國外電阻焊技術的最新進展

文/王敏

前言

近年來隨著汽車車輛、航空航天、建筑、運輸以及輕工家電等工業的飛速發展，相應的工業產品在其材料、結構及應用領域上不斷更新和發展，對產品的加工質量要求不斷提高，作為這些工業產品制造中的一種廣泛使用的材料加工工藝——電阻焊也受到了很大的挑戰。

由于電阻焊過程相當復雜，包含了多種影響因素，例如：被焊材料、電流、電極壓力、通電時間、電極端面形狀及尺寸、分流、焊點離邊緣的距離、板厚、工件表面狀態等，而且這些因素之間互相聯系，有一定的交互作用。同時，加之焊接過程中熔核的不可見性及焊接過程進行的瞬時性，給焊接質量控制帶來較大的困難。為了適應新材料、新工藝、新產品在工業上開發應用的需要，以使電阻焊工藝及設備能滿足現代化生產的要求，近十年來，各國焊接界在電阻焊工藝和設備控制方面做了大量的工作，主要集中在以下幾方面：

1）電阻焊過程的計算機模擬研究

2）新型材料的可焊性研究

3）電阻焊質量監控方法研究

1 電阻焊過程的計算機模擬研究

電阻焊是一個牽涉到電學、傳熱、冶金和力學的復雜過程，其中包括焊接時的電磁、傳熱過程、金屬的熔化和凝固、冷卻時的相變、焊接應力與變形等。要得到一個高質量的焊接接頭必須要控制這些因素。傳統的電阻焊工藝及參數制定方法是通過一系列工藝試驗和經驗數據得到的。然而從發展來看，隨著計算機技術的發展，數值模擬的方法將起越來越重要的作用。例如，用新的高強鋼等材料制造新的工程結構，尤其是對于一些航空航天重要結構，沒有多少經驗可以憑借，如果只依靠實驗方法積累數據要花很長的時間和經費，而且任何嘗試和失敗，都將造成重大經濟損失。此時數值方法將發揮其獨特的能力和優點。只要通過少量驗證試驗證明數值方法在處理某一問題上的適用性，那么大量的篩選工作便可由計算機進行，而不必在車間和實驗室里進行大量的試驗工作。這就大大節約了人力、物力和時間，具有很大的經濟效益。一旦各種焊接現象能夠實現計算機模擬，我們就可以通過計算機系統來確定焊接各種結構和材料時的最佳設計、最佳工藝方法和焊接參數。此外，數值模擬還廣泛地用于分析點焊接頭強度和性能等方面。

由于電阻點焊熔核形成的不可見性，對其試驗觀測相當困難，理論模型的建立對它的分析研究具有重要價值。自1984年Nied建立的最初有限元點焊分析模型開始，至今已有不少點焊的有限元模型出現，并為實際生產提供了理論依據。

隨著有限元數值模擬方法在電阻焊研究領域的深入應用，近年來國際上在此領域上的研究主要集中在以下三方面：

1.1 采用電－熱－力耦合有限元模擬方法

電阻點焊過程是一個存在電、熱、力學和冶金現象相互作用的復雜過程，這一過程包括電場問題、熱傳導問題和熱彈塑性變形問題，所以必須考慮所有這些問題的相互作用和耦合效應，有壓力引起的工件——電極以及工件——工件界面之間的接觸狀態的變化，以及熱變形在這些相互作用中起重要的影響，嚴格的說求解這樣的耦合問題，應該同時求解電場、熱場和力場。因此，近年來對于電阻點焊的有限元分析從原先互相孤立的電場、熱場和力場分析逐步發展為電－熱－力耦合分析，例如：美國學者Sun,X.用電－熱－力耦合有限元模擬點焊過程熔核生長及熱分布，研究了帶有中間過渡材料的鋁合金與鋼板的電阻點焊，模擬結果經實驗驗證：該模型可用于電極選擇階段，以減小焊接變形和改善焊接質量；韓國學者Cha，B.W.通過對304不銹鋼電阻點焊過程的電－熱－力分析得出焊后的殘余應力以及影響殘余應力的點焊參數；Feng,Z.等學者開發了一種用以模擬電阻點焊過程和性能的集成模型，它將點焊中的基本物理現象和載荷條件結合起來，這種方法由工藝模型、微觀模型及結構模型三部分組成，它可以綜合評價在電－熱－力作用下的點焊接頭性能；日本學者De,A在鋁合金電阻點焊的研究中，采用電－熱－力耦合的有限元模型，預測了在不同焊接電流、焊接時間、電極力作用下的熔核直徑、熔深、電極與板的接觸直徑等，經驗證：這種模型對于離線檢測焊接參數對焊點尺寸的影響非常有用。

1.2 計算機模擬的精確性分析

隨著計算機模擬方法在電阻焊過程研究中的應用日趨廣泛，為了進一步開發它用于工業生產中，必須考慮這種模擬方法的誤差有多大？如何提高數值模擬的精度，使其得出的結果更接近于實際焊接情況。近來，有些國外學者就此方面作了專門的研究，例如：美國學者Cavendish,James C.在文章中提到：對于計算機模擬模型評估的一個重要問題是判斷它是否足夠精確，通常人們用貝葉斯定理統計策略來分析模擬計算的誤差范圍，但是，在輸入量和未知參數多、數據量大的情況下，統計分析變得相當困難。Hasselman,Timothy等學者在用電－熱－力有限元模型分析鋁合金電阻點焊過程，計算熔核尺寸和表面壓痕時，采用基于不確定模型方法的主元素法，通過對熔核尺寸和壓痕統計的線性均方差得到有限元的預測精度。

1.3 計算機模擬的工業應用

計算機數值模擬有其成本低，參數改變靈活、方便等優點，但目前大部分都用于離線計算和模擬，如何將這種方法有效地應用到工業生產中對焊接質量進行在線評估和控制，這個問題也成為近年來焊接學家們研究的一個重點。丹麥學者Zhang,Wenqi基于長期的工程研究和工業合作，開發了一個新的基于有限元方法的焊接軟件:SORPAS,用于模擬電阻凸焊和點焊過程。為了使該軟件能被工廠中的工程師和技術員直接應用，電阻焊中的所有參數被考慮并自動地在軟件中實現。該軟件支持Windows友好界面，操作靈活，對工件及電極可靈活地進行幾何形狀設計，參數設置猶如正式焊機，它可用于工業中支持產品開發和工藝優化。現在Volkswangen, Volvo, Siemens和ABB等公司都開始采用此軟件。美國華盛頓大學的Li,Wei提出了一個基于接觸區域的點焊質量評估模型，它是用一個有限元分析模型來表示接觸區域變化，根據模擬結果進行在線應用，經試驗：在不同的電極尺寸、電極力、焊接時間和電流下這種方法是成功的，它將為電阻焊監測和控制提供重要的信息。

2 新型材料的可焊性研究

隨著工業的迅猛發展，對工業產品（特別是汽車）外殼用材的性能提出了更高的要求，并促進了產品用材的更新換代。例如，為了改善汽車外殼的抗腐蝕性能，提高汽車的使用壽命，在汽車車身制造中大量采用鍍鋅鋼板代替普通冷軋鋼板；為了減輕車身總體重量，節省能源消耗，世界各大汽車公司正在開發鋁合金或高強鋼車身的汽車。由于在汽車車身等薄板結構的裝配制造中，大量采用電阻點焊方法，為保證焊接質量，研究鋁合金、鍍鋅鋼板高強鋼等新材料的電阻點焊性能已成了非常迫切的任務。近年來，各國焊接工作者就此方面做了大量的理論及實際研究工作，并取得了一定的成績。

2.1 鋁合金的電阻點焊研究

鋁合金熔點低、屈服強度低、導電導熱性能良好以及存在表面氧化膜等特點，給電阻點焊帶來了很大的困難，近年來各國焊接學家主要作了以下一些研究：

在鋁合金點焊電極壽命研究方面，美國沃特盧大學的Lum,L在研究5182鋁合金點焊電極壽命中，采用了掃描電鏡、SEM/EDX、XRD等方法，研究表明：從電極衰退到最終失效主要經歷了鋁剝離、鋁與銅合金化、電極端面蝕斑及電極端面凹坑四個階段，由于蝕斑和凹坑起源于鋁的剝離和合金化，因此，作者認為定期對電極表面清潔能增加電極壽命，有利于汽車生產中鋁合金的應用；美國加利福尼亞大學的Fresz,B研究了銅電極的合金成分對電極壽命的影響，試驗中采用了Cu-Cr,Cu-Zr,Cu-Cr-Zr,Cu-Be等不同的銅電極材料；Dorn,Lutz等學者提出了點焊鋁合金時采用復合電極以提高其壽命，研究采用在鉻鋯銅電極端部鑲嵌鎢的復合電極焊接鋁合金，發現電極壽命可提高1.5至2倍。

在鋁合金點焊的工藝研究方面，Sari,H.等學者通過鋁合金點焊工藝試驗，研究了鋁合金點焊時電極接觸半徑與接觸電阻間的關系，以及電極接觸半徑與工件與工件的接觸面積間的關系；美國密西根大學的Cho,Y采用實驗研究方法，比較了鋁合金與鋼的電阻點焊工藝，根據試驗得出的葉型曲線確定可用焊接電流范圍和焊點破壞后的鈕扣直徑，并用這兩個參數來評價鋁合金和鋼的點焊質量，試驗表明：電極尺寸對鋼焊點破壞后的鈕扣直徑有很大影響，但對鋁焊點沒有很好的對應關系，鋁焊點破壞后的鈕扣直徑波動很大。
此外，鋁合金點焊過程的有限元模擬也是近年來各國學者的研究熱點。

2.2 高強鋼的電阻點焊研究

先進高強度鋼具有強度高、成型性能好、高烘烤硬化性能、能量吸收率和疲勞強度較高，而且防撞凹性能好等優點，因而在汽車輕量化建設中它的應用量正在日益增長，高強鋼的電阻焊可焊性的研究也應運而生。目前各國焊接學家對高強鋼電阻焊的研究主要集中在各種高強鋼的可焊性、焊接規范參數對焊點組織性能的影響、焊接程序和工藝的優化等。例如：英國TWI材料連接技術全球中心的Shi,G等學者研究了高強鋼點焊程序的修正以及母材強度和焊接淬火對焊點性能的影響；日本學者Otani,Tadayuki等對超細晶粒高強鋼電阻點焊特性作了系統的研究，研究發現：這種由于高強鋼在高溫下的電阻率和強度與低碳鋼不同，其點焊時得到同樣大小的熔核尺寸需要的焊接電流比低碳鋼板更大，同時，這種鋼板的碳當量很低，雖然焊后熔核的主要組織是馬氏體，但由于低碳成分限制了熔核硬化，因此這種材料的點焊接頭不經過回火就能得到高的拉剪強度和垂直拉伸強度；法國學者Mimer，M通過試驗研究提出了通過焊后回火工藝來改進高強鋼和超高強度鋼的電阻點焊性能的方法；日本學者Sakuma,Yasuharu還對高強鍍鋅鋼板的點焊可焊性進行了研究。

2.3 鍍鋅鋼板的電阻點焊研究

為了提高產品的耐腐蝕性能，在汽車、家電等行業越來越廣泛地使用各種類型的鍍鋅鋼板，根據鍍鋅工藝、鍍鋅成分等不同，鍍鋅鋼板分為：電鍍鋅板、熱鍍鋅板、Zn-Ni合金鍍層板、Zn-Fe合金鍍層板等。由于鍍層金屬的物理性能與導電性能不同于低碳鋼，所以鍍鋅鋼板的電阻點焊性能與未鍍鋅的同種鋼板有較大的不同，且從其使用性能考慮，對接頭質量要求更高，即點焊時既要保證產生足夠強度的接頭，還應合理地保護鍍層。

由于鍍鋅鋼板在其點焊焊接性上存在一定的難點，這些年來各國焊接工作者就鍍鋅鋼板的焊接性方面圍繞著焊接工藝規范、焊接過程的數值模擬、電極壽命等問題作了大量的研究工作。

目前，國際上對鍍鋅鋼板的焊接工藝研究基本成熟，進一步研究的熱點主要集中在如何提高鍍鋅鋼板點焊電極壽命，例如采用彌散強化銅合金或通過對電極的低溫處理等措施提高電極的使用壽命。

3 電阻焊質量監控方法研究

由于電阻焊工藝運用的廣泛性、重要性和具有代表性，保證焊接質量已成為電阻焊研究的主要目標，點焊質量控制始終是國內外焊接界學者致力研究的重要課題之一。例如：日本焊接協會專門成立了點焊質量監控及檢測研究小組，美國也為解決汽車工業中的電阻點焊開展了2mm研究工程。目前，焊接工藝控制工程師面臨的一個主要問題是探索出一種可靠、低成本、非破壞性的技術，用以區分焊點的質量和實時預測焊點強度。

近年來，電阻焊的質量監控方面的研究一直保持上升趨勢，而且其手段和方法日趨先進，主要集中在以下幾方面 ：

3.1 點焊焊過程直接變量的實時監控

美國密西根大學的Cho,Y用高速數字攝象機實時監測熔核形成過程，研究電阻點焊熔核形成機理以及它對焊接過程參數的影響。

3.2 點焊過程間接電參數的實時檢測

美國學者Matsuyama,K提出了一種基于能量平衡積分形式的新的監控運算法則，該系統通過獲取焊接電壓、電流和總板厚，計算焊接時的平均溫度，從而預測焊點直徑和飛濺情況，是一種低成本的點焊實時監控方法； Jou,Min等學者探索了通過改變輸出信號的控制參數，保證焊點強度和質量的監控方法，其研究方法是創建一個與焊點質量有關的過程輸出與過程輸入變量間的關系，且輸入參量選擇直接影響焊點尺寸和強度的熱輸入百分比，輸出選擇電極位移，它能精確反映熔核的生長和變形，這種監控方法在汽車鋼板點焊中得到應用。

近年中有不少學者從事了用動態電阻法監控焊點質量的研究，例如美國Fanuc Robotics公司的學者Garza, Frank等通過對動態電阻的預測、分析和分類，并在實際中應用證明這種方法對于檢測不良焊點是有效的；中國學者Wang,S.C.等在研究中，動態電阻通過焊接區的溫度總量獲得，此溫度與焊接區工件電阻、工件與電極、工件與工件間的電阻有關，測得的動態電阻曲線可以分為四個階段：1）隨著接觸電阻的下降而迅速下降；2）主要取決于工件的體積電阻的增大，動態電阻也相應增加；3）工件體積電阻增大，但接觸電阻減小，從而動態電阻也增加；4）由于接觸表面的熔核形成使動態電阻變小。試驗發現，焊接熔核在第三、第四階段形成；美國密西根大學的Cho,Y采用通過測量初級回路的瞬時電流和電壓，用回歸分析確定這些因素與焊接質量間的關系，克服了傳統的測二次回路動態電阻方法在實時監測中存在的問題。

3.3 點焊焊過程間接力參數的實時監控

華沙大學的Senkara,J建立了點焊接頭的飛濺預測模型，此模型是基于焊接中的力學和冶金過程的互相作用考慮的。用模型計算出點焊時的電極力和液態熔核力，當后者大于前者時發生飛濺，并對該模型進行了實驗驗證，效果很好，該模型可以用來指導電極壓力的選擇；美國學者Tang,H研究了焊機的機械特性對電阻點焊工藝及焊點質量的影響，研究表面：焊機的剛性和摩擦對焊接過程和焊點質量有較大影響，而運動慣量對焊接過程及焊點質量不產生大的影響；丹麥學者Wu,Pei認為：電阻焊機機械動態反映對焊接質量及電極壽命有很大的影響，因此在焊接生產及模擬時必須考慮，由于焊機機械結構的復雜性，模擬方程中的一些相關系數很難得到，該學者通過試驗及MATLAB計算求得了這些參數。

3.4 焊點質量的神經網絡預測

美國密西根大學的Cho,Yongjoon等學者，在用動態電阻法評估點焊質量的系統中，結合Hopfield神經網絡理論對焊點質量進行預測，其結果與實焊試樣得到的拉剪強度有很好的一致性；Podrzaj, Primoz等學者采用LVQ(A linear vector quantization)神經網絡方法檢測不同材料的點焊飛濺，結果表明：電極力信號是飛濺產生的最重要的標志。