李 艷，王皓軒，吳冠文，王日?qǐng)?，周曉?/p>

（1.廣州三五汽車部件有限公司，廣東廣州511455；2.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州510006）

隔熱罩三層鍍鋁鋼板電阻點(diǎn)焊工藝參數(shù)實(shí)驗(yàn)

李 艷1，王皓軒1，吳冠文1，王日?qǐng)?，周曉虎2

（1.廣州三五汽車部件有限公司，廣東廣州511455；2.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州510006）

以確定汽車發(fā)動(dòng)機(jī)隔熱罩三層鍍鋁鋼板電阻點(diǎn)焊良品工藝參數(shù)為目的，采用電阻點(diǎn)焊產(chǎn)品外部品質(zhì)（目視）和內(nèi)部品質(zhì)（宏觀金相檢驗(yàn)）的判定標(biāo)準(zhǔn)，以厚度組合為0.5 mm×0.5 mm×1.0 mm的鍍鋁鋼板為研究對(duì)象，針對(duì)焊接電流、焊接時(shí)間對(duì)點(diǎn)焊品質(zhì)的影響規(guī)律進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，并確定了一組三層鍍鋁鋼板的電阻點(diǎn)焊良品工藝參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在采用CuCr型電極材料的條件下，具體良品工藝參數(shù)為：焊接電流7.5 kA，焊接時(shí)間16周波0.32 s，電極壓力1.7 kN，電極交換點(diǎn)數(shù)104點(diǎn)。為相關(guān)理論分析和數(shù)值模擬提供了可靠的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

三層鍍鋁鋼板；電阻點(diǎn)焊；工藝參數(shù)；隔熱罩

0 前言

在焊接技術(shù)領(lǐng)域，電阻點(diǎn)焊作為重要分支，占據(jù)了世界焊接總量的三分之一。在汽車制造產(chǎn)業(yè)中，汽車車身、表面薄板等零部件的點(diǎn)焊又占據(jù)總焊接數(shù)的95%以上[1]。鍍層鋼板（如鍍鋅鋼板、鍍鋁鋼板）因具有良好的抗腐蝕性，在汽車產(chǎn)業(yè)中不斷得到推廣使用[2]。對(duì)于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)隔熱罩，要求其質(zhì)量輕、抗腐蝕、隔熱效果好，其中隔熱效果尤為重要，三層鍍鋁鋼板既能滿足車身輕量化又能達(dá)到較好的隔熱效果，非常適合應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)隔熱罩上，其加工工藝多采用電阻點(diǎn)焊工藝，但存在以下兩方面的困難：（1）熔核形成較無(wú)鍍層鋼板困難，鍍鋁層因熔點(diǎn)低、導(dǎo)電好、易破壞、散熱快等特點(diǎn)[3]，焊接時(shí)鍍鋁層先熔化，導(dǎo)電面積增大；熔化后的鍍鋁層與銅電極端面粘結(jié)，形成導(dǎo)熱性差的新合金，使得點(diǎn)焊接觸電阻變大、通過(guò)的電流密度小、熔核直徑不夠以及熔核高度較淺[4]，最終導(dǎo)致產(chǎn)品強(qiáng)度不夠。（2）三層鋼板點(diǎn)焊相比二層鋼板點(diǎn)焊更易產(chǎn)生飛濺[1]，這是因?yàn)槿龑愉摪灞榷愉摪宥嗔艘粚娱g隙，該間隙容易導(dǎo)致點(diǎn)焊過(guò)程中產(chǎn)生較嚴(yán)重的飛濺現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致焊接品質(zhì)不穩(wěn)定。

當(dāng)只考慮焊接電流這一點(diǎn)焊參數(shù)條件時(shí)，增大電流更有助熔核的形成，與更容易產(chǎn)生飛濺相矛盾。為此，在保證產(chǎn)品質(zhì)量兼顧兩方面困難的基礎(chǔ)上，如何合理地選擇點(diǎn)焊工藝參數(shù)顯得尤為重要。目前針對(duì)三層鍍鋁鋼板點(diǎn)焊工藝方面的研究較少，尤其是實(shí)驗(yàn)方面的數(shù)據(jù)相對(duì)缺乏。在此以厚度分別為0.5 mm、0.5 mm和1.0 mm的鍍鋁鋼板為研究對(duì)象，開展點(diǎn)焊工藝優(yōu)化試驗(yàn)，確定可用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)隔熱罩三層鍍鋁鋼板產(chǎn)品量產(chǎn)的最佳點(diǎn)焊工藝參數(shù)，研究工藝參數(shù)對(duì)點(diǎn)焊品質(zhì)的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 點(diǎn)焊工藝良品參數(shù)確定

點(diǎn)焊工藝研究分為工藝實(shí)驗(yàn)法和模擬分析法。由于三層板連接的復(fù)雜性（厚度變化和層數(shù)變化），研究良品工藝參數(shù)非常困難，最常用的方法是實(shí)驗(yàn)法[1]。本研究確定隔熱罩點(diǎn)焊工藝良品參數(shù)的實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。

圖1 點(diǎn)焊工藝良品參數(shù)確定流程

步驟③根據(jù)產(chǎn)品材質(zhì)和板厚結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)焊經(jīng)驗(yàn)初步確定鍍鋁鋼板用的基礎(chǔ)工藝參數(shù)：焊接電流，焊接時(shí)間、電極壓力。步驟④品質(zhì)判斷標(biāo)準(zhǔn)：對(duì)其結(jié)果通過(guò)目視進(jìn)行外部品質(zhì)判定，通過(guò)宏觀金相檢驗(yàn)進(jìn)行內(nèi)部品質(zhì)判定。步驟⑥確認(rèn)良品工藝參數(shù)后使用同一電極進(jìn)行大量試做直到出現(xiàn)品質(zhì)不合格。因?yàn)辄c(diǎn)焊時(shí)電極的狀態(tài)變化，會(huì)引起焊接過(guò)程中動(dòng)態(tài)電阻的突變，當(dāng)該電阻突變后，點(diǎn)焊焊點(diǎn)均不合格[5]。通過(guò)試做找到突變時(shí)對(duì)應(yīng)的電極點(diǎn)數(shù)，一方面可以抽檢確認(rèn)突變前品質(zhì)穩(wěn)定性，另一方面可以確認(rèn)電極交換頻度，保證焊接質(zhì)量，得出良品參數(shù)。

1.2 點(diǎn)焊品質(zhì)判定標(biāo)準(zhǔn)

隔熱罩三層鍍鋁鋼板點(diǎn)焊品質(zhì)的判定標(biāo)準(zhǔn)主要從外部品質(zhì)和內(nèi)部品質(zhì)兩方面進(jìn)行。外部品質(zhì)判定標(biāo)準(zhǔn)：點(diǎn)焊過(guò)程中無(wú)明顯焊渣飛濺現(xiàn)象，焊接部無(wú)開裂和凹坑。內(nèi)部品質(zhì)判定標(biāo)準(zhǔn)：在宏觀金相試樣上用顯微鏡測(cè)定焊點(diǎn)熔核直徑和熔核單側(cè)高度，通過(guò)熔核直徑（d）和焊透率（A）判定點(diǎn)焊質(zhì)量。一般結(jié)構(gòu)的薄鋼板（δ＜4 mm），其焊點(diǎn)熔核直徑規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)滿足式（1）；焊透率規(guī)格應(yīng)滿足20%≤A≤80%，其具體計(jì)算見式（2）

式中d為熔核直徑（單位：mm）；δ為多層板中最薄板厚（單位：mm）。

式中A為焊透率（單位：%）；H為熔核單側(cè)高度（單位：mm）；δ為實(shí)測(cè)板厚（單位：mm）。

不同材料或不同板厚的點(diǎn)焊，焊透率的要求不同，過(guò)大或者過(guò)小都會(huì)影響點(diǎn)焊性能[6]。此處只需保證焊點(diǎn)強(qiáng)度，選擇下限，實(shí)驗(yàn)中根據(jù)板厚確定焊透率的規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)為A≥20%。宏觀金相試樣的熔核直徑尺寸示意如圖2所示。

圖2 三層板點(diǎn)焊形成的熔核結(jié)構(gòu)示意

2 實(shí)驗(yàn)材料和設(shè)備

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用鋼板代號(hào)為A，B，C，材質(zhì)均為熱鍍鋁鋼板，其中A型板厚為1.0 mm，B型和C型板厚為0.5 mm，各型號(hào)原鋼板化學(xué)成分如表1所示。熱鍍鋁鋼板的鍍層附著量及力學(xué)性能如表2所示。

表1 原鋼板的板厚及成分質(zhì)量含量

表2 熱鍍鋁鋼板鍍層附著量及力學(xué)性能

需要指出的是，B型鋼板和C型鋼板通過(guò)沖壓工藝貼合形成一個(gè)沖壓品整體D，如圖3所示。點(diǎn)焊工藝流程中，A型鋼板和沖壓品D通過(guò)電阻點(diǎn)焊形成一個(gè)組裝品E，如圖4所示。

圖3 沖壓品D

圖4 組裝品E

電阻點(diǎn)焊工藝4個(gè)焊點(diǎn)的位置和點(diǎn)焊順序如圖5所示。A、B、C型鋼板點(diǎn)焊搭接示意如圖6所示。由于鍍鋁層的導(dǎo)電導(dǎo)熱性好，需要較大的焊接電流，應(yīng)采用導(dǎo)電性適中且硬度較高的電極進(jìn)行點(diǎn)焊。硬銅合金的球面電極滿足此類條件，廣泛應(yīng)用于鍍鋁鋼板點(diǎn)焊[6]。本實(shí)驗(yàn)采用電極材料為CuCr，球面半徑8 mm，點(diǎn)焊上下電極型號(hào)一樣，如圖7所示。

圖5 點(diǎn)焊順序

圖6 點(diǎn)焊鋼板搭接

圖7 點(diǎn)焊用電極

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及流程方案

實(shí)驗(yàn)設(shè)備及流程方案如圖8所示。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容由兩部分組成，一部分是產(chǎn)品生產(chǎn)設(shè)備（具體見圖8中的“產(chǎn)品生產(chǎn)”部分）。使用的主要設(shè)備有點(diǎn)焊機(jī)和工業(yè)機(jī)器人。點(diǎn)焊機(jī)由YR-500S型的單向交流電阻焊機(jī)（電源電壓380 V，額定功率50 kVA，最大短路電流19.5kA，最大電極壓力11.7 kN）和YF-0201Z5型的電阻焊機(jī)控制器組成，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行點(diǎn)焊工藝加工。此外，為保證焊點(diǎn)位置的穩(wěn)定性，還使用YR-UP50NA00型的搬運(yùn)機(jī)器人進(jìn)行產(chǎn)品點(diǎn)焊前后的搬運(yùn)。

另一部分是產(chǎn)品檢測(cè)設(shè)備及流程（具體見圖8中的“產(chǎn)品檢測(cè)”部分），主要用于產(chǎn)品內(nèi)部品質(zhì)測(cè)定?；玖鞒毯椭饕O(shè)備有：（1）使用LGK8-63TSMI型的空氣等離子弧切割機(jī)進(jìn)行產(chǎn)品初步切割加工。（2）使用鋸片切割機(jī)切割產(chǎn)品焊道中部，進(jìn)行產(chǎn)品細(xì)切加工。（3）部品焊點(diǎn)采用XQ-1型金相試樣鑲嵌機(jī)進(jìn)行鑲嵌。（4）鑲嵌完的試樣用YM-2A型的金相試樣預(yù)磨機(jī)對(duì)焊點(diǎn)的切斷面進(jìn)行研磨。（5）機(jī)械拋光及清洗，使用5%硝酸液對(duì)焊道切斷面進(jìn)行腐蝕處理，擦拭1～2 s，確保焊點(diǎn)熔核單側(cè)高度清晰可見后立刻將試樣放入清水內(nèi)，清洗干凈后擦凈烘干試樣上的殘留水。（6）觀測(cè)測(cè)量。使用VHX-2000型數(shù)碼顯微鏡，觀察和測(cè)量熔核直徑、熔核單側(cè)高度和點(diǎn)焊后的板厚。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 基礎(chǔ)工藝參數(shù)選擇與確認(rèn)

圖8 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及流程方案示意

影響點(diǎn)焊品質(zhì)的三要素為：焊接電流、焊接時(shí)間、電極壓力。焊接電流、焊接時(shí)間對(duì)三層板焊接質(zhì)量影響顯著[1]，電極壓力是點(diǎn)焊三要素影響最小的因素[6]。根據(jù)產(chǎn)品材質(zhì)和板厚，參照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)鍍鋁鋼板點(diǎn)焊的工藝參數(shù)，初步選定工藝參數(shù)為：焊接電流8.5 kA，焊接時(shí)間13周波，電極壓力1.7 kN。用此條件進(jìn)行試做，品質(zhì)結(jié)果如表3所示，此處4個(gè)焊點(diǎn)都進(jìn)行了內(nèi)部品質(zhì)宏觀金相檢驗(yàn)，隨機(jī)選取其中一個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)列出。外部品質(zhì)不良的現(xiàn)象為焊接過(guò)程有中等飛濺。根據(jù)內(nèi)部品質(zhì)判斷標(biāo)準(zhǔn)式（1）和式（2），得出0.5 mm板厚對(duì)應(yīng)的熔核直徑規(guī)格為大于等于2.82 mm，焊透率規(guī)格為大于等于20%，其內(nèi)部品質(zhì)金相試樣放大圖如圖9所示。

表3 參數(shù)1試做結(jié)果

圖9 參數(shù)1金相試樣放大圖

由圖9可知，熔核直徑較大，最小熔核直徑為4.72 mm，超出要求63%以上；最小熔透率為46.5%，超出要求26.5%。從數(shù)據(jù)上看，焊接參數(shù)可調(diào)整范圍較大。

3.2 良品工藝參數(shù)選擇與確認(rèn)

一般隨著焊接電流的減少，熔核直徑和飛濺隨之減小。為了減少飛濺，進(jìn)行四組數(shù)據(jù)試做。參數(shù)2以工藝參數(shù)1為基礎(chǔ)，在電極壓力不變的情況下，焊接電流減小1 kA，焊接時(shí)間增加3 Hz；參數(shù)3、4、5以參數(shù)2為基礎(chǔ)，在電極壓力不變的情況下，分別單因素降低焊接時(shí)間3 Hz和降低電流0.5 kA、1 kA進(jìn)行試做。品質(zhì)結(jié)果如表4所示，外部品質(zhì)焊接過(guò)程中均無(wú)飛濺。內(nèi)部品質(zhì)金相試樣放大圖分別如圖10～圖13所示。

圖10 參數(shù)2金相試樣放大圖

結(jié)果表明，參數(shù)2在減小電流和增加時(shí)間后，電流密度降低，飛濺減少。整體焊接熱量趨近原來(lái)參數(shù)1，熔核直徑和焊透率都較大，符合良品工藝參數(shù)。

表4 參數(shù)2、3、4、5試做結(jié)果

圖11 參數(shù)3金相試樣放大圖

圖12 參數(shù)4金相試樣放大圖

圖13 參數(shù)5金相試樣放大圖

單因素對(duì)比參數(shù)1和參數(shù)3的試做結(jié)果，焊接電流減小，薄板BC間的熔核直徑和焊透率均為0，厚板A與薄板B間的熔核直徑減小，焊透率增加，飛濺減少。這是因?yàn)楹附与娏鹘档?，焊接熱量減少，產(chǎn)品通過(guò)焊接電流處局部發(fā)熱，發(fā)生塑性變形導(dǎo)致形成的塑性金屬環(huán)減小，所以熔核直徑減小。同時(shí)避免了塑性金屬環(huán)在電極壓力下發(fā)生崩潰，防止熔化金屬?gòu)暮讣g或焊件表面溢出，所以飛濺減少。而當(dāng)不等厚鋼板點(diǎn)焊時(shí)，薄板的散熱效果更好，熱量損失大，厚板的電阻大，吸收熱量多，所以焊接時(shí)熔核中心會(huì)向熱量更多的厚板偏移[7]，增加厚板的焊透率。由于熔核向厚板偏移現(xiàn)象以及焊接熱量減小的綜合作用，就會(huì)出現(xiàn)薄板C沒(méi)有熔核高度、熔核直徑和焊透率均為0的情況。

單因素對(duì)比參數(shù)2和參數(shù)3的試做結(jié)果，焊接時(shí)間減少，薄板BC間的熔核直徑和焊透率均為0，厚板A與薄板B間的熔核直徑也出現(xiàn)減小，焊透率增加，均無(wú)飛濺。分析可知，焊接時(shí)間的減少導(dǎo)致焊接熱量的減少，使熔核直徑減小，加上多層板點(diǎn)焊時(shí)熔核偏移現(xiàn)象，導(dǎo)致薄板C的熔核直徑和焊透率為0。

綜合對(duì)比參數(shù)2、3、4、5的試做結(jié)果，當(dāng)減少焊接電流或焊接時(shí)間任何一個(gè)因素時(shí)，焊接熱量會(huì)減少，從而導(dǎo)致熔核直徑減小。整體熱量小于某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)，外側(cè)薄板C無(wú)法形成熔核直徑。為了改善多層鋼板點(diǎn)焊熔核偏移的現(xiàn)象，適宜用較大熱量的焊接條件，同時(shí)為了減小飛濺，不宜使用太大的焊接電流。

從試做結(jié)果選定參數(shù)2（焊接電流7.5 kA，焊接時(shí)間16 Hz，電極壓力1.7 kN）為良品工藝參數(shù)。

3.3 良品工藝參數(shù)穩(wěn)定性及電極交換頻度確認(rèn)

點(diǎn)焊電極由于使用次數(shù)增加發(fā)生磨損，一直使用會(huì)出現(xiàn)失效影響點(diǎn)焊品質(zhì)的情況。為此進(jìn)行良品工藝參數(shù)穩(wěn)定性及電極交換頻度的確認(rèn)很有必要。本實(shí)驗(yàn)以工藝參數(shù)2為條件，使用新電極進(jìn)行試做直到出現(xiàn)品質(zhì)不合格為止。每個(gè)部品進(jìn)行外部品質(zhì)確認(rèn)，焊接飛濺從125點(diǎn)開始逐漸出現(xiàn)且為增加趨勢(shì)。每點(diǎn)焊4點(diǎn)取一個(gè)進(jìn)行內(nèi)部品質(zhì)確認(rèn)，品質(zhì)熔核直徑和焊透率結(jié)果如圖14、圖15所示。

圖14 電極使用點(diǎn)數(shù)與熔核直徑關(guān)系

圖15 電極使用點(diǎn)數(shù)與焊透率關(guān)系

由圖14可知，當(dāng)電極使用點(diǎn)數(shù)小于137點(diǎn)時(shí)，焊點(diǎn)的熔核直徑均合格，當(dāng)電極使用點(diǎn)數(shù)為137點(diǎn)時(shí)，熔核直徑不合格，0.5 mm的鋼板B與鋼板C開始出現(xiàn)熔核直徑小于規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)2.82 mm的情況。由圖15可知，當(dāng)電極使用點(diǎn)數(shù)小于133點(diǎn)時(shí)，焊點(diǎn)的焊透率均合格，當(dāng)電極使用點(diǎn)數(shù)為133點(diǎn)時(shí)，0.5 mm的鋼板C出現(xiàn)焊透率A1低于規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)20%的現(xiàn)象。

這是因?yàn)殡S著電極使用次數(shù)的增加，與工件接觸的電極端面發(fā)生磨損和變形，接觸面積增大，電流密度降低，無(wú)法使板材間局部加熱到熔化或塑性狀態(tài)，導(dǎo)致熔核直徑不夠。同時(shí)由于板材是鍍鋁鋼板，在焊接時(shí)鍍鋁層因?yàn)槿埸c(diǎn)低先熔化粘附在電極上，過(guò)厚的鍍鋁層導(dǎo)致電流不能通過(guò)或者局部通過(guò)。電流不能通過(guò)時(shí)引起熔核直徑不夠，質(zhì)量低下；電流局部通過(guò)時(shí)，電流密度太大產(chǎn)生點(diǎn)焊飛濺。電極上鍍鋁層的不均勻也會(huì)引起不同焊點(diǎn)加熱不均，最終導(dǎo)致焊接品質(zhì)不穩(wěn)定[6]。綜合考慮上述隱患，當(dāng)電極使用到一定點(diǎn)數(shù)時(shí)需更換新電極或者研磨修復(fù)表面才能保證焊點(diǎn)品質(zhì)的合格及穩(wěn)定性。

因?yàn)楹更c(diǎn)品質(zhì)在電極使用點(diǎn)數(shù)133點(diǎn)開始不合格，現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)電極交換頻度取0.8的安全系數(shù)，即132×0.8=105.6，一個(gè)組裝品上有4個(gè)焊點(diǎn)，為了避免組裝品點(diǎn)焊到50%時(shí)交換電極的情況，電極交換頻度取離105.6最近的4的倍數(shù)，即104點(diǎn)交換電極。

4 結(jié)論

（1）鍍鋁鋼板點(diǎn)焊時(shí)，電極易與鍍層粘附，需及時(shí)研磨修復(fù)電極或更換新電極以保證焊接品質(zhì)及其穩(wěn)定性。

（2）鍍鋁鋼板點(diǎn)焊的工藝參數(shù)較窄，電流過(guò)大容易產(chǎn)生飛濺，電流過(guò)小容易使先熔化的鍍層阻礙熔核直徑的形成，需嚴(yán)格控制點(diǎn)焊工藝參數(shù)。

（3）電極材料為CuCr時(shí)，電阻點(diǎn)焊的良品工藝參數(shù)為：焊接電流7.5 kA，焊接時(shí)間16周波0.32 s，電極壓力1.7 kN，電極交換點(diǎn)數(shù)104點(diǎn)。

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Experimental study on resistance spot welding parameters of three layer aluminized steel plate for heat shield

LI Yan1，WANG Haoxuan1，WU Guanwen1，WANG Riyao1，ZHOU Xiaohu2
（1.SANGO Co.，Ltd.，Guangzhou 511455，China；2.School of Electro-Mechanical Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China）

To determine the resistance spot welding process parameters of car engine heat shield three layer aluminized steel for the purpose of good product quality，the external resistance spot welding products(visual)and internal quality(macroscopic metallographic examination)criterion to thickness combination was 0.5 mm×0.5 mm×1.0 mm type aluminum plate as the research object，aiming at the key factors of welding current law of welding time on spot welding quality was studied,and the yield of resistance spot welding process parameters of a group of three layer aluminized steel plate was determined.The experimental results show that when using CuCr type electrode materials under the condition of specific yield parameters：welding current 7.5 kA，welding time 16 cycle 0.32 s，electrode pressure 1.7 kN，the electrode exchange points 104 points.It provides reliable experimental data for theoretical analysis and numerical simulation.

three layer aluminized steel plate；resistance spot welding；technique parameters；heat shield

TG406

A

1001－2303（2017）04－00

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.04.

獻(xiàn)

郭吉昌，朱志明，閆國(guó)瑞，等.基于UG的弧焊機(jī)器人離線編程系統(tǒng)開發(fā)[J].電焊機(jī)，2017，47（01）：1-6.

2016-10-07；

：2016-12-14

李 艷（1990—），女，廣東人，工程師，學(xué)士，主要從事焊接技術(shù)的研究工作。