刘磊　纵荣荣　李乐乐　王洪玮　齐乐

摘 要：电阻点焊因其低成本、较高的生产效率、简便的操作以及自动化程度高等优点一直成为汽车车身的主要连接方式。与此同时，汽车燃油经济性的需求不断提高，推动了铝合金取代钢板在汽车上的使用。因此，铝合金电阻点焊技术也受到了越来越多的关注。本文详细介绍了铝合金电阻点焊的特点，焊点质量影响因素，以及铝合金点焊的工艺参数、点焊机的升级和电极延寿技术等方面的研究进展，最后介绍了两种新型点焊技术在轻量化汽车上的应用。

关键词：铝合金；电阻点焊；电极；表面状态 焊点质量

1 前言

汽车轻量化是解决能源与环境问题的重要途径之一。据统计，汽车重量每减轻1%，可节省燃料消耗0.6%～1.0%；汽车每减重100kg，CO2排放量可减少5g/km[1]。实现汽车轻量化的有效途径之一是铝、镁及其合金等轻质高强材料的推广应用。传统的车身以钢为主，主要连接方式是电阻点焊，每个车身的焊点可达6000个[2]，但是，随着铝合金在汽车车身应用比例的提高，采用传统的电阻点焊技术极易产生焊缝内部的缺陷，例如气孔、缩孔、裂纹等[3]。本文主要通过分析铝合金采用传统电阻点焊存在的问题，进一步介绍轻量化汽车电阻点焊研究趋势以及目前在车身的应用情况。

2 轻量化汽车传统电阻点焊遇到的挑战

2.1 铝合金电阻点焊特点

电阻点焊依靠电阻热形成焊核，但铝合金电阻率较低且导热性和热传导性较好，所以在焊接时，需要采用大电流、短时间的硬规范，一般来说，点焊铝合金的焊接电流大约为低碳钢的2～3倍，焊接时间却只有低碳钢的1/3～1/2[4，5]。在这种情况下，既对点焊机提出了新的要求，也会使得铝合金塑性温度区间变窄，极易产生缩孔等焊接缺陷。

此外，铝合金表面存在一层致密的氧化膜，熔点高达2000℃，该致密的氧化膜在电阻点焊时，如果不加处理，导致接触电阻增大，产生较大焊接飞溅，加之焊接所采用的硬规范，直接加剧了电极与工件之间的铜铝合金化，造成了电极的烧损，在连续点焊的情况下，焊接质量出现波动[6，7]。

2.2 铝合金电阻点焊质量影响因素

铝合金由于其自身特殊的物理特性，导致焊接过程中容易出现一系列质量问题。除了选择合理的工艺参数，还应该从以下两个方面进行控制，以保证工业中，连续点焊质量的稳定性。

2.2.1 焊前表面的处理

铝合金点焊质量的一致性与电极和工件之间的接触电阻有很大的关系，为了保证稳定的焊接质量，要降低电极和工件表面的接触电阻。汽车板材表面氧化层的出现，会大大增加焊接过程中的接触电阻，因此要对其进行预处理，充分的去除表面氧化层[7]。目前常用的是化学处理，脱脂处理、以及脉冲电流清理。其中，化学处理铝合金表面氧化层可以提供最长的电极寿命[8，9]。但是，有研究指出，化学处理表面具有不稳定性，会造成工件的变形、耐蚀性降低等问题，这些问题导致化学处理铝合金不能大批量的在汽车点焊中使用[10]。因此，为了避免化学处理带来的后续问题，有人提出在焊接程序中增加預热电流和预热时间来降低工件与电极以及工件与工件之间的接触电阻，增大焊点熔核直径，提高焊接的可重复性。结果表明：通过预热处理的焊点峰值载荷和焊点熔核直径均增加了33%，进而提高了焊点强度，改善了焊接质量[11]。

2.2.2 减少电极烧损

电极的失效通常有磨损、点蚀、塑性变形、合金化等几种形式[12]。大量研究资料表明，铝合金点焊电极的失效主要是由电极端头与工件之间的点蚀和铜铝合金化导致的。点蚀与电极端头的应力集中和电流的边缘效应有关，会导致电极的磨损和电极端头直径的变大；铜铝合金化与电极和铝合金材料之间原子的转移扩散有关，会直接影响接触电阻的分布。这些失效形式造成了电极性能的变化，严重影响焊点质量[13～16]。

于汇泳等[17]人在只考虑焊点强度的情况下，将铝合金电极的烧损分为初始烧损、平稳烧损、快速失效三个阶段。而程方杰等[18]人认为，铝合金的电极烧损与铝合金表面清理状态有关，在进行酸洗处理的情况下，电极端面黏着一层均匀的合金组织，表面较光滑，电极的烧损呈均匀烧损状态；而其它表面处理状态下，铝合金连续点焊电极端面凹凸不平，电极边缘呈放射状分布的凹沟，对应的焊点表面也会造成凹凸不平，严重的情况下出现大的飞溅和烧穿。

因此，在铝合金点焊的过程中，对工件表面氧化膜做及时清理的同时，还要不断的修磨电极，保证电极端面的状态。

3 轻量化汽车电阻点焊研究趋势

针对目前轻量化车身铝合金点焊存在的焊接工艺窗口窄、电极烧损严重、焊点强度波动大等问题，主要从以下几个方面展开研究。

（1）严格控制工艺参数，通过电极寿命预测或电极头磨损监测来稳定焊接质量；

（2）提高点焊机的电源频率，优化电流输出形式，以提高焊点强度，延长电极寿命；

（3）改善电极端面与工件的接触状态，对电极头进行强化和延寿处理。

3.1 工艺参数控制

铝合金点焊的焊接质量与其工艺参数、电极的磨损、电极头端面形貌等有关。张冬冬[19]以大量试验数据为基础，建立抗拉剪载荷、熔核直径与工艺参数之间的数学模型，实现对熔核直径的预测。而王璐等[20]人，基于电极端面直径随焊点数增加的变化规律，采用数值模拟的方法，得出临界熔核直径对应的临界电极端面直径和连续点焊可焊点数，从而预测电极寿命。随着传感器和图像信息技术的提高，众多研究者开始将电极的磨损、焊点表面的形貌、压痕深度变化作为监测对象或者信息源，实现电极状态的在线监控，从而提高焊接质量[21～23]。

3.2 点焊机的升级

对于传统的车身材料来说，采用工频焊机即可完成点焊工作，但对于铝合金点焊来说，需要依靠中频甚至高频逆变电阻点焊机增大焊接工艺参数的选择范围[24]。对于中频逆变点焊机来说，二次电流输出能力更强，电流波形平直，峰值电流和焊接时间减小，非常适合铝合金等有色金属的焊接。但目前，国内外逆变点焊电源的开关频率最高一般不超过8KHz[25]。这就需要研究人员打破次级整流二极管di/dt的限制，进一步提高逆变电阻点焊电源的频率[26]。此外，电流的波形对于铝合金点焊也有很大的影响，采用单脉冲可以获得较强的焊点强度以及较长的电极寿命[27，28]。

3.3 电极延寿技术

铝合金点焊电极失效主要与电极端面特性以及铝合金表面状态有关，因此主要从以下几个方面来改善电极的烧损情况。

3.3.1 电极表面强化技术

在实际生产中，铝合金点焊电极通常用Cu-Cr-Zr电极。相比传统的电阻点焊采用的紫铜电极，加入铬、锆等元素合金化后的铜电极寿命可以提高5倍[4]。另外，对于同等材料的电极使用不同的强化处理方法，可以进一步提高其电极特性[29]。目前常用的表面强化技术有电火花沉积、离子注入、物理气相沉积、化学热处理等，利用这些表面强化处理技术可以在电极基体形成有效的复合涂层，提高电极端部的表面强度和硬度。于汇泳等[30]人在铝合金点焊电极表面原位生成 Cu-TiB2复合涂层，TiB2在基体中的弥散分布，阻碍了铝合金和电极的直接接触，减少了电极端面的塑性变形和铜铝合金的交互作用，从而延长了电极的使用寿命。邹家生等[31]人利用电火花沉积的方法在普通铬锆铜电极表面沉积镍和金属陶瓷涂层，使得涂层电极寿命较普通电极提高了2.5倍。

3.3.2 深冷处理技术

深冷处理技术可以提高电极基体的致密性，改变元素的分布和晶粒的择优取向，从而提高电极的导电、导热性能，降低铜合金电极与铝合金工件的合金化倾向[32，33]。蒋俊亮[34]系统化研究了深冷时间、深冷温度、深冷次数对Cu-Cr-Zr合金点焊电极的电阻率以及强硬度的变化规律，深冷处理使Cu-Cr-Zr点焊电极的使用寿命提高了200 多点；侯东健[35]在此基础上，又研究了冷热复合处理技术，即对Cu-Cr-Zr合金进行深冷+时效处理，研究表明，深冷处理+时效处理可以进一步改善Cu-Cr-Zr合金的性能，因为深冷处理后，合金内部出现更多的位错等晶格缺陷，为随后的时效提供了更多的形核位置，析出相分布更加弥散。

3.3.3 其它延寿技术

为了避免电极与铝合金的直接接触，一些金属加工润滑剂可以延长电极的使用寿命，直接降低电极与工件的合金化效应[36]。李青松等[37]人指出，在铝合金板材表面涂覆有机油和碳化硼等溶液，可以有效减弱电极的铜铝合金化、减轻电极的塑性变形和磨损，从而改善铝合金点焊质量。

4 新型电阻点焊技术在轻量化汽车中的应用

面对铝合金点焊难点，目前主机厂及设备厂主要通过两个方面去改进：一是提升电阻点焊机的频率，控制电流输出波形；二是，阻碍板材与电极的接触，避免电极过快失效。在实际应用中，主要有多环圆顶电极电阻点焊和Delta spot点焊两种新型电阻点焊技术。

4.1 多环圆顶电极电阻点焊

多环圆顶电极电阻点焊，是指电极帽表面设计为几个凸起的同心圆环，如图1所示，此技术为通用的专利技术。这种多环圆顶电极头可在铝材表面产生不同的应力区，将铝合金表面氧化膜挤压到圆环附近，从而改善氧化膜的不均匀分布，以改善与电极头的接触情况；通过环形触点与合金形成导电，获得分布均匀的电流，有利于焊接质量的提高；增大了材料与电极间的接触面积，使产热减小，可提高电极寿命。与此同时，还可以采用不同的焊接时间和规范进一步改善熔核产生缺陷的位置以提高焊点的机械性能[38～42]。但在铝合金点焊实际生产时，因为电极头的形貌的不同，需配备相应的四刀片修磨器修出表面环状，相比传统电极6个点左右修磨一次来说，多环圆顶电极修磨周期扩大了5倍，约40～50点/次。该技术已经被用于凯迪拉克CT6的制造中。

4.2 Delta spot点焊

Delta spot是在电极和工件之间增加一条全新电极带，避免了电极与工件的直接接触，每个点焊后，电极带自动移动到下一位置，保证了电极表面的清洁状态，避免了铝合金点焊过程中与电极相互扩散和粘附，保证每个焊点都有高质量的焊接工况[43]。此外，该技术可以通过调整钢带的电阻，实现异种金属或者不同厚度板材的良好焊接。该技术是Fronius公司提出的，如图2所示，目前已应用于特斯拉的生产中。这种方法虽然节省了电极头的过快消耗，但是却带来了钢带的消耗。

5 结语

尽管目前可以采用自冲铆接来进行铝合金的连接，但是关键工艺参数（如铆钉和模具几何形状）在生产过程中无法灵活选用，限制了自冲铆工艺的灵活性，此外，铆钉的使用增加了重量和相当大的单位成本，同时也带来了一系列的回收问题。因此，使用电阻点焊进行批量生产的需求仍然存在。如何对铝合金实现高效、低成本、高质量的连接在未来很长一段时间仍然会成为研究热点。而要实现铝合金稳定高质量的连接，就需要克服两个最不利的因素：铝合金表面的氧化膜和电极烧损。

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