杜慧敏， 罗 震， 敖三三， 张 禹， 郝志壮

(天津大学 材料科学与工程学院， 天津 300350)

随着汽车向轻量化发展，镁铝合金等轻质材料已逐步取代普遍采用的钢板.由于铝合金车身在电阻点焊(RSW)过程中需要采用大电流而使得电极出现严重烧损，造成了大量的经济损失并降低了生产效率.

在点焊过程中，电极与工件会发生合金化反应并引起烧损[1]，而采用机械方法隔离铝向铜电极表面的扩散是减小烧损的有效途径[2-3]，但其成本较高且工艺复杂，难以推广到大规模工业生产中.另外，改善电极-工件接触面的温度分布也有助于减轻电极烧损.文献[4-5]中采用数值模拟方法对铝合金的电阻点焊过程进行了分析.Li等[6]研究发现，从焊接质量和电极成本考虑，适宜的电极锥角为30° 和45°.但是，对于应用广泛的几种电极还缺乏系统性研究.

本文利用ANSYS软件建立5052铝合金电阻点焊过程的有限元模型，分析了不同电极形状下的焊接质量和电极烧损情况及其烧损机制，以期为5052铝合金薄板电阻点焊中的电极选择提供依据.

1 有限元模型建立和工艺试验

1.1 有限元模型建立

利用ANSYS软件自带的建模系统建立二维有限元模型.为简化问题进行了如下假设：熔化的金属为不可压缩黏性流体；工件及电极均为均质材料，服从von Mises屈服准则和等效强化准则，为双线性各向同性硬化模式.同时，结合传热方程、Laplace方程、von Mises屈服准则和等效强化准则建立描述金属的弹塑性应力-应变关系、电压分布、热传导情况的数学模型.针对直径6 mm的锥台电极所建二维有限元模型如图1所示，模型划分为 4 688 个节点，5 480 个单元.

图1 锥台电极的有限元模型Fig.1 Finite element model for the RSW with cone electrode

本文模拟的边界条件：在结构场方面，在上电极的上端面A施加压力载荷，下电极的下端面B约束其垂直方向位移；在电场方面，在端面A施加电流载荷，端面B的约束电势为0；在热场方面，将两电极端面A、B视为绝热面，其余部分与空气发生对流换热，对流换热系数为50 W/(m2·K)，参考温度为 20 ℃.相应地，建立直径8 mm的锥台电极和直径 16 mm 的球电极的电阻点焊有限元模型.

点焊焊接的材料性能参数详见文献[7-10]中，高温下的性能参数由外推法获得.由测量得到初始接触电阻，高温下的电阻率为[11]

ρ=RcAc

(1)

式中：Ac为接触面积；Rc为接触电阻.室温时的接触电阻可以采用四点法测量得出.室温以上的接触电阻可由下式计算：

(2)

式中：Rc(Tr)为室温(Tr=20 ℃)时的接触电阻；σ(T)、σ(Tr)分别为温度T和室温时的平均屈服强度.在高温下，金属熔化而使界面的接触电阻率很小，故可假设电阻率ρ=8.3×10-8Ω·m2 [12].

模拟计算完成后，在ANSYS软件自带的后处理模块中直接读取电流密度、温度等结果.

1.2 工艺试验

在相同的焊接工艺参数下分别采用球电极和锥台电极进行连续电阻点焊试验，每隔10个焊点测量一次熔核直径，共测量90次，并将平均熔核直径作为评价熔核性能的指标.每焊接50个点，取下电极，用肉眼观察电极的烧损情况.

2 模拟结果与分析

2.1 焊接结束时的电场与温度场分布

焊接结束(焊接时间200 ms)时，不同电极形状对应的铝合金薄板的电流密度分布如图2所示.可见，铝合金薄板电流密度的分布较为均匀，直径6 mm的锥台电极和直径16 mm的球电极对应的铝合金电流密度均约为 3.71×108A/m2，直径8 mm的锥台电极对应的电流密度仅为 3.10×108A/m2.这是由于电流密度与接触压力、电极形状等有关，电极-工件的接触面积约等于电极端面面积，工件-工件的接触面积略大于电极端面面积，在接触压力相同的情况下，直径8 mm的锥台电极的端面面积较大，故所对应的电流密度较低.

电流密度的分布不同，将导致最终的温度场分布不同，熔核直径也不同.本文取不同电极对应的连续电阻点焊试验的第1个焊点，采用金相显微镜观察熔核形貌(×12.5)，所得实际焊接的熔核形貌与模拟结果的对比如图3所示.可见：采用直径16 mm的球电极时，熔核直径的测量值为 5.2 mm，模拟值为 5.0 mm；采用直径6 mm的锥台电极时，熔核直径的测量值为 5.0 mm，模拟值为 4.9 mm；采用直径8 mm的锥台电极时，熔核直径的测量值为 3.8 mm，模拟值为 3.9 mm.另外，3组模拟结果的误差均小于4%，模拟与试验结果较吻合.

图2 不同电极形状对应的铝合金电流密度分布Fig.2 Current distributions for RSW of aluminum under different electrode shapes

图3 焊点熔核形貌的金相照片与模拟结果对比Fig.3 Comparison of the nugget diameters between experimental and simulation

由于点焊试验中所需合格熔核直径至少应达到4 mm，即其阈值为4 mm，而在本文的试验参数条件下，采用直径8 mm的锥台电极时熔核直径未满足条件，所以其不适用于厚度1 mm的 5052铝合金薄板的搭接点焊.

2.2 电极的烧损情况

为探究电极的烧损机制，读取ANSYS软件中不同时刻对应的上电极下表面中心处的温度分布，所得结果如图4所示.其中，d为取样点与电极中心的距离，虚线为锥台电极的边界.可见：在焊接开始后，电极温度迅速升高，然后，随着时间的增加而趋于稳定，且球电极的升温速度明显快于锥台电极；球电极与锥台电极的最高温度都出现在中心点处，温度约为550 ℃.此时，铜与铝发生了反应并生成CuAl2，使得电极烧损.而当存在Mg时，电极烧损出现在更低的温度，即在550 ℃以下就可生成镁铝合金.在电极与工件的接触面上主要靠接触电阻产生热量.在焊接初始，球电极与工件的接触面积取决于预压力，其值约为10 mm2.由于球电极的导电面积较小、电流密度很大，故其升温速度远大于锥台电极，在20 ms内上升的温度较锥台电极高 100 ℃.

图5所示为试验所得不同焊接次数时电极头的烧损表面形貌照片(×1.5).其中，每焊接50次进行1次观察.由图5可见：采用球电极情况下，在焊接150次时已经发生了明显的烧损，当焊接250次时，在直径 2.8 mm的范围内出现了烧损，表面出现了大量毛刺与飞边，且焊接过程中出现了严重的飞溅，焊接质量很差；而采用直径6 mm的锥台电极情况下，在焊接150次时只在边缘出现了轻微烧损，这是由于实际焊接过程中施加的电极压力与工件不是完全垂直；在焊接250次时，电极整个端面均出现了烧损，但其烧损程度轻于球电极，仅为轻微的凹凸不平.

图4 电极表面的温度分布Fig.4 Temperature distributions at the electrode surface

2.3 熔核尺寸的变化情况

试验后统计的不同焊点数对应的平均熔核直径如图6所示.其中，红色虚线表示合格熔核直径的阈值(4 mm).可见，随着焊接次数增加，两种电极对应的熔核直径均呈现出逐渐减小的变化趋势，且球电极熔核直径的下降幅度更大，表明电极寿命逐渐降低.直径6 mm的锥台电极的寿命比直径16 mm的球电极的寿命提高了20%.

图6 熔核尺寸的变化情况Fig.6 Changes of nugget diameter

3 结论

(1) 电极端面直径越大，电流密度越小，熔核尺寸越小，直径8 mm的锥台电极不适用于5052铝合金薄板焊接.

(2) 独特的电极形状致使球电极-工件接触面的温度在焊接初期快速上升，且发生了比锥台电极更为严重的烧损.

(3) 随着电极烧损，焊点的质量下降.对于5052铝合金薄板焊接，直径6 mm的锥台电极的寿命比直径16 mm的球电极的寿命提高了20%.从生产和成本两方面考虑，应采用直径6 mm的锥台电极.