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鋁合金電阻點(diǎn)焊性能研究

文檔作者：郭亞洲張勇倪雷楊如松文檔來源：上海汽車集團(tuán)股份有限公司乘用車公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2024年11月24日
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鋁合金電阻點(diǎn)焊性能研究
郭亞洲張勇倪雷楊如松(上海汽車集團(tuán)股份有限公司乘用車公司，上海201804)
【摘要】對某牌號鋁合金進(jìn)行電阻點(diǎn)焊試驗(yàn)，通過對比單脈沖和多脈沖條件下對焊接窗口、拉剪力、熔
核直徑和電極壽命的影響。結(jié)果表明：兩種脈沖下，熔核存在氣孔和裂紋，多脈沖條件下鋁合金焊接窗口寬于單
脈沖，單脈沖焊點(diǎn)拉剪強(qiáng)度普遍高于多脈沖；多脈沖熱量輸入多于單脈沖，單脈沖條件下的電極壽命優(yōu)于多
脈沖。
【Abstract】In this paper，the resistance spot welding test of a grade aluminum alloy is carried
out by comparing the effects of single pulse and multi—pulse conditions on the welding window，tensile
shear，nugget diameter and electrode life．The results show that there are pores and cracks in the nuggets
under the two kinds of pulses．The welding window of the aluminum alloy is wider than the single
pulse in the multi—pulse condition，and the tensile and shearing strength of the single pulse welding is
generally higher than that of the muhi—pulse．The electrode life under pulse conditions is better than
multiple pulses．
【關(guān)鍵詞】單脈沖多脈沖焊接窗口電極壽命
doi：10．3969／j．issn．1007-4554．2017．10．13
0 引言
隨著汽車輕量化的發(fā)展，越來越多的鋁合金
被逐漸應(yīng)用到白車身上，目前車身用鋁合金一般
以機(jī)械連接為主，機(jī)械連接為了達(dá)到一定強(qiáng)度一
般需要鉚釘，成本較高。鋁合金表面氧化膜成分
復(fù)雜，會導(dǎo)致未焊透、焊縫夾渣、氣孔等缺陷；同時(shí)
由于鋁合金膨脹系數(shù)大，焊接時(shí)易出現(xiàn)裂紋；高溫
下銅鋁合金化傾向強(qiáng)烈，電極燒損嚴(yán)重。
電阻點(diǎn)焊是車身結(jié)構(gòu)零件應(yīng)用最廣泛的連接
方法。鋼制白車身一般由3 000—6 000個(gè)焊點(diǎn)連
接而成。點(diǎn)焊具有效率高成本低的優(yōu)點(diǎn)，鋁合金
收稿日期：2017—07—03
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的電阻點(diǎn)焊技術(shù)正成為研究熱點(diǎn)之一。
多脈沖在鍍鋅板上運(yùn)用較多(其優(yōu)點(diǎn)包括：增
加熔核直徑、減小飛濺裂紋、提高正拉強(qiáng)度、加寬工
藝窗口等)，脈沖模式的對比分析在鋁合金電阻點(diǎn)
焊中的相關(guān)研究中較少報(bào)道。因此，本文從單脈沖
和多脈沖的角度對鋁合金電阻點(diǎn)焊進(jìn)行研究。
1 試驗(yàn)方案及結(jié)果
1．1單脈沖和多脈沖下鋁合金焊接窗口試驗(yàn)
試驗(yàn)選取某牌號5系鋁合金試片(厚度
1．0 mm)進(jìn)行點(diǎn)焊試驗(yàn)，采用電極選用標(biāo)準(zhǔn)平電極
和中頻逆變直流點(diǎn)焊機(jī)進(jìn)行相關(guān)焊接試驗(yàn)。電極
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萬方數(shù)據(jù)
尺寸和點(diǎn)焊機(jī)如圖1所示。
圖1 試驗(yàn)用點(diǎn)焊機(jī)和電極
焊接壓力F=2．5 kN，單脈沖條件下組合通電
時(shí)間和電流值，多脈沖條件下固定Impulse=4，
cool time=5 ms，改變Heat time獲取目標(biāo)熔核；分
別獲取上限6 mm和下限4 mm熔核。單脈沖和多
脈沖焊接窗口如圖2所示。
圖2單脈沖和多脈沖條件下鋁合金焊接窗口
多脈沖焊接窗口向右平移，多脈沖比單脈沖提
高了電流下限(2 kA)和上限(4 kA)，其電流區(qū)間比
后者更寬(2 kA)；在相同的焊接電流下，為獲得相
同的熔核，多脈沖的實(shí)際通電時(shí)間要長于單脈沖。
1．2 單脈沖和多脈沖對拉剪強(qiáng)度的影響
同批實(shí)驗(yàn)的焊點(diǎn)，兩種不同脈沖下分別選取
熔核直徑為4 mm、5 mm和6 mm的各3組試樣進(jìn)
行拉剪試驗(yàn)，拉剪強(qiáng)度變化趨勢如圖3所示。
從圖中可以看出，剪強(qiáng)度對通電時(shí)間變化均
呈現(xiàn)先增后減的趨勢，但多脈沖強(qiáng)度變化趨勢較
為平緩，不同焊點(diǎn)之間的強(qiáng)度波動(dòng)弱于單脈沖；單
脈沖焊點(diǎn)僅在d=4 mm時(shí)拉伸強(qiáng)度小于多脈沖，
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圖3相同熔核直徑下單脈沖和多脈沖焊點(diǎn)拉剪強(qiáng)度
其余各試驗(yàn)點(diǎn)強(qiáng)度均大于多脈沖。按擬合曲線，
單脈沖拉剪強(qiáng)度的最大值對應(yīng)的熔核直徑d=
5．57 mm，多脈沖拉剪強(qiáng)度最大值對應(yīng)的熔核直徑
d=5．26 mm，且單脈沖最大拉剪強(qiáng)度大于多脈沖
的。兩種電流模式下熔核直徑均隨通電時(shí)間的延
長而變大，如圖4所示。
圖4單脈沖和多脈沖熔核直徑隨焊接時(shí)間變化
1．3 單脈沖和多脈沖對熔核金相影響
選取熔核直徑為5 mm的焊點(diǎn)進(jìn)行金相試驗(yàn)，
得到單脈沖和多脈沖條件下焊點(diǎn)熔核金相，如圖5
所示。
從圖中可以看出，兩種電流模式對熔核正負(fù)
極熔深影響差別不大。單脈沖由于焊接時(shí)間比多
脈沖要短，液態(tài)熔核流動(dòng)混合不如多脈沖充分，冷
卻后的氣孔要多于多脈沖。但同時(shí)由于多脈沖焊
接時(shí)鋁板受熱時(shí)間較長，在相同電極壓力作用下，
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萬方數(shù)據(jù)
圖5單脈沖(左)和多脈沖(右)熔核金相
其變形程度大于單脈沖焊件，從而呈現(xiàn)出多脈沖
焊件的減薄率更大的特點(diǎn)。單脈沖與多脈沖的熔
核金相組織成分相似：熔核中心主要為等軸晶，隨
著向塑性環(huán)的接近等軸晶成分減少柱狀晶比例增
加，如圖6所示。皇一|
圖6熔核金相組織
在熔核直徑為5 mm時(shí)，單脈沖、多脈沖在裂紋
數(shù)目上接近多脈沖的裂紋長度普遍要比單脈沖長，
特別是裂紋長度在500～700岬之間的裂紋單脈
沖僅有2條，多脈沖多達(dá)18條，如圖7所示。
1．4單脈沖和多脈沖對電極壽命的影響
焊點(diǎn)變化規(guī)律基本一致，如圖8所示。在開
始階段焊點(diǎn)熔核值直徑穩(wěn)定在5 m／l／，超過一定焊
點(diǎn)數(shù)后熔核直徑開始明顯增大，達(dá)到上限6 mm附
近后維持?jǐn)?shù)個(gè)焊點(diǎn)后大幅波動(dòng)，焊點(diǎn)直徑逐漸下
降直至某一焊點(diǎn)直徑突降至4 mm以下達(dá)到電極
壽命。實(shí)際試驗(yàn)中單脈沖焊接第20點(diǎn)第一次發(fā)
生飛濺，第24點(diǎn)開始連續(xù)飛濺，焊點(diǎn)表面出現(xiàn)氣
孔、裂紋、粘連，第69點(diǎn)熔核直徑3．89 mm<
4 mm，判定單脈沖點(diǎn)焊電極壽命為23點(diǎn)。多脈沖
第15點(diǎn)第一次發(fā)生飛濺，第20點(diǎn)開始連續(xù)飛濺，
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圖7 單脈沖和多脈沖熔核裂紋數(shù)量和長度
焊點(diǎn)表面出現(xiàn)氣孔、裂紋、粘連，第35點(diǎn)熔核粉
碎，直徑3．88 mm<4 mm，判定多脈沖點(diǎn)焊電極壽
命為19點(diǎn)。兩種電流模式下的電極壽命差異可
從焊接過程中的熱量輸入來考慮。M039010Wave
焊接監(jiān)控儀以1 ms一次的頻率對焊接電流值與正
負(fù)電極之間的瞬時(shí)電阻值采樣并記錄，利用以下
公式近似計(jì)算單個(gè)焊點(diǎn)消耗的熱量
Q-㈦Z12(ti)‘R(t。)‘￡(1)
式中：n為實(shí)際通電時(shí)長；，(ti)為t。時(shí)刻的電流
值；R(ti)為ti時(shí)刻的電阻值；At=1 ms。計(jì)算得
到單脈沖產(chǎn)熱約737 J，多脈沖產(chǎn)熱約1 065 J，多
脈沖完成一個(gè)焊點(diǎn)所需熱量約為單脈沖的1．45
倍，這意味著多脈沖焊接時(shí)電極端面將承受更多
熱量，故而電極壽命較短。
圖8單脈沖和多脈沖電極壽命
(下轉(zhuǎn)第62頁)
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4 結(jié)語
本文對比分析了某車型在50MDB試驗(yàn)中
WorldSID假人和ES2假人的傷害情況，并從碰撞
過程和假人物理結(jié)構(gòu)方面對兩者的傷害差異進(jìn)行
了分析。
兩者的胸部、腹部及骨盆等部位，在形狀、尺
寸和結(jié)構(gòu)等方面存在明顯差異，造成假人對外部
響應(yīng)的不同，因此針對不同假人的約束系統(tǒng)優(yōu)化
策略應(yīng)變化，在針對WorldSID假人進(jìn)行傷害值優(yōu)
化時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注SAB形狀、壓力、假人手臂位置、
假人不同部位的物理結(jié)構(gòu)等。
假人傷害與車身結(jié)構(gòu)、內(nèi)飾造型、假人布置、
約束系統(tǒng)設(shè)計(jì)等多因素相關(guān)，系統(tǒng)優(yōu)化時(shí)應(yīng)結(jié)合
實(shí)際試驗(yàn)進(jìn)行具體分析。本文可為2018版C—
NCAP側(cè)面試驗(yàn)WoddSID假人的傷害優(yōu)化提供
參考。
參考文獻(xiàn)
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(上接第56頁)
2 結(jié)語
(1)相比單脈沖，多脈沖具有更寬的電流窗
口，電流上下限均有提高；為獲得相同直徑熔核，
多脈沖實(shí)際通電時(shí)間更長，能耗更大；
(2)單脈沖焊點(diǎn)強(qiáng)度總體高于多脈沖焊點(diǎn)
強(qiáng)度；
(3)單脈沖裂紋長度普遍小于多脈沖，裂紋數(shù)
目并無顯著差異；
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(4)單脈沖電極壽命長于多脈沖。
對于該鋁合金，建議采用單脈沖模式+CrZr-
Cu電極，可獲得較為合適的熔核直徑、拉剪強(qiáng)度并
保證較好的電極壽命。
參考文獻(xiàn)
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上海汽車2017．10

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