陳樹君，李天明，鄔娜，肖珺

(北京工業(yè)大學(xué)，汽車結(jié)構(gòu)部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部工程研究中心，北京 100124)

0 前言

鋁合金具有密度小、比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好和易于加工等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、汽車制造等領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛[1]。其中，電阻點(diǎn)焊是其不可或缺的加工方式[2]。但是，鋁合金電阻點(diǎn)焊也存在著接頭內(nèi)部組織不均勻、容易出現(xiàn)縮孔和縮松等缺陷[3]，參數(shù)選擇不當(dāng)時(shí)還會(huì)產(chǎn)生熱裂紋及氣孔[4]。目前國內(nèi)外針對(duì)點(diǎn)焊接頭區(qū)域組織的強(qiáng)化進(jìn)行了大量的研究，大多數(shù)都集中在通過加入外部磁場(chǎng)或者中間層介質(zhì)來提高接頭質(zhì)量[5]，但是都存在自動(dòng)化程度低，裝置體積較大，生產(chǎn)效率低的情況。

壓電材料是受到壓力作用時(shí)會(huì)在兩端面間出現(xiàn)電壓的晶體材料，由壓電材料制成的壓電致動(dòng)器，具有工作頻率范圍寬、動(dòng)態(tài)范圍大、頻響速度快、靈敏度高、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特殊優(yōu)點(diǎn)。目前基于壓電材料的超聲沖擊已運(yùn)用在弧焊中，能夠明顯提升焊接質(zhì)量，但在點(diǎn)焊過程中施加類似沖擊振動(dòng)的研究較少。文中基于一種壓電致動(dòng)裝置，設(shè)計(jì)了全新的點(diǎn)焊焊槍，可以借助壓電致動(dòng)編程在不同焊接階段附加脈沖壓力，初期研究表明對(duì)點(diǎn)焊過程有明顯的控性效果，文中則系統(tǒng)研究不同振動(dòng)階段下壓電致動(dòng)輔助對(duì)6061鋁合金電阻點(diǎn)焊接頭強(qiáng)度的影響。

1 試驗(yàn)方法

1.1 焊接材料

試驗(yàn)所選用的材料為6061鋁合金，試樣規(guī)格尺寸均為100 mm × 25 mm ×1 mm，采用搭接接頭進(jìn)行點(diǎn)焊，接頭重疊部分為25 mm。如圖1所示。焊前用鋼絲刷去母材表面的氧化膜并用丙酮擦拭，待焊。

圖1 電阻點(diǎn)焊試樣

采用拉伸試驗(yàn)機(jī)對(duì)不同參數(shù)下的試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速度1.5 mm/min，以獲得其搭接接頭的抗拉強(qiáng)度，每組3個(gè)試樣，并求平均值。選擇最佳工藝參數(shù)下的試樣，在垂直焊縫的方向截取觀察試樣，經(jīng)研磨拋光后，通過光學(xué)顯微鏡對(duì)接頭的熔核尺寸進(jìn)行分析。

1.2 焊槍與采集控制系統(tǒng)示意圖

試驗(yàn)所用焊槍如圖2所示，將壓電致動(dòng)器串聯(lián)進(jìn)焊槍的上電極，在焊接過程中，上電極提供靜壓力，壓電致動(dòng)器提供高頻動(dòng)壓力，從而形成復(fù)合的壓力輸出系統(tǒng)。

焊接過程實(shí)時(shí)信號(hào)采集系統(tǒng)如圖3所示。采用傳感器實(shí)時(shí)采集焊接過程中次級(jí)回路中電流電壓信號(hào)和上電極所受的壓力信號(hào)，通過對(duì)所采集信號(hào)的計(jì)算與分析得到焊接過程中壓電致動(dòng)器的實(shí)際工作狀態(tài)。

圖2 焊槍結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 實(shí)時(shí)信號(hào)采集系統(tǒng)示意圖

2 力學(xué)性能與熔核微觀尺寸分析

在加入壓電致動(dòng)輔助前，進(jìn)行大量工藝試驗(yàn)，確定焊接參數(shù)為：焊接電流21 kA，焊接壓力為4.2 kN，焊接時(shí)長(zhǎng)120 ms。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行壓電致動(dòng)輔助試驗(yàn)，為保證壓電致動(dòng)器有足夠的輸出，驅(qū)動(dòng)電壓選擇為8 V，對(duì)應(yīng)壓力輸出約400 N，頻率分別為50 Hz，100 Hz，200 Hz。點(diǎn)焊過程中分時(shí)壓電振動(dòng)共有5個(gè)方案，具體的示意圖如圖4所示。

首先進(jìn)行了全程壓力復(fù)合控制，即整個(gè)焊接時(shí)間內(nèi)都附加壓電振動(dòng)(1，2，3階段均加入振動(dòng))，抗剪力測(cè)試結(jié)果如圖5所示，0 Hz代表無壓電振動(dòng)。在該階段中，隨著振動(dòng)頻率的增加，接頭的抗剪力數(shù)值先減小后增大，最大值為正常焊接條件下的1.768 kN，而加入壓電致動(dòng)高頻振動(dòng)后，抗剪力數(shù)值普遍偏低，這可能是因?yàn)殡S著焊接階段的結(jié)束，壓電致動(dòng)輔助繼續(xù)作用于凝固階段，在凝固結(jié)束后，高頻動(dòng)壓力的錘擊作用導(dǎo)致點(diǎn)焊接頭產(chǎn)生了較多的裂紋缺陷，進(jìn)而導(dǎo)致抗剪力數(shù)值偏低。

圖4 分時(shí)壓電振動(dòng)示意圖

圖5 全程壓力復(fù)合控制

為了驗(yàn)證壓電致動(dòng)輔助對(duì)于凝固階段的影響，隨后進(jìn)行凝固階段，即斷電后維持60 ms的復(fù)合壓力控制(3階段前60 ms加入振動(dòng))，抗剪力的測(cè)試結(jié)果如圖6所示。在該階段中，焊接接頭的抗剪力數(shù)值先減小后增大，最大值為正常焊接條件下的1.768 kN，整體趨勢(shì)與全程壓力復(fù)合控制相似，抗剪力的數(shù)值有所增大，證明加入的高頻動(dòng)壓力在凝固階段的確對(duì)接頭的抗剪力有一定的作用。但是全程壓力復(fù)合控制包括焊接階段和凝固階段，因此，還需要完成焊接階段的壓力復(fù)合控制試驗(yàn)。

圖6 凝固階段60 ms壓力復(fù)合控制

在通電焊接階段120 ms的壓力復(fù)合控制試驗(yàn)(2階段加入振動(dòng))中，接頭抗剪力結(jié)果如圖7所示。隨著振動(dòng)頻率的增加，抗剪力的變化趨勢(shì)是先增大，后減小，且數(shù)值均高于正常焊接結(jié)果，在100 Hz時(shí)達(dá)到最大值2.11 kN。對(duì)比圖5與圖6的結(jié)果，一方面說明振動(dòng)頻率相同時(shí)，在焊接階段即通電的120 ms內(nèi)加入高頻振動(dòng)能夠較大幅度的提升焊點(diǎn)的抗剪力；另一方面說明全程壓力復(fù)合控制階段抗剪力較低是由于隨著凝固階段加入高頻動(dòng)壓力造成的。而在振動(dòng)頻率為100 Hz時(shí)，抗剪力的數(shù)值能達(dá)到最大的原因是，在120 ms的振動(dòng)時(shí)間內(nèi)，100 Hz的頻率能夠保證高頻動(dòng)壓力有較大的振幅作用于熔核，將液態(tài)金屬從熔核中心迅速擴(kuò)展到熔核邊緣，熔化更多的金屬，擴(kuò)展熔核尺寸，進(jìn)而在焊接階段能夠更高效的擴(kuò)展熔核，提升接頭的抗剪力。

圖7 焊接階段120 ms壓力復(fù)合控制

由圖8可知，在焊接階段前60 ms(2階段前60 ms)，加入壓電致動(dòng)高頻振動(dòng)后，接頭的抗剪力數(shù)值增大，隨著振動(dòng)頻率的增加，抗剪力也隨之增大，在振動(dòng)頻率為200 Hz時(shí)達(dá)到最大值1.861 kN。與焊接階段120 ms壓力復(fù)合控制相比，相同頻率下，抗剪力數(shù)值有所減小。

圖8 焊接階段前60 ms壓力復(fù)合控制

由圖9可知，在焊接階段后60 ms(2階段后60 ms)加入壓電致動(dòng)高頻振動(dòng)后，抗剪力的變化趨勢(shì)與圖8相同，在在振動(dòng)頻率為200 Hz時(shí)達(dá)到最大值1.945 kN。 但是相比于圖8，圖9中的拉剪結(jié)果普遍較高，原因是在焊接階段的后60 ms中，已經(jīng)形成的一部分液態(tài)金屬，高頻動(dòng)壓力直接作用于這部分液態(tài)金屬上，能夠在相同的時(shí)間內(nèi)將更多的液態(tài)金屬擴(kuò)展到熔核邊緣，熔化更多的邊緣金屬，因此能夠獲得較大的熔核尺寸。同樣的，在此階段振動(dòng)頻率越高，高頻動(dòng)壓力的作用就越強(qiáng)，對(duì)于焊核抗剪力的提升就越明顯。

圖9 焊接階段后60 ms 壓力復(fù)合控制

圖10顯示了正常焊接條件下的熔核尺寸，選擇各階段抗剪力數(shù)值較大的熔核微觀尺寸進(jìn)行分析。圖11顯示了全程壓力復(fù)合控制的熔核尺寸。相比與正常焊接的結(jié)果，熔核內(nèi)部產(chǎn)生了大量的裂紋缺陷，裂紋集中焊核的中部振動(dòng)的位置，橫向縱向均有分布，從而導(dǎo)致抗剪力曲線中，加入振動(dòng)后的拉伸數(shù)值明顯低于正常焊接數(shù)值。

圖10 正常焊接

圖11 全程壓力復(fù)合控制

圖12顯示了凝固階段60 ms壓力復(fù)合控制熔核微觀尺寸，內(nèi)部缺陷較圖11有所減少，但依然存在少量的裂紋缺陷，主要呈現(xiàn)橫向分布，從而導(dǎo)致抗剪力曲線中加入振動(dòng)后的抗剪力數(shù)值略低于正常焊接水平，但是高于全程壓力復(fù)合控制的抗剪力數(shù)值。

圖12 凝固階段60 ms壓力復(fù)合控制

圖13顯示了焊接階段120 ms的熔核尺寸示意圖。相比與圖10，熔核直徑增大明顯，相比與圖11與圖12，熔核內(nèi)部沒有缺陷，因此接頭的抗剪力數(shù)值能夠達(dá)到最大，同時(shí)說明在焊接階段120 ms內(nèi)加入壓電振動(dòng)能夠明顯增大焊核尺寸，提升接頭力學(xué)性能。

圖13 焊接階段120 ms壓力復(fù)合控制

圖14顯示了焊接階段前60 ms熔核圍觀尺寸，相比圖13的結(jié)果，熔核直徑有所減小，內(nèi)部缺陷較少，導(dǎo)致其力學(xué)性能下降明顯。

圖14 焊接階段前60 ms壓力復(fù)合控制

圖15顯示了焊接階段后60 ms熔核圍觀尺寸，相比圖13，熔核直徑有所減小，內(nèi)部幾乎無缺陷，其力學(xué)性能有所下降，相比于圖14，熔核直徑有增大的表現(xiàn)，而且內(nèi)部缺陷明顯減少，因此接頭的抗剪力要高于前者，同時(shí)說明高頻動(dòng)壓力在焊接階段后60 ms中對(duì)熔核的擴(kuò)展和缺陷的消除上有更明顯的作用。

圖15 焊接階段后60 ms壓力復(fù)合控制

3 結(jié)論

(1)在通電焊接階段120 ms內(nèi)進(jìn)行復(fù)合壓力控制，6061鋁合金電阻點(diǎn)焊接頭抗剪力得到明顯提升，在焊接電流21 kA，焊接壓力4.2 kN，焊接時(shí)間120 ms，壓電致動(dòng)器輸出電壓8 V，振動(dòng)頻率100 Hz，振動(dòng)時(shí)長(zhǎng)120 ms時(shí)，抗剪力達(dá)到最大為2.11 kN。

(2)在斷電后凝固階段60 ms壓力復(fù)合控制中，熔核內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)裂紋缺陷，降低接頭的抗剪力數(shù)值。

(3)焊接階段120 ms壓力復(fù)合控制得到的的焊點(diǎn)，抗剪力及熔核尺寸要大于焊接階段后60 ms和焊接階段前60 ms分時(shí)壓力復(fù)合控制得到的焊點(diǎn)。