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湖北工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)PAGEPAGE35摘要鋁合金電阻點(diǎn)焊技術(shù)是一項(xiàng)即將在汽車(chē)制造中獲得廣泛應(yīng)用的技術(shù),其在各種焊接方法中,具有靜強(qiáng)度高、可靠性好、性能穩(wěn)定、產(chǎn)效率高和易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn),對(duì)車(chē)身的輕量化有著重要的作用及研究意義,但鋁合金電阻焊生本身也具有很大的焊接缺陷,包括鋁合金的焊接性不好、焊點(diǎn)質(zhì)量不穩(wěn)定、電極燒損嚴(yán)重使用壽命短等,需要我們更好的試驗(yàn)研究,解決鋁合金的焊接問(wèn)題。本文慨述了鋁合金電阻點(diǎn)焊的工藝特點(diǎn)、點(diǎn)焊工藝中的問(wèn)題,以及國(guó)內(nèi)外在這方面的研究現(xiàn)狀,進(jìn)行了焊接接頭的影響因素的試驗(yàn),并指出了鋁合金點(diǎn)焊時(shí)影響接頭質(zhì)量穩(wěn)定性的因素及工藝缺陷。對(duì)工藝焊接參數(shù)進(jìn)行了正交分析實(shí)驗(yàn),獲得了最佳的工藝優(yōu)化,完成了鋁合金的加工工藝設(shè)計(jì)。AbstractResistancespottechnologyofAluminumisappliedwidelyinautomobilemanufacturing.InItsvariousweldingmethod,withtheadvantagesofstaticstrength,highreliability,performancestability,highproductionefficiencyandeasytorealizeautomation.It`splayaimportantroleinthelightweightofcarandhaveagreatresearchsignificance.Butaluminumalloyresistancewe-ldingitselfalsohasgreatweldingdefects.Includingthebadofaluminumalloyweldingsex,anstableofsolderqualityandsoon.Thenweneedtosolvetheexperimentalresearchofalum-inumweldingproblembetter.Thispaperdescribestheprocesscharacteristicsofaluminiumalloyresistancespot.theproblemofweldingprocessandtheresearchstatusinthisrespectathomeandabroad.wehaveaexperimentofthefactorsinweldingjoint.Pointedoutthemajorfactorswhichaffectofthequalityofweldingjointsinaluminumalloyspot.Andwehaveaorthogonalanalysisexperimentoftheprocessofweldingparameters.Thelast,AcquiredoptimalprocessoptimizationandCompletedthedesignofaluminumalloyprocessing.目錄摘要 Abstract 目錄 第一章緒論 11.1前言 11.2鋁合金電阻點(diǎn)焊研究的必要性 11.3鋁合金點(diǎn)焊所存在的問(wèn)題及現(xiàn)狀研究 31.3.1所存在的問(wèn)題 31.3.2問(wèn)題的研究 61.4本文研究的內(nèi)容以及方案 7第二章鋁合金電阻點(diǎn)焊工藝特點(diǎn)分析 82.1電阻點(diǎn)焊的原理及特點(diǎn) 82.1.1焊點(diǎn)的形成 82.1.2點(diǎn)焊的工藝參數(shù) 92.1.3點(diǎn)焊的焊接循環(huán) 102.1.4點(diǎn)焊的應(yīng)用 102.2鋁合金電阻點(diǎn)焊的工藝特點(diǎn) 112.2.1焊接性能分析 112.2.2工藝特點(diǎn)及分析 122.2.3工藝措施及焊機(jī)的選擇 132.3微量元素在鋁合金電阻焊中的作用 132.4焊前的工件清理 142.5電阻點(diǎn)焊的焊接工藝參數(shù) 152.6本章小結(jié) 17第三章鋁合金點(diǎn)焊的試驗(yàn)設(shè)計(jì)及其分析 183.1實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備 183.1.1實(shí)驗(yàn)材料 183.1.2試驗(yàn)設(shè)備 183.2試驗(yàn)方法 193.2.1加壓方式 203.2.2實(shí)驗(yàn)參數(shù) 213.2.3試驗(yàn)結(jié)果 213.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 243.3.1焊接電流不同對(duì)工藝的影響 243.3.2焊接時(shí)間不同對(duì)接頭的影響 253.3.3電極壓力對(duì)接頭性能的影響 263.4點(diǎn)焊缺陷及其影響 273.4.1未熔合與未完全熔合 273.4.2縮孔、裂紋與結(jié)合線伸入 283.4.3表面燒傷、燒穿和噴濺 293.4.4過(guò)燒和晶間腐蝕 293.5本章小結(jié) 30第四章鋁合金電阻焊的加工參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì) 314.1引言 314.2點(diǎn)焊工藝參數(shù)優(yōu)化的理論基礎(chǔ) 314.2.1正交實(shí)驗(yàn)法的基本思路 314.2.2正交試驗(yàn)的理論基礎(chǔ) 314.3鋁合金電阻點(diǎn)焊的正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 344.4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析 354.5實(shí)驗(yàn)結(jié)論 364.6本章小結(jié) 36致謝 38參考文獻(xiàn) 39第一章緒論1.1前言隨著我國(guó)工業(yè)的迅猛發(fā)展,對(duì)工業(yè)產(chǎn)品(特別是汽車(chē))外殼用材的性能提出了更高的要求,并促進(jìn)了產(chǎn)品鋼材的更新?lián)Q代。例如:為了減輕車(chē)身總體質(zhì)量,節(jié)省能源消耗,世界各大汽車(chē)公司正在開(kāi)發(fā)鋁合金或高強(qiáng)鋼車(chē)身的汽車(chē).鋁合金的應(yīng)用和鋁合金焊接技術(shù)的發(fā)展是相輔相成的,汽車(chē)上的鋁合金結(jié)構(gòu)件多數(shù)要求焊接.并要求焊縫有良好機(jī)械性能。在汽車(chē)制造業(yè)長(zhǎng)期以來(lái)廣泛應(yīng)用的電阻點(diǎn)焊工藝方法,具有機(jī)械化、自動(dòng)化程度高、生產(chǎn)率高、焊接質(zhì)量可靠的特點(diǎn)。將單個(gè)零件拼接成車(chē)身結(jié)構(gòu)的工作屬于汽車(chē)制造商的核心技術(shù)。為保證焊接質(zhì)量,研究鋁合金等新材料的電阻點(diǎn)焊性能已成了非常迫切的任務(wù)。近年來(lái),各國(guó)焊接工作者就此做了大量的理論及實(shí)際研究工作,并取得了一定的成績(jī)。鋁及其合金是汽車(chē)輕量化的最重要材料,同時(shí)鋁的消費(fèi)指標(biāo)及生產(chǎn)能力也是衡量一個(gè)國(guó)家和地區(qū)工業(yè)發(fā)展基礎(chǔ)和技術(shù)進(jìn)步程度的重要標(biāo)志—[1]。鋁合金電阻焊連接技術(shù)在汽車(chē)車(chē)體組裝過(guò)程中占有重要地位,是汽車(chē)車(chē)體生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)。近年來(lái),汽車(chē)工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都有鋁制車(chē)體的概念車(chē)或批量生產(chǎn)的車(chē)型問(wèn)世,而我國(guó)在汽車(chē)車(chē)體輕量化應(yīng)用研究方面基本屬于空白。在國(guó)產(chǎn)化的鋁合金汽車(chē)車(chē)體研究中,采用傳統(tǒng)的電阻點(diǎn)焊技術(shù),遇到許多困難:如設(shè)備投資巨大、電力消耗嚴(yán)重、焊接質(zhì)量不穩(wěn)定及需要進(jìn)行大量鋁合金電阻點(diǎn)焊工藝研究開(kāi)發(fā)等(目前,國(guó)內(nèi)在鋁合金電阻點(diǎn)焊方面仍存在許多有待解決的問(wèn)題)。因此,為了推廣鋁合金在汽車(chē)、家電等行業(yè)中的應(yīng)用,必須對(duì)鋁合金的點(diǎn)焊性能作進(jìn)一步深入細(xì)致的研究。在各種焊接方法中,點(diǎn)焊具有靜強(qiáng)度高、可靠性好、性能穩(wěn)定、生產(chǎn)效率高和易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn),因此目前在汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)上被廣泛采用。1.2鋁合金電阻點(diǎn)焊研究的必要性能源短缺和環(huán)境污染已經(jīng)成為目前制約全球經(jīng)濟(jì),社會(huì)發(fā)展的兩大問(wèn)題。交通運(yùn)輸業(yè)是導(dǎo)致能源短缺和環(huán)境污染尤其是空氣污染的一個(gè)主要因素,在美國(guó)該行業(yè)的石油消耗占到了石油消耗的三分之二,其中汽車(chē)燃油的比例為75%。在我國(guó),汽車(chē)燃油的比例高達(dá)85%,據(jù)國(guó)際制造商協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì),2021年全世界汽車(chē)生產(chǎn)總量為5754萬(wàn)輛,我國(guó)汽車(chē)產(chǎn)量也達(dá)到萬(wàn)輛,已居世界第8位,居估算,燃油汽車(chē)給城市造成了至少30%以上的空氣污染,汽車(chē)排放所造成的污染已成為當(dāng)今社會(huì)的一大公害,從80來(lái)年代世界各國(guó)尤其是發(fā)達(dá)國(guó)家就開(kāi)始研究采取各種措施來(lái)減少汽車(chē)能源的消耗和排放污染。為此,美國(guó)制定了PNGV計(jì)劃德國(guó)制定了3升汽車(chē)計(jì)劃,汽車(chē)的輕量化是其中非常重要的一個(gè)途徑,輕量化已經(jīng)成為汽車(chē)發(fā)展的主要方向,對(duì)降低汽車(chē)能源消耗和減少環(huán)境污染是至關(guān)重要的。鋁合金材料是實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化得理想材料,鋁合金的比重是碳鋼的1/3,采用鋁合金材料制造汽車(chē)車(chē)身,在保證具有與鋼同樣強(qiáng)度和剛度的前提下,車(chē)身重量可減少50%,整車(chē)重量可減少10%,同時(shí)可以減少相同數(shù)量的燃油消耗和環(huán)境污染。鋁合金材料還被稱(chēng)為“綠色材料”,可反復(fù)回收利用,回收重熔鋁合金所需能量?jī)H是生產(chǎn)新鋁合金所需能量的5%,而再生鋁合金材料能夠保持原有材料的性能,而不像一般碳鋼具有良好的防腐性能,其表面只需稍加處理就可獲得滿(mǎn)意的防腐性能,而電鍍,鍍鋅等處理不僅工藝復(fù)雜,成本高,而且環(huán)境污染嚴(yán)重。目前經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國(guó)家已開(kāi)始進(jìn)行鋁合金汽車(chē)的研制,一些公司現(xiàn)已推出了鋁合金汽車(chē),如美國(guó)通用公司推出的“Precept”,福特公司推出的“合成-210”,德國(guó)寶馬公司推出的“528”,德國(guó)大眾推出的“奧迪A8”及推出的“由于電阻點(diǎn)焊具有焊接質(zhì)量可靠,生產(chǎn)效率高且易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn),在汽車(chē)工業(yè)領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用,現(xiàn)在它已成為汽車(chē)制造領(lǐng)域中的主導(dǎo)加工工藝。但是,鋁合金點(diǎn)焊所存在的問(wèn)題限制了點(diǎn)焊在鋁合金汽車(chē)生產(chǎn)中的應(yīng)用。目前國(guó)外推出的鋁合金汽車(chē)很少單獨(dú)采用電阻點(diǎn)焊工藝,而大多采用氣保焊,激光焊,膠焊等連接工藝。如新近推出的采用第二代鋁合金空間架構(gòu)(ASF)的“奧迪A2”在航空航天領(lǐng)域,為減輕飛行器的重量,大量的薄板結(jié)構(gòu)采用了鋁合金材料。電阻點(diǎn)焊是薄板結(jié)構(gòu)最理想的連接工藝,鋁合金點(diǎn)焊所存在的問(wèn)題使得這些板筋結(jié)構(gòu)目前的連接工藝還是鉚接。與點(diǎn)焊相比,其具有剛性差,重量大等缺點(diǎn)。若解決了鋁合金電阻點(diǎn)焊問(wèn)題,大量采用點(diǎn)焊工藝,飛行器的重量將會(huì)進(jìn)一步降低,動(dòng)力學(xué)性能也會(huì)得到進(jìn)一步的提高??梢哉f(shuō),鋁合金電阻點(diǎn)焊技術(shù)已經(jīng)成為鋁合金在汽車(chē),航空航天等領(lǐng)域推廣應(yīng)用的一個(gè)主要制約因素。隨著科技的發(fā)展,鋁合金材料將會(huì)在更多的領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。因此,對(duì)鋁合金點(diǎn)焊進(jìn)行研究是非常必要的,并且在目前它已成為焊接研究領(lǐng)域中的熱點(diǎn)。1.3鋁合金點(diǎn)焊所存在的問(wèn)題及現(xiàn)狀研究1.3.1所存在的問(wèn)題鋁及其合金的化學(xué)活性很強(qiáng),表面極易形成氧化膜,且多具有難熔性質(zhì)(如A1203的熔點(diǎn)約2050℃,MgO熔點(diǎn)約為2500℃),加之鋁及其合金導(dǎo)熱性強(qiáng),焊接時(shí)容易造成不熔合現(xiàn)象。此外,鋁及其合金的線脹系數(shù)大.導(dǎo)熱性又強(qiáng),焊接時(shí)容易產(chǎn)生翹曲變形。研究人員對(duì)鋁合金點(diǎn)焊接頭本身的性能進(jìn)行了研究,并指出:在鋁合金點(diǎn)焊中還經(jīng)常存在微型空洞、裂紋等不連續(xù)缺陷以及過(guò)深的壓痕等現(xiàn)象,熔核尺寸對(duì)接頭的靜載強(qiáng)度影響很大,但對(duì)其疲勞強(qiáng)度影響很小—由于鋁合金在其物理性能上的特殊性,使它在電阻點(diǎn)焊可焊性方面與常用冷軋低碳鋼相比有其一定的特點(diǎn)其中存在的最嚴(yán)重的問(wèn)題是電極的燒損及壽命問(wèn)題。對(duì)于一般低碳鋼的點(diǎn)焊,電極壽命可以達(dá)到幾千點(diǎn).而鋁合金的點(diǎn)焊一般僅能達(dá)到幾十點(diǎn)。鋁合金電阻點(diǎn)焊技術(shù)還存在著飛濺問(wèn)題、焊點(diǎn)表面成型質(zhì)量問(wèn)題及點(diǎn)焊接頭的焊接質(zhì)量不穩(wěn)定等問(wèn)題,這些問(wèn)題皆與電極的磨損及其工作壽命存在著密切的關(guān)系。因此,電極磨損及壽命問(wèn)題是鋁合金電阻點(diǎn)焊技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題。目前鋁合金電阻點(diǎn)焊所存在的問(wèn)題主要有以下幾方面:1.焊點(diǎn)質(zhì)量不穩(wěn)定鋁合金點(diǎn)焊焊點(diǎn)質(zhì)量不穩(wěn)定主要體現(xiàn)在以下四個(gè)方面。(1)噴濺與飛濺嚴(yán)重。與低碳鋼相比,鋁合金具有很好的導(dǎo)電,導(dǎo)熱性能,其電阻率僅為鋼的三分之一,而導(dǎo)熱率卻為鋼的2-4倍。所以,為獲得合格的焊點(diǎn),在相同的條件下鋁合金就需要更大的焊接電流,即需要使用硬規(guī)范進(jìn)行焊接。鋁元素非?;顫?,在鋁合金材料表面非常容易形成氧化膜,這層氧化膜組織致密,熔點(diǎn)極高,導(dǎo)電性能極差,這就使得接觸電阻比較大。在硬規(guī)范焊接條件下,接觸面上產(chǎn)生較多的熱量。另一方面,鋁合金材料熔點(diǎn)低,加熱熔化時(shí)的塑性溫度區(qū)間窄,所以很容易在工件間接觸面上造成噴濺,在電極-工件間造成飛濺。噴濺和飛濺的產(chǎn)生會(huì)帶走部分熱量和熔化金屬,嚴(yán)重影響了熔核直徑的大小,對(duì)焊質(zhì)量極為不利。如圖1-1所示熔核噴濺和表面飛濺缺陷。a熔核的噴濺b表面飛濺圖1-1熔核噴濺和表面飛濺缺陷(2)焊點(diǎn)表面質(zhì)量差。鋁和鋁合金容易形成低熔點(diǎn)(547℃)共晶物,并且這種低熔點(diǎn)共晶物的電阻率比較大。鋁合金工件較大的熱導(dǎo)率及接觸面上較大的熱產(chǎn)量使得電極-工件接觸面上產(chǎn)生局部熔化并發(fā)生較為劇烈的共晶反應(yīng),以致出現(xiàn)電極與工件的粘連,惡化了焊點(diǎn)的表面質(zhì)量。電極與工件的粘連及飛濺嚴(yán)重破壞了電極表面的連續(xù)性。進(jìn)而惡化了后續(xù)(3)熔核尺寸波動(dòng)大。電極-工件表面上的局部熔化,飛濺及電極與工件的粘連,嚴(yán)重破壞了電極表面的連續(xù)性。并且在連續(xù)點(diǎn)焊過(guò)程中電極表面的不連續(xù)性具有較強(qiáng)的隨機(jī)性,這使得電極-工件間及工件間的接觸狀態(tài)和不穩(wěn)定。另外,點(diǎn)焊過(guò)程又受工件表面狀態(tài),電極壓力,焊接電流等因素的影響。鋁合金點(diǎn)焊對(duì)各種因素的變化非常敏感,因此連續(xù)點(diǎn)焊中熔核直徑波動(dòng)較大。(4)熔核內(nèi)部易產(chǎn)生缺陷。與弧焊相比,鋁合金在點(diǎn)焊時(shí)金屬的熔化量較少,其導(dǎo)熱系數(shù)比較大,所以熔核的冷卻速度非???。另一方面,由于鋁合金是非導(dǎo)磁材料,液態(tài)熔核區(qū)的流動(dòng)速度非常小,熔核在凝固時(shí)極易形成縮孔,縮松和氣孔。雖然這些缺陷對(duì)接頭強(qiáng)度影響不大,但對(duì)接頭的疲勞性能卻有顯著影響—[10]。2電極燒損嚴(yán)重,使用壽命短由于電極-工件間的接觸電阻較大,鋁合金工件的導(dǎo)熱率也較大,而鋁合金點(diǎn)焊又是采用硬規(guī)范進(jìn)行焊接,所以電極-工件間接觸面上的溫度較高。由于鋁與銅之間存在著強(qiáng)烈的鋁合金化傾向,因此鋁合金點(diǎn)焊時(shí)銅電極的燒損非常嚴(yán)重。銅鋁合金化反應(yīng)生成合金層的主要成分為CuAl2金屬間化合物,其電阻率為銅的5倍左右。由于合金層粘附在電極表面,在后續(xù)焊點(diǎn)的焊接過(guò)程中,合金層的存在增大了電極-工件間的接觸電阻,也增加電極-工件間的產(chǎn)熱量。在連續(xù)點(diǎn)焊過(guò)程中,電極表面不連續(xù)程度的增加也加劇了電極-工件間局部熔化和飛濺的產(chǎn)生,同時(shí)也加劇了銅鋁合金化反應(yīng)的程度,如圖1-2所示。上述因素使得鋁合金點(diǎn)焊時(shí)電極的燒損速度大為增加,其使用壽命非常短。電極燒損實(shí)質(zhì)上是電極表面銅鋁合金化反應(yīng)的問(wèn)題。合金化反應(yīng)的產(chǎn)生條件包括成分和溫度;而反應(yīng)時(shí)間對(duì)合金化反應(yīng)程度的影響非常大。從理論上說(shuō),只要破壞了成分,溫度和反應(yīng)時(shí)間中的一個(gè)條件,就可以克服或減弱電極燒損。目前電極燒損方面的研究大多限于從成分條件的角度來(lái)考慮如何避免或減弱電極燒損問(wèn)題,而在如何降低電極-工件接觸面溫度及減少電極-工件間接觸面處于高溫區(qū)的時(shí)間方面做的工作較少—[11]。a焊第一點(diǎn)后b焊完第50點(diǎn)后圖1-2電極表面的粘接和燒損情況3缺乏有效的焊接質(zhì)量控制方法鋁合金的電阻率低,其阻溫系數(shù)也比較小。從室溫到熔化溫度電阻率的變化幅度僅為3倍左右。所以,鋁合金電阻點(diǎn)焊過(guò)程很難用焊接電參量的變化來(lái)描述。這給鋁合金電阻點(diǎn)焊過(guò)程的閉環(huán)控制帶來(lái)很大困難。鋁合金點(diǎn)焊的焊點(diǎn)質(zhì)量不僅包括了熔核尺寸的波動(dòng),而且也包括飛濺和噴濺嚴(yán)重,焊點(diǎn)表面成形質(zhì)量差及工件與電極易出現(xiàn)粘連等。因此,鋁合金點(diǎn)焊所面臨的質(zhì)量問(wèn)題遠(yuǎn)比低碳鋼復(fù)雜。而主要針對(duì)低碳鋼點(diǎn)焊問(wèn)題所提出的以保證熔核大小穩(wěn)定為目標(biāo)的各種控制方法并不適合與鋁合金點(diǎn)焊,尤其是對(duì)工件電極的粘連問(wèn)題和焊點(diǎn)表面成形質(zhì)量差的問(wèn)題更是無(wú)能為力。能量是點(diǎn)焊過(guò)程的本質(zhì)問(wèn)題。從理論上說(shuō),能量控制是點(diǎn)焊質(zhì)量控制中的最為本質(zhì)的方法。能量控制的理論基礎(chǔ)是點(diǎn)焊過(guò)程中的產(chǎn)熱分析和能量分布分析,而點(diǎn)焊過(guò)程中的產(chǎn)熱分析和能量分布分析是無(wú)法通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行的。應(yīng)該說(shuō),在目前能量控制的理論依據(jù)及如何實(shí)現(xiàn)能量控制還沒(méi)得到很好的解決—[17]。1.3.2問(wèn)題的研究近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者就鋁合金問(wèn)題做了多方面的研究工作,主要?dú)w結(jié)為以下幾個(gè)個(gè)面:由于鋁合金易氧化造成焊接區(qū)性能不穩(wěn)定,故采用多參數(shù)的線性回歸方法預(yù)測(cè)鋁合金點(diǎn)焊時(shí)的熔核直徑、焊點(diǎn)強(qiáng)度及噴濺情況,監(jiān)控鋁合金的點(diǎn)焊質(zhì)量。(1)通過(guò)把鋁合金點(diǎn)焊的焊接性能和電極壽命試驗(yàn),提出:在鋁合金兩面分別鍍不同厚度的鉻酸鹽層,使它與電極的接觸電阻相對(duì)較小,加速熔核形成,既保證了街頭的性能,又能提高電極的使用壽命。(2)用數(shù)值模擬法模擬鋁合金點(diǎn)焊過(guò)程的熱—電—力學(xué)過(guò)程,分析電極頭與鋁板接觸上的瞬時(shí)溫度分布,得出熔核尺寸及接觸面積隨時(shí)間的變化規(guī)律、電極表面壓力及溫度的變化規(guī)律以及焊接區(qū)的等效塑性應(yīng)變及殘余應(yīng)力分布,并預(yù)測(cè)點(diǎn)焊熔核的生長(zhǎng)、電極磨損和裂紋形成情況等。(3)點(diǎn)焊熔核孕育處理理論與方法的研究,已取得很好的研究成果,或等了全部凝固組織為等軸晶的點(diǎn)焊熔核,使全部為柱狀晶的點(diǎn)焊熔核貼合而出現(xiàn)等軸晶區(qū),縮小熔核柱狀晶區(qū),使凝固組織晶粒顯著細(xì)化。而且研究結(jié)果表明,孕育處理可提高點(diǎn)焊接頭力學(xué)性能,尤其是疲勞強(qiáng)度。為點(diǎn)焊質(zhì)量監(jiān)控技術(shù)開(kāi)辟了一條新道路,從“質(zhì)”的方面根本改善了點(diǎn)焊接頭質(zhì)量。(4)隨機(jī)多脈沖回火熱處理點(diǎn)焊工藝方法可解決焊接性較差的可淬硬鋼的接頭脆性和焊接質(zhì)量不穩(wěn)定,其工藝特點(diǎn)為:增大電極壓力(為相同板厚低碳鋼點(diǎn)焊時(shí)的1.5-1.7倍),調(diào)制焊接電流脈沖(即使用熱量遞增控制以減輕或避免內(nèi)噴濺)以防止點(diǎn)焊接頭宏觀缺陷(縮孔、縮松、熱裂)的產(chǎn)生;隨機(jī)多脈沖回火熱處理(回火脈沖次數(shù)n≥3),以防止點(diǎn)焊接頭顯微組織缺陷(硬脆馬氏體、過(guò)燒組織)的處理,以及準(zhǔn)確控制點(diǎn)焊接頭組織及其分布特征,使接頭高應(yīng)力區(qū)獲得完全回火處理。該工藝與通常采用的雙脈沖點(diǎn)焊工藝相比,可顯著提高接頭強(qiáng)度和疲勞性能—[17]。1.4本文研究的內(nèi)容以及方案綜上所述,鋁合金電阻點(diǎn)焊加工工藝的研究是解決鋁合金電阻點(diǎn)焊問(wèn)題的基礎(chǔ)和關(guān)鍵,根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外鋁合金電阻點(diǎn)焊領(lǐng)域科學(xué)研究的現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題,確定了本文的研究目的,方法和內(nèi)容。本文在總結(jié)前人工作的基礎(chǔ)上,分析了鋁合金電阻點(diǎn)焊的特點(diǎn)以及缺陷,設(shè)計(jì)試驗(yàn)分析了不同焊接參數(shù)對(duì)鋁合金電阻焊焊接接頭的影響,使用正交設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方法來(lái)研究鋁合金的點(diǎn)焊質(zhì)量以及電阻點(diǎn)焊工藝參數(shù)對(duì)鋁合金點(diǎn)焊接質(zhì)量的影響,獲得最佳焊接工藝參數(shù),完成鋁合金電阻點(diǎn)焊的加工工藝設(shè)計(jì)。我們先要了解電阻點(diǎn)焊的焊接特性及其原理,熟悉影響電阻點(diǎn)焊質(zhì)量的焊接工藝因素;其次,借鑒國(guó)內(nèi)外的研究成果,對(duì)鋁合金的焊接性進(jìn)行評(píng)估;接下來(lái)研究電阻點(diǎn)焊工藝參數(shù)對(duì)鋁合金焊接質(zhì)量的影響;最后通過(guò)以上分析,完成鋁合金電阻點(diǎn)焊的工藝設(shè)計(jì)研究。第二章鋁合金電阻點(diǎn)焊工藝特點(diǎn)分析2.1電阻點(diǎn)焊的原理及特點(diǎn)電阻點(diǎn)焊是在電極壓力的作用下,通過(guò)電阻熱加熱熔化金屬,斷電后在壓力下結(jié)晶而形成焊點(diǎn)的工藝方法。每焊接一個(gè)焊點(diǎn)稱(chēng)為一個(gè)焊接循環(huán)。1.阻焊變壓器2.電極3.焊件4.熔核圖2-1電阻點(diǎn)焊原理圖2.1.1焊點(diǎn)的形成點(diǎn)焊的形成可以分為彼此相連的三個(gè)階段:預(yù)加壓力,通電加熱和鍛壓。預(yù)加壓力階段預(yù)加壓力是為了使焊件在焊接處緊密接觸。若壓力不足,則接觸電阻過(guò)大,導(dǎo)致焊件燒穿或?qū)㈦姌O工作面燒損。因此,通電前電極壓力應(yīng)達(dá)到預(yù)定值,以保證電極和焊件,焊件和焊件之間的接觸電阻保持穩(wěn)定。通電加熱階段通電加熱時(shí)為了供焊件之間形成所需的熔化核心。在預(yù)加電極壓力下通電,則在兩電極解除表面之間的金屬圓柱體內(nèi)有最大的電流密度,靠焊件之間的接觸電阻和焊件自身的電阻,產(chǎn)生相當(dāng)大的熱量,溫度也很高。尤其是在焊件之間的接觸面處溫度很高首先熔化,形成熔化核心。電極與焊件之間的接觸電阻也產(chǎn)生熱量,但大部分被水冷的銅合金電機(jī)帶走,于是電極與焊件之間接觸處的溫度遠(yuǎn)比焊件之間接觸處低,正常情況下是達(dá)不到熔化溫度的。在圓柱體周?chē)慕饘僖螂娏髅芏刃?,溫度不高,其中靠近熔化核心的金屬溫度較高,達(dá)到塑性狀態(tài),在壓力作用下產(chǎn)生焊接,形成一個(gè)塑性金屬環(huán),緊密的包圍著熔化核心,不使熔化金屬向外溢出。在通電加熱過(guò)程中有兩種情況可能引起飛濺:一種是開(kāi)始時(shí)電極預(yù)壓力過(guò)小,熔化核心周?chē)葱纬伤苄越饘侪h(huán)熱向外飛濺;另一種是加熱結(jié)束時(shí),因加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng),熔化核心過(guò)大,在電極壓力下,塑性金屬環(huán)發(fā)生崩潰,熔化金屬?gòu)暮讣g或焊件表面溢出。(3)鍛壓階段鍛壓是在切斷焊接電流后,電極繼續(xù)對(duì)焊點(diǎn)擠壓的過(guò)程,對(duì)焊點(diǎn)起著壓實(shí)作用。斷電后,熔化核心是在封閉的金屬殼內(nèi)開(kāi)始冷卻結(jié)晶的,收縮不自由。如果此時(shí)沒(méi)有壓力作用,焊點(diǎn)易出現(xiàn)縮孔和裂紋,影響焊點(diǎn)強(qiáng)度。如果有電極壓擠,產(chǎn)生的壓擠變形使熔核收縮自由并變得密實(shí)。因此電極壓力必須在斷電后繼續(xù)維持到熔核金屬全部凝固之后才能解除。鍛壓持續(xù)時(shí)間視焊件厚度而定,對(duì)于厚度1-8mm的鋼板一般為0.1s-0.2s。當(dāng)焊件厚度較大(鋁合金為1.6-2mm)時(shí),因熔核周?chē)饘贇ぽ^厚,常需增加鍛壓力。加大壓力時(shí)間需控制好,過(guò)早會(huì)把熔化金屬擠出來(lái)變成飛濺,過(guò)晚熔化金屬已凝固失去作用。一般斷電后0-0.2s內(nèi)加大鍛壓力。以上是焊點(diǎn)的形成的一般過(guò)程。在實(shí)際生產(chǎn)中,往往根據(jù)不同材料,結(jié)構(gòu)以及對(duì)焊接質(zhì)量的要求,采用一些特殊的工藝措施。例如,對(duì)熱裂紋傾向較大的材料,可采用附加冷脈沖的點(diǎn)焊工藝,以降低熔核的凝固速度;對(duì)調(diào)制材料的焊接,可在兩電極之間做焊后熱處理,以改善因快速加熱,冷卻而產(chǎn)生的脆性淬火組織;在加壓方面,可以采用馬鞍形,階梯型或多次階梯型等電極壓力循環(huán)換,以滿(mǎn)足不同質(zhì)量要求的零件焊接—[12]。2.1.2點(diǎn)焊的工藝參數(shù)點(diǎn)焊的工藝參數(shù)通常是根據(jù)工件的材料和厚度,參考該種材料的焊接條件選取。首先確定電極的斷面形狀和尺寸;其次初步選定電極壓力和焊接時(shí)間。然后調(diào)節(jié)焊接電流,以不同的電流焊接式樣,經(jīng)檢驗(yàn)熔核直徑符合要求后,再在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)調(diào)節(jié)電極壓力,焊接時(shí)間和電流,進(jìn)行式樣的焊接和檢驗(yàn),直到焊點(diǎn)質(zhì)量完全符合技術(shù)條件所規(guī)定的要求為止。點(diǎn)焊有時(shí)也應(yīng)用于連接厚度達(dá)6mm或更厚的金屬板,但與熔焊的對(duì)接接頭相比較,接頭的承載能力低,搭接接頭增加了構(gòu)件的重量和成本,且需要昂貴的特殊焊機(jī),因而是不經(jīng)濟(jì)的—[8]。2.1.3點(diǎn)焊的焊接循環(huán)電阻點(diǎn)焊過(guò)程中,焊接循環(huán)由4個(gè)基本階段組成:(1)預(yù)壓時(shí)間——自電極開(kāi)始下降到焊接電流開(kāi)始接通的時(shí)間。這一時(shí)間是為了確保在通電之前電極壓緊工件,使焊接區(qū)各接觸面壓力達(dá)到設(shè)定的穩(wěn)態(tài)值。(2)焊接時(shí)間——焊接電流通過(guò)工件的持續(xù)時(shí)間。在該時(shí)間內(nèi)焊接區(qū)被加熱并形成熔核。(3)維持時(shí)間——焊接電流切斷后,電極壓力繼續(xù)保持的時(shí)間。該時(shí)間使熔核在一定壓力下冷卻凝固至具有足夠強(qiáng)度。(4)休止時(shí)間——連續(xù)點(diǎn)焊時(shí),自電極開(kāi)始提起到再次開(kāi)始下降的時(shí)間。該時(shí)間內(nèi)電極離開(kāi)工件,使操作人員得以移動(dòng)工件準(zhǔn)備焊接下一點(diǎn)。通電焊接必須在電極壓力達(dá)到穩(wěn)定值后進(jìn)行,否則可能因壓力過(guò)低而噴濺,或者因各點(diǎn)壓力不一致而影響加熱,造成焊點(diǎn)強(qiáng)度波動(dòng)。電極提起必須在電流全部切斷之后,否則電極工件間將引起電弧,燒傷工件。這一點(diǎn)在直流脈沖焊機(jī)上尤為重要。為了改善接頭的性能,有時(shí)需要將下列各項(xiàng)中的一項(xiàng)或多項(xiàng)加于基本循環(huán)。1)加大預(yù)壓力以消除厚工件的間隙,使之緊密貼合。2)用預(yù)熱脈沖提高金屬的塑性,使工件易于緊密貼合、防止噴濺。3)加大鍛壓力以壓實(shí)熔核,防止產(chǎn)生裂紋和縮孔。2.1.4點(diǎn)焊的應(yīng)用點(diǎn)焊廣泛用于汽車(chē)駕駛室,金屬車(chē)廂腹板,家具等低碳鋼產(chǎn)品的焊接。在航空航天工業(yè)中,多用于連接飛機(jī),發(fā)動(dòng)機(jī),火箭,導(dǎo)彈中由合金鋼,不銹鋼,鋁合金,等材料制成的部件。2.2鋁合金電阻點(diǎn)焊的工藝特點(diǎn)2.2.1焊接性能分析和低碳鋼相比,鋁的膨脹系數(shù),熔化潛熱和熱容量都大,熔點(diǎn)為657℃,ρ=2.72g/cm2(1)強(qiáng)氧化性能:鋁極易氧化生成Al2O3,它是一層難溶的硬模。其熔點(diǎn)高達(dá)2050℃,ρ=3.85g/cm3(2)熱裂紋:鋁的線膨脹系數(shù)為低碳鋼的2倍,而凝固時(shí)的收縮率又比鋼大2倍,因此焊接時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力。當(dāng)鋁成分中的雜質(zhì)超過(guò)規(guī)定范圍時(shí),在熔池中將形成較多的低熔點(diǎn)共晶。兩者共同作用的結(jié)果,在焊縫中就容易產(chǎn)生熱裂紋。防止熱裂紋產(chǎn)生應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)形式采用不同的焊接接頭形式和合理的焊接規(guī)范以及錘擊焊縫等措施,可防止熱裂紋的產(chǎn)生。(3)焊接熔透性:純鋁的導(dǎo)熱性約為低碳鋼的5倍,熱損較大,另外鋁的熱容量大,熔化潛熱大,焊接時(shí)需要更高的線能量,需要大功率或能量集中的熱源,并且需要預(yù)熱,板厚度增加時(shí)熔透問(wèn)題更加突出。為了達(dá)到高質(zhì)量的焊接接頭,必須采用能量集中,功率大的熱源,必要時(shí)并采取預(yù)熱等措施。(4)氣孔:鋁熔池凝固速度快,熔池液體金屬比重低,熔池內(nèi)的夾雜物受到的浮力小,難于浮出而存在焊縫中,使氣孔和夾渣傾向加大。鋁焊縫中的氣孔主要是高溫鋁水吸入的氫氣,氫則來(lái)源于各種潮氣,能溶于液態(tài)鋁,但幾乎不溶于固態(tài)鋁,熔池結(jié)晶時(shí),液態(tài)鋁中的氫氣會(huì)大量析出,形成氣泡,從而出現(xiàn)氣孔。(5)燒穿:鋁的固態(tài)和液態(tài)色澤不易區(qū)別,高溫度強(qiáng)度極低,焊接時(shí)掌握困難,易引起金屬燒穿,導(dǎo)致塌陷或下漏。(6)焊縫強(qiáng)度低:焊接時(shí)由于熱影響區(qū)受熱而發(fā)生軟化,致使強(qiáng)度下降。此外鋁的焊接過(guò)程中,易產(chǎn)生焊接變形,主要原因是線膨脹系數(shù)大。減少焊接變形,焊接過(guò)程中應(yīng)選擇合理的焊接順序,并嚴(yán)格控制焊接規(guī)范以及焊縫區(qū)的溫度分布—[17]。2.2.2工藝特點(diǎn)及分析鋁及鋁合金點(diǎn)焊時(shí),通常采用臺(tái)階形的加壓方式,如圖2-2所示,圖中顯示了焊接電流及其與加壓時(shí)間的匹配關(guān)系。其匹配關(guān)系可根據(jù)不同的焊接工藝要求而選擇。由于鋁合金的物理、化學(xué)性質(zhì)的特殊性,其點(diǎn)焊工藝有以下特點(diǎn):(1)硬規(guī)范:基于鋁具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性,在點(diǎn)焊時(shí)要求采用硬規(guī)范即大電流、時(shí)間短,所以需要焊機(jī)功率大;(2)清理氧化膜;由于鋁合金常溫強(qiáng)度較高,表面又極易氧化而形成較高的接觸電阻,所以在點(diǎn)焊瞬問(wèn)過(guò)強(qiáng)大的焊接電流時(shí),將使接觸面上局部電流密度過(guò)大、瞬間熔化,而產(chǎn)生早期飛濺,影響焊件表面質(zhì)量并使電極使用壽命下降,為此在焊前,必須進(jìn)行表而清理(3)焊機(jī)機(jī)頭的隨動(dòng)性好:鋁合金的塑性區(qū)窄.高溫塑性差,而且熔核凝固時(shí)義伴隨著很大的收縮應(yīng)力,容易出現(xiàn)缺陷,因此要求電極壓力應(yīng)具有階形或馬鞍形的變化曲線,這對(duì)于防止飛濺、縮孔及裂紋等缺陷是至關(guān)重要的。(4)控制精度高:鋁合金點(diǎn)焊對(duì)規(guī)范的敏感性要比鋼大,加熱時(shí)問(wèn)稍有變動(dòng)就會(huì)造成飛濺、熔核太小及未焊透等缺陷。因此,要求點(diǎn)焊機(jī)的控制線路精確度高,以保證通電和休止時(shí)問(wèn)準(zhǔn)確。(5)質(zhì)量監(jiān)控難度大:點(diǎn)焊的形核處于封閉狀態(tài),屬于動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。隨著加熱的不斷進(jìn)行,熔核將產(chǎn)生從無(wú)到有、從小到大的變化,熔核尺寸無(wú)論在焊接期問(wèn)還是在焊后都無(wú)法直接觀測(cè),因此點(diǎn)焊質(zhì)量監(jiān)控和檢測(cè)難度大—[1].圖2-2鋁合金電阻點(diǎn)焊原理示意圖2.2.3工藝措施及焊機(jī)的選擇鋁合金的應(yīng)用十分廣泛,分為冷作強(qiáng)化和熱處理強(qiáng)化兩大類(lèi)。鋁合金點(diǎn)焊的焊接性較差,尤其是熱處理強(qiáng)化的鋁合金。其原因及應(yīng)采取的工藝措施如下:(1)電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率較高必須采用較大電流和較短時(shí)間,才能做到既有足夠的熱量形成熔核;又能減少表面過(guò)熱、避免電極粘附和電極銅離子向純鋁包復(fù)層擴(kuò)散、降低接頭的抗腐蝕性。(2)塑性溫度范圍窄、線膨脹系數(shù)大,必須采用較大的電極壓力,電極隨動(dòng)性好,才能避免熔核凝固時(shí),因過(guò)大的內(nèi)部拉應(yīng)力而引起的裂紋。對(duì)裂紋傾向大的鋁合金,如LF6、LY12、LC4等,還必須采用加大鍛壓力的方法,使熔核凝固時(shí)有足夠的塑性變形、減少拉應(yīng)力,以避免裂紋產(chǎn)生。在彎電極難以承受大的定鍛壓力時(shí),也可以采用在焊接脈沖之后加緩冷脈沖的方法避免裂紋。對(duì)于大厚度的鋁合金可以?xún)煞N方法并用。(3)表面易生成氧化膜,焊前必須嚴(yán)格清理,否則極易引起飛濺和熔核成形不良(撕開(kāi)檢查時(shí),熔核形狀不規(guī)則,凸臺(tái)和孔不呈圓形),使焊點(diǎn)強(qiáng)度降低。清理不均勻則將引起焊點(diǎn)強(qiáng)度不穩(wěn)定—[4]?;谏鲜鲈?,點(diǎn)焊鋁合金應(yīng)選用具有下列特性的焊機(jī):1)能在短時(shí)間內(nèi)提供大電流;2)電流波形最好有緩升緩降的特點(diǎn);3)能精確控制工藝參數(shù),且不受電網(wǎng)電壓波動(dòng)影響;4)能提供價(jià)形和馬鞍形電極壓力;5)機(jī)頭的慣性和摩擦力小,電極隨動(dòng)性好—[11]。2.3微量元素在鋁合金電阻焊中的作用鋁及鋁合金結(jié)構(gòu).以其自身質(zhì)量小、導(dǎo)熱性好、不產(chǎn)生火花、不污染介質(zhì)等特性,在化工、石油、航空、航天、建筑等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。尤其是工業(yè)純鋁和高純鋁,以其優(yōu)異的抗腐蝕性能,在工業(yè)中有著特殊的用途。然而,鋁及鋁合金的焊接過(guò)程存在以下問(wèn)題:鋁與氧的親合力大,極易氧化生成致密的Al2O3,氧化膜,其熔點(diǎn)高達(dá)2025℃,阻礙鋁合金熔合,且氧化鋁比鋁的密度大,容易產(chǎn)生夾渣;由于鋁的熱膨系數(shù)和熱導(dǎo)率大,焊縫收縮量大,對(duì)焊接熱輸入要求高,容易產(chǎn)生焊接應(yīng)力與脹變形,甚至產(chǎn)生裂紋;液態(tài)鋁可吸收大量的氫,而固態(tài)鋁幾乎不溶解氫,焊件易產(chǎn)生大量氣孔;鋁在高溫時(shí)的強(qiáng)度、塑性低,焊接時(shí)不能支持熔池金屬重力而易使焊縫塌陷;鋁中的微量元素,如Si,F(xiàn)e等以及焊接過(guò)程中產(chǎn)生的H某些元素的少量甚至痕量存在會(huì)顯著影響鋁合金的組織和性能。為控制和改善鋁合金的組織與性能.研究者常常定量加入不同合金元素?;蛞圆煌椒ㄏ拗埔恍┰卦诤辖鹬械暮?,大量研究表明.鋁合金中這類(lèi)元素的摩爾分?jǐn)?shù)一般為0.1%左右,但是對(duì)合金的組織和性能卻有十分顯著的影響。為了實(shí)現(xiàn)高的生產(chǎn)率和高的焊接質(zhì)量相容性的要求,提高鋁合金的焊接技術(shù)。需要開(kāi)發(fā)和應(yīng)用新的焊接方法—[2]。2.4焊前的工件清理無(wú)論是點(diǎn)焊、縫焊或凸焊,在焊前必須進(jìn)行工件表面清理,以保證接頭質(zhì)量穩(wěn)定。清理方法分機(jī)械清理和化學(xué)清理兩種。常用的機(jī)械清理方法有噴砂、噴丸、拋光以及用砂布或鋼絲刷等。不同的金屬和合金,須采用不同的清理方法。簡(jiǎn)介如下:鋁及其合金對(duì)表面清理韻要求十分嚴(yán)格,由于鋁對(duì)氧的化學(xué)親合力極強(qiáng)。剛清理過(guò)的表面上會(huì)很快被氧化,形成氧化鋁薄膜。因此,清理后的表面在焊前允許保持的時(shí)間是有嚴(yán)格限制的。鋁合金的氧化膜主要用化學(xué)方法去除,在堿溶液中去油和沖洗后,將工件放進(jìn)正磷酸溶液中腐蝕。為了減慢新膜的成長(zhǎng)速度和填充新膜孔隙,在腐蝕的同時(shí)進(jìn)行鈍化處理。最常用的鈍化劑是重鉻酸鉀和重鉻酸鈉。鈍化處理后便不會(huì)在去除氧化膜的同時(shí),造成工件表面的過(guò)分腐蝕。腐蝕后進(jìn)行沖洗,然后在硝酸溶液中進(jìn)行亮化處理,以后再次進(jìn)行沖洗,沖洗后,在溫度達(dá)?5℃的干燥室中干燥,或用熱空氣吹干。這樣清理之后的工件,可以在焊前保持72h。鋁合金也可用機(jī)械方法清理。如用0—00號(hào)砂布,或用電動(dòng)或風(fēng)動(dòng)的鋼絲刷等。但為防止損傷工件表面,鋼絲直徑不得超過(guò)0.2mm,鋼絲長(zhǎng)度不得短于40mm,刷子壓緊于工件的力不得超過(guò)5~20N,而且清理后須在不超過(guò)2~3h內(nèi)進(jìn)行焊接。為了確保焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性,目前國(guó)內(nèi)各工廠多在化學(xué)清理后,在焊前再用鋼絲刷清理工件搭接的內(nèi)表面。鋁合金清理后必須測(cè)量放有兩個(gè)鋁合金工件的兩電極間的總電阻只。方法是使用類(lèi)似于點(diǎn)焊機(jī)的專(zhuān)用裝置。上面的一個(gè)電極對(duì)電極夾絕緣,在電極間壓緊兩個(gè)試件,這樣測(cè)出的R值可以最客觀地反映出表面清理的質(zhì)量。對(duì)于2A12、7A04、5A06鋁合金,R不得超過(guò)120uΩ,剛清理后的R一般為40~50uΩ。對(duì)于導(dǎo)電性更好的3A21、5A02鋁合金以及燒結(jié)鋁類(lèi)的材料,R不得超過(guò)28~40uΩ。2.5電阻點(diǎn)焊的焊接工藝參數(shù)點(diǎn)焊鋁合金時(shí),采用大電流,短時(shí)間通電和施加高壓的焊接規(guī)范,但為了進(jìn)一步提高焊接質(zhì)量,還可以采用附加調(diào)節(jié)波峰和波谷的電流波形。采用波峰電流的目的是盡量減小點(diǎn)焊接頭強(qiáng)度的波動(dòng),防止飛濺和減少粘電極現(xiàn)象。波谷電流通常為衰減電流,硬鋁系的加熱處理強(qiáng)化合金采用這種緩冷的方法。是為了焊核中經(jīng)常產(chǎn)生的縮孔和裂紋。實(shí)際生產(chǎn)中還經(jīng)常采用比焊接壓力大的預(yù)壓力和頂鍛壓力的兩極加壓方法,以控制點(diǎn)焊接頭強(qiáng)度的波動(dòng)和防止焊核內(nèi)部產(chǎn)生缺陷。采用三相低頻或三相整流式焊機(jī)焊接時(shí)的焊接規(guī)范,包括焊接電流及其通電時(shí)間、衰減電流及其通電時(shí)間、焊接壓力、頂鍛壓力和延時(shí)加壓時(shí)間等許多參數(shù)。點(diǎn)焊主要規(guī)范參數(shù)有:焊接電流、焊接時(shí)間、電極壓力和電極端面尺寸。點(diǎn)焊參數(shù)的選擇程序通常根據(jù)焊件材料和厚度,首先確定電極端面形狀和尺寸,并初步選定電極壓力范圍內(nèi)調(diào)整電極壓力、焊接電流和焊接時(shí)間,直到點(diǎn)焊質(zhì)量完全達(dá)標(biāo)。以下是點(diǎn)焊的主要的焊接工藝參數(shù):(1)焊接電流焊接電流是重要的點(diǎn)焊參數(shù),調(diào)節(jié)焊接電流對(duì)接頭性能有著顯著的影響,焊接電流過(guò)小,使熱源強(qiáng)度不足而不能形成熔核或熔核尺寸過(guò)小,焊點(diǎn)拉剪載荷較低且很不穩(wěn)定,焊接電流過(guò)大,使加熱過(guò)于強(qiáng)烈,引起金屬過(guò)熱、噴濺、焊點(diǎn)表面壓痕過(guò)深等缺陷,也使接頭性能下降。在實(shí)際生產(chǎn)中,由于電壓網(wǎng)的波動(dòng)、多臺(tái)焊機(jī)相互干擾,均會(huì)導(dǎo)致焊接電流的變化,從而影響點(diǎn)焊質(zhì)量。表1-1鋁及鋁合金單相交流點(diǎn)焊的焊接參數(shù)板厚/mm電極直徑/mm球面電極直徑/mm電極壓力/kN焊接電流/kA焊接通電時(shí)間/s熔核直徑/mm0.4+0.416751.47-1.7615-170.062.80.5+0.516751.76-2.2516-200.06-0.103.20.8+0.8161002.25-2.8420-250.10-0.124.01.0+1.0161002.65-3.7222-260.12-0.164.61.2+1.2161002.74-3.9224-300.14-0.165.31.5+1.5161503.92-4.9027-320.14-0.166.01.8+1.8222004.02-6.8636-420.20-0.227.02.0+2.0222004.90-6.8638-460.2-0.227.62.5+2.5222004.90-7.8456-600.20-0.249.0(2)焊接時(shí)間焊接時(shí)間對(duì)接頭性能的影響與焊接電流類(lèi)似。焊接時(shí)間過(guò)短,不能形成熔核或熔核過(guò)小,焊點(diǎn)抗剪強(qiáng)度低,焊接時(shí)間過(guò)長(zhǎng),易造成焊點(diǎn)壓痕深、接頭變形大、金屬過(guò)熱等缺陷,也使接頭性能降低。(3)電極壓力點(diǎn)焊時(shí)電極壓力過(guò)大或過(guò)小都會(huì)使焊點(diǎn)承載能力降低和分散性變大。當(dāng)電極壓力過(guò)小時(shí),由于焊接金屬區(qū)塑性變形范圍較小及變形程度不足,造成塑性環(huán)的形成與擴(kuò)展速度小于熔核的長(zhǎng)大速度,從而產(chǎn)生嚴(yán)重噴濺,電極壓力過(guò)大,將使焊接區(qū)接觸面積增大,總電阻和電流密度減小,析出熱量減小且向電極方向散熱增加,因此熔核尺寸下降,嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)未焊透。(4)電極頭端面尺寸電極頭端面尺寸過(guò)大時(shí),會(huì)造成焊接區(qū)電流密度減小且通過(guò)電極的散熱效果增強(qiáng),均使焊接區(qū)加熱程度減弱,熔核尺寸減小,電極端面尺寸過(guò)小時(shí)不會(huì)影響焊件表面質(zhì)量,也會(huì)因過(guò)熱而降低電極壽命。點(diǎn)焊時(shí),各規(guī)范參數(shù)的影響相互制約。當(dāng)電極材料、端面形狀和尺寸選定后,焊接規(guī)范的選擇主要是考慮焊接電流(I)、電極壓力(P)、焊接時(shí)間(t)這三個(gè)參數(shù),是形成點(diǎn)焊接頭質(zhì)量的三大要素。因此,焊接電流(I)、電極壓力(P)、焊接時(shí)間(t)、這三大要素規(guī)范的合理選擇,是點(diǎn)焊質(zhì)量的關(guān)鍵所在。表1-2鋁合金電阻點(diǎn)焊的焊接參數(shù)板厚(mm)電極球面半徑/mm電極壓力/kN焊接時(shí)間/周焊接電流/A鍛壓壓力/kN0.8752.0~2.5225~28-1.01002.5~3.6229~32-1.51503.5~4.0335~40-2.02004.5~5.0545~50-2.52006.0~6.55~749~55-3.020086~957~60222.6本章小結(jié)本章通過(guò)分析電阻點(diǎn)焊原理和鋁合金的特性,得出鋁合金點(diǎn)焊工藝特點(diǎn),鋁合金的焊接性較差,焊接時(shí)必須采取嚴(yán)格的措施以保證焊點(diǎn)質(zhì)量;此外,了解到影響電阻點(diǎn)焊質(zhì)量的焊接工藝因素是焊接電流(I)、電極壓力(P)、焊接時(shí)間(t)及電極端面尺寸。點(diǎn)焊時(shí),各規(guī)范參數(shù)的影響相互制約,當(dāng)電極材料、端面形狀和尺寸選定后,焊接規(guī)范的選擇主要是考慮焊接電流(I)、電極壓力(P)、焊接時(shí)間(t)這三個(gè)參數(shù),它們是形成點(diǎn)焊接頭質(zhì)量的三大要素。因此,焊接電流(I)、電極壓力(P)、焊接時(shí)間(t)、這三大要素規(guī)范的合理選擇,是點(diǎn)焊質(zhì)量的關(guān)鍵所在。第三章鋁合金點(diǎn)焊的試驗(yàn)設(shè)計(jì)及其分析3.1實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備3.1.1實(shí)驗(yàn)材料試驗(yàn)所采用鋁合金材料為轎車(chē)車(chē)身上專(zhuān)用的厚度為1mm的6061鋁合金。屬Al-Mg-Si系合金,中等強(qiáng)度,具有良好的塑性和優(yōu)良的耐蝕性。特別是無(wú)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂傾向,其焊接性?xún)?yōu)良,耐蝕性及冷加工性好,是一種使用范圍廣.很有前途的合金。其所含的化學(xué)成分見(jiàn)下表3-1:表3-16061鋁合金的化學(xué)成分SiFeCuMnMgZnTiAl0.4-0.80.70.15-0.40.150.8-0.120.250.15余量6061鋁合金的主要合金元素是鎂與硅,并形成Mg2Si相。若含有一定量的錳與鉻,可以中和鐵的壞作用;有時(shí)還添加少量的銅或鋅,以提高合金的強(qiáng)度,而又不使其抗蝕性有明顯降低;導(dǎo)電材料中還有少量的銅,以抵銷(xiāo)鈦及鐵對(duì)導(dǎo)電性的不良影響;鋯或鈦能細(xì)化晶粒與控制再結(jié)晶組織;為了改善可切削性能,可加入鉛。在Mg2Si固溶于鋁中,使合金有人工時(shí)效硬化功能。6061鋁合金中的主要合金元素為鎂與硅,具有中等強(qiáng)度、良好的抗腐蝕性、可焊接性,氧化效果較好—[13]。3.1.2試驗(yàn)設(shè)備試驗(yàn)采用中頻立式電阻點(diǎn)焊機(jī)(PMP6-2/220FM)。該點(diǎn)焊機(jī)的功率為200KV,最大焊接電流為54KA,采用氣缸加壓,最大電極加壓力為900daN,如下圖3-1所示:圖3-1中頻立式電阻點(diǎn)焊機(jī)(PMP6-2/220FM)中頻立式電阻點(diǎn)焊機(jī)包括三大部分:一個(gè)三相整流器,一個(gè)絕緣珊極晶閘管組成的橋式逆變器,通過(guò)中頻焊接變壓器將高壓信號(hào)降至合適點(diǎn)焊低壓,再全波整流在二次側(cè)產(chǎn)生焊接電流;一個(gè)是控制及調(diào)幅線路PWM??刂破骼抿?qū)動(dòng)電路給逆變器脈寬驅(qū)動(dòng)信號(hào)和二次恒電流控制在ms范圍之內(nèi)。與傳統(tǒng)的電焊機(jī)相比,中頻逆變點(diǎn)焊機(jī)可以實(shí)現(xiàn)大電流,短時(shí)間,精確控制點(diǎn)焊循環(huán)的過(guò)程。其優(yōu)點(diǎn)如下:a三相輸入,功率因素高且節(jié)能b焊接條件范圍大,焊接無(wú)飛濺延長(zhǎng)電極使用壽命。c焊機(jī)重量減輕。d可以廣泛焊接異種金屬。3.2試驗(yàn)方法鋁合金電阻點(diǎn)焊接頭常溫抗剪試驗(yàn)按照GB/T2651-1989標(biāo)準(zhǔn)制備試樣,尺寸為100mm×25mm×1.0mm。在進(jìn)行某厚度鋁合金板的點(diǎn)焊工藝參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)研究時(shí),首先通過(guò)觀測(cè)焊點(diǎn)的形狀、尺寸、有無(wú)飛濺、焊點(diǎn)表面壓痕,大致選出用于試驗(yàn)鋁合金板的點(diǎn)焊參數(shù)范圍。接著采用點(diǎn)焊接頭撕開(kāi)法初步檢驗(yàn)選取工藝參數(shù)的可行性。合格焊點(diǎn)的標(biāo)志是:在撕開(kāi)試樣的一片試片上有圓孔,在另一試片上有圓形的凸臺(tái),依據(jù)上述檢驗(yàn)結(jié)果,試驗(yàn)便可進(jìn)一步對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,并對(duì)點(diǎn)焊接頭的力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比分析。常溫剪切拉伸疲勞試驗(yàn)試樣按照GB/T15111-94標(biāo)準(zhǔn),試片的尺寸為40mm×150mm,其形狀和剪切拉伸試樣相似,焊接接頭設(shè)計(jì)為搭接接頭。3.2.1.加壓方式試驗(yàn)電極的加壓波形及其焊接波形如下圖3-2所示,由于是對(duì)薄板焊接,在進(jìn)行點(diǎn)焊焊接后,施加合適的后鍛壓力就可以減少氣孔,縮松和裂紋等焊接缺陷的產(chǎn)生,因而在焊接的電流波形中沒(méi)有同時(shí)采用后熱電流以減緩點(diǎn)焊熔池的冷卻,防止焊接缺陷。圖3-2電極加壓方式圖3-3正拉伸試片3.2.2實(shí)驗(yàn)參數(shù)點(diǎn)焊參數(shù)的選擇[主要取決于金屬材料的性質(zhì)、板厚及所用設(shè)備的特點(diǎn)。對(duì)于本試驗(yàn)用的直流脈沖點(diǎn)焊,主要的規(guī)范參數(shù)有:焊接電流、焊接時(shí)間、電極壓力等。實(shí)驗(yàn)選取的該厚度鋁合金板搭接接頭的7組工藝參數(shù)如下表3-2所示表3-2點(diǎn)焊工藝參數(shù)表序號(hào)焊接電流kA焊接壓力KN通電時(shí)間ms1192.6602192.6903192.61204212.690523.52.6906212.71207213.01203.2.3試驗(yàn)結(jié)果在以上參數(shù)下所得的各種點(diǎn)焊接頭性能如表3-3所示。表3-3各種參數(shù)下的點(diǎn)焊焊接接頭性能序號(hào)焊核直徑mm剪切強(qiáng)度KN正拉強(qiáng)度KN疲勞循環(huán)次數(shù)疲勞失效形式13.850.9660.6043479沿接觸面撕裂25.162.1330.8661592114沿接觸面撕裂34.531.4080.7256707沿接觸面撕裂44.21.10.7253040沿接觸面撕裂54.281.2080.7656700沿接觸面撕裂65.112.0150.845283550沿大于焊核直徑圓周撕裂75.302.0130.825634132沿大于焊核直徑圓周撕裂(a)(b)圖3-4焊點(diǎn)接頭力學(xué)性能首先焊接電流在19KA,通電時(shí)間60s,焊接壓力在2.6KN時(shí)進(jìn)行點(diǎn)焊,如表4-1中(1)焊接參數(shù)所示。對(duì)接頭進(jìn)行剪切和正拉強(qiáng)度試驗(yàn),結(jié)果如圖3-4a所示。該參數(shù)下焊核的尺寸平均在3.85mm,其形貌如圖的3-5a所示。依據(jù)我國(guó)對(duì)對(duì)鋁合金電阻點(diǎn)焊和焊縫質(zhì)量檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)HB5276-1984,可查得鋁合金板在T4狀態(tài)下,0.9mm鋁合金板點(diǎn)焊接頭的最小尺寸為3.5mm,1.0mm的室溫單點(diǎn)抗剪力最小1.235KN(由于標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有給出0.9mm鋁合金板室溫單點(diǎn)抗剪強(qiáng)度,所以采用1.00mm的作參考),此時(shí)該接頭尺寸達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求而抗剪強(qiáng)度要小于該標(biāo)準(zhǔn)要求。已研究表明點(diǎn)焊接頭的強(qiáng)度與焊核的尺寸有直接的關(guān)系。為了保證工件的安全可靠性,必須適當(dāng)增大焊核尺寸以保證接頭的性能。因此在焊接電流和焊接壓力不變的情況下,延長(zhǎng)通電時(shí)間到90s,即表3-2中的(3)組參數(shù)。其結(jié)果如3-4a所示焊核形貌如圖3-5的(b)所示。可見(jiàn)焊核已有了充分的長(zhǎng)大,形狀近似橢圓,比較飽滿(mǎn),且接頭的強(qiáng)度也隨之有了很大的提高,此時(shí)室溫單點(diǎn)抗剪強(qiáng)度為2.1..KN,遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)要求。繼續(xù)延長(zhǎng)焊接時(shí)間到120s,如表3-2中(3)組參數(shù)結(jié)果如圖4-4a所示??梢钥闯龊负藦?qiáng)度和焊核尺寸并沒(méi)有隨焊接時(shí)間的延長(zhǎng)而有所提高,相反接頭的強(qiáng)度和尺寸都有一些下降,沒(méi)有(2)組參數(shù)得到的效果好,但是仍然要高于標(biāo)準(zhǔn)要求。接著試驗(yàn)在(2)組參數(shù)基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)焊接電流,分別進(jìn)行如表4-1中的(4)(5)組試驗(yàn),其結(jié)果如圖3-4a所示??梢钥闯龊负藦?qiáng)度和焊核尺寸并沒(méi)有隨著焊接時(shí)間的延長(zhǎng)而又所提高,相反接頭的強(qiáng)度和尺寸都有一些下降,沒(méi)有(2)組參數(shù)得到的效果好,但是仍然要高于標(biāo)準(zhǔn)要求。接著試驗(yàn)在(2)組參數(shù)基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)焊接電流,分別進(jìn)行如表3-2(a)1組:I=19KAT=60msF=2.6KN(b)2組I=19KAt=90msF=2.6KN(c)7組I=21KAt=120msF=3.0KN圖3-5焊核形貌圖為了研究電極壓力對(duì)點(diǎn)焊接頭性能的影響,根據(jù)(4)(5)組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,調(diào)整焊接參數(shù)分別進(jìn)行(6)(7)組試驗(yàn),結(jié)果如圖3-3(a)所示??梢?jiàn)焊核的尺寸又有了長(zhǎng)大,相比(2),(4),(5)組點(diǎn)焊接頭尺寸又了明顯的提高,但是跟(2)組的接頭尺寸相比,發(fā)現(xiàn)焊核的縱向厚度減小,呈現(xiàn)扁平的橢圓狀,且熔合線外的熱影響區(qū)范圍大,如圖3-5c所示。對(duì)比這幾組接頭的力學(xué)性能,如圖3-4a所示,可以看出增大電極壓力,點(diǎn)焊接頭的剪切和拉伸強(qiáng)度反而又都有了下降的趨勢(shì),但又大于標(biāo)準(zhǔn)要求而略低于(2)組點(diǎn)焊接頭的剪切和拉伸強(qiáng)度。而且從圖3-4b接頭的疲勞強(qiáng)度曲線上還可以看出,(6),(7)組兩組接頭疲勞壽命都要高于(2)組接頭的疲勞壽命,尤其是(7)組的低周疲勞性能循環(huán)壽命是(2)組的將近4倍,表現(xiàn)出很好的常溫低周抗疲勞性能。這兩組試片接頭的剪切和拉伸失效形式與(2)組接頭失效形式類(lèi)似,但其疲勞失效形式則是沿著大于焊核邊界的地方撕裂,形成了明顯大于(2)組接頭疲勞失效形式的孔。如圖(a)剪切斷口形貌(b)拉伸斷口形貌圖3-6點(diǎn)焊接頭剪切和拉伸失效形式3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析3.3.1焊接電流不同對(duì)工藝的影響研究表明形成熔核的熱源與電流的平方成正比,而點(diǎn)焊鋁合金的電流本身是一個(gè)很大的數(shù)值,因此焊接電流對(duì)產(chǎn)熱的影響很大,是一個(gè)必須嚴(yán)格控制的參數(shù)。在90ms時(shí),一定焊接壓力下,隨著焊接電流的增加,內(nèi)部熱源發(fā)熱量急劇增加,熔核尺寸在穩(wěn)定增大,當(dāng)板件翹離限制熔核直徑進(jìn)一步擴(kuò)大和溫度場(chǎng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后,也就標(biāo)志著形核所需的熱量達(dá)到了最大焊核就不會(huì)繼續(xù)增大,而多余的熱量就會(huì)逐漸散失。在此過(guò)程中若電流變大,剩余熱量就越多,溫度場(chǎng)溫度就會(huì)越高,這就會(huì)使熔核組織過(guò)熱,晶粒進(jìn)一步長(zhǎng)大,組織也就變得粗大,而且熱影響區(qū)的范圍也會(huì)變寬,其組織也會(huì)粗化,從而使接頭的性能下降。另外也會(huì)產(chǎn)生飛濺面對(duì)接頭的性能進(jìn)一步產(chǎn)生不利的影響。如圖3-8所示為(5)組參數(shù)點(diǎn)焊接頭有飛濺產(chǎn)生。(a)2組(b)組圖3-7焊核疲勞裂斷失效形貌圖3-8(5)組參數(shù)點(diǎn)焊接頭飛濺焊接電流是影響焊點(diǎn)質(zhì)量的主要因素,當(dāng)其它參數(shù)不變時(shí),點(diǎn)焊時(shí)產(chǎn)生的熱量與焊接電流的平方成正比,當(dāng)電流較小時(shí),加熱不足,無(wú)法形成熔核或形成的熔核尺寸很小。隨著焊接電流的增大,焊點(diǎn)的加熱強(qiáng)度增加,熔核尺寸迅速擴(kuò)大,當(dāng)熔核尺寸增大到一定值時(shí),由于電極與工件、工件與工件之間的接觸面積增大,焊接區(qū)電流密度減小,散熱增強(qiáng),致使焊接區(qū)加熱速度變緩,熔核直徑與焊透率的上升減小,電流過(guò)大時(shí),焊件加熱過(guò)快,但焊接電流過(guò)大時(shí)加熱過(guò)于強(qiáng)烈,熔核擴(kuò)展速度大于塑性環(huán)擴(kuò)展速度時(shí),這時(shí)熔核液態(tài)金屬在電極壓力作用下擠出焊接區(qū)形成噴霧,使焊點(diǎn)強(qiáng)度下降。因此,焊接電流的選擇應(yīng)以不產(chǎn)生噴濺為前提,并且保證在通電過(guò)程中后期有足夠的電流密度。3.3.2焊接時(shí)間不同對(duì)接頭的影響由上文可以看出焊接時(shí)間對(duì)點(diǎn)焊接頭力學(xué)性能的影響和焊接電流相似。在60ms時(shí),熔核正處于生長(zhǎng)階段,尺寸在逐漸增加,當(dāng)在90ms時(shí)熔核得到了充分的長(zhǎng)大,形狀近似橢圓,也比較飽滿(mǎn)。因而接頭的性能也比較好。擔(dān)當(dāng)時(shí)間延長(zhǎng)到120ms時(shí)則產(chǎn)生了過(guò)多的熱量,引起焊核組織,熱影響區(qū)過(guò)熱及焊核周邊母材過(guò)燒,使接頭性能反而下降。另外可以看出鋁合金的點(diǎn)焊過(guò)程是不穩(wěn)定的,二者在一定范圍內(nèi)必須相互協(xié)調(diào)互為補(bǔ)充,才能獲得好的接頭質(zhì)量。而(2)組正是由于參數(shù)搭配比較合適,使得形核的過(guò)程中產(chǎn)生熱量適中,組織過(guò)燒程度小,物金屬飛濺等缺陷,焊核尺寸比較大且飽滿(mǎn)。因而其接頭的各方面性能比較好,尤其是疲勞性能遠(yuǎn)大于其它的四組。焊接時(shí),由于溫度場(chǎng)的建立要有一個(gè)過(guò)程,在規(guī)定的焊接時(shí)間內(nèi),焊接區(qū)析出的熱量除部分散失外,將逐漸積累,用以加熱焊接區(qū),使熔核逐漸擴(kuò)大到所要求的尺寸。當(dāng)焊接時(shí)間過(guò)短時(shí),不能形成熔核。增加焊接時(shí)間,焊接區(qū)中心部分首先出現(xiàn)熔核。隨著焊接時(shí)間的增加。熔核尺寸不斷擴(kuò)大。當(dāng)熔核尺寸擴(kuò)大到一定值以后,由于接觸面積的增加,工件內(nèi)部電阻及電流密度降低,散熱增強(qiáng),熔核擴(kuò)散速度減慢,最終達(dá)到熔核尺寸的飽和值。3.3.3電極壓力對(duì)接頭性能的影響對(duì)比(2)組和(7)組接頭的組織如圖4-11所示,可以看出(2)組焊核貼合面附近含有大量的聚集的氣孔,有的尺寸明顯較大。熔核的生長(zhǎng)是從溶合線處開(kāi)始以柱狀晶方式向內(nèi)部推進(jìn)且面積比較大,而內(nèi)部則是由各向異性的等軸晶生長(zhǎng)組成。另外此焊核的熱影響區(qū)范圍小,晶粒受熱粗化的現(xiàn)象不是很明顯。而在(7)組的熔核貼合面處氣孔聚集少,尺寸相對(duì)較小且分布比較分散,內(nèi)部組織的柱狀晶區(qū)面積小。?。?)組,(7)組熔核中心局部放大圖如4-11中(c),(d)所示,(2)組焊核的組織內(nèi)的氣孔數(shù)量多。并含有較多大尺寸的氣孔,相反(7)組的焊核內(nèi)部組織中氣孔不但數(shù)量相對(duì)較少且尺寸偏小,并且其等軸晶晶粒相對(duì)(2)組也比較細(xì)化,但是由圖4-11b的(7)組金相照片可以看到該焊核的熱影響區(qū)范圍卻較大,相比(2)組晶粒明顯發(fā)生過(guò)熱長(zhǎng)大,晶界有顯微縮松存在,而且焊核周?chē)哪覆慕M織晶粒也變得粗大,甚至局部有晶界縮松,熱裂紋產(chǎn)生。(a)2組(b)7組(c)(d)圖4-9焊核金相組織圖研究表明電極壓力對(duì)電極間的總電阻R及產(chǎn)熱有明顯的影響,電極壓力過(guò)大或是過(guò)小都會(huì)使焊點(diǎn)承載能力降低和分散性變大,尤其對(duì)拉伸載荷影響更甚。電極壓力過(guò)大時(shí)將使焊接區(qū)接觸面積增大,總電阻和電流密度均減小,焊接散熱增加,因此會(huì)造成熔核尺寸下降,所以在改變電極壓力時(shí),必須相應(yīng)調(diào)節(jié)I,t使之搭配合適,以適應(yīng)不同加熱速度及滿(mǎn)足不同塑性變形能力的要求。此處在增大電極壓力的同時(shí),焊接電流采用21KA,延長(zhǎng)焊接時(shí)間到120ms,以使得維持焊區(qū)加熱程度不變,因而熔核尺寸相對(duì)沒(méi)有減小。而由上述的焊核組織可以看出鋁合金點(diǎn)焊接頭的力學(xué)性能與焊核組織的缺陷密切相關(guān),(7)組參數(shù)中采用較大的焊接壓力使熔核內(nèi)部組織變得細(xì)化致密,氣孔和縮松的尺寸減少,因而會(huì)使接頭的疲勞壽命明現(xiàn)年提高。但是由于焊核熱影響區(qū)和周?chē)覆木ЯJ軣衢L(zhǎng)大而粗化,晶界產(chǎn)生了縮松和熱裂等缺陷,因而焊核的剪切和拉伸強(qiáng)度會(huì)下降。另外,由于是薄板點(diǎn)焊,較大的電極壓力勢(shì)必使表面壓痕加深,造成焊核的厚度減小,也會(huì)在一定程度上使其剪切和拉伸強(qiáng)度下降。3.4點(diǎn)焊缺陷及其影響點(diǎn)焊,縫焊接頭內(nèi)部缺陷包括未熔合、縮孔、裂紋、結(jié)合線伸入、內(nèi)部噴濺等。外部缺陷還包括深壓痕、燒傷、燒穿、邊緣脹裂和外部噴濺等。其中某些缺陷對(duì)接頭質(zhì)量、焊件使用性能影響較大,又檢驗(yàn)難度大,鑒別困難,易出現(xiàn)誤判斷,因此必須了解其形貌特征及其影響。3.4.1未熔合與未完全熔合未熔合與未完全熔合為點(diǎn)焊接頭貼合面未熔化、呈塑性連接,或貼合面處的熔核尺寸小于規(guī)定值或形成環(huán)狀熔核,使接頭結(jié)合強(qiáng)度不能達(dá)到應(yīng)有規(guī)定值的焊接區(qū)的總稱(chēng)。未熔合缺陷在低倍檢驗(yàn)試片上顯現(xiàn)的形貌特征為保持原貼合面的形狀,未形成相互結(jié)晶鑄造熔核,在點(diǎn)焊接頭,未熔合是一種嚴(yán)重的缺陷。因此對(duì)該種缺陷應(yīng)有準(zhǔn)確而簡(jiǎn)單的無(wú)損檢驗(yàn)方法,并從根本上消除未熔合現(xiàn)象。未熔合和未完全熔合缺陷的檢驗(yàn)主要是指焊點(diǎn)尺寸和貼合面連接性質(zhì)(塑性或熔化后的連接)的檢驗(yàn)。目前大多數(shù)生產(chǎn)單位,仍沿用加強(qiáng)生產(chǎn)小規(guī)范穩(wěn)定性和現(xiàn)場(chǎng)抽檢熔核或焊縫尺寸的低倍(5—20倍)檢驗(yàn),或用撕破檢驗(yàn)、力學(xué)性能試驗(yàn)。3.4.2縮孔、裂紋與結(jié)合線伸入縮孔、裂紋和結(jié)合線伸入是點(diǎn)焊時(shí)常見(jiàn)的焊接缺陷,縮孔與裂紋多為收縮性缺陷。由于點(diǎn)焊焊接區(qū)加熱集中,溫度梯度大,加熱和冷卻速度快,液態(tài)金屬被包圍在金屬塑性環(huán)和硬金屬環(huán)之中,同時(shí)受著焊接區(qū)金屬形變特點(diǎn)的影響,因此,決定了熔核結(jié)晶過(guò)程的特殊性。當(dāng)規(guī)范參數(shù)選擇不當(dāng),外界其它條件發(fā)生變化時(shí)易產(chǎn)生縮孔、裂紋和結(jié)合線伸入等缺陷。(1)縮孔縮孔是在高溫合金、鋁合金或厚板點(diǎn)焊時(shí)常見(jiàn)的一種缺陷。若未伴隨產(chǎn)生裂紋,則對(duì)焊點(diǎn)強(qiáng)度無(wú)大影響。縮孔產(chǎn)生原因有:1)焊件表面有銹蝕或涂層;2)焊接時(shí)間過(guò)長(zhǎng);3)電極壓力不足;4)未能及時(shí)施加鍛壓力。(2)裂紋點(diǎn)焊裂紋有熔核內(nèi)部裂紋、結(jié)合線裂紋、熱影響區(qū)裂紋和表面裂紋等。裂紋是危險(xiǎn)缺陷之一,在一些承力件,尤其承受動(dòng)載荷的重要焊件中,不允許存在。表面裂紋產(chǎn)生原因有:1)電極壓力低;2)電極冷卻能力差;3)焊接時(shí)間長(zhǎng)。產(chǎn)生后將明顯降低動(dòng)載條件下構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度,防止縮孔、裂紋產(chǎn)生應(yīng)采取的措施是調(diào)整焊接規(guī)范,增加機(jī)構(gòu)剛度。在一般焊件中,對(duì)熔點(diǎn)中的內(nèi)部裂紋限制在熔直徑的1/3長(zhǎng)度范圍內(nèi)。且不準(zhǔn)存在于熔核邊緣,更不準(zhǔn)發(fā)展到焊點(diǎn)表面。(3)結(jié)合線伸入在焊點(diǎn)熔核邊緣存在沿焊件貼合面伸入的連續(xù)條狀?yuàn)A雜物或未熔合的縫隙稱(chēng)為結(jié)合線伸入。結(jié)合線伸入多在鋁合金、鐵基或鎳基高溫合金等材料點(diǎn)焊時(shí)出現(xiàn)。它與焊前材料表面狀態(tài)有很大關(guān)系,如保護(hù)層過(guò)厚.清理不干凈,表面氧化膜硬,熔點(diǎn)高,或經(jīng)過(guò)清理又重新氧化時(shí),這些表面氧化膜或雜質(zhì)進(jìn)入熔化區(qū),阻斷了枝晶的生長(zhǎng),造成結(jié)合線伸入。由于它減小熔核的有效直徑,從而降低接頭強(qiáng)度。因此,采取焊前清理可以有效避免這種缺陷產(chǎn)生。3.4.3表面燒傷、燒穿和噴濺(1)表面燒傷當(dāng)焊件或電極表面不干凈,有污物、氧化皮或其它雜質(zhì)時(shí),或因存在焊件分流使焊件與電極接觸的局部區(qū)域電流密度高度集中而黃銅化的電極工作面的散熱能力大為降低,造成了局部熔化的燒傷。燒傷的特征是焊件表面的局部熔化痕跡,并伴有銅電極的粘附。對(duì)包鋁的、鋁合金焊件則表現(xiàn)為焊點(diǎn)表面發(fā)黑,破壞了包鋁層。燒傷會(huì)影響接頭的抗腐蝕性和表面質(zhì)量。(2)燒穿燒穿是一種嚴(yán)重的缺陷,它是由于焊件與焊件之間或焊件與電極之間存在絕緣物質(zhì),而絕緣物不致密,導(dǎo)致局部導(dǎo)電,電流密度過(guò)大,造成焊件燒毀,形成穿透的空洞,或者由于噴濺或燒傷嚴(yán)重發(fā)展,也形成穿透性的空洞。燒穿直接破壞了焊件的完整性和表面質(zhì)量,影響接頭的力學(xué)性能和使用特性。噴濺點(diǎn)焊有內(nèi)部噴濺和外部噴濺。內(nèi)部噴濺是點(diǎn)焊加熱過(guò)程中塑性環(huán)的徑向發(fā)展低于熔核的發(fā)展,使高溫液態(tài)金屬在高電極力作用下沖破塑性環(huán),沿最薄弱的兩板間貼合面擠出,形成內(nèi)部噴濺。外部噴濺是指電極與焊件之間熔化金屬溢出的現(xiàn)象。因此對(duì)上述這些缺陷應(yīng)嚴(yán)格限制。3.4.4過(guò)燒和晶間腐蝕(1)過(guò)燒在不當(dāng)?shù)狞c(diǎn)焊熱量循環(huán)作用下,熔核附近的區(qū)域因加熱溫度過(guò)高、高溫停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng),使該區(qū)域內(nèi)晶界上的低熔點(diǎn)相熔化,尤其晶界三角區(qū)熔化或表層晶界因氧的侵入而生成氧化物,在冷卻后形成晶角三角區(qū)的空間洞或出現(xiàn)網(wǎng)狀晶界氧化或出現(xiàn)龜裂。這種現(xiàn)象均為過(guò)燒現(xiàn)象。(2)晶間腐蝕焊點(diǎn)的晶間腐蝕是不銹鋼、耐熱鋼等材料在點(diǎn)焊時(shí)應(yīng)予注意的一種腐蝕現(xiàn)象。由于焊件的表面外觀并無(wú)變化,甚至仍有金屬光澤,因此不易發(fā)現(xiàn)晶間腐蝕但實(shí)際上已失去了晶間連接,失去了承載能力,所以這是一種危險(xiǎn)的缺陷—[6]。3.5本章小結(jié)本章主要介紹關(guān)于論文中鋁合金點(diǎn)焊試驗(yàn)用到的6061鋁合金材料的成分、狀態(tài)、機(jī)械性能;試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)方法。詳細(xì)分析了各個(gè)主要參數(shù)對(duì)焊接接頭質(zhì)量的影響,得出在該設(shè)備下,當(dāng)采用焊接電流為19KA,焊接壓力為2.6KN,通電時(shí)間在90ms到120ms的范圍內(nèi),能得到綜合性能較好的點(diǎn)焊接頭。單一的使焊接時(shí)間延長(zhǎng)不會(huì)使焊核尺寸繼續(xù)增加,反而會(huì)使接頭的性能下降,使點(diǎn)焊過(guò)程變得不穩(wěn)定。較大的電極壓力能起到使焊核內(nèi)部組織晶粒細(xì)化,氣孔的尺寸核數(shù)量減少的作用,進(jìn)而提高點(diǎn)焊接頭的疲勞壽命。最后,分析了焊接過(guò)程中常見(jiàn)缺陷的表現(xiàn)及產(chǎn)生的原因。要防止缺陷的產(chǎn)生,最重要的是合理的選擇參數(shù),此外,保證良好的工藝因素也很重要。第四章鋁合金電阻焊的加工參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)4.1引言通過(guò)上幾章對(duì)鋁合金特性的分析,我們知道鋁合金的化學(xué)活性很強(qiáng),表面極易形成氧化膜,且多具有難熔性質(zhì),加之鋁及其合金導(dǎo)熱性強(qiáng),焊接時(shí)容易造成不熔合現(xiàn)象。但其焊接性較差,且對(duì)焊接形成挑戰(zhàn)的原因主要是:缺乏工藝標(biāo)準(zhǔn),從而導(dǎo)致大量的質(zhì)量問(wèn)題。合理選擇工藝參數(shù)則是控制焊點(diǎn)質(zhì)量的最主要途徑。本文通過(guò)一種既能減少試驗(yàn)次數(shù),又能獲得可靠結(jié)果的多因素的優(yōu)選方法—正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)點(diǎn)焊工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,獲取最佳工藝參數(shù)。其代替了傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)法.在確保試驗(yàn)結(jié)果可靠的基礎(chǔ)上,提高了試驗(yàn)效率。在鋁合金電阻點(diǎn)焊的加工工藝研究方面有不可替代的作用,使鋁合金電阻焊能獲得很好的焊接質(zhì)量。4.2點(diǎn)焊工藝參數(shù)優(yōu)化的理論基礎(chǔ)4.2.1正交實(shí)驗(yàn)法的基本思路正交實(shí)驗(yàn)法師一種安排多因素試驗(yàn)的教學(xué)方法,他是從大量的生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)踐中總結(jié)出來(lái)的。事實(shí)證明這一方法簡(jiǎn)單易行,應(yīng)用廣泛,效果良好。無(wú)論在提高定型產(chǎn)品的質(zhì)量,產(chǎn)量,研究新工藝,以及改進(jìn)技術(shù)性能和改進(jìn)技術(shù)管理等方面。正交試驗(yàn)法都取得了巨大的成功。4.2.2正交試驗(yàn)的理論基礎(chǔ)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是研究多因素多水平的一種設(shè)計(jì)方法,它是根據(jù)正交性從全面試驗(yàn)中挑選出部分有代表性的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn),這些有代表性的點(diǎn)具備了“均勻分散,齊整可比”的特點(diǎn)。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是一種高效率、快速經(jīng)濟(jì)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。日本著名的統(tǒng)
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