覃 鑫，鄭宏良，黃西利

（上汽通用五菱汽車股份有限公司技術(shù)中心，廣西 柳州 545007）

0 前言

電阻點(diǎn)焊具有生產(chǎn)效率高、低成本、節(jié)省材料、易于自動(dòng)化等特點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于航空、航天、能源、電子、汽車、輕工等領(lǐng)域，也是汽車焊裝工藝中最主要的焊接方法之一。目前，在白車身制造中電阻點(diǎn)焊承擔(dān)著70%以上的工作量，一輛微型汽車或轎車的電阻點(diǎn)焊焊點(diǎn)多達(dá)4 000個(gè)以上。電極壓力是電阻點(diǎn)焊的主要控制參數(shù)，也是造成焊接輸入熱量不穩(wěn)定的一個(gè)主要因素，它直接影響著白車身電阻點(diǎn)焊的焊點(diǎn)質(zhì)量。然而電極壓力的控制不是僅僅依靠經(jīng)驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)所能達(dá)到的，因此，電極壓力對(duì)白車身焊點(diǎn)質(zhì)量的影響成為眾多工程技術(shù)人員研究的重點(diǎn)對(duì)象[1-2]。

1 焊接熱量與電極壓力的關(guān)系

電阻焊是利用電極對(duì)被焊工件施加一定的壓力，將其壓緊后通電，利用電極間產(chǎn)生的電阻熱熔化金屬而達(dá)到焊接的目的[3]。電極壓力對(duì)兩電極間總電阻R有明顯的影響，隨著電極壓力的增大，R顯著減小。焊接熱量與電極壓力的關(guān)系為[1]

式中 Q為熱量；I為電流；t為通電時(shí)間；R1為材料本身的電阻；KC為與接觸材料、表面情況、接觸方式等有關(guān)的系數(shù)；Fm為接觸壓力。

根據(jù)式（1）可知，當(dāng)焊接電流和時(shí)間一定時(shí)，焊接熱量與電極壓力的關(guān)系曲線如圖1所示。焊接熱量是隨著電極壓力增大而減少的，當(dāng)Ff1時(shí)，電極壓力越大，焊接熱量會(huì)越穩(wěn)定。但是，過(guò)大的電極壓力會(huì)引起工件變形、焊點(diǎn)壓痕深的質(zhì)量問(wèn)題出現(xiàn)，而且電流的調(diào)節(jié)幅度不大，過(guò)大的電極壓力還會(huì)造成虛焊的出現(xiàn)。因此將電極壓力控制在合適的范圍非常重要。

圖1 焊接熱量與電極壓力的關(guān)系Fig.1 Relationship between the heat of pressure

2 點(diǎn)焊循環(huán)過(guò)程中的電極壓力控制

通常把一個(gè)焊點(diǎn)形成過(guò)程稱為一個(gè)點(diǎn)焊循環(huán)過(guò)程。如圖2所示，電阻點(diǎn)焊的單脈沖的簡(jiǎn)單循環(huán)過(guò)程分為四個(gè)階段，即預(yù)壓階段、焊接階段、維持階段和休止階段[4]。

在整個(gè)焊接過(guò)程中通常會(huì)只設(shè)置一個(gè)電極壓力 ，F(xiàn)預(yù)壓=F焊接=F鍛壓，電阻點(diǎn)焊單脈沖循環(huán)過(guò)程壓力與時(shí)間的關(guān)系如圖3所示。在實(shí)際的白車身制造過(guò)程中，由于車身的特殊位置或焊件的剛度情況，電極壓力在各階段的設(shè)置會(huì)有所不同。

2.1 預(yù)壓階段

預(yù)壓階段即是從電極開始加壓到焊接電流開始接通之前的階段。電極壓力的作用是使焊件貼合面有良好的接觸，為焊接電流順利通過(guò)做好必要的準(zhǔn)備。白車身電阻點(diǎn)焊一般采用錐形電極，選擇適合的錐角（一般為 120°～140°）。預(yù)壓力合適時(shí)，能使得結(jié)合面邊緣的應(yīng)力比較大，而中心部分小且均勻，這有利于結(jié)合面周邊的壓緊，使加熱時(shí)易于形成塑性環(huán)，以防止飛濺的產(chǎn)生。若預(yù)壓力不足時(shí)，接觸電阻和電流密度會(huì)比較大，焊接過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量熱量，導(dǎo)致熔核過(guò)大甚至出現(xiàn)焊穿現(xiàn)象。電極壓力過(guò)大，將使焊接區(qū)接觸面積增大，總電阻和電流密度均減小，因此熔核尺寸變小，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)虛焊。

圖2 點(diǎn)焊循環(huán)過(guò)程Fig.2 Spot welding process

圖3點(diǎn)焊循環(huán)過(guò)程的壓力與時(shí)間關(guān)系Fig.3 Relationship between pressure and time

2.2 焊接階段

焊接階段即是通電加熱、熔核形成的階段。通電加熱時(shí)，由于邊緣效應(yīng)和繞流現(xiàn)象，焊件貼合面電流密度最大，加熱最為劇烈。如圖4所示，由于水冷電極的冷卻作用，與電極接觸的焊件表面溫度上升很慢。只有兩焊件接觸面因接觸電阻熱而使電阻率增大、析熱強(qiáng)烈，而散熱又困難，于是首先開始熔化，并逐漸形成橢圓形熔化核心。液態(tài)熔核周圍的高溫固態(tài)金屬在電極壓力作用下產(chǎn)生塑性變形和強(qiáng)烈再結(jié)晶將形成塑性環(huán)。在通電過(guò)程中，塑性環(huán)先于熔核形成且始終伴隨熔核長(zhǎng)大，處于產(chǎn)生、擴(kuò)展、部分轉(zhuǎn)化為液態(tài)熔核這一動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。塑性環(huán)的存在防止了液態(tài)金屬在加熱與壓力作用下向板縫中心飛濺，并避免了外界空氣對(duì)高溫液態(tài)金屬的侵襲。焊接過(guò)程中，焊接區(qū)溫度場(chǎng)不斷向外擴(kuò)展，直至核心形狀和尺寸達(dá)到要求為止。

飛濺是焊接階段較易產(chǎn)生的不利現(xiàn)象[7-8]。如圖5所示，飛濺可分為前期飛濺和后期飛濺。前期飛濺即是熔化核心尚未形成以前的飛濺，主要是由于接觸電阻過(guò)大或不均勻造成加熱過(guò)急，而周圍塑性環(huán)還未形成時(shí)，被急劇加熱的接觸點(diǎn)因溫度上升極快，使內(nèi)部金屬氣化，便以飛濺形式從縫隙噴出。后期飛濺是已經(jīng)形成熔核后產(chǎn)生的，在形成最小熔核后繼續(xù)加熱，熔核和塑性環(huán)不斷向外擴(kuò)展，當(dāng)熔核沿徑向的擴(kuò)展速度大于塑性環(huán)擴(kuò)展速度時(shí)，如果熔化核心軸向增長(zhǎng)過(guò)高，在電極壓力作用下也沖破塑性環(huán)向表面噴射而形成外部飛濺，同時(shí)部分飛濺也可能從縫隙噴出。

飛濺會(huì)造成白車身的嚴(yán)重質(zhì)量問(wèn)題，如焊渣、焊點(diǎn)凹陷等缺陷，這不僅造成車間的返工打磨，也會(huì)降低焊點(diǎn)強(qiáng)度，同時(shí)還影響車間的工作環(huán)境和安全。點(diǎn)焊飛濺的控制需要同時(shí)調(diào)節(jié)電極壓力和加熱速度來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.3 維持階段

維持階段又稱冷卻結(jié)晶階段。對(duì)維持壓力的大小要求是要能足以克服焊件的剛度，使焊件的變形能夠抵消熔核液體金屬的冷凝收縮，這樣從熔核周圍成長(zhǎng)起來(lái)的樹枝狀晶體，就能在熔核中心彼此接觸，并長(zhǎng)在一起，形成牢固的焊點(diǎn)。如果維持壓力太小，則在熔核的中心可能產(chǎn)生縮孔和裂紋。為了防止焊點(diǎn)產(chǎn)生這樣的收縮缺陷，有時(shí)采用比焊接壓力還大的鍛壓力即F預(yù)壓=F焊接

3 白車身焊接過(guò)程中電極壓力的控制

目前，汽車行業(yè)白車身電阻點(diǎn)焊的工藝參數(shù)的選擇一般遵循行業(yè)中通用的規(guī)范，有些企業(yè)也會(huì)根據(jù)自身的經(jīng)驗(yàn)制定適合自身工藝條件的參數(shù)選擇規(guī)范[5]。

3.1 電極壓力的選擇

白車身的制造規(guī)范中，電阻點(diǎn)焊電極壓力參數(shù)的選擇一般分為如圖6所示的三個(gè)步驟。

圖6 電極壓力參數(shù)選擇的一般步驟Fig.6 General steps of electrode pressure parameters

主導(dǎo)板厚(DT)選擇的遵循原則：（1）如果兩個(gè)零件連接時(shí)，選擇薄的零件厚度為主導(dǎo)板厚；（2）如果一個(gè)零件與雙層板總成連接，零件厚度為最厚時(shí)，選擇三者板厚的第二厚度為主導(dǎo)板厚，否則主導(dǎo)板厚選零件板厚；（3）如果一個(gè)零件與三層板的總成連接，選擇零件厚度為主導(dǎo)板厚。主導(dǎo)板厚（DT）的選擇規(guī)范如表1所示[9]。

對(duì)于結(jié)合面狀態(tài)的選擇，遵循的原則為：零件間連接，選擇級(jí)別高的結(jié)合面；零件與總成連接時(shí)，選擇零件與總成間的結(jié)合面。

確定主導(dǎo)板厚和結(jié)合面狀態(tài)后，即可從焊接參數(shù)參考值中選擇電極壓力的設(shè)置。這樣的選擇在白車身焊接中90%的可以得到質(zhì)量較好的焊點(diǎn)[10]。

3.2 特例分析

雖然白車身焊接參數(shù)的選擇規(guī)范都是依據(jù)行業(yè)中或企業(yè)自身多年的經(jīng)驗(yàn)積累編制的，但是隨著汽車造型的日新月異，白車身結(jié)構(gòu)也發(fā)生了很大的改變，按照原有的規(guī)范選擇焊接參數(shù)，車身的一些特殊位置可能無(wú)法獲得質(zhì)量良好的焊點(diǎn)。特別是在新車型制造前期，由于電極壓力的選擇不合理造成的焊點(diǎn)質(zhì)量問(wèn)題時(shí)有發(fā)生。兩廂車前期造車的后輪罩焊點(diǎn)質(zhì)量問(wèn)題如圖7所示。

表1 點(diǎn)焊主導(dǎo)板厚的選擇Tab.1 Select the thick of dominant plate

由圖7分析可見(jiàn)，這兩廂車的前期造車的后輪罩連接質(zhì)量問(wèn)題十分嚴(yán)重。焊點(diǎn)凹陷和縮孔產(chǎn)生的主要原因是電極壓力的選擇不合理。焊點(diǎn)凹陷產(chǎn)生的主要原因是電極壓力和焊接電流匹配不合適產(chǎn)生的熱量所致，使得在焊接階段的熔核增大過(guò)程中，電極將塑性環(huán)沖破使焊點(diǎn)形成深度壓坑。這樣的情況常常還伴隨著后期飛濺的出現(xiàn)，要解決此問(wèn)題，應(yīng)該一定幅度增加電極壓力和減少焊接電流?？s孔主要是在維持階段形成的，由于過(guò)小的維持壓力無(wú)法使焊件變形克服熔核液體金屬的冷凝收縮力，造成熔核周圍成長(zhǎng)起來(lái)的樹枝狀結(jié)晶無(wú)法在熔核中心彼此接觸，因此這個(gè)位置的焊點(diǎn)應(yīng)該一定幅度調(diào)大以維持壓力。

4 結(jié)論

在白車身焊接中，電極壓力的選擇首先要遵循多年經(jīng)驗(yàn)積累編制的焊接參數(shù)選擇標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于一些特殊位置的焊點(diǎn)，應(yīng)該根據(jù)其材料、結(jié)構(gòu)以及接頭形式，結(jié)合焊接電流、焊接時(shí)間、維持時(shí)間等參數(shù)對(duì)電極壓力進(jìn)行調(diào)整，由此才能保證白車身焊點(diǎn)質(zhì)量滿足要求。

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圖7 輪罩焊點(diǎn)質(zhì)量問(wèn)題Fig.7 Quality problems of wheel cover joint

[1]楊握銓.汽車裝焊技術(shù)及夾具設(shè)計(jì)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，1996：54-102.

[2]袁少波，童彥剛.點(diǎn)焊技術(shù)在汽車工業(yè)中的應(yīng)用[J].電焊機(jī)，2005，35（2）：26-30.

[3]PrimozPodrzaj，IvanPoiajnar，Janez Diaci.，et al.Expulsion detectionsystemforresistancespotweldingbasedonaneural network 2004[J].Meas.Sci.Technology，1995（15）：592-598.

[4]趙廣力，劉 超.車身鍍鋅板點(diǎn)焊工藝[J].汽車工程師，2012（10）：55-57.

[5]王 敏.電阻焊在汽車工業(yè)的應(yīng)用[J].電焊機(jī)，2003，33（1）：1-6.

[6]馬迎兵.電極壓力對(duì)熔核質(zhì)量影響的研究[D].天津：天津大學(xué)，2008.

[7]Nataie T.Irving B.Automakers set the pace for spot welding the new give analyze steels[J].Welding Journal，2011（4）：47-51.

[8]武萬(wàn)斌，齊慶祝，趙 軍.點(diǎn)焊飛濺的控制[J].汽車工程師，2001，29（1）：56-57.

[9]錢光輝.車身制造中的點(diǎn)焊質(zhì)量控制[J].現(xiàn)代零部件，2013（3）：79-81.

[10]龐新福，馮 斌，張春斌.白車身試制過(guò)程中得焊接質(zhì)量控制分析[J].汽車工藝與材料，2008（8）：10-12.