铝合金电阻点焊研究现状及工业应用

吴 松 ，王 敏 ，程轩挺 ，吴嘉元 ，孙 游

（1.上海交通大学上海市激光制造与材料改性重点实验室,上海 200240；2.上海翼锐汽车科技有限公司，上海 201814）

0 前言

随着全球能源危机和环境污染的加剧，汽车工业开始采用铝合金作为结构材料以减轻汽车质量，在保证汽车安全性的同时增加能源的有效利用率[1]。铝合金作为一种新型的节能材料，在工业生产中具有广泛的应用价值，但是对于其取代现有钢材料的地位还有相关难题亟待解决。如长期以来汽车制造中，钢的电阻点焊具有良好的适用性，但是对于铝合金而言，原先用于钢材焊接的整套标准却无法直接适用在铝合金的电阻点焊上，且电阻点焊用于铝合金焊接上存在以下问题：能耗较高（如焊接6111铝合金1 mm薄板时每次焊接耗能为50～100 kJ，其焊接时间0.15～0.3 s[2]）、焊接质量不够稳定（其表面易生成氧化膜）、焊接工艺有难度（其导热性、导电性较高）、热变形大（热膨胀系数较大）、电极寿命相对钢的电阻点焊较短等。

为了使铝合金电阻点焊焊接质量更优异、更稳定，以广泛运用于现代工业生产，在此针对已有的国内外铝合金电阻点焊技术难点和研究现状进行相应归纳、总结，提出未来铝合金电阻点焊工艺研究发展的重点趋势。

1 铝合金及其电阻点焊的特点

1.1 铝合金的特点

铝合金是以铝为基体，包含铜、镁、硅、锌、锰等主要元素的材料。纯铝的熔点为660℃，而铝合金由于其加入其他合金元素后熔点为480℃～660℃，铝及其铝合金有以下特点：（1）密度较小，导热导电性能好，熔点低，与低碳钢相比有如表1[3]所示的物理特性。（2）强度较高，虽然铝合金是轻金属，但是某些型号铝合金强度却能超过低碳钢，其强化机理可以分为冷加工强化与热处强化。（3）铝合金的耐蚀性较好，其表面会在极其短的时间内生成熔点为2000℃的Al2O3氧化膜，厚度约5 nm，如果在温度较高以及潮湿多氧的条件下，这个厚度还会增加，其氧化膜为PH 4～PH 9时是比较稳定的。（4）铝对光有较强的反射能力，熔融状态下没有颜色的变化，故无法直接通过颜色的变化来观察焊接进行的程度。

表1 铝合金与低碳钢的物理性质

1.2 铝合金电阻点焊的难点

基于铝合金材料特性及铝合金电阻点焊的研究表明，铝合金电阻点焊存在以下难点与主要问题。

（1）铝合金具有良好的导电性与导热性，但由于其电阻系数ρ较小，电流通过工件产生的热量较少，如图1所示，同时热导率较高，产生较多的热量流失，其能量利用率较低。

因此点焊时必须在回路内接入较大的脉冲电流，通常采用短时间大电流的硬规范，铝合金的电阻点焊电流一般是钢的2～3倍，而时间却只有其1/3～1/2，如焊接1.0 mm+1.0 mm低碳钢和铝合金的电阻点焊参数对比如表2所示。

（2）表面氧化膜及电极粘连。铝合金表面易生成氧化铝，而且其分布不致密，无规律，如果未经清理将导致焊件间的局部接触电阻增大，大脉冲电流通过焊件时，往往会导致产生喷溅。文献[4]指出在铝合金电阻点焊中，未经表面处理的比预先表面处理的铝合金点焊接头的质量差。

图1 电阻构成与热平衡原理

表2 5xxx、6xxx系铝合金与低碳钢焊接参数比较

在焊接铝合金时所用的纯Cu电极，其电导性与Al合金的导电性差别较小，而采用的电流强度是焊接低碳钢的2～3倍，从而可能出现E/W界面接触点集中大量热量，甚至出现加速铜铝合金化，以及粘连的现象，极大的缩短了电极的寿命。

（3）易出现缩孔、裂纹等缺陷。文献[5]指出：通过分析认定焊核中心易出现的“气孔”并非气孔，而是接头在冷却时形成的缩孔。大多数是由于工艺的因素产生缩孔缺陷的(如焊接时时间或电流过大，产生喷溅，部分液态金属由核心内漏出，凝固时未及时回填)，如图 2 所示[6]。

此外，铝合金热膨胀系数较大，在点焊冷却时，外部散热较快，熔核内部温度较高，熔核最后凝固，凝固的部位体积收缩，易出现裂纹源。文献[7]指出：硬铝、高强度铝合金等热处理强化铝合金点焊时，热影响区强度显著降低，与焊点相交处的金属（温度超过580℃）晶界上，低熔点、低塑性共晶部分熔化，当点焊冷却速度较快时，往往在内应力的作用下形成裂纹。铝合金裂纹缺陷常为热裂纹且可以细分为裂纹发生位置不同的结晶裂纹与液化裂纹。

图2 缩孔与熔核过大等缺陷

文献[5]采用储能焊焊接铝合金快速凝固时在熔核区形成裂纹缺陷，如图3所示。将裂纹形成原因归结为两点：一是铝合金本身材料的特点，高温强度低、塑性差、热膨胀系数和结晶收缩率却很大[8-9]，经高温热循环后点接接头易产生较大的内应力与相应的变形，容易产生裂纹；二是储能焊的冷速过快，凝固时间短，金属来不及回填。

图3 焊接裂纹显微形貌

2 铝合金电阻点焊国内外研究现状

国内外研究现状包括对铝合金电阻点焊的工艺参数研究，焊接接头形成机理研究以及电阻点焊电极头寿命技术研究。

2.1 铝合金点焊工艺研究

2.1.1 电阻点焊工艺参数优化研究

电阻点焊通过控制参数的优化，理论上可以得到需要的熔核直径、焊接质量、力学性能。

关于工艺参数的研究而言，其包括焊接电流、焊接时间、电极压力变化对熔核直径、焊接接头微观组织，以及组织性能（如其硬度）的影响。文献[8]通过13组正交实验方法：分别固定两个参数，变化一个参数的情况，分析了相应参数对熔核直径，厚度减薄程度、熔核剖面的硬度以及断裂载荷的影响。

熔核直径一般作为衡量焊接质量优劣的标准。文献[9]指出5083-O铝合金点焊随着熔核直径的增大，最大拉伸断裂载荷将提高。

（1）固定焊接电流时间与电极压力，熔核直径随电流先增大后减小。文献[10]指出在一定范围内，接头的拉剪载荷与熔核直径都将随电流一起增加，而加压方式如高压与低压，对接头性能影响不明显。文献[8]指出熔核直径随电流增加没有出现下降的趋势。其原因是最大电流值还未达到阀值，刚出现少量的喷溅时，如继续增加电流并超出阀值，将会出现熔核直径变小的趋势。这种趋势的原因是：电流增大，热输入增大，电极和压溃区接触面变大，电流密度减小，使熔核直径变小。

（2）焊接时间增加与焊接电流增加都是增加热输入，两者影响熔核直径与点焊接头质量的机理类似，因而规律也基本一致。

（3）电极压力相对于电流大小和时间来说，其对熔核直径影响较小，增加到一定范围值之后其影响基本稳定，超出一定的阀值后会有些许减小的趋势。文献[9]对焊接1.5 mm的AA5083-O薄板研究表明：提高电极压力会减慢裂纹的萌生与裂纹的扩展，提高其疲劳寿命。文献[11]研究表明较大的电极压力能够细化焊核内部组织晶粒，减少气孔的尺寸和数量，进而提高点焊接头的疲劳寿命。但电极压力过大必然会让表面压痕变深，熔核厚度变薄，接头性能变差。

这三个参数构成了一个焊接质量稳定的范围，超出这个范围就会出现相应的宏观与微观缺陷，因而需要通过多参数配合对点焊接头质量进行有效的控制。

2.1.2 焊接前处理工艺研究

文献[12]指出在AA5182材料表面的氧化层特别复杂。除了氧化铝外还包含其他氧化物、水等，因而前处理对于焊接的稳定性有重要的作用。铝合金电阻点焊前处理方法主要有四种：化学方法（酸碱）、机械方法（不锈钢刷、刮刀）、两种上述方法配合、单独用丙酮除油。

文献[7]中先利用碱液除油，用10%～30%NaOH擦洗至金属表面出现金属光泽，再用30%稀硝酸擦拭中和碱液后冷水洗净，最后风干。可以结合机械处理的方法用不锈钢丝刷或者刮刀，化学与机械方法同时使用其表面更干净。对于机械方法而言，铝合金较软的材质决定其不能用砂轮、砂纸打磨，因为砂粒可能会压入母材最终使焊接产生缺陷。同时应该对其放置时间做出规定，最好是在72 h内进行试验。

文献[10]在对1 mm+1 mm铝合金板直流点焊时，只进行表面丙酮除油。没有进行化学处理（酸碱洗）与机械处理，但其实验参数设置得较大，电极压力开始是5 kN，通电时间为6～8周波。是否电极压力增大和通电时间增长会弥补未前处理的不足，需要实验进一步验证。

关于前处理质量的检验问题，对重要焊接结构及铝合金焊件，需要每批抽测，具体原理是测量施加一定电极压力下的两电极间的总电阻，验证并评定清理效果。

2.2 铝合金点焊接头形成机理研究

2.2.1 接头的形成过程

点焊接头形成过程同液态金属凝固过程类似，包括形核与长大。

（1）形核。铝合金电阻点焊形核过程可以分三个阶段：a.随机形核；b.扩展融合；c.熔核增厚。图4给出了按这种划分方法的形核过程示意图[13]。定性地讲，接通电流后，初始导电斑点附近，电流线收缩，电流密度增大，在电流热效应作用下，这些点上温度将会首先升高，随着温度升高，材料将会发生软化、变形，新的接触斑点和导电斑点陆续出现，接触电阻将会迅速减小，电流分布将会变均匀，接触面内温度也趋于均匀化。

图4 铝合金电阻点焊形核过程三阶段示意

（2）长大过程。电阻点焊热循环方式决定了一般情况下熔核以柱状晶形式长大，将合金溶度较高的成分排至晶叉及枝晶前端位置，直至生长的枝晶相互抵住，获得较牢固的金属键合，结合面消失，得到柱状晶生长充分的焊点，但是因过冷，核心中部会同时形成等轴晶粒，即为两种组织并存的熔核。

2.2.2 接头形成组织特点相关研究

通常铝合金进行电阻点焊形成的接头，其微观组织如图5所示。

图5 铝合金电阻点焊熔核金相显微图[8]

点焊接头从外到内依次为：热影响区、熔合区、熔核。熔核内部组织形成是非平衡动态结晶过程，以竞争生长和联生生长的方式生长，分别形成粗大的柱状晶与核心的少量的等轴晶粒。国内学者赵熹华等人研究了铝合金的点焊熔核“柱状晶+等轴”组织形成机理[14]。文献[15]通过对熔核进行孕育处理，首次获得了第三种凝固组织——单一的等轴晶，大大改善了其力学性能，同时首次使全部为柱状晶的点焊熔核贴合面出现等轴区。

按受力状态电阻点焊接接头分为塑性区（即热影响区），承力致密区、疏松区，如图6所示。塑性环先于熔核形成且伴随其长大，可防止周围气体浸入和保证熔核液态金属不沿着工件缝隙往外喷溅。

图6 电阻电焊接头示意[16]

文献[16]提出用酸液腐蚀焊接剖面，中间的疏松区腐蚀最严重，空穴腐蚀的深浅因材料而异。空穴腐蚀程度是一个新的焊接接头性能的指标，是对传统的熔核直径衡量指标的补充。

2.3 铝合金点焊电极寿命研究

2.3.1 Cu电极点蚀机理及电极表面状况对寿命影响

（1）对于低碳钢电阻点焊，其电极头寿命是铝合金电极点焊头的几百倍，铝合金焊接电极头寿命一般只能达到几十个焊点。究其原因是铜电极与铝合金工件发生了铜铝合金化反应。文献[17]对点焊过程的铜铝合金化进行了宏观、微观、合金化过程分析，指出铝元素存在于电极端面中，同时证明了铜铝合金化在点焊过程电极端面是存在的，并且合金化产物主要是金属化合物（CuAl2），这种产物在电极层往里约50 μm处也存在。

文献[4]提出电极压力是电极环形粘连问题的力学原因，指出电阻点焊的粘连开始于直径为5 mm的范围边缘，如图7所示。通过FEA的结果与实验观察的结果分析认为，在电极与工件（简称E/W）接触面的外围环状大概4～5 mm直径的边缘上其切应力与压力的比值比心部大，一些显微的滑移会出现在这个边界上，这个滑移会破坏表面的氧化层使金属与金属进行接触，从而导致那一点上的接触电阻变小，导致电流密度的增加，带来更多的热输入，因而点蚀开始阶段会出现在环部位置。

图7 电极上的环形粘连

国内学者[13]认为承力致密区与环状粘连有关。疏松区接触电阻相对于承力区较大，电流密度会弯曲集中在承力致密区，形成环状区域。文献[18]利用Ansys软件研究在电极与工件接触区的边缘区域电极压力、电流密度与温度，认为电极表面点蚀环形成主要原因在于，E/W接触区边缘位置处存在应力集中和电流的边缘效应。

（2）电极与工件界面条件对寿命的影响：通常情况下，如果表面状况不好会加速铜铝合金化。例如氧化层的存在会大大增加E/W之间的接触电阻，从而得到更多的热量，提升铜电极的温度，使铝元素朝着电极的扩散加剧。

Leone、Altshuller、Patrick 等人的观点：电极的短寿命和随之产生的点焊质量都是限制铝合金点焊技术应用的主要因素。文献[4]通过对比实验（见表3）得出，组1有一个较宽的加工工艺参数范围以及粘连倾向性更小。组1在33kA的大电流情况下依然工件表面光滑，而组2电极上已经出现粘连，且铝板上表面质量变得非常差，如图8所示。可以说明表面是否完全清理对焊接参数、电极寿命以及焊接质量的稳定性有很大的影响。

表3 材料为AA5754的2 mm+2 mm板

图8 表面清理状态焊接质量的影响对比

2.3.2 新型涂层材料与电极涂层的延寿技术

涂层材料（工件表面的材料和电极镀层材料）都能够减慢铜铝合金化并减轻电极的塑性变形和磨损，其基本原理都是将E/W界面隔离开，形成有效厚度的薄膜。

文献[19]研究表明：在铝合金表面加入有机油、硫酸铜溶液、碳化硼等，都能使基体组织得到改善，有效地减弱了点焊时的铜铝合金化。其中有机油与碳化硼效果最好。

文献[20]研究表明：因为矿物油以及碳化硼的加入，隔离铜与铝之间的接触，并指出其还有降低E/W界面温度，减少生成合金化产物CuA12的概率的作用，同时涂料能填补E/W间的空隙，减少不均匀点接触，以及减弱由此引起的局部小爆炸和铜铝合金化作用。

文献[20]从考虑电极表面出发，用点焊的时产生的电阻热和加压作用，合成了Cu-Ti-B复合电极涂层，TiB2具有很好的热强性，点焊时可以增加电极端面的强度，减少电极端面局部小爆炸造成的塑性变形，从而延长电极使用寿命。吴志生等人从电极端面的铜铝合金化的角度进行研究，指出导致铝合金点焊电极寿命显著降低的根本原因在于点焊时E/W间产生的铜铝合金化，并提出深冷处理电极可延长电极寿命。

2.4 铝合金点焊数值模拟

Jamil.A.Khan[21]研究了铝合金电阻点焊的三维热模型，但没有考虑到点焊时接触面间产生的变化。

杨黎峰[22]建立了轴对称模型，并对铝合金电阻点焊的熔核行为、孕育处理的相关机理进行了研究，解释了点焊过程的温度和流场的分布规律，有助于对熔体的运动、凝固组织的细化和缺陷产生的原因的理解。

日本学者De A在铝合金电阻点焊的研究中，采用电-热-力耦合的有限元模型[23]，预测了在不同焊接电流、焊接时间、电极力作用下的熔核直径、熔深、电极与板的接触直径等，经验证，这种模型对于离线检测焊接参数对焊点尺寸的影响非常有用。

国外学者Hasselman等人利用热-电-力多场耦合的有限元模型分析了铝合金的电阻点焊过程，利用基于不确定模型的主元素法，通过熔核尺寸及表面压痕计算的线性方差得出有限元的预测精度[24]。

美国的Mr Sun X等人采用ABAQUS程序，通过模拟铝合金点焊过程的热-电-力学过程，得出熔核尺寸及接触面积随焊接时间的变化规律、电极表面压力及温度的变化规律，以及焊接区的等效塑性应变及残余应力分布[25]。此模拟的计算可用于预测铝合金点焊熔核生长及其裂纹的形成情况。

3 铝合金电阻点焊的工业应用

3.1 铝合金电阻点焊在汽车车身装配中的应用

有数据表明[26]：汽车自重每降低100 kg，油耗就可减少0.7 L/km，并相应降低CO2排放量。世界各大汽车公司正在开发铝合金汽车车身。目前国际上变形铝合金在汽车车体的应用主要为5xxx系、6xxx系，铝合金的应用与其焊接技术的发展是相辅相成的。汽车上的铝合金结构件多数要求采用焊接的方式，并要求焊缝有良好的机械性能[27]。作为整车装配中的焊装工艺而言，铝合金电阻点焊有利于机械化、自动化、生产率的提高以及焊接质量保证，如图9所示。

图9 点焊机器人与其组成的车身焊装生产线

考虑到铝合金点焊的难点，且需要大电流、硬规范的特点，已经采用中频点焊机替代工频焊机焊接铝合金。国外部分企业已将中频点焊机器人与伺服加压点焊机器人应用于轿车白车身焊装线，欧洲的中频点焊机器人使用量已达到40%，并扩大到铝合金轿车车身的点焊作业[28]。

铝合金在汽车上的巨大应用前景，及铝合金的电阻点焊难度，迫切需要进一步深入研究铝合金电阻点焊相关工艺，形成一套完整的、能够保证质量、成本、效率的工业流程。

3.2 铝合金电阻点焊在其他工业领域的应用

铝合金的电阻点焊不仅在汽车工业中有应用前景，还涉及轨道交通、航空航天等。

在轨道车辆装备制造领域，欧洲铝合金车体占据了70%的市场份额，高速铁路市场，铝合金车体几乎占据世界95%以上市场份额[29]。国内2001年长春轨道客车股份有限公司建成国内第一条铝合金车体自动焊接生产线。铝合金车体很少使用电阻点焊，是由其点焊技术难度决定的，其主要应用还是车体部件的焊接。

文献[30]研究了铝制交通标志板正面无压痕电容储能点焊设备及工艺，成功地采用电容储能焊解决了大型铝制交通标志板的焊接问题。

航天航空领域，高强度铝合金的电阻点焊也有广泛应用。文献[31]研究了航空用高强度铝合金点焊工艺对焊接质量的影响，并认为高强度铝合金电阻点焊作为比较有效的焊接方法，在航天产品制造中有较多的应用。

4 结论

铝合金电阻点焊具有对焊机要求高（焊接电流大，焊接时间短），电极头易粘连且寿命短，易产生缺陷（缩孔、裂纹）等难点。国内外学者已在工艺参数与熔核直径、力学性能（拉剪、正拉载荷）关系，点焊前处理与焊接质量关系，点焊接头形成机理与组织特点，电极粘连机理与延寿技术等方面做了相关的研究工作。需要进一步探索和研究的是：铝合金预处理状态（涂油、钝化）对焊接质量的影响、工艺参数与疲劳寿命的关系，运用多参数配合控制的方法使铝合金电阻点焊技术能够运用于大批量、自动化生产，以及探索多种焊后质量检测指标与检测手段。

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