鍍鋅板電阻焊質量控制的研究

文/耿化聯

1 引言

近十年來，我國汽車工業發展迅速，隨之而來的汽車車體防蝕問題也日漸突出。據有關調查表明，一般國產新車運行一年即出現腐蝕斑點，3至4年即出現腐蝕穿透，為此全國年維修費用達數十億元人民幣。因此，為了提高車體使用壽命和增強車體材料的抗腐性能，表面帶鍍層的低碳鋼板被廣泛使用，但目前用得最多的是鍍鋅鋼板，歐美國家汽車用鍍鋅鋼板占整個車體材料的60%左右，日本則更多。我國也早就制訂了相關政策鼓勵汽車制造業推廣使用國產鍍鋅鋼板，還曾把鍍鋅薄板的焊接列入國家基金項目。

鍍鋅鋼板雖然具有較好的抗腐蝕性能，但在國內外汽車車體制造中，大量采用的都是電阻點焊方法，與無鍍層鋼板相比，鍍鋅鋼板的點焊過程中存在以下問題：先于鋼板熔化的鋅層形成鋅環而分流，致使焊接電流密度減小；鋅層表面燒損、粘連、污染電極而使電極壽命降低；鋅層電阻率低，接觸電阻小；容易產生焊接飛濺、裂紋、氣孔或組織軟化等缺陷。正是由于鍍鋅鋼板的點焊存在上述問題，因而引起國內外相關領域的廣泛關注，并做了大量的研究工作。目前對于鍍鋅鋼板點焊工作的研究主要從四個方面著手：一是鍍鋅板的點焊焊接性，二是電極材料和形狀的正確選擇，三是主要工藝參數對點焊質量的影響，四是點焊質量控制的模式和方法。

2 鍍鋅方式和厚度對點焊的影響

根據鍍鋅工藝的不同，鍍鋅鋼板大致可分為電鍍鋅鋼板和熱鍍鋅鋼板，還有一種合金化滲鋅鋼板，是在熱浸鋅后保溫在450ºC以上進行合金化處理。這三者相比較而言，電鍍鋅板鍍層薄，焊接性相對較好，但造價高；熱鍍鋅鋼板鍍層厚，耐蝕性好，但焊接性差；合金化滲鋅鋼板的焊接性相對熱鍍鋅鋼板則有所改善；在鋅層厚度相同的情況下，熱鍍鋅板比電鍍鋅板具有更優良的焊接性。鋅層對于鋼板來說厚度雖然非常小，但對于焊接性的影響卻很大。一般認為，隨著鋅層厚度的增加，所需焊接電流越大，但程軒挺等通過試驗比較，發現在一定鍍層厚度范圍內，鋅層越厚，所需電流越大；但當鋅層達到一定厚度時，則所需電流反面減小。而美國金屬學會主編的有關資料則明確提出，鍍鋅鋼板在鍍層厚度增加時（鋅層厚度在0.005～0.025mm范圍內），焊接性降低，但鋅層厚度在1.52mm以上時，焊接性不受鍍層厚度的影響。在國內外汽車車體制造中，使用的電鍍鋅板鍍層厚度一般為20～90g/m2(0.003～0.013mm)，熱鍍鋅鋼板鍍層厚度為40～180g/m2(0.006～0.025mm)，可見汽車用鍍鋅鋼板的點焊需要合理選擇工藝參數以保證焊接質量。但筆者工廠實踐證明，盡管有鋅層的存在，但只要選擇適當的設備、工藝等，鍍鋅鋼板的電阻點焊質量完全可以達到車體制造的技術要求。所以鍍鋅鋼板本身的鍍鋅方式或鋅層厚度，并不是影響車體點焊質量好壞的決定因素。

3 電極材質及形狀的選擇與設計

在鍍鋅板的點焊研究中，電極材料是一個注目的焦點，研究主要集中在現有電極與鍍層之間的相互作用特點分析， 以及開發新的電極材料。國外鍍鋅板點焊用電極材料主要有Cu-Cr(0.8%Cr)、Cu-Zr(0.15%Zr)、Cu-Cr-Zr，以及含Al3O2粒子的彌散強化銅(簡稱DSC)。美國有人采用鉻銅上嵌鎢電極頭的復合電極做實驗，結果證明這種電極使用壽命很長，但因鎢極的導熱性差，只能采用低電流的焊接規范，故難以在車體制造業推廣使用。也有人主張在電極表面噴涂一層高熔點材料，如鈷、氧化鈦、銠等，或在鍍鋅板間預置氧化鋁粉末，以增加接觸電阻，縮短焊接時間，從而提高電極壽命。國內研究大都是通過試驗研究上述幾種材質電極的使用性能，大量實驗證明，在焊接條件不太理想的情況下，無論是價格較便宜的Cu-Cr、Cu-Zr合金電極，還是較貴的DSC電極，其使用情況相近，但工廠經驗表明，在實際生產的某些情況下，使用DSC20級合金電極時，電極粘著性減小。

至于電極的形狀及端面尺寸方面，圓錐臺形被認為是最好。同時，文獻指出，在使用移動焊鉗時，推薦采用端面半徑為1～2in的球面電極，但文獻卻強調要避免使用這種球面電極。

國外研究者很早就認識到，對于鍍鋅鋼板的點焊而言，電極壽命取決于電極頭與熔化金屬發生合金化反應的難易程度，一些合金電極可在5 周波（60Hz）時間內完成合金化過程，越容易發生合金化反應的電極其壽命越短。另外大量的點焊試驗表明，電極在焊接過程中其表面溫度比焊接普通鋼板時有顯著提高。因此，電極的冷卻十分重要，冷卻水流必須充分，保證電極接近室溫，這樣才能將電極與鍍層的合金反應減至最小，并防止因電極軟化而產生的“凸起”或電極脹大。然而，冷卻水流速度多大，溫度多高才不至于引起電極端部過熱，目前尚無結論。文獻推薦，對于直徑為16mm的圓錐臺形電極而言，水流速度不小于1 加侖/分，進水最高溫度為32ºC。

4 工藝參數對鍍鋅板點焊過程和質量的影響

在目前缺乏可靠實用的檢測或自適應控制手段的條件下，靠人工選擇（輸入）適宜的工藝參數是件特別困難的事情，因為對于最常用的恒流控制點焊機來講，鍍鋅板點焊時可利用焊接電流的調節范圍非常小，而且點焊質量還涉及到網壓波動、設備特性、焊機(焊鉗)回路、各種分流、電極磨損、電極壓力波動、材料狀態及特性、料厚組合、接頭形式、冷卻條件、作業方式等二十余種影響因素，而這些因素又相互作用，任何一種因素的波動或異常，都會導致設定焊接規范值與焊點實際獲得值的差異，從而影響工藝參數的優化匹配。而對于企業生產來說，合理選擇工藝參數則是控制焊點質量的最主要途徑，所以這方面的研究工作極有實際意義。

有學者對鍍鋅鋼板的點焊工藝進行了研究。上海交大的王晶等人通過對比普通冷軋鋼板、電鍍鋅鋼板和二種不同鋅層厚度的熱鍍鋅鋼板的點焊工藝及力學性能實驗結果，分析認為，就熔核尺寸和接頭強度隨電流變化的規律而言，電鍍鋅鋼板與普通鋼板基本相同，呈拋物線型，而熱鍍鋅鋼板則為單調上升的對數曲線；鍍鋅鋼板點焊時當電極壓力大于2.0kN后，電極壓力的提高對減小飛濺并無明顯作用；鍍鋅鋼接頭強度隨通電時間的變化規律同普通鋼板基本相同，也是先明顯增加而后趨于平緩或有所下降。這與寶鋼研究院的閻啟從熱鍍鋅板的點焊工藝實驗中所得到的結論是相吻合的。

也有學者對鍍鋅鋼板點焊時熔核形態進行了分析，從微觀特征討論了鍍鋅板工藝參數對點焊質量的影響。文獻認為，鍍鋅鋼板點焊時的熔核結晶形態均為方向性很強的粗大柱狀晶；增加或減小焊接電流對改善鍍鋅板點焊熔核結晶形態無明顯作用，而增大電流反而會使柱狀晶更粗大；增加通電時間和提高焊接壓力可改善鍍鋅板點焊熔核結晶形態，前者作用最為明顯，基本可形成等軸晶組織。但是有學者認為，即使焊接性好的普通鋼板點焊時，在一般情況下也很難得到等軸晶組織。而文獻也指出，即使優質普通鋼板點焊接頭，其熔核也是由“柱狀+等軸”組成。所以，對于焊接性差的鍍鋅鋼板來說，僅依靠工藝參數調整就可得到“等軸+柱狀”晶或大量等軸晶組織，頗值得懷疑。而且，有人采用正交實驗方法對08Al鍍鋅鋼板進行研究，得到的結論是焊接電流是接頭強度的第一影響因素，其次才是通電時間，這與普通鋼板的點焊特性是一致的，但卻與文獻相矛盾。

另外，盡管國內外大多權威焊接機構都推薦了鍍鋅鋼板的點焊規范表，但相關數據并不統一。筆者也曾在同樣點焊條件下，用同種材料去驗證IIW、JIW 所推薦的焊接規范，點焊效果卻均不理想。而且上述一些文獻從實驗中所得到的最佳規范在相同焊接條件下也多不一致。
或許，對于焊接過程復雜、影響因素很多的鍍鋅鋼板點焊來說，這些矛盾或差異在一定的實驗條件下都是合理的，這也正是工藝參數人為優化選擇的難點所在。目前，已有許多研究者提出集成模糊系統(Fuzzy)、專家系統(ES)和人工神經網絡(ANN)的人工智能系統及其它綜合系統來優化選擇點焊工藝參數，有的已在實驗室里獲得了成功，這將推動鍍鋅鋼板點焊工藝參數優化研究工作的深入開展，甚至從根本上解決工藝參數優化傳統方法的弊端。

5 點焊質量控制方法方面的研究現狀

目前汽車車體生產中，點焊質量基本上都是靠工藝實驗、目視檢測和破壞性試驗來檢查，而缺乏方便有效可靠的質量控制手段。但是，由于電阻點焊的廣泛應用和質量穩定的迫切需要，點焊質量控制始終是各國學者和設備制造商們關注的重點，并做了最為廣泛的研究。
現在已經提出的質量控制方法包括電參數法、熱膨脹法、紅外輻射法、超聲波法、聲發射法以及綜合控制法等，其中紅外線輻射線、超聲波法、聲發射法由于受各方面條件的限制而難以推廣應用。電參數法包括恒流、動態電阻、能量積分、電極間電壓法等。雖然，這些控制方法的研究已取得了許多可喜進展，但至今尚沒有一種方法可以在實際生產中補償各種因素的影響，而且還因各自的局限性，都未在生產中得到推廣應用。所以十多年前就有學者指出進一步的研究應該是發展多參數綜合控制。

在AWS國際焊接博覽會上，國外某公司曾展出了一種可檢測點焊過程中每個焊點的多個參數(電流、電壓、動態電阻、電極位移、電極壓力等)的電阻焊測溫器，使用效果不錯。西北工大用STD 工業控制微機研制的電阻焊多參數監測儀，也可實現多個參數的檢測，已在試驗室條件下獲得了較滿意的結果。曹彪等人則用IBM—80286建立的點焊過程動態參數測試系統，也能可靠地獲得點焊過程的多種動態參數。這些控制方法精度雖高，但缺點是檢測系統復雜，筆者認為也很難在生產中得到推廣使用。

值得一提的是，逆變式電阻點焊機目前在國內汽車、電器等制造業已有推廣使用之勢，其工作原理是將輸入的三相交流電橋式整流、濾波成直流電，再經逆變器產生中頻交流電(f=600～1000Hz)，然后反饋給焊接變壓器輸出低電壓交流電，最后經單相整流后輸出脈動很小的直流電。該種控制方法原來采用脈寬調制法(PWM)，到20世紀90年代已趨于采用“零轉換-PWM”或“零開關-PWM”變換器的方式，這樣不但經濟節能，而且焊接規范調節范圍擴大3～4倍，這對焊接參數選擇范圍很小的鍍鋅鋼板點焊來說無疑是個福音。

總體來說，點焊質量控制的發展趨勢為控制模式及控制方法的綜合化、過程及質量控制規律描述的數量化和控制決策的智能化。當然，任何一種控制方法要有好的市場前景，首先必須有效可靠、操作簡單、成本合理。