熔合 27 縮孔、裂紋與結(jié)合線伸入 28 表面燒傷、燒穿和噴濺 29 過燒和晶間腐蝕 29 本章小結(jié) 30第四章 鋁合金電阻焊的加工參數(shù)優(yōu)化設(shè)計 31 引言 31 點焊工藝參數(shù)優(yōu)化的理論基礎(chǔ) 31 正交實驗法的基本思路 31 正交試驗的理論基礎(chǔ) 31 鋁合金電阻點焊的正交實驗設(shè)計 34 實驗數(shù)據(jù)分析 35 實驗結(jié)論 36 本章小結(jié) 36致謝 38參考文獻(xiàn) 39 第一章 緒論 前言隨著我國工業(yè)的迅猛發(fā)展，對工業(yè)產(chǎn)品(特別是汽車)外殼用材的性能提出了更高的要求，并促進(jìn)了產(chǎn)品鋼材的更新?lián)Q代。例如：為了減輕車身總體質(zhì)量，節(jié)省能源消耗，世界各大汽車公司正在開發(fā)鋁合金或高強鋼車身的汽車．鋁合金的應(yīng)用和鋁合金焊接技術(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)要求焊接．并要求焊縫有良好機械性能。在汽車制造業(yè)長期以來廣泛應(yīng)用的電阻點焊工藝方法，具有機械化、自動化程度高、生產(chǎn)率高、焊接質(zhì)量可靠的特點。將單個零件拼接成車身結(jié)構(gòu)的工作屬于汽車制造商的核心技術(shù)。為保證焊接質(zhì)量，研究鋁合金等新材料的電阻點焊性能已成了非常迫切的任務(wù)。近年來，各國焊接工作者就此做了大量的理論及實際研究工作，并取得了一定的成績。鋁及其合金是汽車輕量化的最重要材料，同時鋁的消費指標(biāo)及生產(chǎn)能力也是衡量一個國家和地區(qū)工業(yè)發(fā)展基礎(chǔ)和技術(shù)進(jìn)步程度的重要標(biāo)志—[1]。鋁合金電阻焊連接技術(shù)在汽車車體組裝過程中占有重要地位，是汽車車體生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)。近年來，汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國家都有鋁制車體的概念車或批量生產(chǎn)的車型問世，而我國在汽車車體輕量化應(yīng)用研究方面基本屬于空白。在國產(chǎn)化的鋁合金汽車車體研究中，采用傳統(tǒng)的電阻點焊技術(shù)，遇到許多困難：如設(shè)備投資巨大、電力消耗嚴(yán)重、焊接質(zhì)量不穩(wěn)定及需要進(jìn)行大量鋁合金電阻點焊工藝研究開發(fā)等(目前，國內(nèi)在鋁合金電阻點焊方面仍存在許多有待解決的問題)。因此，為了推廣鋁合金在汽車、家電等行業(yè)中的應(yīng)用，必須對鋁合金的點焊性能作進(jìn)一步深入細(xì)致的研究。在各種焊接方法中，點焊具有靜強度高、可靠性好、性能穩(wěn)定、生產(chǎn)效率高和易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，因此目前在汽車車身結(jié)構(gòu)上被廣泛采用。 鋁合金電阻點焊研究的必要性能源短缺和環(huán)境污染已經(jīng)成為目前制約全球經(jīng)濟，社會發(fā)展的兩大問題。交通運輸業(yè)是導(dǎo)致能源短缺和環(huán)境污染尤其是空氣污染的一個主要因素，在美國該行業(yè)的石油消耗占到了石油消耗的三分之二，其中汽車燃油的比例為75%。在我國，汽車燃油的比例高達(dá)85%，據(jù)國際制造商協(xié)會統(tǒng)計，2011年全世界汽車生產(chǎn)總量為5754萬輛，我國汽車產(chǎn)量也達(dá)到萬輛，已居世界第8位，居估算，燃油汽車給城市造成了至少30%以上的空氣污染，汽車排放所造成的污染已成為當(dāng)今社會的一大公害，從80來年代世界各國尤其是發(fā)達(dá)國家就開始研究采取各種措施來減少汽車能源的消耗和排放污染。為此，美國制定了PNGV計劃德國制定了3升汽車計劃，汽車的輕量化是其中非常重要的一個途徑，輕量化已經(jīng)成為汽車發(fā)展的主要方向，對降低汽車能源消耗和減少環(huán)境污染是至關(guān)重要的。 鋁合金材料是實現(xiàn)汽車輕量化得理想材料，鋁合金的比重是碳鋼的1/3,采用鋁合金材料制造汽車車身，在保證具有與鋼同樣強度和剛度的前提下，車身重量可減少50%，整車重量可減少10%，同時可以減少相同數(shù)量的燃油消耗和環(huán)境污染。鋁合金材料還被稱為“綠色材料”，可反復(fù)回收利用，回收重熔鋁合金所需能量僅是生產(chǎn)新鋁合金所需能量的5%，而再生鋁合金材料能夠保持原有材料的性能，而不像一般碳鋼具有良好的防腐性能，其表面只需稍加處理就可獲得滿意的防腐性能，而電鍍，鍍鋅等處理不僅工藝復(fù)雜，成本高，而且環(huán)境污染嚴(yán)重。目前經(jīng)濟發(fā)達(dá)國家已開始進(jìn)行鋁合金汽車的研制，一些公司現(xiàn)已推出了鋁合金汽車，如美國通用公司推出的“Precept”，福特公司推出的“合成210”,德國寶馬公司推出的“528”，德國大眾推出的“奧迪A8”及推出的“奧迪A2”，現(xiàn)已都批量生產(chǎn)。 由于電阻點焊具有焊接質(zhì)量可靠，生產(chǎn)效率高且易實現(xiàn)機械化和自動化等優(yōu)點，在汽車工業(yè)領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，現(xiàn)在它已成為汽車制造領(lǐng)域中的主導(dǎo)加工工藝。但是，鋁合金點焊所存在的問題限制了點焊在鋁合金汽車生產(chǎn)中的應(yīng)用。目前國外推出的鋁合金汽車很少單獨采用電阻點焊工藝，而大多采用氣保焊，激光焊，膠焊等連接工藝。如新近推出的采用第二代鋁合金空間架構(gòu)（ASF）的“奧迪A2”就采用了MIG焊工藝和激光焊，但這些工藝并不適合汽車的規(guī)?；瓦B續(xù)化生產(chǎn)。為實現(xiàn)鋁合金汽車的大規(guī)模化生產(chǎn)，就必須開展鋁合金材料電阻點焊的研究。在航空航天領(lǐng)域，為減輕飛行器的重量，大量的薄板結(jié)構(gòu)采用了鋁合金材料。電阻點焊是薄板結(jié)構(gòu)最理想的連接工藝，鋁合金點焊所存在的問題使得這些板筋結(jié)構(gòu)目前的連接工藝還是鉚接。與點焊相比，其具有剛性差，重量大等缺點。若解決了鋁合金電阻點焊問題，大量采用點焊工藝，飛行器的重量將會進(jìn)一步降低，動力學(xué)性能也會得到進(jìn)一步的提高?？梢哉f，鋁合金電阻點焊技術(shù)已經(jīng)成為鋁合金在汽車，航空航天等領(lǐng)域推廣應(yīng)用的一個主要制約因素。隨著科技的發(fā)展，鋁合金材料將會在更多的領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。因此，對鋁合金點焊進(jìn)行研究是非常必要的，并且在目前它已成為焊接研究領(lǐng)域中的熱點。 鋁合金點焊所存在的問題及現(xiàn)狀研究 所存在的問題鋁及其合金的化學(xué)活性很強，表面極易形成氧化膜，且多具有難熔性質(zhì)(如A1203的熔點約2050℃，MgO熔點約為2500℃)，加之鋁及其合金導(dǎo)熱性強，焊接時容易造成不熔合現(xiàn)象。此外，鋁及其合金的線脹系數(shù)大．導(dǎo)熱性又強，焊接時容易產(chǎn)生翹曲變形。研究人員對鋁合金點焊接頭本身的性能進(jìn)行了研究，并指出：在鋁合金點焊中還經(jīng)常存在微型空洞、裂紋等不連續(xù)缺陷以及過深的壓痕等現(xiàn)象，熔核尺寸對接頭的靜載強度影響很大，但對其疲勞強度影響很小—[14]。由于鋁合金在其物理性能上的特殊性，使它在電阻點焊可焊性方面與常用冷軋低碳鋼相比有其一定的特點 其中存在的最嚴(yán)重的問題是電極的燒損及壽命問題。對于一般低碳鋼的點焊，電極壽命可以達(dá)到幾千點．而鋁合金的點焊一般僅能達(dá)到幾十點。鋁合金電阻點焊技術(shù)還存在著飛濺問題、焊點表面成型質(zhì)量問題及點焊接頭的焊接質(zhì)量不穩(wěn)定等問題，這些問題皆與電極的磨損及其工作壽命存在著密切的關(guān)系。因此，電極磨損及壽命問題是鋁合金電阻點焊技術(shù)的關(guān)鍵問題。目前鋁合金電阻點焊所存在的問題主要有以下幾方面：鋁合金點焊焊點質(zhì)量不穩(wěn)定主要體現(xiàn)在以下四個方面。(1)噴濺與飛濺嚴(yán)重。與低碳鋼相比，鋁合金具有很好的導(dǎo)電，導(dǎo)熱性能，其電阻率僅為鋼的三分之一，而導(dǎo)熱率卻為鋼的24倍。所以，為獲得合格的焊點，在相同的條件下鋁合金就需要更大的焊接電流，即需要使用硬規(guī)范進(jìn)行焊接。鋁元素非?；顫姡阡X合金材料表面非常容易形成氧化膜，這層氧化膜組織致密，熔點極高，導(dǎo)電性能極差，這就使得接觸電阻比較大。在硬規(guī)范焊接條件下，接觸面上產(chǎn)生較多的熱量。另一方面，鋁合金材料熔點低，加熱熔化時的塑性溫度區(qū)間窄，所以很容易在工件間接觸面上造成噴濺，在電極工件間造成飛濺。噴濺和飛濺的產(chǎn)生會帶走部分熱量和熔化金屬，嚴(yán)重影響了熔核直徑的大小，對焊質(zhì)量極為不利。如圖 11 所示熔核噴濺和表面飛濺缺陷。 a 熔核的噴濺 b 表面飛濺 圖 11 熔核噴濺和表面飛濺缺陷(2)焊點表面質(zhì)量差。鋁和鋁合金容易形成低熔點（547℃）共晶物，并且這種低熔點共晶物的電阻率比較大。鋁合金工件較大的熱導(dǎo)率及接觸面上較大的熱產(chǎn)量使得電極工件接觸面上產(chǎn)生局部熔化并發(fā)生較為劇烈的共晶反應(yīng)，以致出現(xiàn)電極與工件的粘連，惡化了焊點的表面質(zhì)量。電極與工件的粘連及飛濺嚴(yán)重破壞了電極表面的連續(xù)性。進(jìn)而惡化了后續(xù)焊點焊接時電極與工件間的接觸狀態(tài)，使電極工件間的接觸由起始宏觀上的連續(xù)接觸變?yōu)楹暧^上的不連續(xù)接觸。在硬規(guī)范條件下，這種宏觀上的不連續(xù)接觸更家具了飛濺，局部熔化及粘連的產(chǎn)生，對焊點的表面質(zhì)量更為不利。（3）熔核尺寸波動大。電極工件表面上的局部熔化，飛濺及電極與工件的粘連，嚴(yán)重破壞了電極表面的連續(xù)性。并且在連續(xù)點焊過程中電極表面的不連續(xù)性具有較強的隨機性，這使得電極工件間及工件間的接觸狀態(tài)和不穩(wěn)定。另外，點焊過程又受工件表面狀態(tài)，電極壓力，焊接電流等因素的影響。鋁合金點焊對各種因素的變化非常敏感，因此連續(xù)點焊中熔核直徑波動較大。（4）熔核內(nèi)部易產(chǎn)生缺陷。與弧焊相比，鋁合金在點焊時金屬的熔化量較少，其導(dǎo)熱系數(shù)比較大，所以熔核的冷卻速度非常快。另一方面，由于鋁合金是非導(dǎo)磁材料，液態(tài)熔核區(qū)的流動速度非常小，熔核在凝固時極易形成縮孔，縮松和氣孔。雖然這些缺陷對接頭強度影響不大，但對接頭的疲勞性能卻有顯著影響—[10]。2 電極燒損嚴(yán)重，使用壽命短由于電極工件間的接觸電阻較大，鋁合金工件的導(dǎo)熱率也較大，而鋁合金點焊又是采用硬規(guī)范進(jìn)行焊接，所以電極工件間接觸面上的溫度較高。由于鋁與銅之間存在著強烈的鋁合金化傾向，因此鋁合金點焊時銅電極的燒損非常嚴(yán)重。銅鋁合金化反應(yīng)生成合金層的主要成分為CuAl2 金屬間化合物，其電阻率為銅的5倍左右。由于合金層粘附在電極表面，在后續(xù)焊點的焊接過程中，合金層的存在增大了電極工件間的接觸電阻，也增加電極工件間的產(chǎn)熱量。在連續(xù)點焊過程中，電極表面不連續(xù)程度的增加也加劇了電極工件間局部熔化和飛濺的產(chǎn)生，同時也加劇了銅鋁合金化反應(yīng)的程度，如圖12所示。上述因素使得鋁合金點焊時電極的燒損速度大為增加，其使用壽命非常短。電極燒損實質(zhì)上是電極表面銅鋁合金化反應(yīng)的問題。合金化反應(yīng)的產(chǎn)生條件包括成分和溫度；而反應(yīng)時間對合金化反應(yīng)程度的影響非常大。從理論上說，只要破壞了成分，溫度和反應(yīng)時間中的一個條件，就可以克服或減弱電極燒損。目前電極燒損方面的研究大多限于從成分條件的角度來考慮如何避免或減弱電極燒損問題，而在如何降低電極工件接觸面溫度及減少電極工件間接觸面處于高溫區(qū)的時間方面做的工作較少—[11]。 a 焊第一點后 b焊完第50點后 圖12電極表面的粘接和燒損情況3 缺乏有效的焊接質(zhì)量控制方法鋁合金的電阻率低，其阻溫系數(shù)也比較小。從室溫到熔化溫度電阻率的變化幅度僅為3倍左右。所以，鋁合金電阻點焊過程很難用焊接電參量的變化來描述。這給鋁合金電阻點焊過程的閉環(huán)控制帶來很大困難。鋁合金點焊的焊點質(zhì)量不僅包括了熔核尺寸的波動，而且也包括飛濺和噴濺嚴(yán)重，焊點表面成形質(zhì)量差及工件與電極易出現(xiàn)粘連等。因此，鋁合金點焊所面臨的質(zhì)量問題遠(yuǎn)比低碳鋼復(fù)雜。而主要針對低碳鋼點焊問題所提出的以保證熔核大小穩(wěn)定為目標(biāo)的各種控制方法并不適合與鋁合金點焊，尤其是對工件電極的粘連問題和焊點表面成形質(zhì)量差的問題更是無能為力。能量是點焊過程的本質(zhì)問題。從理論上說，能量控制是點焊質(zhì)量控制中的最為本質(zhì)的方法。能量控制的理論基礎(chǔ)是點焊過程中的產(chǎn)熱分析和能量分布分析，而點焊過程中的產(chǎn)熱分析和能量分布分析是無法通過實驗來進(jìn)行的。應(yīng)該說，在目前能量控制的理論依據(jù)及如何實現(xiàn)能量控制還沒得到很好的解決—[17]。 問題的研究近年來，國內(nèi)外學(xué)者就鋁合金問題做了多方面的研究工作，主要歸結(jié)為以下幾個個面：由于鋁合金易氧化造成焊接區(qū)性能不穩(wěn)定，故采用多參數(shù)的線性回歸方法預(yù)測鋁合金點焊時的熔核直徑、焊點強度及噴濺情況，監(jiān)控鋁合金的點焊質(zhì)量。(1)通過把鋁合金點焊的焊接性能和電極壽命試驗，提出:在鋁合金兩面分別鍍不同厚度的鉻酸鹽層，使它與電極的接觸電阻相對較小，加速熔核形成，既保證了街頭的性能，又能提高電極的使用壽命。(2)用數(shù)值模擬法模擬鋁合金點焊過程的熱—電—力學(xué)過程，分析電極頭與鋁板接觸上的瞬時溫度分布，得出熔核尺寸及接觸面積隨時間的變化規(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，并預(yù)測點焊熔核的生長、電極磨損和裂紋形成情況等。(3)點焊熔核孕育處理理論與方法的研究，已取得很好的研究成果，或等了全部凝固組織為等軸晶的點焊熔核，使全部為柱狀晶的點焊熔核貼合而出現(xiàn)等軸晶區(qū)，縮小熔核柱狀晶區(qū)，使凝固組織