杜慧敏， 羅 震， 敖三三， 張 禹， 郝志壯

(天津大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 天津 300350)

隨著汽車向輕量化發(fā)展，鎂鋁合金等輕質(zhì)材料已逐步取代普遍采用的鋼板.由于鋁合金車身在電阻點(diǎn)焊(RSW)過程中需要采用大電流而使得電極出現(xiàn)嚴(yán)重?zé)龘p，造成了大量的經(jīng)濟(jì)損失并降低了生產(chǎn)效率.

在點(diǎn)焊過程中，電極與工件會(huì)發(fā)生合金化反應(yīng)并引起燒損[1]，而采用機(jī)械方法隔離鋁向銅電極表面的擴(kuò)散是減小燒損的有效途徑[2-3]，但其成本較高且工藝復(fù)雜，難以推廣到大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)中.另外，改善電極-工件接觸面的溫度分布也有助于減輕電極燒損.文獻(xiàn)[4-5]中采用數(shù)值模擬方法對(duì)鋁合金的電阻點(diǎn)焊過程進(jìn)行了分析.Li等[6]研究發(fā)現(xiàn)，從焊接質(zhì)量和電極成本考慮，適宜的電極錐角為30° 和45°.但是，對(duì)于應(yīng)用廣泛的幾種電極還缺乏系統(tǒng)性研究.

本文利用ANSYS軟件建立5052鋁合金電阻點(diǎn)焊過程的有限元模型，分析了不同電極形狀下的焊接質(zhì)量和電極燒損情況及其燒損機(jī)制，以期為5052鋁合金薄板電阻點(diǎn)焊中的電極選擇提供依據(jù).

1 有限元模型建立和工藝試驗(yàn)

1.1 有限元模型建立

利用ANSYS軟件自帶的建模系統(tǒng)建立二維有限元模型.為簡化問題進(jìn)行了如下假設(shè)：熔化的金屬為不可壓縮黏性流體；工件及電極均為均質(zhì)材料，服從von Mises屈服準(zhǔn)則和等效強(qiáng)化準(zhǔn)則，為雙線性各向同性硬化模式.同時(shí)，結(jié)合傳熱方程、Laplace方程、von Mises屈服準(zhǔn)則和等效強(qiáng)化準(zhǔn)則建立描述金屬的彈塑性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、電壓分布、熱傳導(dǎo)情況的數(shù)學(xué)模型.針對(duì)直徑6 mm的錐臺(tái)電極所建二維有限元模型如圖1所示，模型劃分為 4 688 個(gè)節(jié)點(diǎn)，5 480 個(gè)單元.

圖1 錐臺(tái)電極的有限元模型Fig.1 Finite element model for the RSW with cone electrode

本文模擬的邊界條件：在結(jié)構(gòu)場(chǎng)方面，在上電極的上端面A施加壓力載荷，下電極的下端面B約束其垂直方向位移；在電場(chǎng)方面，在端面A施加電流載荷，端面B的約束電勢(shì)為0；在熱場(chǎng)方面，將兩電極端面A、B視為絕熱面，其余部分與空氣發(fā)生對(duì)流換熱，對(duì)流換熱系數(shù)為50 W/(m2·K)，參考溫度為 20 ℃.相應(yīng)地，建立直徑8 mm的錐臺(tái)電極和直徑 16 mm 的球電極的電阻點(diǎn)焊有限元模型.

點(diǎn)焊焊接的材料性能參數(shù)詳見文獻(xiàn)[7-10]中，高溫下的性能參數(shù)由外推法獲得.由測(cè)量得到初始接觸電阻，高溫下的電阻率為[11]

ρ=RcAc

(1)

式中：Ac為接觸面積；Rc為接觸電阻.室溫時(shí)的接觸電阻可以采用四點(diǎn)法測(cè)量得出.室溫以上的接觸電阻可由下式計(jì)算：

(2)

式中：Rc(Tr)為室溫(Tr=20 ℃)時(shí)的接觸電阻；σ(T)、σ(Tr)分別為溫度T和室溫時(shí)的平均屈服強(qiáng)度.在高溫下，金屬熔化而使界面的接觸電阻率很小，故可假設(shè)電阻率ρ=8.3×10-8Ω·m2 [12].

模擬計(jì)算完成后，在ANSYS軟件自帶的后處理模塊中直接讀取電流密度、溫度等結(jié)果.

1.2 工藝試驗(yàn)

在相同的焊接工藝參數(shù)下分別采用球電極和錐臺(tái)電極進(jìn)行連續(xù)電阻點(diǎn)焊試驗(yàn)，每隔10個(gè)焊點(diǎn)測(cè)量一次熔核直徑，共測(cè)量90次，并將平均熔核直徑作為評(píng)價(jià)熔核性能的指標(biāo).每焊接50個(gè)點(diǎn)，取下電極，用肉眼觀察電極的燒損情況.

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 焊接結(jié)束時(shí)的電場(chǎng)與溫度場(chǎng)分布

焊接結(jié)束(焊接時(shí)間200 ms)時(shí)，不同電極形狀對(duì)應(yīng)的鋁合金薄板的電流密度分布如圖2所示.可見，鋁合金薄板電流密度的分布較為均勻，直徑6 mm的錐臺(tái)電極和直徑16 mm的球電極對(duì)應(yīng)的鋁合金電流密度均約為 3.71×108A/m2，直徑8 mm的錐臺(tái)電極對(duì)應(yīng)的電流密度僅為 3.10×108A/m2.這是由于電流密度與接觸壓力、電極形狀等有關(guān)，電極-工件的接觸面積約等于電極端面面積，工件-工件的接觸面積略大于電極端面面積，在接觸壓力相同的情況下，直徑8 mm的錐臺(tái)電極的端面面積較大，故所對(duì)應(yīng)的電流密度較低.

電流密度的分布不同，將導(dǎo)致最終的溫度場(chǎng)分布不同，熔核直徑也不同.本文取不同電極對(duì)應(yīng)的連續(xù)電阻點(diǎn)焊試驗(yàn)的第1個(gè)焊點(diǎn)，采用金相顯微鏡觀察熔核形貌(×12.5)，所得實(shí)際焊接的熔核形貌與模擬結(jié)果的對(duì)比如圖3所示.可見：采用直徑16 mm的球電極時(shí)，熔核直徑的測(cè)量值為 5.2 mm，模擬值為 5.0 mm；采用直徑6 mm的錐臺(tái)電極時(shí)，熔核直徑的測(cè)量值為 5.0 mm，模擬值為 4.9 mm；采用直徑8 mm的錐臺(tái)電極時(shí)，熔核直徑的測(cè)量值為 3.8 mm，模擬值為 3.9 mm.另外，3組模擬結(jié)果的誤差均小于4%，模擬與試驗(yàn)結(jié)果較吻合.

圖2 不同電極形狀對(duì)應(yīng)的鋁合金電流密度分布Fig.2 Current distributions for RSW of aluminum under different electrode shapes

圖3 焊點(diǎn)熔核形貌的金相照片與模擬結(jié)果對(duì)比Fig.3 Comparison of the nugget diameters between experimental and simulation

由于點(diǎn)焊試驗(yàn)中所需合格熔核直徑至少應(yīng)達(dá)到4 mm，即其閾值為4 mm，而在本文的試驗(yàn)參數(shù)條件下，采用直徑8 mm的錐臺(tái)電極時(shí)熔核直徑未滿足條件，所以其不適用于厚度1 mm的 5052鋁合金薄板的搭接點(diǎn)焊.

2.2 電極的燒損情況

為探究電極的燒損機(jī)制，讀取ANSYS軟件中不同時(shí)刻對(duì)應(yīng)的上電極下表面中心處的溫度分布，所得結(jié)果如圖4所示.其中，d為取樣點(diǎn)與電極中心的距離，虛線為錐臺(tái)電極的邊界.可見：在焊接開始后，電極溫度迅速升高，然后，隨著時(shí)間的增加而趨于穩(wěn)定，且球電極的升溫速度明顯快于錐臺(tái)電極；球電極與錐臺(tái)電極的最高溫度都出現(xiàn)在中心點(diǎn)處，溫度約為550 ℃.此時(shí)，銅與鋁發(fā)生了反應(yīng)并生成CuAl2，使得電極燒損.而當(dāng)存在Mg時(shí)，電極燒損出現(xiàn)在更低的溫度，即在550 ℃以下就可生成鎂鋁合金.在電極與工件的接觸面上主要靠接觸電阻產(chǎn)生熱量.在焊接初始，球電極與工件的接觸面積取決于預(yù)壓力，其值約為10 mm2.由于球電極的導(dǎo)電面積較小、電流密度很大，故其升溫速度遠(yuǎn)大于錐臺(tái)電極，在20 ms內(nèi)上升的溫度較錐臺(tái)電極高 100 ℃.

圖5所示為試驗(yàn)所得不同焊接次數(shù)時(shí)電極頭的燒損表面形貌照片(×1.5).其中，每焊接50次進(jìn)行1次觀察.由圖5可見：采用球電極情況下，在焊接150次時(shí)已經(jīng)發(fā)生了明顯的燒損，當(dāng)焊接250次時(shí)，在直徑 2.8 mm的范圍內(nèi)出現(xiàn)了燒損，表面出現(xiàn)了大量毛刺與飛邊，且焊接過程中出現(xiàn)了嚴(yán)重的飛濺，焊接質(zhì)量很差；而采用直徑6 mm的錐臺(tái)電極情況下，在焊接150次時(shí)只在邊緣出現(xiàn)了輕微燒損，這是由于實(shí)際焊接過程中施加的電極壓力與工件不是完全垂直；在焊接250次時(shí)，電極整個(gè)端面均出現(xiàn)了燒損，但其燒損程度輕于球電極，僅為輕微的凹凸不平.

圖4 電極表面的溫度分布Fig.4 Temperature distributions at the electrode surface

2.3 熔核尺寸的變化情況

試驗(yàn)后統(tǒng)計(jì)的不同焊點(diǎn)數(shù)對(duì)應(yīng)的平均熔核直徑如圖6所示.其中，紅色虛線表示合格熔核直徑的閾值(4 mm).可見，隨著焊接次數(shù)增加，兩種電極對(duì)應(yīng)的熔核直徑均呈現(xiàn)出逐漸減小的變化趨勢(shì)，且球電極熔核直徑的下降幅度更大，表明電極壽命逐漸降低.直徑6 mm的錐臺(tái)電極的壽命比直徑16 mm的球電極的壽命提高了20%.

圖6 熔核尺寸的變化情況Fig.6 Changes of nugget diameter

3 結(jié)論

(1) 電極端面直徑越大，電流密度越小，熔核尺寸越小，直徑8 mm的錐臺(tái)電極不適用于5052鋁合金薄板焊接.

(2) 獨(dú)特的電極形狀致使球電極-工件接觸面的溫度在焊接初期快速上升，且發(fā)生了比錐臺(tái)電極更為嚴(yán)重的燒損.

(3) 隨著電極燒損，焊點(diǎn)的質(zhì)量下降.對(duì)于5052鋁合金薄板焊接，直徑6 mm的錐臺(tái)電極的壽命比直徑16 mm的球電極的壽命提高了20%.從生產(chǎn)和成本兩方面考慮，應(yīng)采用直徑6 mm的錐臺(tái)電極.