第36卷 第6期2003年11月
天 津 大 学 学 报JournalofTianjinUniversityVol.36 No.6
Nov.2003
铝合金连续点焊时电极烧损与焊点表面
质量的变化规律
程方杰,单 平,廉金瑞,胡绳荪
(天津大学材料科学与工程学院,天津300072)
摘 要:以实验为基础,深入分析了铝合金连续点焊条件下电极烧损的基本规律和特点,揭示了连续点焊过程中表面接触情况和焊点表面成型质量的变化规律,并分析了影响电极烧损的主要因素.结果表明,电极的烧损从一开始就存在,接触不均匀所导致的局部高温熔化是造成电极烧损的主要原因.关键词:铝合金;点焊;电极烧损;表面质量中图分类号:TG456.9 文献标志码:A 文章编号:049322137(2003)0620753204
WearofElectrodeandSurfaceFormingQualityin
ContinuousSpotWeldingofAluminumAllays
CHENGFang2jie,SHANPing,LIANJin2rui,HUSheng2sun
(SchoolofMaterialsScienceandEngineering,TianjinUniversity,Tianjin300072,China)
Abstract:Basedontheexperiment,thecharacteristicofthewearoftheelectrodeisdiscussed.Theinfluenceofthewearoftheelectrodeonthesurfaceformingqualityofweldsandthesurfacecontactbehavioroftheelectrodeandthework2piecearealsostudied.Itisfoundthatthemainfactorswhichcausethewearoftheelectrodealwaysbeginsfromthefirstwelds,andthelocalexcessiveheatingandmeltingarethemainreasontocausethewearoftheelectrode.Keywords:aluminumalloy;spotwelding;wearofelectrode;surfacequality
铝合金由于具有比强度高、耐腐蚀性强以及回收再利用成本低等特点,在汽车工业中的应用越来越广泛[1].点焊是汽车制造业中最广泛应用的连接技术之一,但是铝合金材料的点焊却存在很多技术上的难题,从而了铝合金材料在汽车制造业中的进一步推广和应用.铝合金点焊存在的主要问题之一就是电极烧损.电极发生烧损后,一方面要频繁的修磨和更换电极,严重影响生产节奏和效率,另一方面还会带来诸如焊点强度不稳定、表面成型差等质量问题,特别是在连续焊接的情况下,电极烧损后得不到及时修复,问题就更严重.自1993年美国启动PNGV计划以来,国外对铝合金点焊电极烧损问题做了大量研究.Dilthey等人[2]通过研究发现电极表面烧损的产物是以CuAl2为
收稿日期:2002212210;修回日期:2003203214. 基金项目:国家自然科学基金资助项目(50175080).
),男,博士后. 作者简介:程方杰(1971—
主的金属间化合物.Ikeda等人[3]研究了电极烧损对铝
合金点焊工艺性能的影响.Wayne等人[4]则分析了电极烧损程度与焊点翘边量及气孔数量的关系,为指导电极的修磨与更换频率提供了依据.但是,目前对于连续焊接过程中电极的动态烧损过程和规律以及焊点的表面成型情况尚不清楚.笔者以实验为基础,对铝合金连续点焊过程中电极的使用寿命、动态烧损规律以及焊点表面成型等方面进行了研究.
1 电极烧损的基本特征
在铝合金连续点焊过程中,由于铜电极与铝合金工件的接触面不断地发生粘连与冶金反应,并形成合
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金组织,导致了电极头直径不断变大,表面变得凹凸不平,这就是所谓的电极烧损.尽管电极烧损问题非常复
杂,但是,通过对大量的实验结果的统计发现,铝合金点焊中电极烧损主要有2种模式:均匀烧损和非均匀烧损,如图1所示.其中均匀烧损主要发生在工件表面进行酸洗处理的情况下,而非均匀烧损则主要出现在除酸洗以外的其他表面清理工艺的情况下,这与文献[5]的结论是一致的. 由图1a可知,电极在发生均匀烧损的情况下,电极端面均匀地粘有一层合金组织,表面光滑,没有明显的凹凸不平.而当发生非均匀烧损时电极端面就要粗糙得多,合金组织的分布也不均匀,有的地方粘有合金组织,有的地方则依然裸露着铜电极的基体组织.尽管这种情况下电极表面的具体形貌千变万化,但大都可以归结为2种形式:1)在电极边缘成放射状分布的凹沟,见图1b;2)成网状分布的凹沟和凹坑,见图1c.尽管人们一直认为镀锌钢板点焊时电极烧损是个很严重的问题,但是与铝合金点焊相比,焊接镀锌钢板时电极的烧损要轻得多,图1d为焊接镀锌钢板到第400点时电极表面的形貌照片.由图可知,电极表面依然光滑平整,只是颜色变黑,边缘有粘附的合金组织.由此可见,铝合金点焊电极烧损的严重性.
铜元素.这说明不管电极表面粗糙度大还是小,电极的烧损从一开始就存在.
图2 焊完第一个点后电极的烧损情况Fig.2 Wearofthetipafterweldingthe1stweld
2 连续焊接时的电极烧损规律 在实际生产中点焊往往是连续进行的,搞清楚连
续点焊条件下电极的烧损规律具有重要的实际意义.图3为在一次连续焊接过程中(中间不改变规范,也不修磨电极),不同时期电极表面形貌的宏观照片.与未焊接时的电极(图3a)相比,由图3b可以看出,在焊完第二个焊点后电极表面原有的机加工痕迹已经不复存在,电极表面已经出现了全面的烧损,这时的烧损还很轻,形成的合金组织也很薄,只有在放大镜下才能看清.但是到第10个焊点时,电极表面已经开始形成杂乱的凹沟和凹坑,在这些凹沟和凹坑内粘附有大量的合金组织,电极表面变得凹凸不平,烧损已经很严重,如图3c所示.从一开始到第10个焊点可以称为电极烧损的第一个阶段,即开始的快速烧损阶段.这一阶段的特点是电极烧损非常快,一个新的电极只需经过几个焊点表面就会出现明显的凹沟和凹坑,并粘附较多的合金组织.从第10个点往后直到第200个点左右电极的烧损情况如图3d～g所示.由这几幅图可以看出,电极表面凹凸不平的程度变化不大,但是电极表面的具体形貌却不断的发生变化,说明烧损还在不断进行,电极的烧损进入一个相对平稳期,也就是第二阶段,即平稳烧损阶段.在这一阶段,电极表面已经非常粗糙,所以表面粗糙程度增加很少,但是烧损还在不断进行,与此同时,表面粘附的合金组织却在逐渐增多、变厚,表面飞溅现象开始不断增加,但是飞溅不是很严重,一般不造成严重后果(如粘电极和烧穿工件等).随着电极表面粘附的合金组织不断增多,接触电阻也不断增加,当接触电阻增加到一定程度后,在焊接电流作用下其产生的热量将使工件表面出现大面积熔化,从而形成严重的表面飞溅,极易形成严重的后果,这时电极的烧损情况将急剧恶化.由于表面飞溅的出现,大量的熔
图1 电极烧损后的表面形貌
Fig.1 Surfaceshapeoftheelectrodeafterwear
大量的实验还表明,电极与工件之间的粘损往往在焊第一个焊点时就已经发生,图2为焊完第一个焊
点后电极端面的电镜背散射图像(BSE).其中,图2a的电极端面焊前经过抛光处理,图2b的电极表面为一般的机加工状态.图中黑的部分为铝元素,而亮的部分为
2003年11月 程方杰等:铝合金连续点焊时电极烧损与焊点表面质量的变化规律・755・
化金属粘附在电极表面,继而导致更严重的表面飞溅,很快就不能再形成合格的焊点,因而电极也就失效,需要更换或者修磨.这就是电极烧损的最后阶段,即快速失效阶段,如图3h和图3i所示.需要指出的是,电极的上述3个烧损阶段是在只考虑焊点强度而不考虑焊点表面质量的情况下得到的.实际上,一旦电极表面出现明显的凹凸不平,焊点的表面也将会变得凹凸不平.在一些要求严格的场合,如轿车覆盖件的外表面等地方,就不允许焊点有明显的压痕,所以在实际应用中,往往只焊几个点电极就需要修磨,电极烧损也就不出现第二、第三2个阶段了.
后,电极与工件之间的接触情况将严重恶化.
图4 连续焊接中的工件表面压痕Fig.4 Surfaceimprintsduringcontinuewelding
由于接触不良,电极与工件之间的接触电阻势必
增大,分布也更不均匀,电流产热将首先集中在这些少数的接触点上,从而导致在这些点上出现局部高温,甚至熔化.从冶金角度考虑,铜电极与铝合金工件之间在547℃存在着低熔共晶反应[6],这是电极烧损的另一个重要因素.总之,局部的高温熔化与材料之间的合金化作用是导致电极烧损的2个最主要的原因.正是考虑到这种表面接触的不均匀性所导致的局部高温,作者在文献[7]中提出了一种新的电流控制策略,它可以大大降低这种接触上的不均匀现象,从而有效地提高了电极的使用寿命.
4 连续焊接时的焊点表面成型质量
图3 连续点焊中的电极烧损过程
Fig.3 Wearprocessofthetipduring
continuewelding
电极的烧损不只造成电极表面的凹凸不平,同时也使焊点的表面质量恶化.图5a～d给出了连续焊接过程中焊点的表面质量变化情况.以图5c为例可以发现,焊点的表面也发生了熔化,熔化的铝合金被挤入电极表面的凹沟或凹坑内,从而变得凹凸不平.焊点的表面状况与电极的烧损情况是密切相关的,电极烧损严重时,工件的表面质量也随之变差.由这一组图还可以看出,工件表面在一开始还比较光滑平整,但是到第5点时表面粗糙度已明显有所增加.随着焊接过程的继续进行,焊点表面也越来越不平,工件表面的凹凸不平与电极表面的凹凸不平是相啮合的.严重情况下,如图5d所示,在焊点的边缘部位熔化金属被挤出,更严重时还会出现飞溅和烧穿.前面也提到,在表面质量要求严格的场合,铝合金点焊一般五六个点就要修磨电极,从图中可以看出,这一要求确实是有必要的.
3 连续焊接时电极与工件的接触情况
电极与工件表面的接触情况可以由通电前电极在工件表面的压痕直观地反映出来.图4a～e给出了在连续点焊过程中,不同电极烧损情况下工件表面的压痕照片(只施加电极压力而不进行通电焊接).图4f为在施加压力的同时并将工件扭转一定角度时的压痕情况.由这些照片可以看出,刚开始时电极与工件的接触比较均匀,接触面积较大.随着焊接的进行,接触变得很不均匀,很多地方并没有发生真正的接触,已经发生接触的区域分布也很不均匀.电极烧损到一定程度后,如图4f所示,将工件在压力作用下再扭动一定角度,接触情况也还是不理想.因此,当电极一旦出现烧损
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左右)3个阶段.在焊接质量要求比较高的场合,电极不允许有明显烧损,所以焊五六个点就需要修磨.
3)电极发生烧损后,焊点的表面质量也随之变差,表面变得凹凸不平,很容易出现局部熔化和飞溅等缺陷. 4)在铝合金电阻点焊中,由于接触不均匀导致的电极与工件接触面上的局部高温熔化以及电极与工件材料之间的合金化作用是导致电极烧损的2个最主要的原因.参考文献:
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图5 连续焊接时焊点表面质量的变化Fig.5 Welds’surfacequalityduringcontinue
weldingprocess
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5 结 论
1)合金点焊中电极的烧损主要有2种模式:均匀
烧损与非均匀烧损.对于任何一种情况,与镀锌钢板点焊相比,铝合金点焊时电极的烧损会更加严重. 2)大量实验表明,铝合金点焊时电极的烧损往往从第一个焊点就开始发生.电极的烧损一般要经历开始的快速烧损阶段(从开始到10个焊点以内)、中间的平稳烧损阶段(从10个焊点到250个焊点左右)以及最后的快速失效阶段(从250个焊点到300个焊点
[4] WayneChuko,GouldJerryE.Metallurgicalanalysisofelectrode
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