新型材料的电阻焊技术现状及发展
王 敏
（上海交通大学 材料科学与工程学院，上海 200030）
摘 要：本文介绍了近年来在汽车工业中迅速发展的铝合金、镁合金、镀锌钢板、高强钢等新材料的电阻焊技术研究现状及发展。
关键词：新型材料，电阻焊
0 序 言
随着工业的迅猛发展，对工业产品（特别是汽车）外壳用材的性能提出了更高的要求，并促进了产品用材的更新换代。例如，为了改善汽车外壳的抗腐蚀性能，提高汽车的使用寿命，在汽车车身制造中大量采用镀锌钢板代替普通冷轧钢板；为了减轻车身总体重量，节省能源消耗，世界各大汽车公司正在开发铝合金[1-3]或高强钢车身的汽车，或在很多汽车零部件上用铝合金、镁合金、钛合金等轻质材料代替钢板；为了提高汽车的舒适性和降低噪声，在油底壳等汽车零部件上开始使用减振复合板[4-5]。同时，由于在汽车车身、油箱、油低壳等薄板结构的装配制造中，大量采用电阻焊方法，为保证焊接质量，研究铝合金、镁合金、镀锌钢板、高强钢等新材料的电阻点焊性能已成了非常迫切的任务。近年来，各国焊接工作者就此方面做了大量的理论及实际研究工作，并取得了一定的成绩。
1 铝及铝合金合金的电阻焊研究
铝及铝合金熔点低、屈服强度低、导电导热性能良好以及存在表面氧化膜等特点，给电阻点焊带来了很大的困难[6-7]，近年来各国焊接学家主要作了以下一些研究：
在铝合金点焊电极寿命研究方面，美国沃特卢大学的Lum,L在研究5182铝合金点焊电极寿命中，采用了扫描电镜、SEM/EDX、XRD等方法，研究表明[8]：从电极衰退到最终失效主要经历了铝剥离、铝与铜合金化、电极端面蚀斑及电极端面凹坑四个阶段，由于蚀斑和凹坑起源于铝的剥离和合金化，因此，作者认为定期对电极表面清洁能增加电极寿命，有利于汽车生产中铝合金的应用；美国加利福尼亚大学的Fresz,B研究了铜电极的合金成分对电极寿命的影响[9]，试验中采用了Cu-Cr,Cu-Zr,Cu-Cr-Zr,Cu-Be等不同的铜电极材料；Dorn,Lutz等学者提出了点焊铝合金时采用复合电极以提高其寿命[10]，研究采用在铬锆铜电极端部镶嵌钨的复合电极焊接铝合金，发现电极寿命可提高1.5至2倍。
在铝合金点焊的工艺研究方面，S.M.Dariwish等学者通过大量试验数据的统计分析，研究了焊接参数（焊接电流、时间、电极压力及板厚）对B.S.1050商业纯铝点焊接头微观硬度和强度的影响[11]；Sari,H.等学者通过铝合金点焊工艺试验，研究了铝合金点焊时电极接触半径与接触电阻间的关系，以及电极接触半径与工件/工件的接触面积间的关系[12]；美国密西根大学的Cho,Y采用实验研究方法，比较了铝合金与钢的电阻点焊工艺[13]，根据试验得出的叶型曲线确定可用焊接电流范围和焊点破坏后的钮扣直径，并用这两个参数来评价铝合金和钢的点焊质量，试验表明：电极尺寸对钢焊点破坏后的钮扣直径有很大影响，但对铝焊点没有很好的对应关系，铝焊点破坏后的钮扣直径波动很大。此外，在铝合金点焊工艺优化和质量控制方面，人工神经网络和模糊控制技术的应用研究也有适量的报道[14－16]。
此外，铝合金点焊过程的有限元模拟也是近年来各国学者的研究热点[17-18]。美国学者X.SUN等将热－电－力耦合模型用于铝板电阻点焊过程的模拟，鉴于铝板导热率高、熔点及屈服强度低等原因，该模型考虑了点焊过程中铝板的变形，以及由于变形引起的接触面积和电流密度的变化[19]。国内清华大学机械系用微接触理论，分析了铝合金点焊时接触面的接触电阻[20]。
2 镁及镁合金的电阻焊研究
根据镁及镁合金的物理、化学性能：熔点较低、表面易形成高熔点氧化层，合金中的某些杂质元素易在熔化中形成沉淀或偏析，会给点焊工艺带来一定的难度。近年来，随着镁及镁合金在汽车工业中的应用越来越广，对镁及镁合金点焊工艺的研究也正在起步。
2002年，美国学者Munitz.Abraham等，研究了厚度为2mm的Mg-AM50,Mg-AZ31及Mg-AZ91铸造铝合金板的电阻点焊工艺，通过对点焊熔核的金相及电镜分析，着重研究了点焊熔核尺寸及形貌与通电时间及电极压力间的关系[21]。
国内哈尔滨工业大学先进焊接生产技术国家重点实验室，承担国家863立项课题，从2003年开始也对镁合金电阻点焊作了较为系统的研究。研究主要包括：焊接工艺参数对熔核微观形态的影响；镁合金表面氧化物对点焊接头强度及缺陷形成的影响；焊接工艺参数对焊接接头强度的影响等[22－25]。
3 高强钢的电阻研究
先进高强度钢具有强度高、成型性能好、高烘烤硬化性能、能量吸收率和疲劳强度较高，而且防撞凹性能好等优点，因而在汽车轻量化建设中它的应用量正在日益增长，高强钢的电阻焊可焊性的研究也应运而生。目前各国焊接学家对高强钢电阻焊的研究主要集中在各种高强钢的可焊性、焊接规范参数对焊点组织性能的影响、焊接程序和工艺的优化等。例如：英国TWI材料连接技术全球中心的Shi,G等学者研究了高强钢点焊程序的修正以及母材强度和焊接淬火对焊点性能的影响[26]；日本学者Otani,Tadayuki等对超细晶粒高强钢电阻点焊特性作了系统的研究，研究发现：这种由于高强钢在高温下的电阻率和强度与低碳钢不同，其点焊时得到同样大小的熔核尺寸需要的焊接电流比低碳钢板更大[27]，同时，这种钢板的碳当量很低，虽然焊后熔核的主要组织是马氏体，但由于低碳成分限制了熔核硬化，因此这种材料的点焊接头不经过回火就能得到高的拉剪强度和垂直拉伸强度[28]；法国学者Mimer，M通过试验研究提出了通过焊后回火工艺来改进高强钢和超高强度钢的电阻点焊性能的方法[29]；美国学者研究了690－960MPa高强双相钢点焊回火工艺，建立了用于指导几种高强钢电阻点焊的回火曲线图，并证明该回火图是典型的等温C曲线[30]；日本学者Sakuma,Yasuharu还对高强镀锌钢板的点焊可焊性进行了研究[31]。
4 镀锌钢板的电阻点焊研究
为了提高产品的耐腐蚀性能，在汽车、家电等行业越来越广泛地使用各种类型的镀锌钢板，根据镀锌工艺、镀锌成分等不同，镀锌钢板分为：电镀锌板、热镀锌板、Zn-Ni合金镀层板、Zn-Fe合金镀层板等。由于镀层金属的物理性能与导电性能不同于低碳钢，所以镀锌钢板的电阻点焊性能与未镀锌的同种钢板有较大的不同，且从其使用性能考虑，对接头质量要求更高，即点焊时既要保证产生足够强度的接头，还应合理地保护镀层。
由于镀锌钢板在其点焊焊接性上存在一定的难点，这些年来各国焊接工作者就镀锌钢板的焊接性方面围绕着焊接工艺规范、焊接过程的数值模拟、电极寿命等问题作了大量的研究工作。
目前，国际上对镀锌钢板的焊接工艺研究基本成熟，进一步研究的热点主要集中在如何提高镀锌钢板点焊电极寿命，例如采用弥散强化铜合金[32]或通过对电极的低温处理等措施提高电极的使用寿命[33]。
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