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中文摘要 铝合金点焊电极端面铜铝合金化过程物理模拟研究 中文摘要 铝合金电阻点焊所存在的电极烧损及寿命问题限制了该工艺在汽车、航空航天 等领域的应用。铝合金点焊过程中铜合金电极与铝合金焊件间进行的铜铝合金化反 应是点焊电极寿命显著降低的根本原因，铝合金点焊过程铜铝合金化反应机制研究 是解决这个问题的基础。本文在分析铝合金点焊电极端面铜铝合金化现象的基础上， 采用物理模拟的方法研究了铜铝合金化反应机理，即分析了铜铝合金化反应的产生 条件，分析了铜铝金属间化合物的形成过程，以及该反应与点焊参数( 温度、压力 和时间) 的关系，并探索控制铜铝合金化反应的措施。 观测了铜铝合金化作用在焊点表面、电极端面的宏观、微观行为，分析了点焊 时铜铝合金化倾向及点焊规范参数的作用。结果表明：电极端面发生了铜铝合金化 反应，形成了铜铝金属间化合物，铜铝合金化是电极烧损的主要原因。 铝合金电阻点焊的瞬时性给试验研究带来了困难。本文采用物理模拟方法，借 助于g l e e b l e 1 5 0 0 热模拟试验机，研究了铝合金电阻点焊时电极端面铜铝合金化反 应的机理。采用扫描电子显微镜( s e m ) 、能谱分析( e d x ) 及x 射线衍射( ) ( 】如) 等分析手段，对发生了铜铝合金化的试样端面进行组织和成分分析，结果表明：在 不同的温度、压力、时间等条件下，铜铝合金化程度不同，铜铝间的合金化反应非 常复杂，主要是5 4 8 的共晶反应，生成共晶合金( a i + c u a l 2 ) ，并且通过c u a l 2 相 和铜基体之间的固体扩散形成了c u 9 仙，生成的金属间化合物质脆，硬度高。 根据物理模拟试验结果，探讨了铜铝合金化反应的机理：温度和成分是发生铜 铝合金化反应的必要条件，作用时间为成分条件的满足提供了保障；铜铝金属间化 合物的形成过程分为四个阶段：首先是铜一铝表面形成物理接触，其次是接触面在温 度和压力作用下被活化，再次是铜、铝原子发生互扩散，最后是发生反应扩散，出 现新相；铜铝合金化反应层的厚度与时间的平方根呈线性关系，与温度成指数关系， 压力对反应层的分布状态有明显的影响。 从控制焊接规范即焊接电流、焊接时间和电极压力角度，提出了控制铜铝合金 化反应的措施，即减小焊接时间，适当增加焊接电流和电极压力。并初步为试验所 验证。 关键词：铝合金；电阻点焊；铜铝合金化；物理模拟 a b s t r a c t p h y s i c a ls i ，加o no fc a 1a l l o y i n g o ne l e c t r o d et i pf i a c ed i 爪i n gr e s i s t f 气n c e s p o tw e l d i n ga l i 瓜佃兀】ma l l o y a b s t r a c t t h ea p p l i c a t i o no fa l u m i n u ma l l o yr e s i s t a n c es p o tw e l d i n g ( a s w ) i nt h e a u t o m o t i v ea n da v i a t i o nf i e l d si si m p e d e db yt h ew e a ra n dl i f eo fe l e c t r o d e t h ea l l o y i n gi n t e r a c t i o nb e t w e e nt h ec o p p e re l e c t r o d ea n da l u m i n u ma l l o y s h e e ti st h em a i nr e a s o no fe l e c t r o d el i f ed e c r e a s i n g b a s e do nt h ea n a l y s i so f t h em e t a l l u r g i c a li n t e r a c t i o n sb e t w e e nt h ec o p p e re l e c t r o d ea n da l u m i n u m a l l o ys h e e t ，t h ep r o c e s sm e c h a n i s mo f t h ea l l o y i n gi n t e r a c t i o n ，a st h eb a s i so f s o l v i n gt h i sp r o b l e m ，i si n v e s t i g a t e dt h r o u g hp h y s i c a l s i m u l a t i o ni nt h i s d i s s e r t a t i o n t h er e a c t i o nc o n d i t i o n s ，r e a c t i o np r o c e s sb e t w e e nt h ec o p p e r e l e c t r o d ea n da l u m i n u m a l l o y s h e e ta n dt h e r e l a t i o n s h i p o f a l l o y i n g i n t e r a c t i o nw i t hw e l d i n gv a r i a b l e sa r ea n a l y z e d t h et e c h n i c sm e a s u r e so f c o n t r o l l i n gt h ea l l o y i n gr e a c t i o no nt h ee l e c t r o d et i pa r er e s e a r c h e d t h ea p p e a r a n c eo ft h e a l l o y i n g b e t w e e nc o p p e re l e c t r o d e t i pa n d a l u m i n u ma l l o ys h e e ts u r f a c ed u r i n gt h ep r o c e s so fa l u m i n u ma l l o yr s wi s o b s e r v e do nt h es u r f a c e so fs p o tw e l d sa n dt h ee l e c t r o d et i p t h ea l l o y i n g t e n d e n c ya n dt h ee f f e c to ft h ew e l d i n gv a r i a b l e so nt h ea l l o y i n ga r ea n a l y z e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e r ei st h ea l l o y i n gp h e n o m e n o no nt h ee l e c t r o d et i p a n dt h ec u a 1i n t e r m e t a l l i c si sf o r m e d t h ea l l o y i n gr e a c t i o ni st h em a i n r e a s o no fe l e c t r o d ew e a r t h et e s ts t u d yi sc a r r i e do u td i f f i c u l t l yb e c a u s eo ft h et r a n s i e n ti n a l u m i n u ma l l o yr s w b yu s i n gp h y s i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d s ，t h ep h y s i c a l p r o c e s so fa l l o y i n gb e t w e e nc o p p e ra n da l u m i n u mo nt h ee l e c t r o d et i pi s s i m u l a t e dw i t hg l e e b l e - 15 0 0t h e r m a ls i m u l a t i o n t e s t i n g m a c h i n e t h e o r g a n i z a t i o na n dc o m p o s i t i o no ft h es a m p l ea r ea n a l y z e du s i n gs c a n n i n g e l e c t r o nm i c r o s c o p y e n e r g y d i s p e r s i v ex - r a ys p e c t r o s c o p y ( s e m e d x ) a n d x - r a yd i f f r a c t i o n ( m ) t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ed e g r e e so fa l l o y i n g i i i b 咖e e nc o p p e ra n da l u m i n u ma r ev a r i e du n d e rt h ed i f f e r e n t c o n d i t i o n so f t e m p e r a t u r e ，p r e s s u r ea n dt i m e t h ea l l o y i n gr e a c t i o nb e 帆e nc o p p e r a i l d a l 哪i n 啪i sc o m p l e x ，w h i c h i sm a i n l y t h ee u t e c t i cr e 础0 n a tt h e t e m d e r 栅eo f5 4 8 。c t h er e a c t i o np r o d u c t i st h ee u t e c t i co f ( a l + c u a l 2 ) ，锄d t h e nc u 9 砧4f o m st h r o u g hs o l i dd i f f u s i o nb e t w e e nt h ec u a l 2 p h a s e 觚dt h e c o p p e r b a s em 耐t h e r e a c t i o np r o d u c t sa r eb r i t t l ea n d h a r d n e s si sh l g h e l a c c o r d i n gt h er e s u l t so fp h y s i c a ls i m u l a t i o nt e s t ，t h ep r o c e s sm e c h 8 n 1 8 m o ft h ea 1 1 0 y i n gm t e r a c t i o nb e t w e e nc o p p e ra n d a l u m i n u mi sd i s c u s s e d i h e n e c e s s a r yc o n 蛳o n so fa l l o y i n gi n t e r a c t i o nb e t w e e nc o p p e ra n da l u m l n 嗽 a r et e m p e r 批a n dc o m p o s i t i o n t h er o l eo f t i m ep r o v i d e sag u 绷t e ew l t n m e e t i n gt h ec o 砷o s i t i o nc o n d i t i o n t h ea l l o y i n gr e a c t i o np r o c e e d e d m 士o u r b a s i cs t e p s ：f o r n l i n gt h ep h y s i c a lc o n t a c t b e t w e e nt h ei n t e r f - a c ec o p p e ra 1 1 d a l u m i n 啪，c o n 协c ts u r f a c eb e i n ga c t i v a t e d ，i n t e r - d i f f u s i o nb 咖e e nc o p p e r a n da l 眦m u ma t o m s ， a n dr e a c t i o n _ d i f f u s i o n ， an e wp h a s eo c c 咖g ln e t h j c k n e s so fr e a c t i o nl a y e rs h o w s al i n e a rr e l a t i o n s h i pw i t hm es q u 盯er o o to f t i m ea n dae x p o n e n t i a lr e l a t i o n s h i pw i t ht e m p e r a t u r e t h ep r e s 叫e a t t e c t st 1 1 e d i s t r i b u t i o ns t a t eo f t h er e a c t i o nl a y e r 一 o i lt h ep e r s p e c t i v eo fc o n t r o l l i n gw e l d i n gc u r r e n t ，w e l d i n g t i r n ea n d e l e c t r o d ep r e s s u r e ，t h em e a s u r e so fc o n t r o l l i n gt h ea l l o y i n gr e 础0 n o nt h e e l e c t r o d et i pa u r ep u tf o r w a r dw i t hr e d u c i n gt h ew e l d i n gt i m e ，a p p r o p n a t e l y i n c r e a s 啦w e l d i n ga n d e l e c t r o d ep r e s s u r e a n dt h e s es t e p s h a v eb e 钮 v a l i d a t e db ye x p e r i m e n t s o nt h ew h o l e k e yw 。r d s ：a l 啪i 1 1 眦a l l o y ；r e s i s t a n c e s p o tw e l d i n g ；c u a la l l 。y i n g ； p h y s i c a ls i m u l a t i o n i v 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 作者签名：登：圭硷 日期：丝z ：兰：兰墨 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原科技大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件、复印 件与电子版；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存 学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交 流为目的，复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 作者签名：】蕴二生至全一日期：兰型扛卫 导师签名：三乒罂惫一日期：二竺乒二上l 兰l 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题的背景与意义 1 1 1 铝合金电阻点焊研究的必要性 汽车产业在世界各地蓬勃发展，给人类带来极大便利的同时，也带来环境污染 和能源短缺两大严重的社会问题。这促使汽车产业将未来持续发展的核心放在环保 和能源上。汽车轻量化可解决上述部分问题。试验表明，汽车的重量与汽车的能耗 有着直接的关系，即一辆车每减少1 0 的重量，可相对减少6 8 的燃料消耗，燃 油效率则提高5 5 t 。油效率提高，意味着汽车的耗油量和排污量降低。在相同情况 下，轿车的质量每减轻1 0 0 千克，每百公里的燃油消耗将减少4 - 1 升，若一辆中型 轿车( 约3 0 0 0 磅) 减重7 0 0 磅，则这辆汽车在使用年限内至少能降低约1 0 5 0 0 磅的废 气( 注：1 公斤= 2 2 磅) ，节约至少几千升燃料【2 】。根据国际制造商协会( o i c a ) 统 计，2 0 0 7 年全世界汽车生产总量为7 2 8 0 3 万辆，我国的汽车产量为8 8 8 2 万辆，已 经是世界汽车第三大生产国、第二大消费引3 1 。根据公安部交管部门统计，截至2 0 0 8 年6 月底，我国的汽车保有量为6 1 2 2 万辆，即平均每千人拥有汽车约4 7 辆，然而 这一数值还不及世界平均值每千人1 2 0 辆的1 2 。如果都按以上的标准计算，节省的 燃料和减少的尾气显然是天文数字了，可见汽车的轻量化意义之重大。 实现汽车轻量化的主要途径为轻量化材料的应用，即使用轻量化材料来代替目 前使用最多的钢铁材料1 4 。铝及铝合金由于具有比强度高、比重小、大气环境下耐腐 蚀性强、散热性能好、易于进行多种；0 n - r 和在自然界含量较丰富等特点，成为汽车 制造业采用的主要轻质材料之一。在保证相同的刚度和强度下，采用铝合金制造轿 车车身可以减少车体重量的6 0 左右，从而减少相当数量的燃料消耗和环境污染【5 1 。 其次，铝合金材料可以反复回收利用，回收重熔铝合金所需能量仅是生产新铝合金 所需能量的5 ，却可以保持原有材料的性能【6 】。此外，铝合金由于表面有层致密 的氧化物保护膜，其表面无需如一般碳钢材料那样进行镀层处理即可获得满意的抗 腐蚀性能，从而提高汽车的使用寿命，而电镀、热镀锌钢板的镀层处理不仅工艺复 杂、成本较高，并且严重污染环境【| 7 1 。 电阻点焊是焊件组合后，通过电极施加压力，利用电流通过接头的接触面及邻 近区域产生的电阻热进行焊接的方法，是薄板连接中最常用的方法之一，广泛应用 于航空、航天、原子能、电子技术、汽车制造及轻工业等部门。它具有原理简单， 对操作人员技能要求较低的优点：而且它无需填加焊接材料，生产效率高，适用于 铝合金点焊电极端面铜铝合金化过程物理模拟研究 自动化并易于与其他的制造工艺一起组成高速生产流水线，在工业生产中得到了广 泛的运用。由于电阻点焊具有焊接质量可靠、生产率高且易实现机械化和自动化等 优点，在汽车工业领域获得了广泛应用，据统计表明，每一辆轿车车身上，约有4 0 0 0 - , - , 6 0 0 0 个电阻点焊焊点f 8 】。现在电阻点焊已经成为汽车制造领域中的主导加工工艺。但 是由于铝合金电阻点焊所存在的问题限制了电阻点焊在铝合金汽车中的应用。目前 国外推出的铝合金汽车很少单独采用电阻点焊工艺，而大多采用气保焊、激光焊、 胶接、粘接、铆接等连接工艺，如新近推出的采用第二代间架构的奥迪a 2 就采用了 m i g 焊工艺和激光焊【9 】，但这些工艺并不适合铝合金汽车的规模化和连续化生产。 在航空航天领域，为减轻飞行器的重量，大量的薄板结构采用了铝合金材料。 电阻点焊是薄板结构最理想的连接工艺，铝合金电阻点焊所存在的问题使得这些板 筋结构目前的连接工艺主要还是铆接。与电阻点焊相比，铆接接头具有刚性差、重 量大等缺点。若解决了铝合金电阻点焊问题，大量采用电阻点焊工艺，飞行器的重 量将会进一步降低，动力学性能也会得到进一步提高。 可以说，铝合金电阻点焊技术已成为铝合金在汽车、航空航天等领域推广应用 的一个主要制约因素。随着科技的发展，铝合金材料将会在更多的领域得到广泛的 应用。因此，对铝合金电阻点焊进行研究是非常必要的，并且目前它已成为焊接研 究领域中的热点之一。 1 1 2 铝合金点焊所存在的主要问题 由于铝合金材料热物理性能的差异，导致其在电阻点焊过程中存在以下几个方 面的问题： 1 焊点质量不稳定 铝合金电阻点焊焊点质量不稳定主要体现在四个方面。 ( 1 ) 喷溅与飞溅严重。与低碳钢相比，铝合金具有良好的导电、导热性能，其 电阻率仅为钢的三分之一，而热导率却为钢的2 4 倍。所以，不能采用长时间加热规 范，应选用大电流、短时间的加热规范，即需要采用硬规范进行焊接。在铝合金材 料表面容易形成一层致密的氧化物薄膜，这层氧化膜熔点极高、导电性能极差。这 使得接触面上的接触电阻比较大。采用大电流焊接时，接触面上产生较多的热量。 另外，铝合金材料熔点低，加热熔化时塑性温度区间窄，所以很容易在工件间接触 面上造成喷溅、在电极与工件间造成飞溅【l 们。喷溅和飞溅的产生会带走部分热量和 熔化金属，严重影响了熔核直径的大小，对焊点质量极为不利。 ( 2 ) 焊点表面质量差。铝与铜容易形成低熔点共晶物( c u a l 2 ) 1 1 】，并且这种 2 第一章绪论 低熔点共晶物的电阻率比较大。铝合金工件较大的热导率及接触面上较大的产热量 使得电极与工件接触面上产生局部熔化并发生较为剧烈的共晶反应，导致电极与工 件的粘连，降低了焊点的表面质量。电极与工件的粘连严重破坏了电极表面的连续 性，进而恶化了后续电阻点焊焊接时电极与工件的接触状态，使电极与工件间的接 触有起始宏观上的连续接触变为宏观上的不连续接触。在硬规范条件下，这种宏观 上的不连续接触更加剧了飞溅、局部熔化及粘连的产生，对焊点的表面质量更为不 利。 ( 3 ) 因塑性区窄，易出现缺陷。对于高温塑性差，而凝固时收缩应力又比较大 的铝合金材料，当冷却结晶中电极压力不足，机头随动性差时，则在核心内部产生 较大的拉应力，于是在强度低的偏析成分处形成裂纹，甚至贯穿整个核心的高度， 成为接头破坏的根源。 ( 4 ) 点焊接头的焊接质量不稳定。电极与工件接触面上的局部熔化、飞溅及电 极与工件的粘连，严重破坏了电极表面的连续性。恶化了电极与工件及工件之间的 接触状态。此外，电阻点焊过程又受到工件表面状态、电极压力、焊接电流等因素 的影响，而铝合金电阻点焊对各种因素的变化非常敏感，因此连续电阻点焊中熔核 尺寸波动较大，从而导致铝合金电阻点焊接头的焊接质量不稳定。 2 电极烧损严重，使用寿命短 由于电极与工件间的接触电阻较大，铝合金工件的热导率也较大，而铝合金电 阻点焊又是采用硬规范进行焊接，所以电极与工件间接触面上的温度较高。由于铝 与铜之间存在着强烈的合金化倾向，因此铝合金点焊时铜电极的烧损非常严重。铜 铝合金化反应生成金属间化合物层，其电阻率为铜的5 倍左右【1 2 】。由于合金层粘附在 电极表面，在后续焊点的焊接过程中，合金层的存在增大了电极与工件间的接触电 阻，也增加了电极与工件间的产热量。在连续点焊过程中，电极表面不连续程度的 增加也加剧了电极与工件间局部融化和飞溅的产生，同时也加剧了铜铝合金化反应 的程度。上述因素使得铝合金点焊时电极的烧损速度大为增加，其使用寿命非常短， 甚至连续焊接几个到几十个点就需要修磨电极。同样情况下，焊接镀锌板时电极一 次修磨后可以焊5 0 0 点以上，低碳钢则可以焊接数千点以上【1 3 1 。 在这些问题中，铝合金电阻点焊电极磨损及寿命问题是铝合金电阻点焊技术问 题中的关键问题，因为铝合金电阻点焊飞溅问题、焊点表面成型质量问题以及点焊 接头的焊接质量不稳定等问题皆与电极的磨损及其工作寿命存在着密切的关系。电 极寿命太低，须在铝合金点焊过程中时常修磨和更换电极并造成点焊过程中断，严 3 铝合金点焊电极端面铜铝合金化过程物理模拟研究 重影响铝合金电阻点焊的工作效率。因此，提高铝合金点焊电极寿命是铝合金点焊 技术研究中的重要研究内容之一。 由以上分析可知，铝合金电阻点焊电极烧损及寿命问题实质上是铝合金点焊电 极与工件界面的铜铝合金化反应问题。铝合金点焊所存在的问题与点焊过程中电极 端面的铜铝合金化反应机理紧密相关。要从根本上解决这些问题就必须从点焊电极 端面的铜铝合金化反应机理入手，真正弄清楚问题的产生原因。因此，研究铝合金 点焊电极工件界面铜铝合金化反应机理，即电极端面铜铝合金化反应发生的条件、 铜铝合金化过程及铜铝合金化的影响因素，进而抑制铜铝合金化反应的发生，对减 弱电极烧损的程度、探索提高铝合金电阻点焊电极寿命的方法，从而改善铝合金点 焊质量，具有非常重要的意义。 电阻点焊是一具有非线性、时变和多因素耦合的复杂过程，再加上焊接过程的 瞬时性给试验研究带来了很大的困难，使得人们对铝合金电阻点焊电极端面的铜铝 合金化反应机理一直缺乏比较深入的认识。 考虑到铜铝在一定温度、压力下进行扩散时发生的铜铝接触扩散反应与铝合金 点焊过程电极端面的铜铝合金化有其相似之处，都是在一定温度、压力下的物理冶 金过程。因此本文拟采用物理模拟的方法，借助于g l e e b l e 1 5 0 0 热模拟机研究铜铝合 金化反应发生温度的高低、该反应与点焊压力的关系及微观的反应过程等问题，将 进一步认识铝合金点焊过程的铜铝合金化反应规律。本文的研究内容对进一步优化 焊接工艺、提高电极寿命、改善点焊质量有重要的参考价值。 1 2 电极的烧损与使用寿命研究现状 国外焊接工作者对铝合金点焊电极寿命及其烧损现象进行了许多前期工作，研 究了电极设计( 包括铜合金、镀层以及轮廓形状) 、薄板以及电极表面状况的影响。 m i c h e a la 1 4 】等人在铜电极表面电镀一层镍来改善电极的抗烧损性能，研究结果表 明：不同的电极表面粗糙度和镍镀层厚度都将影响其对改善电极寿命的效果；同时 还指出不管采用怎样的工件清理方法，用不带镀层的电极进行焊接，电极与工件之 间的粘连是不可避免的。p a t r i c k 1 5 】研究了工件表面处理方法对电极寿命的影响，研 究结果表明：电极的烧损与铝合金表面氧化膜的厚度有密切的关系，铝合金工件表 面氧化膜的厚度不同，电极烧损机理也不同，从而影响电极寿命。r i n s e ii k e d a t l 6 】通 过在铝合金板上形成一层变性涂层来减少电极烧损，结果表明：变性涂层的厚度对 电极的烧损有显著影响，通过试验确定了最佳的涂层厚度；同时他们还进一步发现 4 第一章绪论 在连续焊接过程中电极头的表面会形成一层m g o ，m g o 的分布影响了电流密度的分 布从而影响了熔核生成的位置。u d m a l l y a 1 7 j 研究了不同的铝板清洗工艺对电极烧 损及电极寿命的影响。r f a s h t o n 1 s l 等人提出了用电弧清理的方法来改善电极的烧 损问题，该方法可以提高电极寿命但工艺过程复杂，不利于生产过程的自动化。u l r i c h d i l t h e y t l 9 j 等人对影响电极寿命的铝合金点焊电极烧损过程进行了冶金分析，并指出 电极与工件之间发生粘连后，当电极抬起时合金层的断裂有三种可能，即：从电极 上断开、从工件上断开以及从粘连的合金层内部断开。其研究结果表明：铜、铝间 形成的化合物电导率低而且质脆，电极的局部粘连将显著加快电极的烧损。j c k u c a 2 0 】等人的研究表明：铝合金表面的氧化膜不是一层简单的a 1 2 0 3 ，而是还包含 m g o 、a i ( o h ) 3 等成分的厚度不一、结构复杂的表面膜。 但是，有关铝合金电阻点焊电极烧损机理的细微研究工作做得很有限【2 l 】。 p a t r i c ke ta 1 【2 2 j 提出了一个包括电极局部熔化、合金化以及坑蚀的理论模型。正 常生产的铝合金板表面有一层相对比较厚度氧化层，当电极跟铝板接触的时候，氧 化层破裂，产生喷溅，仅在破裂的一些地方有电流通过。当采用大电流时，电流被 迫通过这些严重的集中收缩区域，产生过量的热，结果导致局部熔化以及铜与铝的 合金化。当电极与铝板分离的时候，电极端面发生物质转移从而产生电极坑蚀。这 使得在焊接的过程中电极快速烧损。 d i l t h e y 和h i c k e n i 2 3 j 认为由于铜与铝之间的扩散造成的铜铝合金化是导致电极 磨损的主要原因。由于c u - a 1 相的形成使电极与铝板发生粘附。随后的分离过程撕裂 c u a 1 脆性相引起电极端面的材料损耗。由此认为c u a 1 相应该尽可能的被除去，比 如通过正常的电极端面清理。采用扫描电子显微镜( s e m ) 以及能量分散x 射线分析 检测出电极端面的c u a 1 相在第一个焊点之后为c u a l 2 ，而在第五个焊点之后为 c u 9 a 1 4 ，但是从没报道过支持这种说法的x r d 光谱资料。由于在电极端面局部发现 自由的固化表面，认为电极与铝板界面的温度在铜熔点的附近( 约1 3 5 8 k ) 。但实际 上，c u a l 相副2 4 】表明c u - a l 共晶熔化发生在8 2 1 k ，这个温度远低于铜的熔点。 l u me ta 1 【2 5 j 通过采用监控电极铝板界面的接触面积和接头抗剪强度的方法，研 究了5 1 8 2 铝合金电阻点焊中电极头寿命及电极坑蚀过程，指出电极失效跟电极烧损 是相关的。实验研究表明电极烧损甚至导致电极时效，由四个基本阶段形成：铝合 金粘附、电极与铝的合金化、电极端面坑蚀和空穴。由于熔化的铝合金小熔滴从铝 板表面转移到电极端面，铝合金粘附甚至在第一个焊点就已经开始。这种熔化的铝 合金粘附到电极上并与电极发生反应生成局部的复杂的c u a 1 合金区域。局部连接或 5 铝合金点焊电极端面铜铝合金化过程物理模拟研究 合金化区域的断裂将导致电极坑蚀，即电极端面的材料损耗，这种断裂或者穿过转 移的熔化c u a 1 混合物或者是固化的c u a 1 金属间相的脆性断裂。起初的坑蚀发生在 接触面周边附近的一个圆环上，然后向圆环内外生长通过小的坑蚀区域的联合而形 成大空穴。 福特公司的工程师们提出了在循环焊接的过程中铜铝合金接触界面易产生铝热 反应的假设，并在试验室中证实了电极的烧损与铜铝合金化之间存在关系【2 6 j 。 国内大多数学者也是从工件表面清理工艺【2 7 】、电极端面状态变化【2 8 】、电极表面 改性【2 9 1 及电流波形控制【3 0 1 等方面研究了其对电极寿命的影响。而有关铝合金点焊过 程铜铝合金化研究工作进行的较少。程方杰【3 l 】从铝合金点焊的接触电阻问题入手， 对铝合金点焊中电极烧损的机理及其主要影响因素进行了研究。结果表明：铝合金 点焊电极烧损的主要原因是因为在电极与工件接触面内的局部点上发生了高温熔 化，熔化的工件与电极发生了接触扩散反应，对电极产生了熔蚀作用，在冷却的过 程中形成合金组织所造成的。接触电阻幅值较大而且分布不均匀是造成电极烧损的 主要原因，它为铜铝之间的合金化作用提供了局部高温的反应条件。刘丹【3 2 j 通过对 铝合金点焊电极烧损失效机理的研究发现，点焊时电极与铝合金工件接触面间的不 均匀点接触造成通电瞬间局部小爆炸而使电极端面局部区域产生塑性变形，这种局 部的塑性变形反过来又加剧了电极与工件接触面间的不均匀点接触，由不均匀点接 触引起的局部小爆炸和铜铝合金化交互作用，使电极失效速度加快。提出采用 c u - t i - b 复合涂层电极点焊铝合金时，可减轻电极与工件间的铜铝合金化倾向，提高 电极的寿命。吴志生【3 3 】等人观测了铜铝合金化作用在焊点表面和电极端面的宏观、 微观行为，依扩散焊时铜铝界面接触反应特点及铜铝相图的金属学规律，分析了点 焊时铜铝合金化倾向以及温度对它的影响。结果表明：电极端面发生了铜铝合金化 反应，形成了铜铝金属间化合物，电极端面温度对铜铝合金化有重要作用。并且还 尝试了铜合金点焊电极深冷处理方法，结果表明深冷处理改变了电极微观组织，改 善了电极导电、导热性能，使点焊过程中的电极产热减少，散热加快，并使电极抗 变形能力、耐磨性能提高，从而提高了点焊电极寿命【3 4 1 。 可以说电极工件间的铜铝合金化是电极发生坑蚀的前奏，坑蚀后的电极表面由 于不再能够为电极与工件、工件与工件之间提供均匀一致的接触和导电路径，导致 点焊质量下降，电极失效。电极坑蚀的形成是一个与温度、压力、电极形状和材料 等多种因素相关的复杂过程，由于在电阻点焊中电、热、力和冶金因素间强烈的相 互耦合作用【3 5 筇l ，各因素对电极坑蚀形成的影响很难用实验方法考察。 6 第一章绪论 铝合金点焊电极端面发生铜铝合金化后的反应产物，很难通过x r d 图谱来确定其 物相结构。这是因为在铝合金电阻点焊中，非常短的焊接时间( 远远少于1 秒) 以及 重复的坑蚀( 合金层的转移) 将会限制中间相的形成和积累。电极端面生成的合金 层一般非常薄并且只发生在局部的一些点，焊接电极上中间相的总量太少而不能观 测到。这些金属间化合物电阻率高、质脆，在连续点焊的过程中，局部连接的电极 与工件间发生脆性断裂，使电极端面发生物质转移，从而造成电极坑蚀，使电极烧 损而导致电极失效。由于电极烧损后，表面合金层的量很少，而且表面凸凹不平， 分析测试时取样十分困难，因此目前对于合金层的具体成份研究不多。而合金层的 具体成份以及铜铝合金化的反应机制有待进一步研究。 1 3 材料现代物理模拟在焊接中的应用 通常“物理模拟”是指缩小或放大比例，或简化条件，或待用材料，用试验模型 来代替原型的研究。“物理模拟 是一个内涵十分丰富的广义概念，也是一种重要 的科学方法和工程手段。 对材料和热加工工艺来说，物理模拟通常指利用小试件，借助某试验装置再现 材料在制备和热加工过程中的受热，或同时受热和受力的物理过程，充分而精确地 揭示材料或构件在热加工过程中的组织和性能的变化规律，评定或预测材料在制备 或热加工时出现的问题，为制定合理的加工工艺以及研制新材料提供理论指导和技 术依据【3 7 1 。 材料现代物理模拟技术融材料科学、传热学、力学、机械学、工程检测技术、 电子模拟技术以及计算机领域的知识和技能为一体，构成了一个独特的、跨学科的 专业领域。利用现代物理模拟技术，用少量试验即可代替过去切都需要通过大量 重复性试验的方法，不但可节省大量人力、物力，还可通过模拟技术研究目前尚无 法采用直接试验进行研究的复杂问题。因此，现代物理模拟作为一门新兴技术，己 引起世界各国科学界和工程界的广泛关注，应用的范围正迅速扩大【3 7 】。 物理模拟在焊接领域的典型应用是焊接热模拟技术。利用热模拟技术，可以在 一定尺寸的试件上，模拟焊接热循环及焊接应力应变对焊接热影响区中某个区段的 影响，从而研究该区段的组织及性能的变化规律。利用该项技术还可以研究金属的 焊接性，例如测定钢材模拟焊接热影响区的连续冷却转变图( s h 。c c t 图) 、焊接热影 响区的力学性能、焊接接头的高温强度、焊接接头的脆化及软化等，也可以研究材 料焊接过程中的热裂纹、冷裂纹、再热裂纹等。 1 铝合金点焊电极端面铜铝合金化过程物理模拟研究 上世纪4 0 年代，焊接热模拟技术在美国、前苏联及日本等国家首先兴起。随着 焊接热模拟技术作用的日益显现，近年来各国对该项技术及其装置的研究都非常重 视，并取得了很大的进展。我国从6 0 年代开始研究焊接热模拟技术，近年来相继推 出各种类型的焊接热模拟试验机，利用这项技术为我国的国民经济发展做出了贡献。 从第七、八届全国焊接学术会议发表的研究论文可以看出，在焊接冶金及金属焊接 性的研究中，采用热模拟技术的约占2 0 左右【3 引。自1 9 9 0 年在哈尔滨举行第一届全国 材料物理模拟学术会议( 暨国际动态热力模拟学术会议) 以来，我国材料及热2 h - r 物 理模拟技术已取得了很大的进步，该领域的研究和应用己达到了很高的水平。物理 模拟技术使材料科学的研究“定量化”及“科学化”，不再是“定性”的经验型的 低水平研究。由中国机械工程学会材料学会等单位发起，于2 0 0 3 年5 月举行的“第四 届材料和热加工物理模拟和数值模拟国际学术会议”，重点反映了材料模拟技术近 年来取得的成就，展望该学科的发展趋势，对于推动我国的材料模拟技术具有重要 意义。 本文以铝合金电阻点焊过程中电极与工件在一定温度、压力下发生的铜铝合金 化反应这一物理过程为基础，以实验测试为手段，拟采用g l e e b l e 一1 5 0 0 热模拟试验 机，对电极与工件间发生的铜铝合金化反应这一物理现象进行物理模拟，进一步研 究铝合金点焊过程中铜铝合金化反应的机制，并分析铜铝金属间化合物的形成过程 以及点焊工艺参数对铜铝合金化反应的影响。 1 4 本论文的研究内容与目的 电极烧损实质上是电极表面铜铝合金化反应的问题。合金化反应的产生条件包 括成分和温度；而反应时间对合金化反应程度的影响非常大。从理论上说，只要破 坏了成分、温度和反应时间中的一个条件，就可以抑制或减弱电极端面的铜铝合金 化反应。目前电极烧损方面的研究大多限于从成分条件的角度来考虑如何避免或减 弱电极端面的铜铝合金化反应；而在如何降低电极一工件间接触面温度及减少电极一 工件间接触面处于高温区的时间方面做的工作较少。 本文在总结、分析铝合金应用现状及前景、铝合金点焊技术存在的问题及铝合 金点焊技术研究现状的基础上，研究了铝合金点焊电极工件的铜铝合金化现象及其 与电极端面温度的关系，鉴于铝合金点焊过程较快及电极与工件间行为难以跟踪观 测，采用物理模拟的方法研究了铜铝合金化反应后其金属间化合物的形成过程，分 析了铜铝合金化反应机理，即分析了铜铝合金化反应的产生条件、影响因素以及该 8 第一章绪论 反应与点焊参数( 温度、压力和时间) 的关系，并从控制焊接规范即焊接电流、焊 接时间和电极压力角度，探索抑制铜铝合金化反应的措施。具体研究内容如下： 1 铝合金点焊过程电极端面的铜铝合金化研究 2 铝合金点焊过程铜铝合金化物理模拟研究 3 铜铝合金化反应机理分析 4 探索抑制铜铝合金化反应的措施 希望通过以上的研究工作能够进一步明确铝合金点焊过程的铜铝合金化的微观 机制，探索抑制铝合金点焊过程铜铝合金化的措施，从而可减弱电极烧损，提高电 极寿命，改善焊点质量。 9 第二章铝合金点焊电极烧损与电极端面铜铝合金化分析 第二章铝合金点焊电极烧损与电极端面铜铝合金化分析 铝合金点焊电极烧损而导致电极失效的根本原因在于点焊过程的电极工件接 触面铜铝合金化。铜铝合金化反应条件包括反应温度、反应成分及反应时间。为抑 制铜铝合金化，提高点焊电极寿命，从控制反应成分角度，焊接工作者采取了电极 表面处理及铝合金板材表面处理等措施。从控制反应时间角度，采取了点焊工艺参 数优化及点焊设备的改进等措施。但点焊过程电极工件接触面温度有哪些影响因 素、如何控制接触面温度以控制铜铝合金化、提高电极寿命，由于点焊过程的瞬时 性及点焊电极工件接触面温度测量较难而研究的较少。 本章在前人研究的基础上对铝合金点焊电极烧损以至于导致电极失效的现象做 了进一步的研究，分析了电极烧损的原因和过程，总结了电极烧损的影响因素，从 宏观和微观两方面对铝合金点焊电极及焊点表面进行了观测，并分析了铝合金点焊 过程的铜铝合金化，探讨了铝合金点焊过程的铜铝合金化与电极烧损的关系。 2 。1 铝合金点焊电极烧损及其影响因素 2 。1 1 铝合金点焊电极烧损的原因 铝合金电阻点焊电极烧损及寿命问题一直为人们所关注，铝合金点焊较钢材点 焊电极烧损严重，电极寿命显著下降，电极频繁的整修或更换严重降低了生产率， 造成焊点质量不稳定及增加电极材料消耗。铝合金点焊电极的烧损严重影响点焊焊 接质量和焊接生产效率。因此，研究铝合金电阻点焊电极烧损的原因及其影响因素， 进而提出有效的改善措施，具有重要的意义。 在铝合金的连续点焊过程中，铜电极与铝合金工件不断的发生粘连并形成合金 组织，同时电极表面变得凹凸不平，电极端面形状和直径发生改变，这就是所谓的 电极烧损。电极烧损的原因主要有： ( 1 ) 电极端面铝的粘附。正常生产的铝合金板表面有一层相对比较厚度氧化层， 当电极跟铝板接触的时候，氧化层破裂，但仅在氧化层破裂的一些地方有电流通过。 当采用大电流焊接时，形成严重的电流集中区域而造成非常高的电流密度，并在该 区域产生过量的热，结果导致铜电极与铝工件接触面的局部熔化，这熔化的a l 将润 湿电极头表面并造成舢粘附。 ( 2 ) 电极端面合金化。合金化是电极端面及其周围的金属与铝合金工件中的铝 发生冶金反应的现象。一旦a l 粘附在电极端面上，就和电极发生合金化。电极合金 化的程度取决于在焊接循环过程中铜电极与铝合金工件接触界面作用的温度、时间、 1 】 铝合金点焊电极端面铜铝合金化过程物理模拟研究 a 1 元素与电极中c u 的扩散速度以及生成物质在电极端面的形核和长大。一般来讲， 电极端面与铝合金工件接触面积越大，作用时间越长，工作温度越高，扩散速度越 快，越易合金化。而合金化产物使电极端面的电导率下降，提高了焊接时电极表面 的温度，这又更加加快合金化过程【3 9 1 。 ( 3 ) 坑蚀。在铝合金电阻点焊过程中，由于高温的作用，在电极表层产生低熔 点共晶合金，当电极离开工件时，有些低熔点合金在飞溅作用下离开了电极端面， 即在电极端面产生了一个个小的弧坑。许多小的弧坑连成一起的过程就叫坑蚀【4 0 l ， 坑蚀的结果便形成了蚀坑。蚀坑的产生，提高了蚀坑周围的电流密度和工作压力密 度，导致了蚀坑周围产生更严重的塑性变形和脱落，从而使电极端面变得凸凹不平。 通过分析铝合金电阻点焊电极烧损的原因，可以发现：在点焊过程中，电极与 工件界面存在较高的温度及在该温度作用下铜合金电极与铝合金工件发生的合金化 作用是铝合金电阻点焊电极烧损及寿命降低的根本原因。因此，凡是有利于铜合金 电极与铝合金工件间发生铜铝合金化的因素皆会引起铝合金电阻点焊电极的烧损。 2 1 2 铝合金点焊电极烧损的过程 铝合金点焊电极的烧损过程可以分为以下