鐘麗慧 韓立軍 郭院波

摘要：介紹了鋁點焊焊接技術(shù)的特殊性，設(shè)備的結(jié)構(gòu)及特點，汽車車身對鋁點焊技術(shù)在介質(zhì)、材料、生產(chǎn)夾具及相關(guān)附屬設(shè)備等方面的要求。通過對焊接設(shè)備電極極性、電源頻率，電極帽端面形狀和材料、焊接控制模式和焊接參數(shù)等進行分析測試，得出鋁點焊質(zhì)量的關(guān)鍵影響因素。確定了改善鋁合金點焊質(zhì)量、延長電極帽使用壽命的改進方向和思路，為汽車行業(yè)技術(shù)的發(fā)展提供經(jīng)驗與借鑒。

關(guān)鍵詞：鋁合金點焊;AMF壓力控制模式;焊接參數(shù);熔核;裂紋

0 前言

隨著汽車輕量化、新能源汽車的涌入，越來越多的輕質(zhì)材料被應(yīng)用到汽車生產(chǎn)中，如鋁合金、鎂合金、碳纖維等。鎂合金、碳纖維的材料成本過高，工藝不夠成熟，性能優(yōu)良、工藝成熟和資源豐富的鋁合金成為了關(guān)注焦點。針對鋁合金材料的連接，在生產(chǎn)中相繼涌現(xiàn)了SPR、Clinch、FDS等鋼鋁、鋁鋁連接的工藝方法。而相對于鉚接，鋁合金點焊由于成本低、強度高、結(jié)構(gòu)設(shè)計簡化、設(shè)備通用性高和生產(chǎn)集成性好等優(yōu)點，成為國內(nèi)外汽車行業(yè)關(guān)注的焦點。但是受到鋁合金材料性能影響，鋁點焊容易產(chǎn)生裂紋、氣孔等缺陷，這限制了該工藝在承受動載荷場景的應(yīng)用。隨著技術(shù)發(fā)展的不斷成熟，鋁點焊技術(shù)越來越廣泛地應(yīng)用到車身的設(shè)計和生產(chǎn)中。

1 鋁合金點焊技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

目前的汽車生產(chǎn)企業(yè)，如AUDI、寶馬、特斯拉等都相繼應(yīng)用了鋁點焊技術(shù)，尤其是在新能源汽車的電池殼體生產(chǎn)上。由于鋁板在材料焊接性上不同于鋼板，該技術(shù)對設(shè)備、生產(chǎn)環(huán)境等提出了較高的要求，各企業(yè)采用的設(shè)備形式和工藝手段也有所不同。

特斯拉采用Fronius公司帶有電極帶的焊鉗。通過移動的電極帶增大焊接電阻，有效保證了焊接熱量，有利于焊點的形成。Fronius鋁點焊設(shè)備的應(yīng)用如圖1所示，該方式很好地保證了焊接電極的表面狀態(tài)和接頭質(zhì)量，焊點質(zhì)量好，電極壽命長。但涉及到焊接電極帶的耗材成本，同時由于焊鉗鉗體上增加了電極帶的驅(qū)動系統(tǒng)，設(shè)備結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，對于一些點定夾緊裝置復(fù)雜的工位，焊槍的通過性會有一定限制。

凱迪拉克CT6生產(chǎn)線上采用通用專利技術(shù)對焊接電極表面進行環(huán)狀紋路處理，以保證鋁合金表面氧化膜的破碎，順利進入焊接階段，提升焊點的焊接次數(shù)和質(zhì)量。電極紋路處理可以提升單次修磨后的焊接點數(shù)。但焊接后會存在焊點印記，并不適合車身覆蓋件的表面焊點，且需要特殊的修磨裝置。該技術(shù)應(yīng)用如圖2所示。

此外，還有一種中頻交流控制方式。該方式采用特制的工頻變壓器，通過IGBT在變壓器一次側(cè)對焊接電流的波形頻率過零點焊接時間進行調(diào)整控制，實現(xiàn)焊接過程中正負極性交替變換，減輕正負電極侵蝕狀態(tài)不同的問題，提升連續(xù)焊接點數(shù)和焊接質(zhì)量。但由于變壓器鐵心截面大，質(zhì)量大，整個焊槍也較重，對機器人負載和配置提出了更高要求。

文中針對中頻直流焊接模式的鋁合金點焊技術(shù)的設(shè)備結(jié)構(gòu)、焊接極性、電極帽形狀和材質(zhì)、焊接控制方式及參數(shù)等關(guān)鍵因素進行實驗分析，以得出影響鋁點焊質(zhì)量的關(guān)鍵因素，為鋁合金板材點焊技術(shù)的焊接性和焊點質(zhì)量提升提供指導(dǎo)方向，為鋁點焊技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用提供借鑒與指導(dǎo)。

2 鋁合金點焊技術(shù)特點

2.1 鋁合金材料特點

鋁合金和鋼、銅的材料性能對比如表1所示?？梢钥闯?，相對于鋼板，鋁合金密度更低。同時鋁合金熔點低、氧化性強，在表面很容易被氧化，在空氣中易被氧化成Al2O3（熔點2 050 ℃），不勻稱的氧化膜分布會使鋁吸收更多的水分，在焊接接頭中易形成氣孔，在熔核內(nèi)形成雜質(zhì)從而影響接頭性能[1-3]。

由于鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)高和熱膨脹系數(shù)大，所以鋁板在焊接過程中變形較大。而低電阻率和高導(dǎo)熱性的特點，使得鋁點焊需要更高的能量密度。

2.2 鋁合金的焊接特點

鋁合金的熱導(dǎo)率和線膨脹系數(shù)差異較明顯，導(dǎo)致焊接過程中熱量分布不均和焊后冷卻收縮能力不同，造成較大的焊接變形，容易產(chǎn)生焊接裂紋[4]。

對鋼板而言，點焊焊接能量很容易聚集并形成焊核，而鋁板的板材導(dǎo)熱性好，輸入的熱量很容易分散流失，所以焊接時需要快速聚集熱量，即大電流、短時間的焊接方式，通常電流為幾萬安培。

兩種材料、相同板厚條件下的焊接參數(shù)對比如圖3所示。圖3a為鋼板的點焊參數(shù)，焊接電流約為10 kA，焊接時間500 ms。圖3b為鋁板點焊參數(shù)，主焊接電流為30～40 kA，是鋼板的3～4倍，而焊接時間僅為100 ms左右。這些都是鋁材料的特性造成的。

鋼及鋁點焊過程中的熱量分布示意如圖4所示。鋁合金表面的氧化層使得在焊接過程中，銅電極與工件發(fā)生合金化反應(yīng)引起燒損[5]，電極帽表面局部侵蝕，阻礙電流形成回路。隨著焊接點數(shù)的增加，電極帽侵蝕嚴重，電極帽與工件間的電阻越來越大，焊接熱量也會分散到電極帽與工件間，不僅影響電極帽的壽命，而且焊接質(zhì)量也越來越差。

鋁點焊電極帽侵蝕圖片如圖5所示。為保證焊接質(zhì)量，需要不斷地對電極帽進行修磨，這制約了汽車生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率提升，增加了電極消耗成本。所以如何提升鋁點焊單次修磨內(nèi)可焊接點數(shù)是汽車行業(yè)研究的焦點。

2.3 鋁點焊產(chǎn)品設(shè)計要求

鋁點焊的焊接電流很大，為減少分流、提高焊點過程穩(wěn)定性，通過焊接試驗及大眾集團多年的鋁點焊實踐經(jīng)驗分析得出，焊點之間的最小間距應(yīng)大于6 dp（焊核），以減少焊接分流的影響，更好地保證焊點質(zhì)量。通過參數(shù)試驗，并結(jié)合焊接后的焊核直徑（dL）測試分析得出，焊點熔核直徑與板材最小厚度（t1）的對應(yīng)關(guān)系為dLmin≥5。

不同板材厚度對應(yīng)的焊點熔核直徑和抗剪力要求如表2所示，這也是鋁點焊設(shè)計和質(zhì)量控制的檢驗基準。

2.4 鋁合金酸洗鈍化工藝

為保障鋁點焊有更好的焊接性，焊接前需對板材進行酸洗鈍化處理以去除鋁板材表面的油脂和氧化層，在表面形成一層薄薄的、致密、穩(wěn)定而均勻的鈍化膜，保證表面電阻的穩(wěn)定，更有利于保證鋁合金點焊的焊接和質(zhì)量穩(wěn)定性。

整個酸洗鈍化過程分為：脫脂除油、水洗、酸洗去氧化層、水洗、鈍化、清洗和烘干幾個階段，酸洗鈍化前后對比如圖6所示。

3 鋁點焊技術(shù)對裝備和介質(zhì)的要求

工藝設(shè)計及制造需考慮設(shè)備、生產(chǎn)工藝、焊接參數(shù)等多方面因素，如設(shè)備選型、焊接電源及焊接過程控制方式、電極帽的形狀和材料、合適的焊接參數(shù)等。

3.1 鋁點焊焊接電源特點

中頻直流焊接模式的焊接電源形成過程如圖7所示。整個電源控制過程可分為5個階段：a. 輸入三相50 Hz或者60 Hz的交流電;b. 交流電經(jīng)過二極管組成的三相整流器，將交流處理成帶有脈動的直流;c. 脈動直流經(jīng)電容完成直流濾波，形成平滑直流電;d. 經(jīng)帶有4個IGBT組成的H橋進行逆變，將直流電逆變成1 000 Hz的交流方波;e. 最后經(jīng)過變壓器及變壓器二次側(cè)連接二極管整流電路，將交流方波重新轉(zhuǎn)變輸出為直流電。

3.2 焊槍執(zhí)行單元

鋁點焊設(shè)備的焊槍執(zhí)行單元包含變壓器、鉗體和電缸驅(qū)動系統(tǒng)。變壓器的選擇：由于鋁點焊的焊接電流可達50～60 kA，所以需要配置大容量的變壓器。目前很多設(shè)備廠家采用雙變壓器結(jié)構(gòu)來保證焊接容量的需求，以減少設(shè)備工作負載，保證設(shè)備使用壽命。電缸驅(qū)動系統(tǒng)的選擇：為了保證焊接過程中氣體的及時溢出，減少或避免氣孔、裂紋缺陷，需采用較高的壓力。鋁點焊的焊接壓力遠遠大于鋼板，通常鋼點焊焊鉗的壓力為3～5 kN，而鋁點焊電極壓力要達到6～7 kN，乃至8 kN。因此鋁點焊需要選用大驅(qū)動力的電缸。

在鉗體結(jié)構(gòu)和材料設(shè)計上也對設(shè)備提出了很高的要求。鋁點焊壓力大，焊接過程中為了避免焊鉗臂和電極桿的變形，保證焊接電極的對中性，鉗體應(yīng)采用強度和剛性高的材料，通常為7系航空鋁，電極桿采用較粗的端面結(jié)構(gòu)。

3.3 鋁點焊對于介質(zhì)及其他設(shè)備接口要求

鋼板點焊通常需要冷卻水流量為8 L/min，而鋁點焊的冷卻水流量需達到20 L/min，因為鋁點焊焊接電流大，需要更大流量的冷卻水來保證焊接變壓器、電缸、焊鉗上下電極和控制柜逆變器的冷卻，以保證焊接的穩(wěn)定性和設(shè)備的使用壽命。

在電氣設(shè)計上，鋁點焊需要更粗的焊接電纜，更大容量的熔斷器（鋼為100 A，鋁點焊為160 A）。如果是雙變壓器結(jié)構(gòu)的鋁焊槍，還需配備兩套電纜線，對應(yīng)的管線包、水氣單元都要預(yù)留雙管路。

機器人的選型上要考慮整體設(shè)備配重。一般而言，鋁點焊焊槍質(zhì)量約為200 kg，機器人通常選擇270或360系列。

3.4 鋁點焊夾具設(shè)計

由于鋁點焊焊接電流高達幾萬安培，在焊接過程中產(chǎn)生的磁場很強，為保證焊點質(zhì)量，需要對夾具進行特殊設(shè)計。鋁點焊夾具圖片如圖8所示。夾具中多處部件都要進行防磁或采用抗強磁材料，以避免焊接過程產(chǎn)生的強磁干擾傳感器，保證焊接質(zhì)量和穩(wěn)定性。

4 鋁合金點焊焊接影響因素分析

4.1 焊接電源

4.1.1 焊接電源頻率的差異

高頻率的焊接電源更有利于焊點質(zhì)量，相比于1 kHz，2 kHz具有焊機功率因數(shù)高、熱量集中度高[6]、焊接電流更穩(wěn)定、能耗更低的優(yōu)勢，且2 kHz變壓器尺寸更小、質(zhì)量更輕。

不同的焊接頻率如圖9所示，2 kHz焊機的電流波形更平緩，電流密度高，熱量集中，響應(yīng)速度明顯快于1 kHz[7]。在焊點強度和熔核形貌方面，二者也是有差異的，在相同的焊接條件下，對1.15 mm+1.7 mm的TL091鋁板進行連續(xù)60點焊接，分別抽取6個試樣進行抗剪力試驗，檢測結(jié)果如圖10所示。可以看出，在相同焊接條件下，2 kHz高頻焊接的熔核直徑更大，焊點強度也相對更高。

4.1.2 焊接電源的變極性控制

點焊焊接過程中由于珀爾帖效應(yīng)，相同厚度板材在焊接過程中焊點熔核向正極偏移，而鋁點焊由于較高的電流輸入使得其熔核偏移傾向更加明顯。焊接過程中正負電極帽表面侵蝕程度不同，正極侵蝕更加嚴重，隨著點數(shù)的增加而更加明顯（見圖11）。

分別采用單極性和變極性的方式進行連續(xù)焊接測試，觀測焊點的直徑變化，如圖12所示?？梢钥闯?，當電極極性的交替變換時，焊點直徑基本穩(wěn)定在6 mm左右變化。由此可見，通過控制焊機焊接極性的交替變化，可以克服正負電極的不均勻侵蝕現(xiàn)象，提升焊點的焊接質(zhì)量、延長電極壽命。

極性的轉(zhuǎn)變可以通過在變壓器一次側(cè)或二次側(cè)進行切換來實現(xiàn)。在變壓器的初級轉(zhuǎn)換主要是通過IGBT逆變，控制調(diào)整交流方波的頻率和過原點時間，保持正負極性的反復(fù)切換。不同于圖7e，變壓器內(nèi)部沒有二極管整流過程。另外一種方式則是在變壓器二次側(cè)進行極性切換，但由于二次電流很大，在控制和安全性方面將面臨一定困難。

4.2 電極

4.2.1 電極帽形狀影響分析

鋁點焊由于熱輸入量和壓力較高，焊接接頭軟化區(qū)域大，需要選用直徑較大的電極帽來覆蓋全部軟化區(qū)域，如圖13所示。

電極帽的形狀也會影響焊接質(zhì)量，前端形狀不同，焊點熔核在形成過程中受到軸向和徑向的拉伸力則不同，如圖13a所示。采用前端帶有合適R角的電極更有利于在相同焊接條件下獲取更高的電流密度和焊核質(zhì)量。

不同形狀電極焊接焊點對應(yīng)的熔核成型狀態(tài)如圖14所示。可以看出，圖14b或圖14c的電極壓痕較深，圖14a為前端帶有弧度R=100的近平電極，焊核表面及內(nèi)部金相成型狀態(tài)相對較好。推薦采用20直徑前端帶有R=100或R=150的近平面電極來進行鋁合金的點焊。

4.2.2 電極垂直度和對中性

在焊接過程中還應(yīng)注意工件與電極的垂直度和上下電極的對中性。焊槍的姿態(tài)直接影響焊接質(zhì)量，如圖15所示。由于鋁點焊采用大電流，稍有偏移，將直接影響到熱輸入量和焊件質(zhì)量。這對現(xiàn)場的零件、夾具狀態(tài)，及工藝匹配和穩(wěn)定性也提出了更高的要求。所以對于在曲面位置的鋁點焊要進行評估或測試，確保電極R與工件弧度的匹配，并考慮生產(chǎn)偏差等方面的影響。

4.2.3 電極帽材料

電極帽材料也會對焊點質(zhì)量、電極帽單次修磨后焊接點數(shù)和電極帽壽命產(chǎn)生影響。

分別采用三種電極A、B、C對同一板材在相同參數(shù)下進行連續(xù)焊接，試驗電極材料對焊接點數(shù)和焊點質(zhì)量的影響。A為鋯銅電極，在銅中加入微量元素鋯，含量為0.2%，導(dǎo)電率提升5%～10%;B為普通鉻鋯銅電極;C為進行彌散強化處理的鉻鋯銅電極。不同材質(zhì)電極鋁點焊后的狀態(tài)如圖16所示。

電極B所焊焊點在30～40點時開始出現(xiàn)電極表面侵蝕現(xiàn)象（見圖16a）;對第47個焊點進行金相檢驗發(fā)現(xiàn)，中心處出現(xiàn)裂紋（見圖16b）。電極A連續(xù)焊接84點后焊點表面狀態(tài)基本無變化（見圖16c），第84點的金相分析也沒有缺陷（見圖16d）。由圖16e可知，A電極侵蝕現(xiàn)象不明顯，而B和C電極侵蝕較為嚴重，尤其是正極側(cè)。

通過試驗發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的鋯銅電極可以提升焊接點數(shù)、焊接質(zhì)量和節(jié)拍，并降低焊接電流、節(jié)省焊接能量。考慮到企業(yè)的長期綜合成本，電極材料的選擇十分重要。

4.3 焊接控制方式

鋼板點焊控制方式：采樣焊接電流和電壓，實時監(jiān)控電阻。鋁點焊的控制方法主要涉及如下：

首先，鋁板表面高熔點氧化膜的存在使得接觸電阻更加不均勻，加劇熔核性能的不穩(wěn)定和電極的侵蝕[8]。因此，對表面氧化膜的打碎和電流提升時間點的控制好壞直接影響熔核組織和性能。

其次，對焊接壓力的控制。在鋁點焊的預(yù)熱焊接過程中，隨著焊接壓力和預(yù)熱電流的增加，由電極擠壓產(chǎn)生的界面壓力破壞了接觸面之間不規(guī)則的凸出部位和凹陷部位，表現(xiàn)為微觀接觸面的不斷增加，導(dǎo)致表面的接觸電阻迅速降低[8]。通過監(jiān)控電阻，可以確定氧化膜破裂的時間點，從而迅速提升電流到主焊接電流，以保證板材順利進入主焊接階段，如圖17所示。

此外，在整個設(shè)備設(shè)計上會增加一套壓力控制系統(tǒng)。鋁點焊焊核在形成過程中會產(chǎn)生熔核膨脹，通過在電極臂上安裝壓力傳感器的方式來監(jiān)控并判斷熔核的形成狀態(tài)。并在系統(tǒng)內(nèi)通過設(shè)置焊接壓力參考曲線的方式，實時對壓力進行監(jiān)控來調(diào)整相應(yīng)的電流和時間，保證整個焊點的熱量輸入，該方式稱為AMF壓力控制模式，可以很好地控制焊接過程的焊點質(zhì)量。

4.4 焊接參數(shù)

鋼板點焊與鋁板點焊的焊接參數(shù)差距很大，如表3所示。焊接電流是主要影響因素，電流大小直接影響熔核直徑和熔透率。

焊接時間在熔核生長過程中對熔核的大小影響比較明顯。在焊接后期，熱輸入與散熱接近平衡，熔核增長緩慢，而電極長時間處于高溫高壓下會造成電極壽命降低和焊點質(zhì)量下降[6]。研究分析得出，熔核在80 ms前快速生長，120 ms后熔核尺寸基本保持不變[6]，所以鋁點焊的主焊接時間推薦在100 ms以內(nèi)。

鋁點焊除了需要大電流保證足夠的熱量輸入外，點焊壓力的控制也至關(guān)重要。壓力增加，電阻降低，影響到焊接熱量和熔核產(chǎn)生的速率，所以焊接壓力要與電流、時間進行匹配調(diào)整。焊接壓力對鋁點焊裂紋的形成影響很大。由于鋁合金導(dǎo)熱性強、線膨脹系數(shù)較大，在快速加熱和冷卻條件下，點焊熔核周圍熱影響區(qū)受熱發(fā)生晶粒長大。晶界處主要為低熔點共晶物，在焊接過程中熔核周圍熱影響區(qū)處于較高溫度，此時位于晶界的低熔點共晶發(fā)生熔化，致使晶間的結(jié)合力變?nèi)酰谕饬ψ饔孟氯菀组_裂形成裂紋。鋁點焊的裂紋多出現(xiàn)在熔核區(qū)域的縱向裂紋，如圖18a所示。

圖18b和18c為在相同焊接電流和時間下，1.15 mm+1.7 mm+1.15 mm三層板分別在7.5 kN和6 kN焊接壓力下熔核的金相狀態(tài)?？梢钥闯?，焊接壓力的合理設(shè)置會影響到熔核裂紋。在試驗分析過程中還發(fā)現(xiàn)，隨著焊接點數(shù)的增加，電極侵蝕的加重，熔核內(nèi)的裂紋和氣孔呈逐漸惡化趨勢。

焊后維持壓力和電流遞減時間的合理設(shè)置可以減少裂紋擴散和氣孔的形成，提高接頭的整體性能，因此對于鋁點焊的質(zhì)量控制也十分重要。

5 結(jié)論

通過分析鋁合金點焊的焊接性能、設(shè)備結(jié)構(gòu)，以及焊接相關(guān)因素，確定了提高鋁合金點焊焊接性、延長電極使用壽命、提升焊點質(zhì)量的改進方向和思路，主要為：

（1）對電源進行極性交替變換，對焊接頻率進行提升，有利于焊接電流的穩(wěn)定性輸出、焊接質(zhì)量的控制和電極壽命的延長。

（2）優(yōu)化電極形狀和材料，可以大大增加鋁點焊單次修磨的焊接次數(shù)，提高焊點質(zhì)量，提升生產(chǎn)節(jié)拍和效率，是企業(yè)優(yōu)化制造成本的一個方向。

（3）為保證鋁點焊焊點質(zhì)量，除采用強度、剛性和容量足夠的焊接設(shè)備外，還要選用合適的過程焊接模式;監(jiān)測板材氧化膜破裂時間點，控制輸入主焊接電流，實時監(jiān)控焊接壓力有助于控制焊點質(zhì)量。

（4）鋁合金點焊的焊接參數(shù)敏感性更高，針對不同板材建立的焊接參數(shù)庫，對企業(yè)后續(xù)的項目調(diào)試周期、成本優(yōu)化、知識積累等都有著長遠意義。

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