LF21防锈铝电阻焊工艺及接头性能研究.doc

LF21防锈铝电阻焊工艺及接头性能研究摘要电阻焊是将被焊工件压紧于两电极之间，并施以电流，利用电流流经工件接触面及邻近区域产生电阻热效应将其加热到熔化状态或塑性状态，使之形成金属结合的一种方法。电阻焊方法自19世纪末问世以来发展迅速，尤其是随着汽车工业等大批量生产企业的兴起，其应用日趋广泛。防锈铝依靠其高塑性、低或中等的强度、优良的抗腐蚀性能和良好的焊接性能，在航空和航天工业中获得了广泛的应用，大多用来制造承受中等载荷的零件。本文研究了板厚为1.5mm的LF21防锈铝合金在电阻点焊过程中电流、通电时间、电极压力等焊接参数对焊接接头性能的影响。利用正交试验法设计试验方案，焊接完成后对焊件进行拉伸试验和金相组织观察，并测量熔核直径及压痕深度、计算焊透率，通过测量及计算出的各项指标来选出最佳的工艺参数组合，同时对接头金相观察中发现的缺陷进行了分析。试验及分析结果表明:在焊接电流为16.4kA、通电时间为0.22s、电极压力为2400N的焊接条件下，焊接各项指标均较好，铝合金表面的氧化膜易导致产生气孔等缺陷。关键词：电阻点焊；防锈铝；正交试验法 The Research on Resistance Welding Technology and Joints Performance of LF21 Antirust AluminumAbstractResistance welding is applying load and current on welded artifact between the two electrodes, the current flowing through the surfaces and the neighboring region create resistance heat effect，the base mental is heated to melt or plastic condition, the metal forming a combination of a soldering method. From the nineteenth century resistance welding has been developing rapidly, especially in the car industry and other mass production enterprise of the application.For high plastic, low or intermediate strength, high corrosion-proof performance and a good weldability, Antirust aluminum have been widely applied to the parts of medium load in the air and space industries.This study that the current ,the time and the pressure welding parameter to welding joints performance for the slab thickness is 1.5 millimeter antirust aluminum alloy LF21 in resistance spot welding. Make use of orthogonal test to designed experiment, elected parameters units from tensile tests, metallographic analysis and calculation the nugget size, depth of indentation and penetration rate. Then analyzed weldment defect from metallograph and how to produce that defect. Experiment results show the welding conditions that for the current 16.4kA, the tine 0.22s, the pressure 2400N, all of the index was better. The surface of aluminum can easily lead to produce the air hole and other defect. Key Words: Resistance spot welding; Antirust aluminum alloy; Orthogonal test 目 录摘要Abstract主 要 符 号 表1 绪论11.1 前言11.2 铝合金21.2.1铝合金的概况21.1.2 防锈铝21.3 铝合金的焊接方法21.4 电阻焊31.4.1 电阻焊的基本原理41.4.2 电阻焊主要方式及影响因素41.4.3 电阻点焊循环过程分析51.4.4 电阻焊的优缺点71.4.5 电阻焊的发展概况81.5铝合金的电阻焊81.6 本文研究内容92 试验准备与方案设计102.1 试验材料102.2 焊接试验102.2.1 焊接设备102.2.2接头设计及试验准备122.2.3 焊接方案122.3 焊后分析过程介绍143 试验结果与分析讨论173.1 三因素焊接试验结果分析171. 绪论3.2 两因素焊接试验结果分析183.3 焊接接头组织分析203.4焊接接头缺陷分析244 结论28参考文献29致谢31 主 要 符 号 表 线膨胀系数dR 熔核直径 tw 通电时间 Iw 焊接电流A% 焊透率 F 电极压力 b 抗拉强度 伸长率 断面收缩率h 熔深 s 屈服强度 c 压痕深度 1 绪论1.1 前言铝合金具有密度小、重量轻，强度高及良好的耐蚀性、导电性、导热性，以及在低温下能保持良好的力学性能等优点，广泛应用于航空航天、汽车、电工、化工、交通运输等行业中。按照铝制产品的形式不同，分为变形铝合金和铸造铝合金。其中变形铝合金分为非热处理强化铝合金和热处理强化铝合金。非热处理强化铝合金可通过加工硬化、固溶强化提高力学性能，特点是强度中等、塑性及耐蚀性好，又称为防锈铝，其焊接性良好，是焊接结构中应用最广的铝合金。热处理强化铝合金是通过固溶、淬火、时效等工艺提高力学性能，主要包括硬铝、超硬铝和锻铝等。目前可用的非热处理强化铝合金有Al-Mg系的LF2、LF3、LF4、LF5、LF6、LF11和Al-Mn系的LF211。防锈铝与可热处理强化铝合金（如硬铝、锻铝）相比，焊接性良好，但在实际生产中常常会碰到很多问题，比如焊接气孔超标、焊接力学性能达不到标准要求，焊接变形过大等。这就要求在进行防锈铝焊接的同时，必须充分考虑其焊接特点，选择和应用合理的焊接方法和工艺，以此来保证焊接质量1。电阻焊（Resistance Welding）是工件组合按照一定的搭接方式，通过电极施加压力，利用电流通过接头接触面及邻近区域产生的电阻热进行焊接的方法，主要由点焊、凸焊、缝焊、电阻对焊和闪光对焊等组成2。电阻焊的物理本质是利用焊接区本身的电阻热和大量塑性变形能量，使两个分离表面的金属原子之间接近到晶格距离（0.30.5nm）形成金属键，在结合面上产生足够量的共同晶粒而得到焊点、焊缝或对接接头。其中电阻点焊由于具有能量集中、变形小、辅助工序少、无需填加焊接材料、生产效率高、操作简便和易于实现自动化等特点，特别适宜于焊接形状复杂零件和薄壁零件，而且便于实现自动化批量生产，所以越来越广泛的应用于航空、航天、制造工程、电器工业、汽车制造等行业生产中。但是由于点焊自身的特点使其在重要结构上的应用受到限制。电阻点焊具有大电流、短时间、压力状态下进行焊接的工艺特点，而且焊接过程具有隐蔽性，不易观察，所以在实际焊接生产过程中焊接操作者无法及时发现问题。电阻点焊的焊接过程是一个高度非线性、有多变量耦合作用和大量随机不确定因素存在的过程。焊接规范参数的设定、接触面的表面状态、电源的稳定性以及工作环境等都会对焊接质量产生影响。由于点焊的形核过程处于封闭状态，使熔核尺寸无论是在焊接期间还是在焊后都是无法直接观测到的，质量信息的提取比较困难；点焊的形核凝固时间很短，同时要求特定而又精确的温度场分布，焊接条件短时间的波动就会造成严重的后果，出现裂纹、缩孔、疏松、偏析、 1西安工业大学毕业设计（论文）压痕偏大、喷溅等焊接缺陷。这就使得点焊过程变得难以把握，焊接质量得不到有效控制3。1.2 铝合金1.2.1铝合金的概况Aluminum(铝)这一名词是从古罗马语Alumen(明矾)衍生而来的。铝在自然界分布极为广泛，地壳中铝的含量约为8%，仅次于氧和硅，位居第三位。而在地壳80多种稳定的金属元素中，铝的储量却是最高的。铝的密度小(2.7g/cm3)、属典型的轻金属材料。铝的导电性仅次于银和铜，居第三位，用于制造各种导线铝具有良好的导热性，可用作各种散热材料。铝还具有良好的抗腐蚀性能和较好的塑性，适合于各种压力加工。铝合金具有较好的强度，超硬铝合金的强度可达600MPa，普通硬铝合金的抗拉强度也达200450MPa，它的比钢度远高于钢，因此在机械制造中得到广泛的运用。铝合金按加工方法可以分为变形铝合金和铸造铝合金。变形铝合金又分为不可热处理强化型铝合金和可热处理强化型铝合金。不可热处理强化型铝合金不能通过热处理来提高机械性能，只能通过冷加工变形来实现强化，它主要包括高纯铝、工业高纯铝、工业纯铝以及防锈铝等。1.1.2 防锈铝防锈铝包括Al-Mn系、Al-Mg系合金以及工业纯铝。防锈铝主要性能特点是具有很高的塑性、较低或中等的强度、优良的抗腐蚀性能和良好的焊接性，适宜压力加工和焊接。此外，防锈铝不能借助于热处理的方法进行强化，为提高强度，常采用冷变形强化的方法，因此一般在退火或冷作硬化的状态下使用。Al-Mn系防锈铝合金。常用合金为LF21，锰为主要合金元素，在w（Mn）=1.6%时合金具有较高的强度、良好的塑性和工艺性能。LF21合金在室温下的组织为固溶体和在晶界上形成的+ Al6Mn共晶体。固溶体与Al6Mn电极电势几乎相等，因此合金的耐蚀性较好。该合金常用来制造需要弯曲、冷拉或冲压的零件，如油箱等。Al-Mg系防锈铝合金。常用合金为LF2、LF3、LF5及LF6等。镁是这种合金中最主要的因素，且溶解度较大，此外还加入少量的Mn、Ti等其他元素，因此Al-Mg系防锈铝合金具有很好的固溶强化效果，强度高于LF21。该系合金的耐腐蚀性能对其组织状态十分敏感，为使合金保持单一固溶体组织，以具有良好的抗蚀性，并便于塑性加工和焊接。此类铝合金的耐热性较差，高镁含量合金的使用温度不宜超过70。由于该系合金的密度比铝还小，因此在航空和航天工业中获得了广泛的应用，多用来制造焊接油路管道、容器铆钉、以及承受中等载荷的零件与制品4。1.3 铝合金的焊接方法由于铝合金的焊接有几大难点：铝合金焊接接头软化严重，强度系数低，这也是阻碍铝合金应用的最大障碍；铝合金表面易产生难熔的氧化膜（Al2O3其熔点为2060），这就需要采用大功率密度的焊接工艺；铝合金焊接容易产生气孔；铝合金焊接易产生热裂纹；线膨胀系数大，易产生焊接变形；铝合金热导率大(约为钢的4倍)，相同焊接速度大，热输入要比焊接钢材大24倍。因此，铝合金的焊接要求采用能量密度大，焊接热输入小，焊接速度高的高效焊接方法。针对铝合金的这些难点，主要焊接方法有：钨极惰性气体保护焊（TIG）、熔化极氩弧焊（MIG）、搅拌摩擦焊、激光焊和电阻焊等。钨极惰性气体保护焊（TIG）是以钨材料或钨的合金材料做电极，在惰性气体保护下进行焊接。由于铝合金的特点，焊接时要采用交流电源，以去除氧化膜，同时增加焊接电流。手工交流钨极氩弧焊具有设备简单、使用灵活方便的特点，在国内得到广泛的应用，但是其生产效率较低，对焊工操作技能要求高的局限性，所以多应用于厚度在12mm以下的铝合金焊接。熔化极惰性气体保护焊(MIG)是采用可熔化的焊丝与被焊工件之间的电弧作为热源来熔化焊丝与母材，从而使焊件连接起来的方法。由于MIG具有焊接质量好，生产效率高，使用厚度范围广，易于实现自动化或半自动化操作的特点，属于目前焊接铝合金应用最多的方法。搅拌摩擦焊是20世纪90年代由英国焊接研究所首先提出的，是一种新型的固相连接技术。其原理是用一种特殊形式的搅拌头插入工件的待焊部位，通过搅拌头高速旋转与工件间的搅拌摩擦，使该部位金属处于热塑性状态，并在搅拌头的压力作用下从其前端向后部塑性流动，从而使焊件压焊在一起。搅拌摩擦焊接铝合金存在一定缺点，如铝合金搅拌摩擦焊时速度低于熔化焊、焊件夹持要求高，对焊件要求加一定的压力、搅拌头适应性差，不同厚度铝合金要求不同结构的搅拌头、搅拌头磨损较快并且此工艺尚不成熟，目前仅限于结构简单的构件。激光焊是利用高能量的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法，具有高能量密度、高效率、适应性强等特点广泛应用于航空航天、汽车制造、轻工电子等领域。但这种工艺尚不成熟，焊接中存在一定的问题，如铝合金对激光能的吸收很低、合金元素烧损严重、热裂纹敏感性大等。电阻焊是将被焊工件压紧于两电极之间，并施以电流，利用电流流经工件接触面及邻近区域产生电阻热效应将其加热到熔化状态或塑性状态，使之形成金属结合的一种方法。电阻焊由于铝合金熔点低、屈服强度低、导电导热性能良好以及表面易形成致密氧化膜，所以点焊时需采用大电流、短时间的硬规范，但是其焊接质量随着焊接参数的变化波动明显，所以铝合金焊接工艺参数的优化设计非常重要5。1.4 电阻焊1.4.1 电阻焊的基本原理电阻焊是一种将金属工件连接在一起的焊接方法。它是通过对被焊工件之间施加和保持一定的压力，从而使工件之间形成一个稳定的接触电阻，然后使焊接电源输出的电流通过被焊工件之间的接触表面，产生热量，温度升高，局部熔化接触点，从而达到将金属工件焊接在一起的目的6。根据焦耳定律，Q=I2RT（Q热能，I通过的电流，R电阻，T电流通过的时间），精确控制电阻焊接的三要素，即电阻、电流和时间，就可以控制热能的大小。电阻焊接热量分布特性（见图1.1）。图1.1 电阻焊接的热量分布特性焊接中的接触电阻包括电极的电阻、工件的电阻和工件之间表面接触电阻，这三种电阻的分布和结构方式也决定了焊接过程的热量分布，通常表面接触电阻最大，因此，最高温度产生在工件接触点的中心，在此点使金属熔化并熔结在一起。电阻焊接过程中，无论是什么焊接材料，每一个焊点的形成过程，可分为彼此相连的三个阶段。第一阶段：使焊件的焊接处获得紧密的接触，以保证所需的接触电阻，如果预压时间不够，通电时可能烧坏电极或焊接表面；第二阶段：被挤压在电极间的焊件由电流通过时产生的热量加热，达到熔化状态，形成熔核，熔核外部的金属因通过的电流较小，只能达到塑性状态，形成包围状态的塑性环，塑性环对焊点强度有非常重要的影响；第三阶段：焊点熔化后，在冷却过程中金属结晶伴随着相当大的收缩，特别是铜电极的迅速散热作用，收缩非常急剧，所以在这个阶段一定要延迟解除电极的压力，使焊点在未完全冷却前，在电极的挤压作用下得到更紧密的组织。1.4.2 电阻焊主要方式及影响因素电阻焊接无需耗材，即无需焊条、焊丝和焊药等。焊接过程的耗热非常小，不会产生烟尘等有害物质，无刺眼的光污染，工作电压也比较小，因此是一种安全、经济、高效、可靠、无污染的环保型焊接方法。电阻焊焊接方法按其接头的不同可分为对接焊和搭接焊两类，其中搭接焊又分为点焊和缝焊。电阻焊的主要焊接方式包括：单点焊接方式。一个焊点，单一回路，生产中通常采用的方式；双点平行焊方式。两个焊点，电流回路有分流，有能量损失，但效率高；单点平行焊方式。一个焊点，应用于特殊情况；热熔点焊方式。利用电阻生热，特别适用于有被覆盖的线材的熔接。影响点焊、缝焊的焊点大小和强度的因素主要有以下几点。焊接电流Iw 析出热量与电流的平方成反比，所以焊接电流对焊点性能影响比较大。在其他参数不变时，当电流小于某值熔核不能形成，超过此值后，随电流增加熔核快速增大，焊点强度上升，而后因为散热量的增大而熔核增长速度减缓，焊点强度增加缓慢，如进一步提高电流则导致产生飞溅，焊点强度反而下降。在实际生产中，焊接电流的波动有时很大，其原因有：电网电压本身波动或多台焊接同时通电；铁磁体焊件深入焊接回路的变化；前点对后点的分流等。焊接时间tw 通电时间的长短直接影响输入热量的大小，在目前广为采用的同期控制电焊机上，通电时间是周波的整数倍。在其他参数固定的情况下，只有通电时间超过某最小值时才开始出现熔核，而后随通电时间的增长，熔核先快速增大，当选用电流适中时，进一步增加通电时间熔核增长速度变慢，渐趋稳定。但由于加热时间过长，组织变差，正拉力下降，会使塑性指标下降。当选用的电流较大时，则熔核长大到一定极限后会产生飞溅。电极压力F 电极压力的大小一方面影响电阻的数值，从而影响析热量的多少，另一方面影响焊件向电极的散热情况。过小的电极压力将导致电阻增大、析热量过多且散热较差，引起前期飞溅；过大的电极压力将导致电阻减小、析热量减小、散热良好、熔核尺寸缩小，尤其是焊透率显著下降。因此从节能角度来考虑，应选择不产生飞溅的最小电极压力。电极工作面尺寸 目前点焊时主要采用锥台形和球面形两种电极.锥台形的端面直径d或球面形的端部圆弧半径R的大小，决定了电极与焊件接触面积的多少，在同等电流时，它决定了电流密度的大小和电极压强的分布范围。一般应选用比期望获得的熔核直径大20%左右的工作面直径所需的端部尺寸。其次由于电极是内水冷却的，电极上散失的热量往往高达50%的输入总热量，因此端部工作面的波动或水冷孔端到电极表面的距离变化均将严重影响散热量的大小，从而引起熔核尺寸的波动。因此要求锥台形电极工作面直径在工作奇景每增大15%左右必须修复。而水冷孔端至表面距离在耗损至仅存34mm时应更换新电极。在电阻焊中，电极主要有三种不同的作用：一是电流密度保持均衡；二是聚集焊点处的电流；三是在焊接过程中保持热量的平衡。所以正确选择电极，使电极与被焊材料相匹配才能得到好的电阻焊质量。常见的电极材料有铬铜、钨铜、钨和钼。1.4.3 电阻点焊循环过程分析点焊过程由预压、焊接、维持和休止四个基本程序组成焊接循环，必要时刻增加附加程序，其基本参数为电流和电极力随时间变化的规律。图1.2为点焊时序图。图1.2 点焊时序图.预压（F0，I=0） 这个阶段包括 电极压力的上升和恒定两部分。为保证在通电时电极压力恒定，预压时间必须保证，尤其当需要连续点焊时，须充分考虑焊机运动机构动作所需时间，不能无限缩短。预压的目的是建立稳定的电流通道，以保证焊接过程获得重复性好的电流密度。对厚板或刚度大的冲压零件，有条件时可在此期间先加大预压力，而后再回复到焊接时的电极力，使接触电阻恒定而又不太小，以提高热效率。.焊接（F=Fw,I=Iw） 这个阶段是焊件加热熔化形成熔核的阶段。焊接电流可基本不变（指有效值），亦可为渐升或阶跃上升。在此期间焊件焊接区的温度分布经历复杂的变化后趋向稳定。起初输入热量大于散失热量，温度上升，形成高温塑性的连接区，并使中心与大气隔绝，保证随后熔化的金属不氧化，而后在中心部位首先出现熔化区。随着加热的进行熔化区扩大，而其外围的塑性环亦向外扩大，最后当输入热量与散失热量平衡时达到稳定状态。当焊接参数恰当时，可获得尺寸波动小于15%的熔化核心。在此期间可产生下列现象：液态金属的搅拌作用 液态金属通电时受到磁力作用产生漩涡状流动，当把熔核视作地球状且电极端处为两极，其运动方向为赤道部分由周围向球心流动而后流经两极在沿外表向赤道呈封闭状流动。对于同种金属点焊，搅拌仅须将焊件表面的氧化膜搅碎即可，但异种金属点焊时，必须充分搅拌以获得均质的熔化核心。但通电时间太短，搅拌不充分将产生漩涡状的非均质熔核。飞溅 飞溅按产生时期可分为前期和后期两种；按其产生部位可分为内飞溅（处于两焊件间）和外飞溅（焊件与电极接触侧）两种。前期飞溅产生的原因大致是：焊件表面清理不佳或接触面上压强分布严重不均，造成局部电流密度过高引起早期熔化，此时因没有塑性环保护必发生飞溅。防止前期飞溅的措施有：加强焊件清理质量，注意预压前的对中。有条件时可采用渐升电流或增加预热电流来减慢加热速度，避免早期熔化而引起飞溅。后期飞溅产生的原因是：熔化核心长大过度，超出电极压力有效作用范围，从而冲破塑性环在径向造成内飞溅，在轴向冲破板表面造成外飞溅。这种情况一般产生在电流较大、通电时间过长的场合。可用缩短通电时间及减小电流的方法来防止。飞溅在外表面首先影响外观，其次产生的疤痕影响耐腐蚀性能及疲劳性能。内部飞溅的残迹有可能在运行时脱落，如进入管道（如油管）将造成堵塞等严重事故。胡须 在加热到半熔化温度的熔核边缘，当某些材料（如高温合金）中低熔点夹杂物较多聚集在晶界处时，这部分杂质首先熔化并在电极压力的作用下被挤出呈空隙。在随后的过程中，空间有时能被液态金属充填满，这种组织形貌在金相试样上称为胡须，而未充填满的胡须犹如裂纹是一种危险缺陷。.维持（F0，I=0） 此阶段不再输入热量，熔核快速散热、冷却结晶。结晶过程遵循凝固理论。由于熔核体积小，且夹持在水冷电极间，冷却速度快，一般在几周波内凝固结束。由于液态金属处于封闭的塑性壳内，如无外力，冷却收缩时将产生三维拉应力，极易产生缩孔、裂纹等缺陷，故在冷却时必须保持足够的电极压力来压缩熔核体积，补偿收缩。对厚板、铝合金和高温合金等零件希望增加顶锻力来达到防止缩孔、裂纹。这时必须精确控制加顶锻力的时刻，过早液态金属将因压强突然升高使塑性环被冲破，产生飞溅；过晚则因凝固缺陷已形成而无效。此外加后热缓冷电流，降低凝固速度，亦有利于防止缩孔和裂纹的产生。.休止（F=0，I=0） 此阶段为恢复到起始状态所必须的工艺时间。.回火（F=Fw，0IIw） 此阶段仅在焊接淬硬钢时采用，一般插在维持时间内，当焊接电流结束，熔核完全凝固且冷却到完成马氏体转变之后再插入，其目的是改善金相组织。1.4.4 电阻焊的优缺点电阻焊方法自19世纪末问世以来发展迅速，尤其是随着汽车工业等大批量生产企业的兴起，其应用日趋广泛。据统计，目前电阻焊方法已占整个焊接工作量的1/4左右。它是零部件的毛坯准备，组合件制造的重要工艺方法之一。电阻焊在工业中主要用途有：各种形状相同截面的对接或环状零件的生产。例如建筑钢筋的接长、铁路钢轨的接长、刃具的异种钢毛坯对接，钢窗框架、自行车轮圈、汽车轮圈、锚链等的生产；各种薄板构件的生产。例如汽车外壳拼装，仪表柜、钢家具的生产，油桶、油箱、化工原料盛器、食品罐头等的制造；各种冲压件、挤压件之间及其对薄板的装焊。例如物品货架、动物笼、网格栅架、汽车止动闸、电气触头、不锈钢餐具等零部件的生产。与通常的熔焊工艺相比，电阻焊具有很多优点：热量集中、加热时间短、焊接变形小；冶金过程简单，一般不需要填充材料及熔剂，不需要保护气体；能适应多类同种及异种金属的焊接，包括镀层钢板的焊接；工艺过程简单，易于实现机械化及自动化，进行操作前不需要进行焊工的长期培训；焊接生产率高，成本低；劳动环境较好，污染小。但电阻焊也存在着一定的不足，这些缺点包括：设备复杂，需配备较高技术等级的维修人员，且造价较高，一次投资费用大；电容量大，且多数为单相焊机，对电网造成不平衡负载严重，必须接入容量较大的电网；对影响强度的某些内在指标（例如点焊的熔核直径及焊透率，对焊的熔合不良和灰斑等）目前尚缺少简便、实用的无损检测手段。因此阻碍了电阻焊在质量要求特别高的场合（如航空、航天工业等）的进一步推广应用。通过上述所说的优缺点，说明电阻焊主要用于生产批量大的场合，只有这样才能显示出其所具有的高生产率与高经济效应7。1.4.5 电阻焊的发展概况早期的电阻焊设备非常简单。在开关方面就经历了机械开关、继电器、引燃管、晶闸管等几个阶段。前两种开关的电阻焊机仍然存在，有的还在使用。机械开关式电阻焊机没有时间控制装置，焊接质量不稳定。采用整流元件后，使时间和电流的控制成为可能，这便是现在广泛使用的工频交流电阻焊机。随着对焊接质量要求的不断提高，以及电力电子技术的不断发展，出现了三相低频、次级整流、电容储能以及逆变式电阻焊机。目前应用较为广泛的是工频交流电阻焊机，在对焊接质量要求高的场合或在焊接有色金属时，采用三相低频或次级整流焊机，在焊接微小、细、薄件时，采用电容储能式焊机。从节能角度讲，普通工频电阻焊机的效率是很低的，若采用三相低频或次级整流焊机，其输入容量是单相交流电阻焊机的25%33%。但由于这两种焊机的体积庞大、成本高，所以未能得到普及。而逆变式电阻焊机利用了逆变技术将电网电压整流，逆变成1kHz左右的信号，经过中频变压器再整流，供给焊接区单向电流。随着航空航天、电子、汽车、家用电器等工业的发展，电阻焊越来越受到重视，同时对电阻焊的质量也提出了更高的要求，我国微电子技术的发展和大功率可控硅、整流器的开发，给电阻焊技术的提高提供了条件。目前我国已经生产了性能优良的次级整流焊机。由集成电路和微型计算机构成的控制箱已用于新焊机的配套和老焊机的改造。恒流、动态电阻、热膨胀等先进的闭环监控技术已经开始在生产中推广应用。1.5铝合金的电阻焊国外的学者对铝合金的点焊研究较多，而我国在这方面研究较少，英国学者M.HAO认为在低碳钢点焊时使用良好的动态电阻法不适合于铝合金点焊，在动态电阻与熔核直径或承载能力之间没有确定的关系。点焊铝合金时，电极位移与熔核直径之间的关系也是不确定的，单独使用热膨胀信息来预测铝合金点焊的熔核尺寸是很片面的。他认为用任何单一的参数来预测熔核直径及焊点强度都是不充分的。M.HAO利用从测得数据中提取出的几个特征信息预测了铝合金点焊熔核尺寸及承载强度，结果良好。90%熔核尺寸（直径）预测误差在（0.20.4）mm之间，90%焊点拉伸强度误差在(0.680.89)kN之间。M.HAO在最后的结论中提到仅测量电参数就可以预测焊接及焊点强度并检测是否发生飞溅。这会大大简化这一方法在生产应用所遇到的传感器问题8。各种铝合金与其他黑色金属相比，具有导热导电性好，热膨胀系数大，表面易氧化形成较大的接触电阻等共同特性，因此他们点焊与缝焊的主要特点是：由于电阻率小，热导率大，要求采用大电流、短时间的规范焊接，通常铝合金焊接所用焊接电流约为同厚度低碳钢的45倍。因此，要求有大容量的电源，这在一般交流焊机上往往难以满足。其次由于热导率大，焊件表面极易过热，使电极与焊件相互粘结，电极磨损加剧，表面质量下降。对表面包纯铝的硬铝合金来说，还将因电极的铜原子进入包铝层，使铝合金表面抗腐蚀性能降低。焊接时极易产生飞溅。由于铝合金的常温强度较高，表面又极易氧化而形成较高的接触电阻。焊接时瞬时通以强大的焊接电流，将使接触面上局部电流密度过大，瞬时熔化，而形成早期飞溅，影响焊件表面质量并使电极使用寿命下降。此外，由于铝合金的线膨胀系数大，在加热过程中，随着熔核的形成与扩大，焊接区金属体积的膨胀量大。这时，如果焊机加压机构的随动性不好，则会使加在熔核上的实际电极力突然增大，易将熔核周围的塑性环挤破，造成后期飞溅。对于硬铝合金来说，产生裂纹的倾向较大。硬铝合金含有一定量的铜元素。铜与铝可形成低熔点的共晶体，分布在晶界上。在熔核冷却结晶阶段，如果缺乏足够的电极力，则形成较大的收缩变形和应力，使熔核产生热裂纹。1.6 本文研究内容本文主要研究了1.5mmLF21防锈铝电阻点焊工艺条件下主要焊接参数对焊接接头性能的影响情况，并能够分析出在何种参数组合下焊接接头的各项性能均能达到较好的标准。同时进行金相组织分析，分析组织中出现的缺陷原因以及如何预防缺陷的产生。22 西安工业大学毕业设计（论文）2 试验准备与方案设计2.1 试验材料LF21铝合金属于铝锰系防锈铝的典型合金，是一种不可热处理强化的铝合金。该铝合金的特点是抗蚀性强、焊接性能好、并具有中等强度，在退火状态时塑性高，而在冷作硬化状态时塑性低但耐蚀性强，是一种应用最为广泛的防锈铝。常用作液体或气体介质中工作的低载荷零件，如油箱、导管及各种异形容器材料。试验用材料使用的是厚度为1.5mm的LF21铝合金板，尺寸规格（长宽厚）为150mm20mm1.5mm,其主要化学成分和力学性能分别如表2.1和表2.2所示。LF21防锈铝的主要强化相Al6Mn，杂质相为Al6（FeMn），或（Fe,Mn,Si）Al6等，但其杂质的存在减小了Mn的偏析，对细化晶粒有一定的促进作用。表2.1 LF21铝合金的主要化学成分（质量分数/%）合 金元 素CuMgMnFeSZnTiAl含量0.20.051.60.70.60.10.15余量表2.2 LF21铝合金的力学性能LF21加工状态抗拉强度b/ MPa屈服强度s/ MPa伸长率/%断面收缩率/%退火 130 50 20 70冷作强化 160 130 10 552.2 焊接试验2.2.1 焊接设备在焊接过程中所用到设备是D/TN-42型单相交流点(凸)焊机（见图2.1），具体参数如表2.3所示。焊接中采用了单相工频交流电源，电网交流380V电流经主电力开关及功率调节器输入到焊接变压器的一次绕组，再经过焊接变压器降压从其二次绕组输出大电流，用于焊接工件。D/TN-42型单相交流点(凸)焊机使用了SK-电阻焊控制器，用于实现焊接电流、电极压力、压紧力、顶锻力等工艺参数的调节与控制，保证焊接循环中各阶段工艺参数的动态波形相互匹配和时间控制，来实现规定的焊接循环，控制器启动开关启动后，程序从加压时间开始执行，执行过程时序图如图2.2所示，预压后进行一次加热，压力在加热时维持不变直到加热结束，进入冷却时间，冷却结束后开始第二次加热并维持压力的大小，接着压力减小进入休止状态。本试验采用了一次加热过程，即开关启动后，焊机处在加压焊接（通电）维持冷却的循环状态。图2.1 D/TN-42的交流单相点(凸)焊机表2.3 D/TN点(凸)焊机的主要参数焊机型号D/TN-42最大焊接功率23kV.A电源电压1.5Hz300V次级空载电压5.2V标准代号GB15578、GB/T8366、JB/T9529、JB/T1011050%负载持续率的标称功率40kV.A最大次级短路电流17.5kA电极臂间距（E）220mm电极臂伸出长度（L）500mm电极总行程（s）60mm电极工作行程（s1）60mm最小电极预压力（Fmin）1200N最大电极锻压力6000N冷却水压力（Ps）0.3MPa冷却水流量（Q）2dm3/min供气压力（PQ）0.5MPa整机重量280kg图2.2 控制器过程时序图2.2.2接头设计及试验准备根据焊接接头的不同，电阻焊分为了点焊、凸焊、缝焊和对焊，本试验采用了点焊接头，LF21防锈铝板尺寸规格为为150mm20mm1.5mm（长宽厚），接头设计如图2.3所示:图2.3 焊接接头设计(mm)由于铝合金的化学活性很强，在空气中表面极易形成难熔的氧化膜（Al2O3熔点约为2060），加之铝合金导热性强，所以焊接时易造成不熔合现象。因为氧化膜密度与铝的密度相近，也容易成为焊缝金属的夹杂物，同时，氧化膜可吸收较多水分而成为焊缝气孔的重要原因之一。所以必须在焊接前进行氧化膜的清理工作。试验中采用了砂纸进行氧化膜的清理，清理结束应尽快进行焊接，不能存放时间过长，以防止铝合金的再次氧化。2.2.3 焊接方案前期完成了对焊接接头的设计并在焊前对LF21防锈铝板进行了氧化膜的清理，接着在焊接前还需制定一个焊接过程中参数变化的焊接方案。试验方案采用了正交试验法，选择适当的正交表来制定合适的试验方案。正交科研设计法又称正交试验法或正交法，是一种安排和分析多因素试验的科学方法，它是以人们的生产实践经验、有关的专业知识和概率论与数理统计为基础，利用数学上的“正交性”原理而编制并已标准化了的表格正交表，来科学的安排试验方案和对试验结果进行计算、分析，找出最优的或较优的生产条件或工艺条件的数学方法。在电阻点焊过程中，对焊接结果影响比较重要的因素有焊接电流、通电时间、电极力、焊接速度、电极直径、电极间电压、焊接过程中的动态电阻等。由于焊接参数对焊接质量影响最大而且收集信息比较容易，其他因素比如电极直径、焊接速度。电极间电压等采集信息比较困难，而且焊接时通常可对这些因素采用固定值，所以，本试验选用了焊接电流、通电时间和电极压力这三个焊接参数来研究分析其对LF21防锈铝材料电阻点焊接头性能的影响情况。本试验确定要考察的因素有三个，即焊接电流Iw（因素A）、通电时间tw（因素B）、电极压力F（因素C），每个因素均取三个水平，即焊接电流A：A1=13.9kA，A2=15.2kA，A3=16.4kA；通电时间B：B1=0.18s，B2=0.22s，B3=0.20s；电极压力C：C1=2400N，C2=3600N，C3=3000N。列出的因素水平表如表2.4所示。表2.4焊接电流、通电时间与电极压力三因素水平表水 平因 素焊接电流A（kA）通电时间B(s)电极压力C(N)113.90.182400215.20.223600316.40.203000因素与水平选择好了以后，就开始选择合适的正交表。由于本试验的因素水平表为三因素三水平，所以选择了L9(34)正交表。将各个因素水平按“水平对号入座”的方法填入所选用的L9(34)正交表上，并列出试验方案如表2.5所示。表2.5焊接电流、通电时间与电极压力三因素试验方案试 验 号因 素焊接电流A（kA）通电时间B(s)电极压力C(N)列 号123411（13.9）1（0.18）1（2400）1212223133342（15.2）12（3600）3522（0.22）316231273（16.4）13（3000）283213933（0.20）21按照表2.5的方案焊接两组试样，其中一组试样用于拉伸试验，另外一组用于熔核直径的测量、焊透率的计算以及金相试样的制备。对试验结果分析可以得到影响焊接结果的最主要因素，所以还需设计一个两因素三水平的正交表来确定影响焊接结果的次要因素和影响最小的因素。这个两因素三水平表要考察的因素为：焊接电流Iw（因素A*）和通电时间tw（因素B*），每个因素均取三个水平，即焊接电流A*：A*1=13.9 kA，A*2=15.2 kA，A*3=16.4 kA；通电时间B*：B*1=0.18s，B*2=0.20s，B*3=0.22s。列出的因素水平表如表2.6所示。由于是两因素三水平表，所以仍然可以选用L9(34)正交表，将各项因素水平按照规律填入正交表中，并列出试验方案如表2.7所示。表2.6 焊接电流、通电时间两因素水平表水 平因 素焊接电流A*（kA）通电时间B*(s)113.90.18215.20.20316.40.22表2.7焊接电流、通电时间两因素试验方案试 验 号因 素焊接电流A*（kA）通电时间B*(s)列 号123411（13.9）1（0.18）11212223133342（15.2）123522（0.20）316231273（16.40.22）21完成试验方案的设计之后，按照试验方案进行焊接，每组焊接参数焊接两组试样，焊接完成后进行各项测试和测量工作。2.3 焊后分析过程介绍在材料的焊接完成后，还需要对焊件进行一系列的检验，包括撕破检验、低倍检验、接头显微组织检验和力学性能试验。金相分析是金属材料试验研究的重要手段之一，采用定量金相学原理，由二维金相试样磨面或薄膜的金相显微组织的测量和计算来确定合金组织的三维空间形貌，从而建立合金成分、组织和性能间的定量关系。本次试验的金相组织观看采用了型号为OLMPUS-PME3的金相显微镜（见图2.4），主要是对焊后LF21薄板铝合金焊接接头进行微观组织观测。对切割下来的试样经过锉刀的粗磨后，利用不同规格的砂纸进行细磨以及在抛光机上进行机械抛光，抛光中采用的抛光粉为氧化铬，进行抛光直至得到光亮无痕的镜面，接着进行浸蚀，利用浸蚀剂对试样的化学溶解将组织显露出来，在金相显微镜下对焊后的LF21防锈铝合金的组织特点以及出现的缺陷进行观察和分析。本次试验采用的浸蚀剂为氢氟酸水溶液（氢氟酸0.5mL+水100mL）。图2.4 OLMPUS-PME3的金相显微镜金属材料的力学性能是指金属在外加载荷作用下或载荷与环境因素（温度、介质和加载速率）联合作用下所表现的行为。金属材料的力学性能主要包括强度、硬度、塑性、耐磨性和缺口敏感性等性能。焊接完成后将选择一组对焊件进行拉伸试验。拉伸试验是指在承受轴向拉伸载荷下测定材料特性的试验方法，实验所用的设备为CMT电子万能材料试验机（见图2.5），利用拉伸试验所得到的数据可以确定材料的抗拉强度，用来检验材料是否符合标准和材料的性能。焊接接头质量的好坏最终反映在接头强度上，而接头强度主要取决于焊点的尺寸，表面与内部质量。表面质量是指焊件表面电极压痕深度大小，有无表面飞溅、烧伤、裂纹、粘连电极、翘曲变形及表面抗腐蚀性能的变化等。当接头上存在的内部或外部缺陷均在规定的标准允许的范围内时，则接头强度主要决定于焊点的几何尺寸，即焊点的熔核直径dR、焊透率A%与电极的压痕深度c。选择另外一组焊件进行测量熔核直径、压痕深度和焊透率等数据。压痕深度是指点焊和缝焊后，由于通电加压，在焊件表面上所产生的与电极端头形状相似的凹痕，它的出现属于正常现象。但过深的压痕将引起应力集中，降低动载性能，一般表面压痕应不大于单板厚度的10%20%。焊透率是指单板实际熔深h与焊后实际板厚（-c）之百分比，其公式为A=h/(-c) 100% 式中 A焊透率（%）； h熔深（mm）； c压痕深（mm）；板厚（mm）。焊透率A通常在20%80%内波动，一般以下限为佳，过大的熔深并不会增加强度。图2.5 CMT电子万能材料试验机3. 试验结果与分析讨论3 试验结果与分析讨论3.1 三因素焊接试验结果分析根据表2.5完成焊接电流、通电时间以及电极压力三因素正交焊接试验后，进行了拉伸试验、测量了熔核直径并且对焊透率进行了计算，各项测试及计算结果如表3.1所示。表3.1 焊接电流、通电时间与电极压力三因素焊接试验结果参数焊接电流Iw（kA）通电时间tw (s)电极压力F（N）熔核直径dR(mm)焊透率A（%）抗拉强度b(MPa)113.90.1824005.4653.3124.11213.90.2236005.0645.326.267313.90.2030003.7049.325.813415.20.1836002.803422.093515.20.2230005.8053.333.703615.20.2024005.606