【正文】 核的冷卻速度非常快。雖然這些缺陷對(duì)接頭強(qiáng)度影響不大，但對(duì)接頭的疲勞性能卻有顯著影響—[10]。由于鋁與銅之間存在著強(qiáng)烈的鋁合金化傾向，因此鋁合金點(diǎn)焊時(shí)銅電極的燒損非常嚴(yán)重。由于合金層粘附在電極表面，在后續(xù)焊點(diǎn)的焊接過(guò)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。上述因素使得鋁合金點(diǎn)焊時(shí)電極的燒損速度大為增加，其使用壽命非常短。合金化反應(yīng)的產(chǎn)生條件包括成分和溫度；而反應(yīng)時(shí)間對(duì)合金化反應(yīng)程度的影響非常大。目前電極燒損方面的研究大多限于從成分條件的角度來(lái)考慮如何避免或減弱電極燒損問(wèn)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(shí)間方面做的工作較少—[11]。從室溫到熔化溫度電阻率的變化幅度僅為3倍左右。這給鋁合金電阻點(diǎn)焊過(guò)程的閉環(huán)控制帶來(lái)很大困難。因此，鋁合金點(diǎn)焊所面臨的質(zhì)量問(wèn)題遠(yuǎn)比低碳鋼復(fù)雜。能量是點(diǎn)焊過(guò)程的本質(zhì)問(wèn)題。能量控制的理論基礎(chǔ)是點(diǎn)焊過(guò)程中的產(chǎn)熱分析和能量分布分析，而點(diǎn)焊過(guò)程中的產(chǎn)熱分析和能量分布分析是無(wú)法通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行的。 問(wèn)題的研究近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者就鋁合金問(wèn)題做了多方面的研究工作，主要?dú)w結(jié)為以下幾個(gè)個(gè)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(cè)鋁合金點(diǎn)焊時(shí)的熔核直徑、焊點(diǎn)強(qiáng)度及噴濺情況，監(jiān)控鋁合金的點(diǎn)焊質(zhì)量。(2)用數(shù)值模擬法模擬鋁合金點(diǎn)焊過(guò)程的熱—電—力學(xué)過(guò)程，分析電極頭與鋁板接觸上的瞬時(shí)溫度分布，得出熔核尺寸及接觸面積隨時(shí)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(cè)點(diǎn)焊熔核的生長(zhǎng)、電極磨損和裂紋形成情況等。而且研究結(jié)果表明，孕育處理可提高點(diǎn)焊接頭力學(xué)性能，尤其是疲勞強(qiáng)度。(4)隨機(jī)多脈沖回火熱處理點(diǎn)焊工藝方法可解決焊接性較差的可淬硬鋼的接頭脆性和焊接質(zhì)量不穩(wěn)定，其工藝特點(diǎn)為：增大電極壓力（），調(diào)制焊接電流脈沖（即使用熱量遞增控制以減輕或避免內(nèi)噴濺）以防止點(diǎn)焊接頭宏觀缺陷（縮孔、縮松、熱裂）的產(chǎn)生；隨機(jī)多脈沖回火熱處理（回火脈沖次數(shù)n≥3），以防止點(diǎn)焊接頭顯微組織缺陷（硬脆馬氏體、過(guò)燒組織）的處理，以及準(zhǔn)確控制點(diǎn)焊接頭組織及其分布特征，使接頭高應(yīng)力區(qū)獲得完全回火處理。 本文研究的內(nèi)容以及方案綜上所述，鋁合金電阻點(diǎn)焊加工工藝的研究是解決鋁合金電阻點(diǎn)焊問(wèn)題的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外鋁合金電阻點(diǎn)焊領(lǐng)域科學(xué)研究的現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題，確定了本文的研究目的，方法和內(nèi)容。我們先要了解電阻點(diǎn)焊的焊接特性及其原理，熟悉影響電阻點(diǎn)焊質(zhì)量的焊接工藝因素；其次，借鑒國(guó)內(nèi)外的研究成果，對(duì)鋁合金的焊接性進(jìn)行評(píng)估；接下來(lái)研究電阻點(diǎn)焊工藝參數(shù)對(duì)鋁合金焊接質(zhì)量的影響；最后通過(guò)以上分析，完成鋁合金電阻點(diǎn)焊的工藝設(shè)計(jì)研究。每焊接一個(gè)焊點(diǎn)稱為一個(gè)焊接循環(huán)。（1） 預(yù)加壓力階段 預(yù)加壓力是為了使焊件在焊接處緊密接觸。因此，通電前電極壓力應(yīng)達(dá)到預(yù)定值，以保證電極和焊件，焊件和焊件之間的接觸電阻保持穩(wěn)定。在預(yù)加電極壓力下通電，則在兩電極解除表面之間的金屬圓柱體內(nèi)有最大的電流密度，靠焊件之間的接觸電阻和焊件自身的電阻，產(chǎn)生相當(dāng)大的熱量，溫度也很高。電極與焊件之間的接觸電阻也產(chǎn)生熱量，但大部分被水冷的銅合金電機(jī)帶走，于是電極與焊件之間接觸處的溫度遠(yuǎn)比焊件之間接觸處低，正常情況下是達(dá)不到熔化溫度的。 在通電加熱過(guò)程中有兩種情況可能引起飛濺：一種是開(kāi)始時(shí)電極預(yù)壓力過(guò)小，熔化核心周圍未形成塑性金屬環(huán)熱向外飛濺；另一種是加熱結(jié)束時(shí)，因加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，熔化核心過(guò)大，在電極壓力下，塑性金屬環(huán)發(fā)生崩潰，熔化金屬?gòu)暮讣g或焊件表面溢出。斷電后，熔化核心是在封閉的金屬殼內(nèi)開(kāi)始冷卻結(jié)晶的，收縮不自由。如果有電極壓擠，產(chǎn)生的壓擠變形使熔核收縮自由并變得密實(shí)。鍛壓持續(xù)時(shí)間視焊件厚度而定。加大壓力時(shí)間需控制好，過(guò)早會(huì)把熔化金屬擠出來(lái)變成飛濺，過(guò)晚熔化金屬已凝固失去作用。在實(shí)際生產(chǎn)中，往往根據(jù)不同材料，結(jié)構(gòu)以及對(duì)焊接質(zhì)量的要求，采用一些特殊的工藝措施。 點(diǎn)焊的工藝參數(shù) 點(diǎn)焊的工藝參數(shù)通常是根據(jù)工件的材料和厚度，參考該種材料的焊接條件選取。然后調(diào)節(jié)焊接電流，以不同的電流焊接式樣，經(jīng)檢驗(yàn)熔核直徑符合要求后，再在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)調(diào)節(jié)電極壓力，焊接時(shí)間和電流，進(jìn)行式樣的焊接和檢驗(yàn)，直到焊點(diǎn)質(zhì)量完全符合技術(shù)條件所規(guī)定的要求為止。 點(diǎn)焊的焊接循環(huán)電阻點(diǎn)焊過(guò)程中，焊接循環(huán)由4個(gè)基本階段組成:（1）預(yù)壓時(shí)間——自電極開(kāi)始下降到焊接電流開(kāi)始接通的時(shí)間。（2）焊接時(shí)間——焊接電流通過(guò)工件的持續(xù)時(shí)間。（3）維持時(shí)間——焊接電流切斷后，電極壓力繼續(xù)保持的時(shí)間。（4）休止時(shí)間——連續(xù)點(diǎn)焊時(shí)，自電極開(kāi)始提起到再次開(kāi)始下降的時(shí)間。通電焊接必須在電極壓力達(dá)到穩(wěn)定值后進(jìn)行，否則可能因壓力過(guò)低而噴濺，或者因各點(diǎn)壓力不一致而影響加熱，造成焊點(diǎn)強(qiáng)度波動(dòng)。這一點(diǎn)在直流脈沖焊機(jī)上尤為重要。1）加大預(yù)壓力以消除厚工件的間隙，使之緊密貼合。3）加大鍛壓力以壓實(shí)熔核，防止產(chǎn)生裂紋和縮孔。在航空航天工業(yè)中，多用于連接飛機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)，火箭，導(dǎo)彈中由合金鋼，不銹鋼，鋁合金，等材料制成的部件。 （1）強(qiáng)氧化性能：鋁極易氧化生成Al2O3,它是一層難溶的硬模。這也是鋁具有耐蝕性的重要原因。 （2）熱裂紋：鋁的線膨脹系數(shù)為低碳鋼的2倍，而凝固時(shí)的收縮率又比鋼大2倍，因此焊接時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力。兩者共同作用的結(jié)果，在焊縫中就容易產(chǎn)生熱裂紋。 （3）焊接熔透性：純鋁的導(dǎo)熱性約為低碳鋼的5倍，熱損較大，另外鋁的熱容量大，熔化潛熱大，焊接時(shí)需要更高的線能量，需要大功率或能量集中的熱源，并且需要預(yù)熱，板厚度增加時(shí)熔透問(wèn)題更加突出。 （4）氣孔：鋁熔池凝固速度快，熔池液體金屬比重低，熔池內(nèi)的夾雜物受到的浮力小，難于浮出而存在焊縫中，使氣孔和夾渣傾向加大。 （5） 燒穿：鋁的固態(tài)和液態(tài)色澤不易區(qū)別，高溫度強(qiáng)度極低，焊接時(shí)掌握困難，易引起金屬燒穿，導(dǎo)致塌陷或下漏。此外鋁的焊接過(guò)程中，易產(chǎn)生焊接變形，主要原因是線膨脹系數(shù)大。 工藝特點(diǎn)及分析 鋁及鋁合金點(diǎn)焊時(shí)，通常采用臺(tái)階形的加壓方式，如圖22所示，圖中顯示了焊接電流及其與加壓時(shí)間的匹配關(guān)系。由于鋁合金的物理、化學(xué)性質(zhì)的特殊性，其點(diǎn)焊工藝有以下特點(diǎn)： (1)硬規(guī)范：基于鋁具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，在點(diǎn)焊時(shí)要求采用硬規(guī)范即大電流、時(shí)間短，所以需要焊機(jī)功率大； (2)清理氧化膜；由于鋁合金常溫強(qiáng)度較高，表面又極易氧化而形成較高的接觸電阻，所以在點(diǎn)焊瞬問(wèn)過(guò)強(qiáng)大的焊接電流時(shí)，將使接觸面上局部電流密度過(guò)大、瞬間熔化，而產(chǎn)生早期飛濺，影響焊件表面質(zhì)量并使電極使用壽命下降，為此在焊前，必須進(jìn)行表而清理 (3)焊機(jī)機(jī)頭的隨動(dòng)性好：鋁合金的塑性區(qū)窄．高溫塑性差，而且熔核凝固時(shí)義伴隨著很大的收縮應(yīng)力，容易出現(xiàn)缺陷，因此要求電極壓力應(yīng)具有階形或馬鞍形的變化曲線，這對(duì)于防止飛濺、縮孔及裂紋等缺陷是至關(guān)重要的。因此，要求點(diǎn)焊機(jī)的控制線路精確度高， 以保證通電和休止時(shí)問(wèn)準(zhǔn)確。隨著加熱的不斷進(jìn)行，熔核將產(chǎn)生從無(wú)到有、從小到大的變化，熔核尺寸無(wú)論在焊接期問(wèn)還是在焊后都無(wú)法直接觀測(cè)，因此點(diǎn)焊質(zhì)量監(jiān)控和檢測(cè)難度大—[1]．圖22 鋁合金電阻點(diǎn)焊原理示意圖 工藝措施及焊機(jī)的選擇鋁合金的應(yīng)用十分廣泛，分為冷作強(qiáng)化和熱處理強(qiáng)化兩大類。其原因及應(yīng)采取的工藝措施如下： （1）電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率較高 必須采用較大電流和較短時(shí)間，才能做到既有足夠的熱量形成熔核；又能減少表面過(guò)熱、避免電極粘附和電極銅離子向純鋁包復(fù)層擴(kuò)散、降低接頭的抗腐蝕性。對(duì)裂紋傾向大的鋁合金，如LFLY1LC4等,還必須采用加大鍛壓力的方法，使熔核凝固時(shí)有足夠的塑性變形、減少拉應(yīng)力，以避免裂紋產(chǎn)生。對(duì)于大厚度的鋁合金可以兩種方法并用。清理不均勻則將引起焊點(diǎn)強(qiáng)度不穩(wěn)定—[4]。 微量元素在鋁合金電阻焊中的作用鋁及鋁合金結(jié)構(gòu)．以其自身質(zhì)量小、導(dǎo)熱性好、不產(chǎn)生火花、不污染介質(zhì)等特性，在化工、石油、航空、航天、建筑等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。然而，鋁及鋁合金的焊接過(guò)程存在以下問(wèn)題 ：鋁與氧的親合力大，極易氧化生成致密的Al2O3，氧化膜，其熔點(diǎn)高達(dá)2025℃ ，阻礙鋁合金熔合，且氧化鋁比鋁的密度大，容易產(chǎn)生夾渣；由于鋁的熱膨系數(shù)和熱導(dǎo)率大，焊縫收縮量大，對(duì)焊接熱輸入要求高，容易產(chǎn)生焊接應(yīng)力與脹變形，甚至產(chǎn)生裂紋；液態(tài)鋁可吸收大量的氫，而固態(tài)鋁幾乎不溶解氫，焊件易產(chǎn)生大量氣孔；鋁在高溫時(shí)的強(qiáng)度、塑性低，焊接時(shí)不能支持熔池金屬重力而易使焊縫塌陷；鋁中的微量元素，如Si，F(xiàn)e等以及焊接過(guò)程中產(chǎn)生的H對(duì)焊接質(zhì)量也有很大影響。某些元素的少量甚至痕量存在會(huì)顯著影響鋁合金的組織和性能?；蛞圆煌椒ㄏ拗埔恍┰卦诤辖鹬械暮?，大量研究表明．鋁合金中這類元素的摩爾分?jǐn)?shù)一般為0．1％左右，但是對(duì)合金的組織和性能卻有十分顯著的影響。需要開(kāi)發(fā)和應(yīng)用新的焊接方法—[2]。清理方法分機(jī)械清理和化學(xué)清理兩種。不同的金屬和合金，須采用不同的清理方法。剛清理過(guò)的表面上會(huì)很快被氧化，形成氧化鋁薄膜。鋁合金的氧化膜主要用化學(xué)方法去除，在堿溶液中去油和沖洗后，將工件放進(jìn)正磷酸溶液中腐蝕。最常用的鈍化劑是重鉻酸鉀和重鉻酸鈉。腐蝕后進(jìn)行沖洗，然后在硝酸溶液中進(jìn)行亮化處理，以后再次進(jìn)行沖洗，沖洗后，在溫度達(dá)?5℃的干燥室中干燥，或用熱空氣吹干。鋁合金也可用機(jī)械方法清理。但為防止損傷工件表面，鋼絲長(zhǎng)度不得短于40mm，刷子壓緊于工件的力不得超過(guò)5～20N，而且清理后須在不超過(guò)2～3h內(nèi)進(jìn)行焊接。鋁合金清理后必須測(cè)量放有兩個(gè)鋁合金工件的兩電極間的總電阻只。上面的一個(gè)電極對(duì)電極夾絕緣，在電極間壓緊兩個(gè)試件，這樣測(cè)出的R值可以最客觀地反映出表面清理的質(zhì)量。對(duì)于導(dǎo)電性更好的3A25A02鋁合金以及燒結(jié)鋁類的材料，R不得超過(guò)28～40uΩ。采用波峰電流的目的是盡量減小點(diǎn)焊接頭強(qiáng)度的波動(dòng)，防止飛濺和減少粘電極現(xiàn)象。是為了焊核中經(jīng)常產(chǎn)生的縮孔和裂紋。采用三相低頻或三相整流式焊機(jī)焊接時(shí)的焊接規(guī)范，包括焊接電流及其通電時(shí)間、衰減電流及其通電時(shí)間、焊接壓力、頂鍛壓力和延時(shí)加壓時(shí)間等許多參數(shù)。點(diǎn)焊參數(shù)的選擇程序通常根據(jù)焊件材料和厚度，首先確定電極端面形狀和尺寸，并初步選定電極壓力范圍內(nèi)調(diào)整電極壓力、焊接電流和焊接時(shí)間，直到點(diǎn)焊質(zhì)量完全達(dá)標(biāo)。在實(shí)際生產(chǎn)中，由于電壓網(wǎng)的波動(dòng)、多臺(tái)焊機(jī)相互干擾，均會(huì)導(dǎo)致焊接電流的變化，從而影響點(diǎn)焊質(zhì)量。焊接時(shí)間過(guò)短，不能形成熔核或熔核過(guò)小，焊點(diǎn)抗剪強(qiáng)度低，焊接時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，易造成焊點(diǎn)壓痕深、接頭變形大、金屬過(guò)熱等缺陷，也使接頭性能降低。當(dāng)電極壓力過(guò)小時(shí)，由于焊接金屬區(qū)塑性變形范圍較小及變形程度不足，造成塑性環(huán)的形成與擴(kuò)展速度小于熔核的長(zhǎng)大速度，從而產(chǎn)生嚴(yán)重噴濺，電極壓力過(guò)大，將使焊接區(qū)接觸面積增大，總電阻和電流密度減小，析出熱量減小且向電極方向散熱增加，因此熔核尺寸下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)未焊透。點(diǎn)焊時(shí)，各規(guī)范參數(shù)的影響相互制約。因此，焊接電流（I）、電極壓力（P）、焊接時(shí)間（t）、這三大要素規(guī)范的合理選擇，是點(diǎn)焊質(zhì)量的關(guān)鍵所在。點(diǎn)焊時(shí)，各規(guī)范參數(shù)的影響相互制約，當(dāng)電極材料、端面形狀和尺寸選定后，焊接規(guī)范的選擇主要是考慮焊接電流（I）、電極壓力（P）、焊接時(shí)間（t）這三個(gè)參數(shù)，它們是形成點(diǎn)焊接頭質(zhì)量的三大要素。 第三章 鋁合金點(diǎn)焊的試驗(yàn)設(shè)計(jì)及其分析 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備 實(shí)驗(yàn)材料 試驗(yàn)所采用鋁合金材料為轎車車身上專用的厚度為1mm的6061鋁合金。特別是無(wú)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂傾向，其焊接性優(yōu)良，耐蝕性及冷加工性好。若含有一定量的錳與鉻，可以中和鐵的壞作用；有時(shí)還添加少量的銅或鋅，以提高合金的強(qiáng)度，而又不使其抗蝕性有明顯降低；導(dǎo)電材料中還有少量的銅，以抵銷鈦及鐵對(duì)導(dǎo)電性的不良影響；鋯或鈦能細(xì)化晶粒與控制再結(jié)晶組織；為了改善可切削性能，可加入鉛。6061鋁合金中的主要合金元素為鎂與硅，具有中等強(qiáng)度、良好的抗腐蝕性、可焊接性，氧化效果較好—[13]。該點(diǎn)焊機(jī)的功率為200KV,最大焊接電流為54KA，采用氣缸加壓，最大電極加壓力為900daN,如下圖31所示: 圖 31中頻立式電阻點(diǎn)焊機(jī)（PMP62/220FM）中頻立式電阻點(diǎn)焊機(jī)包括三大部分：一個(gè)三相整流器，一個(gè)絕緣珊極晶閘管組成的橋式逆變器，通過(guò)中頻焊接變壓器將高壓信號(hào)降至合適點(diǎn)焊低壓，再全波整流在二次側(cè)產(chǎn)生焊接電流；一個(gè)是控制及調(diào)幅線路PWM。 與傳統(tǒng)的電焊機(jī)相比，中頻逆變點(diǎn)焊機(jī)可以實(shí)現(xiàn)大電流，短時(shí)間，精確控制點(diǎn)焊循環(huán)的過(guò)程。c 焊機(jī)重量減輕。 試驗(yàn)方法鋁合金電阻點(diǎn)焊接頭常溫抗剪試驗(yàn)按照GB/T 26511989標(biāo)準(zhǔn)制備試樣，尺寸為100mm25mm。接著采用點(diǎn)焊接頭撕開(kāi)法初步檢驗(yàn)選取工藝參數(shù)的可行性。常溫剪切拉伸疲勞試驗(yàn)試樣按照GB/T1511194標(biāo)準(zhǔn)，試片的尺寸為40mm150mm，其形狀和剪切拉伸試樣相似，焊接接頭設(shè)計(jì)為搭接接頭。 圖 32 電極加壓方式