（材料加工工程专业论文）铝合金点焊熔核设计.pdf

中文摘要 铝合金因重量轻、资源丰富、综合性能好，所以在机械、交通运输、航天与 军事工业等高新技术领域中的应用逐年增加。铝合金的电阻点焊是汽车车身自动 化生产中最重要的焊接工艺方法，但是铝合金电阻点焊中存在的一个主要问题就 是熔核焊点强度差，影响使用效率。因此，研究铝合金点焊熔核设计至关重要。 电阻点焊是应用最广的焊接方法之一。有关熔核形成理论及点焊质量控制技 术的研究始终是该领域的前沿和主要热点。本文通过对铝合金点焊熔核孕育过程 的研究发现，控制其组织和性能的关键之一是得到细小均匀的等轴晶。晶粒细化 是近期国际上对传统材料升级和创造新型合金的工艺手段之一。因此，可运用不 同的晶粒细化方法来获得细小的等轴晶，即结晶组织的微细化处理。 中间合金对铝合金优异的细化效果，使得它在工业生产上得到广泛的使用。 但是，由于中间合金制备过程或加入方式不同，导致其相的形态和分布不同，进 而对铝合金产生不同的细化效果，这些中间合金制备工艺复杂，成本高。 从铝合金工件表面考虑，在铝合金表面涂敷t i 、b 。0 。、c r 、z r 、等材料， 形成铝熔核中间合金晶粒细化剂，促进液体内部生核，产生大量的有效异质形核 核心，获得等轴晶组织、细化晶粒、提高晶体的形核率，有效地阻止了微裂纹的 聚集和长大。因此在拉伸载荷下，合金可以承受更大的变形，使得合金的塑性得 到明显提高。实验证明，添加涂敷材料，等轴晶区域增大、晶粒细化，焊点强度 最大可提高2 3 。 对t i 、b 。0 。、c r 、z r 、m n 等材料提高强度的机理分析表明：异质核心的产生、 获得与晶核润湿角非常小的形核“基底 、等轴晶核的增殖、弥散析出相的形成， 引起位错运动的阻力增加，提高了焊点的塑性，使焊点的抗剪拉能力得到明显提 高。 关键词：铝合金点焊；细化晶粒；等轴晶 a bs t r a c t t h ea l u m i n u ma l l o y sa r ew i d e s p r e a du s e di nt h em a c h i n e r y , t h et r a n s p o r t a t i o n ， a s t r o n a u t i c sa n dt h ew a ri n d u s t r ya n ds oo nb e c a u s eo ft h el i g h tw e i g h t ，t h ea m p l e r e s o u r c e s ，o v e r a l lg o o dp e r f o r m a n c e t h ea l u m i n u ma l l o y sr e s i s t a n c es p o tw e l d i n gi s m o s ti m p o r t a n tw e l d i n gt e c h n i q u ei nt h ea u t o m o b i l eb o d ya u t o m a t i cm e t a p h a s e m i d p r o d u c t i o n b u ti n t h ea l u m i n u ma l l o y sr e s i s t a n c e s p o tw e l d i n gt h e r ei sa p r o b l e mt h a ts p o ti n t e n s i t yi sb a da n dt h eu s ee f f i c i e n c yi sl o w t h e r e f o r er e s e a r c ho f t h ea l u m i n u ma l l o y ss p o tw e l d i n gf u s i o ni sv e r yi m p o r t a n t t h er e s i s t a n c es p o tw e l d i n gi so n eo fb r o a d e s tw e l d i n gm e t h o d s t h er e l a t e ds p o t f o r m st h et h e o r ya n dt h es p o tw e l d i n gq u a l i t yc o n t r o lt e c h n o l o g yr e s e a r c ht h r o u g h o u t t h ed o m a i nt h em a i nh o t s p o t t h r o u g ht h er e s e a r c ho fa l u m i n u ma l l o y ss p o tw e l d i n g f u s i o nb r e e d i n g p r o c e s s ，id i s c o v e r e dt h a tc o n t r o lo n eo fi t so r g a n i z a t i o na n d p e r f o r m a n c ek e y si st oo b t a i nt h et i n ye v e ni s o m e t r i cc r y s t a l t h ec r y s t a lg r a i ni st h e n e a rf u t u r eo ni n t e r n a t i o n a lt ot h et r a d i t i o n a lm a t e r i a lp r o m o t i o na n do n eo fc r e a t i o n n e w a l l o y su n d e r b i dc r a f tm e t h o d s t h e r e f o r e ，t ou t i l i z et h ed i f f e r e n tc r y s t a lg r a i nt h i n m e t h o dt oo b t a i nt h et i n yi s o m e t r i cc r y s t a l ，n a m e l yc r y s t a l l i z a t i o no r g a n i z a t i o n st i n y p r o c e s s i n g t h ei n t e r m e d i a t ea l l o y st ot h ea l u m i n u ma l l o y so u t s t a n d i n gt h i ne f f e c te n a b l e si t t oo b t a i nt h ew i d e s p r e a du s ei nt h ei n d u s t r i a lp r o d u c t i o n b u tb e c a u s et h ei n t e r m e d i a t e a l l o y sp r e p a r a t i o np r o c e s so rj o i n st h ew a yd i f f e r e n t l y , c a u s e si tt oc o n t a i nt h es h a p e a n dt h ed i s t r i b u t i o nd i f f e r e n t ，t h e nh a st h ed i f f e r e n tt h i ne f f e c tt ot h ea l u m i n u ma l l o y s ， t h e s ei n t e r m e d i a t ea l l o y sp r e p a r a t i o nc r a f t sc o m p l e x ，t h ec o s ti sh i g h c o n s i d e r e df r o mt h ea l u m i n u ma l l o y sw o r kp i e c es u r f a c et h a t ，s p r e a d si nt h e a l u m i n u ma l l o y ss u r f a c es p r e a d sm a t e r i a la n ds oo nt i ，b 2 0 s ，c r , z r , m n ，f o r m st h e a l u m i n u mm e l tn u c l e u si n t e r m e d i a t ea l l o y sc r y s t a lg r a i nt h i nm e d i c i n a lp r e p a r a t i o n ， h a st h em a s s i v ee f f e c t i v en i t r o g e ns h a p en u c l e a rc o r e , e n h a n c e st h ec r y s t a lt h es h a p e n u c l e u sr a t e , t h u st h i nc r y s t a lg r a i n e x p e r i m e n t ss h o wt h a ta d d i n gc o a t i n gm a t e r i a l s i n c r e a s e dr e g i o n a la x i sc r y s t a lg r a i nr e f i n e m e n t , s o l d e r j o i n ts t r e n g t hc a nb ei n c r e a s e d b y2 3 t h ea n a l y s i so ft i ，b ：0 3 ，z r , c r , m ns h o w st h a th a v i n gac o r eo ft h e h e t e r o g e n e i t y , n u c l e iw e r ew e t t i n ga n g l ew i t hv e r ys m a l lf o r mt h en u c l e u s ”b a s a l , e q u i a x e dn u c l e ip r o l i f e r a t i o n ，d i f f u s i n gt h ef o r m a t i o no fp r e c i p i t a t e sc a u s e d t h ei n c r e a s e dr e s i s t a n c em o v e m e n t ，i n c r e a s et h ep l a s t i c i t yo ft h es p o t s ot h a tt h e s o l d e rj o i n ts h e a r r a f a hh a sb e e nm a r k e d l ye n h a n c e da b i l i t y k e yw o r d s ：a l u m i n u ma l l o ys p o tw e l d i n g ，t h i nc r y s t a lg r a i n ，i s o m e t r i cc r y s t a l l u 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫洼盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：孝嗪姚 签字日期：弘7 年彳月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：争斜乞 签字日期：刎7 年石月，孑目 导师签名：罗旅 签字日期：吵年莎月，彩日 第一章绪论 1 1 本课题的研究背景 第一章绪论 铝合金具有密度小、强度高、耐腐蚀、易加工、资源丰富等一系列优点，在 航空、航天、兵器、舰船、交通运输、电力电子、建筑包装等行业得到极其广泛 的应用。它不仅是一类量大、面广的基础材料，而且在国防建设中占有十分重要 的地位，发挥着不可替代的作用。1 9 9 7 年，美国制定了铝工业短、中、长期研 究计划( 简称a l u m i n u mr o a d m a p ) ，提出了一系列降低铝生产成本，提高传统铝合 金性能的基础研究课题f 1 】。同年，日本启动了“超级金属”国家重大基础研究五 年计划，“超级铝”为该计划中的两个主题之一，其目标是采用晶粒超微细化技 术将现有大多数工业铝合金的强度、韧性和耐蚀性提高o 5 倍1 2 。1 9 9 9 年，我国 也启动了“提高铝材质量的基础研究”这一国家重点基础研究发展规划项目，旨 在进步推进我国铝工业的发展，全面提升我国铝材料的性能和质量。 长期以来，高性能铝合金的研究与开发主要是随着航空、航天、汽车等高新 技术的发展而发展【3 l 。五、六十年代，军用铝合金研究发展的主要目标是减轻材 料的重量，提高合金的比强度和比刚度，其理论基础时效强化理论和位错理 论的发展使物理冶金学家认识到提高金属材料强度的基本途径有两条：一是尽量 减少金属中的缺陷，如制造无位错的金属、合金晶须和单晶等；二是通过引入异 类原子、冷加工、热处理、中子辐照以及细化晶粒等来大量增加晶体中的缺陷。 近一、二十年来有了飞速的发展并继续向高纯净度、高均匀度、高精度方向发展。 在高新技术产业用铝合金研究与开发方面，合金制备技术的发展特别引人注目。 一系列有工程化前景的重大技术，如熔体在线处理技术、快速连铸轧、强形变细 化等首先在铝合金中得到应用并显示大规模推广的潜力。这类技术的发展使新一 代铝合金向纯化、细化和均化方向发展，为提高铝材性能、稳定铝材质量以及高 效低耗生产高性能铝材提供了技术保障。 铝合金在航空、航天、汽车行业中扮演越来越重要的角色的同时，铝合金焊 接的问题也越来越突出了【4 】。由于铝合金所具有独特的物理化学性能，在焊接过 程中会产生一系列的困难和特点，具体表现为： ( 1 ) 铝合金表面有一层致密的氧化铝薄膜( 熔点约2 0 5 0 c ) ，焊接时如未能将其 消除，将会影响基体金属的熔化质量，形成夹杂等质量问题； ( 2 ) 热导率大( 约为钢的4 倍) ，导电性好，焊接时若要达到与钢相同的焊速， 第一章绪论 则焊接线能量要比焊钢时大2 一倍； ( 3 ) 线膨胀系数大，焊件有产生较大的热应力、变形及裂纹的倾向； ( 4 ) 易产生气孔； ( 5 ) 铝合金焊接接头的强度降低【5 】。 铝合金焊接有很多的方法和工艺，众所周知，铝合金的电阻点焊是汽车车身 自动化生产中最重要的加工方法。但是，由于铝合金具有非常好的导电、导热性 能，其表面又往往具有一层致密的氧化膜，其熔点温度是铝合金熔点温度的3 倍 以上，这就给铝合金材料的电阻点焊带来了极大的困难。与普通碳钢点焊相比， 铝合金点焊不仅需要采用较大的焊接电流，而且焊接分流影响较大，焊点强度有 待提高，焊接质量难以控制，远远不能满足连续化生产的要求，从而严重影响了 铝合金在汽车工业中的应用。因此，如何提高焊接质量，便成了问题的核心和关 键。 1 2 课题提出的意义 电阻点焊是应用最广的焊接方法之一。有关熔核形成理论及点焊质量控制技 术的研究始终是该领域的前沿和主要热点。目前，点焊质量控制技术，如通常采 用的恒流控制法、动态电阻法、热膨胀位移法、超声波法与基于人工神经网络和 模糊控制的智能控制系统等其实质均是围绕如何保证熔核尺寸稳定，即从“量 的方面来实现质量控制的，但由于点焊过程干扰因素复杂和点焊方法本身的特点 ( 大电流、短时间、压力作用和无损检测困难等) ，上述控制方法均有其局限性。 对一些采用点焊焊接性很差的金属材料( 如6 5m n ，d 4 d 6 a , l y l 2 c z ，l c 4 c s 等) 构 成的重要结构件( 如铝合金汽车、飞机、航天器等) 的点焊很难进行，甚至有时不 得不采用铆接工艺，因此，熔核形成理论及点焊质量控制技术已成为许多国家重 点研究的课题 6 1 。 大多数金属材料电阻点焊熔核的凝固组织为柱状晶组织，少数金属材料的熔 核为柱状晶+ 等轴晶组织。柱状晶组织的生长特点会形成熔核的薄弱面，且该薄 弱面与点焊搭接接头处于高应力区的板缝相重合，这将显著降低点焊接头的力学 性能。本文从“质”的方面改善和提高了焊点质量，不仅丰富了电阻焊的基本理 论，也为点焊质量控制技术开辟了一条新路，具有显著的工程应用价值。 1 3 铝合金电阻点焊存在的主要问题 与低碳钢相比，铝及其合金具有如下的特点。首先，铝及其合金具有很好的 2 蔸一奄绪论 导电、导热性能，其电阻率仅为钢的i 分之左右，导热率约为钢的2 4 倍： 其次，铝及其合金表面还具有一层组织致密、熔点极高、几乎小簪电的氧化物膜： 第三，熔点低，化学性质活泼，与铜之间存在着很强的化学亲和力。上述特点使 得铝合金点焊存在很多问题。这蝗问题严重限制了铝台金点焊 艺在些蕈要 场合和大批量自动化生产巾的麻用。 迸棼 恩震瑟? 嚣驻；囊霪雾溺 c 台格的熔合削 圈1 1 铝合金点焊的各种熔台彤状 日前铝合金点焊工艺主要存在以下几方i n i 的问题。 ( 1 ) 焊接质母不稳定 焊接质最不稳定主要表现在以f 几个方面。 1 ) 连续点焊过程中焊点强度波动大 第一苹绪沦 由j ：锚合金裘面有一层致密的氧化帻，这使得接触面r 的接触电日值较大而 且分靠很不均匀；山于锅与铜之间存在着微强的化学亲和力加j 接触| i i l 的接 触电阻j “热严重因此电极烧损严重这使得叱极7 什之| 1 i j 的接触状况微小稳 定。，这两 面作用的结果造成r 焊接时熔核形状不规则，尺j 小小一，烨 强 度不稳定。罔卜1 是在一次连续婀接叶 所得到的各种熔核形状的照h 。由此可 见拓= f 核的形状和人小波动很大。熔核t 、j 年u 强度上n q 波动给产晶的可靠忡带来r 很大隐患： a ：1 = 件收【 l i 炷生熔化b ：电极在1 二件袅咖j ：的压痕 ( 只加压，币通电流) 图1 2 铝台金鱼焊时焊点的表面情况 2 ) 焊点表呵成型荒 ，j ir l l ，l 乜极与i 件之f l l j 的接触电阻较大，在通电血i 搬的丌始阶段弈易导致 工什表过热晰熔化，从m 在表【_ l 帘f 痕迹；粥一打i f l l ，电极烧损后，表f f i 叫i i l l 1 ；、h ，工件接触时也崭易形成雎痕。这婀方面的原幽都将会影响到l 一什衷面的 成型，罔1 2 a 是l 件表面熔化的情况，图1 2 b 则是烧损历的l u 极在j 。件表面的 肤痕( 只施加压力不通电焊接) 。焊点表面成型茺不仪影响美观，m 且时焊点强 度等也有很人影响； 3 ) 熔核内部易形成气扎以及杜状晶组织 铝合会点焊时由j 钳合金导热很快，水冷铜电极【 l 有强烈的冷却作川，所以 熔核的冷却速度非常陕：另一方面，与熔核金埘冷凝收缩的述度相比，焊接机头 的随动性 娃著不能麒随熔核的膨胀，收缩过程，所以熔核在糍l 酬对极易形成缩 孔、缩松和气扎，如图1 3 所示。当气孔尺、j 较小时，对接头强度影响不火，但 第章绪论 是对接头的玻* 性能却义显著影响。内升争却速度很快，熔核的结晶组织l 要是 从熔台线向内生k 的柱状品。如此来，在工件贴合f | 上，柱状晶纽织槲遇发生 中断，从而形成一个薄弱昕。这个薄弱面j f 好是受剪应力作川的i n 】同时也是应力 集中的面，它的存在严重影响了接头的强度； 圈1 3 锚台金点焊时熔台一i ，的气孔( 2 0 x 4 ) 熔核喷溅与_ r 件表i j i i 飞溅严霉 铝合金的焊接一般采用硬规范，通电时问短，焊接电流大，加热熔化时的塑 性区间窄，所以其焊接过程的可控性较羞，容易造成熔核的喷溅如罔1 4 a 所 示。由j 一表面氧化膜的存在，界【f f i 上的接触电阻较大，在通电加热的初期阶段， 容易出现衷1 l j i 过热，从而导致表面b 溅现象的出现，如图1 4 b 所小。不管是熔 核喷溅还是表面飞溅，都会带走部分熔化金槲和热艟，其结果都将导致熔核尺寸 偏小、强度f 埠以及表面质量不佳等缺陷。 l | “鞣圜 & 熔璃能喷鞭 b 一袭封t 彘 图j 4 熔核喷溅与表面飞溅缺陷( 7 x ) 第一章绪论 ( 2 ) 电极烧损严重，使川寿命短 由十铜跟铅之间存在着强烈的台金化倾向，所以铅台金点焊时，铜电极的烧 损很严重，往 t 在焊第个点时电极与工件表面就己经发生了粘连，图l 一5 a 给 出了焊接完第一个焊点后电极表面的照片，显然己经有铝粘在了j ：i f | ，图1 5 b 则是焊接5 0 点后的表面照片，可以看出，整个电极表面儿乎都粘满了铝，而且 出现了i 凸不平的烧损。低碳钢与不锈钢点焊时电极的土要失效形式足辟损与压 溃变形而铝合会 焊时电极的失设形式主要是烧损。甫于电极烧损现象的存在， 锅台金点焊时电极的使用寿命根短甚至连续焊接几个到几十个点就需蔓修 磨电擞。同样情况下，焊接镀锌板时电极次修磨后可以焊5 0 0 点以j ，低碳钢 则可以焊接数千点以卜。由于电极的烧损使得连续焊接中各焊点t 的接触情况 差别根大，这将导致焊点质量的不稳定，另一办i l f j ，频繁的修磨电极也严重影响 丁自动化生产线e 的生产效率和自动化程度的提高。 ( 3 ) 缺乏有效的焊接质量控制j j 法 铝台金的电阻章低，其阻温系数也比较小。因为从窀温到熔化温度电阻摩的 变化幅度仅为3 倍左右，所虬铝合金电阻点焊过程很难用焊接电参量的娈化来描 述，这给铝合金电阻点焊过程的闭环控制带来很大困难。 铝合金点焊的焊点质量不仅包括了熔核尺寸的波动，由且也包括e 溅和喷溅严 重、焊点表面成形质量差及工件与电极易出现粘连等。因此，铝合金点焊所l l i | 临 的质量题远比低碳钢复杂。针对低碳钢点焊问题所提出的以保证熔核大小稳定 为目标的各种控制方法并不适合于铝合金点焊p “l ，尤其是对工件电极的粘连问 题和焊点表面成形质罱差的问题更是无能为力。 t ：撙第点墙 b ；挥完第5 0 杰后 围l - s 电极表面的粘接与烧损情况i o x 第一章绪论 1 4 点焊熔核孕育处理的研究现状 国内学者赵矗华等人，在国家自然科学基金和美国g m 基金资助下对多种难 焊金属材料( 铝台金、弹篝制等) 开展了“点焊熔核孕育处理坪论与山法”的研究， 现已取得如f 成果： ( i ) 占次状得了全部凝固组纵为等轴晶的点焊熔核( 图1 - 6 b ) ； ( 2 ) 首次使全部为柱状晶的点焊熔核贴合面处出现等轴晶区( 图1 7 b ) ； ( 3 ) 拶大熔核等轴品区，缩小熔核柱状品区使凝固组织品粒显著细化。 鬻 一f 一j 4 。： +二 h ，束蛀孕叠c 理l 拄状晶+ 等轴珏j bj 蛀址孕育复上理l 等轴“ 嘲1 6l y c z 锚合金止卅熔核 aj 经孕育处理( 柱状晶组织及贴台面)cb ) 经过孕育处理( 贴台面处的等轴晶组织 目1 76 5 m n 弹簧钢点焊熔植 研究结果表明，孕育处理可显著提高点焊接头力学性能尤其是疲劳强度。 这就为点焊质量监控技术开辟了一条新蹄从“质”的方面根水改善了点焊接头 质鞋。 第一章绪论 1 5 研究主要研究内容 本课题归纳了点焊接头形成理论，包括焊点接头的形成、晶粒的生长过程、 点焊缺陷及其影响因素等，并对铝合金的焊接性以及填充金属的选择进行阐述， 在此基础上，对铝合金的细化方法进行研究，提出通过向熔核添加外来活性固体 粒子，对熔合进行孕育处理，细化晶粒，提高焊点强度。并用五种元素t i 、z r 、 c r 、m n 、b 2 0 3 进行试验，验证了此结论。 第二章电阻点焊接头的形成理论 第二章电阻点焊接头的形成理论 2 1 点焊的电阻及加热 2 1 1 点焊时的电阻 点焊焊接区总电阻r ，由焊件间接触电阻r c 、电极与焊件间接触电阻2 r e w 、 及焊件本身的内部电阻2 r w 共同组成( 参见图2 一1 ) 。即 r = r c + 2 r e w + 2 r w 图2 1 焊接区示意图和等效电路图 接触电阻r c + 2 r e w 图2 2 接触电阻的形成 1 一电流线2 一实际接触点3 一不良导体膜 ( 1 ) 接触电阻 接触电阻是一种附加电阻，通常指的是在点焊电极压力下所测定的接触面 ( 焊件一焊件接触面、焊件一电极接触面) 处的电阻值。它形成的原因，是由于 接触表面微观上的凹凸不平及不良导体( 表面氧化膜、油、锈以及吸附气体层等) 的存在所致。当焊接电流通过接触面时，接触点附近及不良导体膜部位的电流线 9 聚。一世m一懒 一iiij1j，一 瓢 第二章电阻点焊接头的形成理论 发生弯曲变长，并向接触点密集( 图2 2 ) 而使实际导电截面减小。这种电流 线的拥挤、变长即形成了附加电阻。 影响接触电阻的主要有三个因素因素：表面状态、电极压力、加热温度。 1 ) 表面状态 清理方法、加工表面的粗糙度及焊前存放时间都会影响焊件的表面状态，因 而获得很大差别的接触电阻值。应该注意，机械清理可比化学清洗得到更低的接 触电阻值，但化学清洗后的零件接触电阻更为均匀、稳定。清理后的金属表面经 存放将被重新污染( 氧化、吸附气体) ，接触电阻随存放时间增长而变化，且 在压力较小时变化显著。因此，批量生产中最好采用化学清洗并要规定存放时间。 例如，铝合金零件化学清洗后至焊接完毕的时间不应超过7 2 h ，而采用机械清理 则不应超过2 4 h 。 l 鼬 o 柏 勰 _ o b 击萄萄抖铲l o 2 3 凹o 5 0 曲i o i x 图2 3 接触电阻( r c + 2 r e w ) 2 ) 电极压力 电极压力增大将使金属的弹性与塑性变形增加，对压平接触表面的凹凸不平 和破坏不良导体膜均有利，其结果使接触电阻减小。当压力由增大变为重新减小 时，由于塑性变形使接触点数目和接触面积不可能再恢复原状，此时的接触电阻 将低于原压力作用下的数值而呈“滞后”现象( 图2 3 ) 同时，材质软的焊件 其接触电阻的减小和“滞后 现象更为显著。 在实际生产中，利用“滞后 现象，在厚钢板、铝合金等的点焊中，采用马 鞍形压力变化曲线既能获得低而均匀的接触电阻值，又能可充分利用电功率，取 得提高焊接质量、节约电能的双重效果。 1 0 第二章电阻点焊接头的形成理论 3 ) 加热温度 温度升高金属变形阻力下降，塑性变形增加，接触电阻急剧下降直至消失。 钢材温度升高到6 0 0 、铝合金温度升高到3 5 0 。c 时的接触电阻均接近为零。 室温下的接触电阻可按以下数值关系( 经验公式) 计算： r c = r c f w a ( 2 1 ) 式中 r 广匾定指数，f w = 1 k g f 时的接触电阻，【r ，c 单位为q ； f 广一电极压力，【f w 】单位为k g f ； a 与材料性质有关的指数。 式( 2 1 ) 中，r 7 c 可由试验求得。对仔细清理过的低碳钢和铝合金，r 7 c 分别为0 0 0 5 - - 一0 0 0 6 q 和0 0 0 1 0 0 0 2 q ；钢和铝合金的a 分别为0 6 5 、一0 7 5 和 0 7 5 o 8 5 。 接触电阻也可用专用测量仪器馓欧计直接测出，其结果可作为零件焊前 表面清理质量的判据。 研究表明，异种金属材料相接触，其接触电阻值取决于较软的材料。同时， 同一焊接区的接触电阻r e 与r e w 之间存在一定的关系： r e w - ( 1 2 ) r c ( 钢材、表面化学清洗、铜合金电极) ： 黜1 w ( 1 2 5 ) r e( 铝合金、表面化学清洗、铜合金电极) ； r e w - r c( 钼材、表面化学清洗、钨电极) 。 ( 2 ) 焊件内部电阻2 r w 焊件内部电阻2 r w 是焊接区金属材料本身所具有的电阻，该区域的体积要 大于以电极一焊件接触面为底的圆柱体体积。产生这一现象的根本原因，是点焊 时的“边缘效应 。 所谓边缘效应，就是电流通过板件时，其电流线在板件( 单块板) 中间部分 将向边缘扩展，使电流呈现鼓形的现象。显然，当焊接电流通过重叠的两焊件时， 由于边缘效应，电极下的电流场呈双鼓形。 研究表明，边缘效应是一种仅与几何因素有关的物理现象( 图2 4 ) ，点焊 时产生该现象的根本原因是电极与焊件接触面积远远小于焊件的横截面。同时， 点焊加热是不均匀的，焊接区内各点温度不同( 由于热传导，通常中心温度高而 向边缘温度逐渐降低) ，电阻率亦不同，这就引起焊接电流绕过较热部分金属呈 现绕流现象，进一步促进电流场向边缘扩展。 综上所述，边缘效应、绕流现象，均使点焊时焊件的导电范围不能只限制在 以电极一焊件接触面为底的圆柱体内，而要向外有所扩展，因而使焊件的内部电 阻比圆柱体所具有的电阻要小。凡是影响电流场分布的因素必然影响内部电阻 2 r w ，这些因素可归纳为：金属材料的热物理性质、机械性能、点焊规范参数及 第二章电阻点焊接头的形成理论 一 一 e o - 一 ， 一f 图2 4电流场与电流密度分布 a ) 导线中的电流场与电流密度分布 b ) 单块板中的电流场与电流密度分布 c ) 点焊时的电流场与电流密度分布 卜电流线j 电流密度j a 平均电流密度 特征( 电极压力f w 硬、软规范) 和焊件厚度等。 应该指出，点焊加热过程中，焊接区这一不均匀加热的非线性空间导体，其 形态和温度分布始终处于不断变化中。因而，焊件的内部电阻2 r w 也具有复杂的 变化规律，只有在加热临近终了时( 正常点焊时，减弱或切断焊接电流的时刻) ， 非线性空间导体的形态和温度分布才呈现暂时稳定状态。即此时焊接电流场和温 度场进入准稳态，这时的焊件内部电阻2 r w 趋近于一个稳定的数值2 r 7 w 。 ( 3 ) 总电阻r 研究表明，不同的金属材料在加热过程中焊接区动态总电阻r 的变化规律相 差甚大( 图2 5 ) 。不锈钢、钛合金等材料呈单调下降的特性；铝及铝合金在加 热初期呈迅速下降后趋于稳定；而低碳钢在点焊加热过程中其总电阻r 的变化曲 线上却明显的有峰值。 2 1 2 点焊时的加热 ( 1 ) 电阻对点焊加热的影响 1 2 第二章电阻点焊接头的形成理论 点焊时的电阻是产生内部热源电阻热的基础，是形成焊接温度场的内在 因素。研究表明，接触电阻r c + 2 r e w 的析热量约占内部热源q 的5 1 0 ， 软规范时可能要小于此值，硬规范及精密点焊时要大于此值。虽然接触电阻析热 量占热源比例不大，并且在焊接开始后很快降低、消失，但这部分热量对建立焊 接初期的温度场、扩大接触面积，促进电流场分布的均匀化是有重要作用的。但 a 置 m t 嘲 1 露 矗 _ 码 辱按时一r m 量 图2 5 典型材料的动态电阻比较 1 一低碳钢2 一不锈钢3 一铝 过大的接触电阻有可能造成通电不正常( 因为点焊机的二次空载电压很低，一般 在1 0 v 以下) ，产生喷溅、粘损等缺陷。实践证明，对焊件进行认真的表面清理 是非常必要的，试图利用增大接触电阻而达到降低电功率的作法是不可取的。 内部电阻2 r w 的析热量约占内部热源q 的9 0 - 9 5 ，是形成熔核的热量 基础。同时，内部电阻2 r w 与其上所形成的电流场，共同影响点焊时的加热特 点及焊接温度场的形态和变化规律。 ( 2 ) 电流场及其对点焊加热的影响 焊接电流是产生内部热源的外部条件，它通过两个途径对点焊的加热过程施 加影响。其一，调节焊接电流有效值的大小会使内部热源的析热量发生变化，影 响加热过程；其二，焊接电流在内部电阻2 r w 上所形成的电流场分布特征，将 使焊接区各处加热强度不均匀，从而影响点焊的加热过程。 ( 3 ) 点焊时的热平衡 点焊时，焊接区析出的热量q 并不能全部用来熔化母材金属，其中大部分将 因向邻近物质的热传导、辐射而损失掉( 图2 6 ) 。其加热平衡方程如下： 第二章电阻点焊接头的形成理论 q = q 1 + q 2 q 2 = q 3 十q 4 + q 5 q = ql + q 3 + q 4 + q 5 ( 4 ) 点焊时的温度场 温度场是某一时刻下焊件上各 点温度的总称，是点焊加热过场中 吸热和散热相互作用的结果，也是 最终决定熔核尺寸及位置的本质 因素。目前用试验方法测量点焊温 度场仍存在着一定困难，这不仅因 为焊点尺寸小而又北粗大的电极 遮盖，同时也在于温度对时间的变化 非常之快和温度的分布极不均匀。 点焊时各点的温度每瞬间都 在变化，因而焊接温度场也在以复杂 规律进行变化。通常只讨论断电时刻 的温度场，因为此时的温度场达到最 高温度并处于暂时的稳定状态，它可 以反映焊后熔核形状、尺寸和位置， 以及可能发生的组织变化等情况。利 用电子计算机，用有限元法，模拟绘 制出断电时刻的温度场( 图2 7 ) 。 2 2 点焊接头的形成 2 2 1 点焊焊接循环 图2 6 点焊热平衡的组成 ( 2 2 ) r i f ，弛m 。_ _ j 毒_ 、。、。 ，卿铀 _ o k 。0 2 h - 一一_ ? 左 t 1 。 蕊。慝-腻 艇lt 、= ! ，- - 绷猁 2 s ，m 赡 、翟芝荭磊、 、h ，翰翟 筠 图2 7 点焊断电时的温度场t ( 电子计笪机计筻数据绘制 t 一 焊接循环电阻焊中，完成一个焊点( 缝) 所包括的全部程序。 图2 8 是一个较完整的复杂点焊焊接循环，由加压休止等十个程序组 成。当参数i l 、1 3 、f p r 、f r o 、t 2 、t 3 、t 4 、t 6 、t 7 、t 8 均为零时，就得到由四个 程序段组成的基本点焊焊接循环( 图2 9 ) ，该循环是应用最广的点焊循环。 1 4 第二章电阻点焊接头的形成理论 一 2 2 2 接头形成过程 熔核、塑性环及其周围母材金属的一部分构成了点焊接头( 图2 一l o ) 。在 一良好的点焊焊接循环下，接头的形成过程是由预压、通电加热和冷却结晶 三个连续阶段所组成( 图2 9 ) 。 ( 1 ) 预压阶段 预压阶段的机一电特点是f w o 、i = o ，其作用是在电极压力作用下清除一 ， f 弋 呼jf l厂- ； ，_ ： 一 寥1 f k l 一十r ，i ，t i| ilr ，i，lf if ，1 2 l， i ，r - ，u i 2lt 丘i7i1 0 一 r 图2 8 复杂点焊焊接循环示意图 1 一加压程序2 一热量递增程序3 一加热1 程序4 一冷却1 程序 5 一加热2 程序6 一冷却2 程序7 一加热3 程序8 一热量递减程序 9 一维持程序1 0 - - 休止程序 伽 i n l ，- 曩 l ， l ，- 图2 - - 9 基本点焊焊接循环( a ) 和接头形成示意图( b ) 1 一加压程序2 一焊接程序3 一维持程序4 一休止程序 a 一预压b 、c 一通电加热d 一冷却程序 第二章i a 阻点坩接头的形成珊论 部分接触表面的小1 严和韫化滕形成物邢接触点( 剀 2 9 bi ) ，返就为以后焊接电流的顺利通过以及表面 原子的键合作盘，准备。 ( 2 ) 通电加热阶段 通电加热阶段的机一电特点是f w o 、i 0 其作 用是在热与机械( 力) 作用下形成颦性环、熔核，井 随着通电加热的进行而k 人，n 划获得：岳璎的熔核尺 寸。 图2 一1 0 点焊接头 通电加热阶段包括两个过程：证通电升始的一段i 付l l j 内，接触点扩人，剐态 金属困加热析膨胀，在焊接压力作用i - 会属产生掣性变形并挤压板缝f 幽2 9 b i i ) 。这一塑陀变形有助于形成密封熔梭的环带，同时也导致板鳢发生翘离从 而限制r 导电通路的扩人，对保持足够的电流密度起刘有利作用；继续加热后， 卅婚出现液态熔核并逐渐扩人到要求的核心尺、_ ( 图2 9 b i i i ) ，切断电新l 停l t 加热，熔核将进入冷却结晶阶段( 圈2 - - 9 b i v ) 。 ( 3 ) 冷却结品阶段 冷却结品阶段的机一电特点是f w o 、i = o ，其作川是使液态熔核在压山作 r 冷却结晶( 图2 9 d ) ，洋细过稗见223 所述。 2 2 3 焊接热影响区晶粒生长的特点 品粒乍比吐程是品粒相互合并，品界迂移的过程。品粒的十k 响_ 曲种l f 常巾 长和异常生长。i r 常巾长足指未变形的会属和合金在足够高的温度下加热时，品 界发乍缓慢迁移，t 帚粒均匀隹k 。异常生k 是指金属或合金在加热到某温度前， 品粒十眭倾向极小超过某一温度后，原始细小的品粒) 1 ：始急剧粗化甚至趟过 正常生长的稃度。俐材枉焊接加热时的t 长倾向和种类，主要决定：母材会属的 化学成分。品粒乍氏i 时，驱动力是品界能撮的降低。钢中存在第。相颗粒，在品 粒生k 时，刘品界旺移确明显的阻碍作用。但是在超纯铁索体不锈钢叶 由于第 ，柑杂质比较少，所以对晶界迁移的h 碍影响比较小。焊接热影响区就是固态雌 材金属在焊接热作川r 发生命相组织或性能变化的区域。焊接热影响区中的温度 分布小旧，与熔合线不同的各点焊接热循环不同，使焊接热影响区不吲部位形成 不同的晶粒度。焊接热影响区的品半_ ：! 生长上要发生在加热和冷却过程，品精生 长的 g 度e 要与焊接热输入和焊接热循环参数有芰。焊接热输入越大，+ j 熔台线 的距离越近，温度梯度越小，晶粒尺、j 越大。应当指出，焊接热影响区显著粗化 的部位，升非紧靠熔合线，而是有小段距离，也就是所说的粗晶区。这是闶为 紧靠熔台线的是一个不完夸熔化区，焊接过程巾，限制了晶粒的进步粗化。 第二章电阻点焊接头的形成理论 2 2 4 熔核的结晶过程 减弱或切断焊接电流，焊接区产生的热量不足以弥补散失的热量时，熔核便 开始冷却结晶。该凝固过程时间很 组织，熔核凝固组织完全是等轴的 圈2 1 l 甜柱状+ 等轴一组织形成过程模型。j 情况很少见。下面以l y l 2 c z 薄板 l 液态垒尾表面( 1 2 熔核商处) s 一母材固相。二 点焊为例分析熔核的结晶过程， 表面( 熔合线处) 十一晶体生长方向c 0 0 1 ) + “柱状+ 等轴”组织形成模型见图 2 一1 1 。 图a 凝固前夕的熔核，熔合线上许多晶粒处于半熔化状态，液态金属能很 好的润浸取向不同的半熔化晶粒表面，为异质成核结晶提供了有利条件。 图b 液态熔核的温度开始降低，熔合线处液态金属首先处于过冷状态，结 果以半熔化晶粒作底面沿( 0 0 1 ) 向( l y l 2 c z 铝合金属立方晶系) 长出枝晶束。 某些枝晶发生二次轴的熔断、游离和向熔核中心运送。 图c 枝晶继续生长，锯齿形的连续凝固层向前推进，液体向枝晶间填充， 使枝晶粗化；与热流方向倾斜的枝晶束生长受阻，枝晶间距自动调整。 更多的枝晶二次轴发生熔断、游离并被运送到熔核心部；枝晶前沿液体金属 的温度梯度逐渐变缓和溶质浓度的不断提高，均使等轴晶核在熔核心部增殖，个 别晶核以树枝晶形态生长。 图d 液态金属成分过冷愈来愈大，大量的等轴晶核以树枝晶形态迅速长大， 彼此相遇以及与柱状晶的枝晶束相遇互相阻碍。 凝固即将结束，当剩余液体金属不足以完全填充枝晶间隙时，即将形成缩松 缺陷。 图e 具有缩松缺陷的熔核“柱状+ 等轴”组织断口形貌示意图。 1 7 第：章电5 h 点蛘接头的形成理论 蚓e 。优质接头的熔拨“杜状+ 等轴”目1 织断口形貌示意幽。 图2 1 2 履小的铅含金点焊熔核断口形貌表明，熔核m 粗人杜状品组织和籼 大等轴品组纵兆问组成。粗人柱状r 帚的内部微观组织结构为一枝品束粗大等轴 - 帚的内部撒州结构为着干个等轴树枝品紧密结战闭。 “十 状+ 等轴”组织形成机耻分析： 根据凝硐过程理论熔梭的凝l 龇丑织形态取决卜台金中溶质浓度c o 、结品速 度r ( 或品粒k 大速度) 和涟相中温度梯度g 的综合作川。 罔2 1 3 表叫，拒溶赝浓度c o 和结品速度r 定时，熔梭巾液态余属的温 图2 一1 2 熔枝横断面某部何s e m 像 度梯度g 的变化刘熔核凝同组织形态的影响。由r 母村( l y l 2 c z 锅台金的导热 系数比制大4 倍) 和制电极的急冷作用，使熔合线附近区域只柏很大的温度梯度 g i 造成界面前沿成分过冷较小，虽然l y l 2 c z 铝合金结晶医刚较宽，但仍将 以“运层结品”疗式进行结品，柱状晶的生长将维持到温度梯度减小到g 2 。 随着柱状品的生长，热量的传递、结品潜熟的析冉等，熔核- p 液体金属的 温度拂度艋著变缓( 测算农明，此叫熔梭的冷却速度v 大约下降半) ，g 2 较 小( g 。c v ) ，使结晶前沿成分过冷显著增加，熔核r i i 剩余液体金属的结晶将以“糊 状结晶”方式进行，结晶形态将演变为生成等轴品。 吲2 一1 4 表明，结品速度r 和温度梯度g 小变时，随合金中溶质浓度c o 的提高，则成分过冷增人，从而使结晶形悉出柱状晶演变为等轴晶。 第二章电阻点焊接头的形成理论 l y l 2 c z 铝合金薄板点焊熔核液体金属凝固时，由于冷却速度极快( 约为1 0 5 s 数量级) ，枝晶生长迅速，枝晶间距又很小，故a 一舢固溶体的枝晶臂将析 出大量的可使结晶前沿液体金属熔点降低的溶质c u 、m g 并将其推向熔核中 心同时，由于熔核凝固后期温度梯度的变缓和液体金属过热度的趋近于零，严 重的区域偏析可能使局部地