国外电阻焊技术的进展

HEATS · 发表于 2010-9-12 15:37:23

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　　0前言

　　近年来随着汽车车辆、航空航天、建筑、运输以及轻工家电等工业的飞速发展，相应的工业产品在其材料、结构及应用领域上不断更新和发展，对产品的加工质量要求不断提高，作为这些工业产品制造中的一种广泛使用的材料加工工艺——电阻焊也受到了很大的挑战。

　　由于电阻焊过程相当复杂，包含了多种影响因素，例如：被焊材料、电流、电极压力、通电时间、电极端面形状及尺寸、分流、焊点离边缘的距离、板厚、工件表面状态等，而且这些因素之间互相联系，有一定的交互作用。同时，加之焊接过程中熔核的不可见性及焊接过程进行的瞬时性，给焊接质量控制带来较大的困难。为了适应新材料、新工艺、新产品在工业上开发应用的需要，以使电阻焊工艺及设备能满足现代化生产的要求，近十年来，各国焊接界在电阻焊工艺和设备控制方面做了大量的工作，主要集中在以下几方面：

　　1)电阻焊过程的计算机模拟研究

　　2)新型材料的可焊性研究

　　3)电阻焊质量监控方法研究

　　1电阻焊过程的计算机模拟研究

　　电阻焊是一个牵涉到电学、传热、冶金和力学的复杂过程，其中包括焊接时的电磁、传热过程、金属的熔化和凝固、冷却时的相变、焊接应力与变形等。要得到一个高质量的焊接接头必须要控制这些因素。传统的电阻焊工艺及参数制定方法是通过一系列工艺试验和经验数据得到的。然而从发展来看，随着计算机技术的发展，数值模拟的方法将起越来越重要的作用。例如，用新的高强钢等材料制造新的工程结构，尤其是对于一些航空航天重要结构，没有多少经验可以凭借，如果只依靠实验方法积累数据要花很长的时间和经费，而且任何尝试和失败，都将造成重大经济损失。此时数值方法将发挥其独特的能力和优点。只要通过少量验证试验证明数值方法在处理某一问题上的适用性，那么大量的筛选工作便可由计算机进行，而不必在车间和实验室里进行大量的试验工作。这就大大节约了人力、物力和时间，具有很大的经济效益。一旦各种焊接现象能够实现计算机模拟，我们就可以通过计算机系统来确定焊接各种结构和材料时的最佳设计、最佳工艺方法和焊接参数。此外，数值模拟还广泛地用于分析点焊接头强度和性能等方面。

　　由于电阻点焊熔核形成的不可见性，对其试验观测相当困难，理论模型的建立对它的分析研究具有重要价值。自1984年Nied[1]建立的最初有限元点焊分析模型开始，至今已有不少点焊的有限元模型出现，并为实际生产提供了理论依据[2-5]。

　　随着有限元数值模拟方法在电阻焊研究领域的深入应用，近年来国际上在此领域上的研究主要集中在以下三方面：

　　1.1采用电-热-力耦合有限元模拟方法

　　电阻点焊过程是一个存在电、热、力学和冶金现象相互作用的复杂过程，这一过程包括电场问题、热传导问题和热弹塑性变形问题，所以必须考虑所有这些问题的相互作用和耦合效应，有压力引起的工件——电极以及工件——工件界面之间的接触状态的变化，以及热变形在这些相互作用中起重要的影响，严格的说求解这样的耦合问题，应该同时求解电场、热场和力场。因此，近年来对于电阻点焊的有限元分析从原先互相孤立的电场、热场和力场分析逐步发展为电-热-力耦合分析，例如：美国学者Sun,X.用电-热-力耦合有限元模拟点焊过程熔核生长及热分布[6]，研究了带有中间过渡材料的铝合金与钢板的电阻点焊，模拟结果经实验验证：该模型可用于电极选择阶段，以减小焊接变形和改善焊接质量；韩国学者Cha，B.W.通过对304不锈钢电阻点焊过程的电-热-力分析得出焊后的残余应力以及影响残余应力的点焊参数[7]；Feng,Z.等学者开发了一种用以模拟电阻点焊过程和性能的集成模型[8]，它将点焊中的基本物理现象和载荷条件结合起来，这种方法由工艺模型、微观模型及结构模型三部分组成，它可以综合评价在电-热-力作用下的点焊接头性能；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[9]，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。

　　1.2 计算机模拟的精确性分析

　　随着计算机模拟方法在电阻焊过程研究中的应用日趋广泛，为了进一步开发它用于工业生产中，必须考虑这种模拟方法的误差有多大？如何提高数值模拟的精度，使其得出的结果更接近于实际焊接情况。近来，有些国外学者就此方面作了专门的研究，例如：美国学者Cavendish,James C.在文章中提到[10]：对于计算机模拟模型评估的一个重要问题是判断它是否足够精确，通常人们用贝叶斯定理统计策略来分析模拟计算的误差范围，但是，在输入量和未知参数多、数据量大的情况下，统计分析变得相当困难。Hasselman,Timothy等学者在用电-热-力有限元模型分析铝合金电阻点焊过程，计算熔核尺寸和表面压痕时，采用基于不确定模型方法的主元素法，通过对熔核尺寸和压痕统计的线性均方差得到有限元的预测精度[11]。

　　1.3 计算机模拟的工业应用

　　计算机数值模拟有其成本低，参数改变灵活、方便等优点，但目前大部分都用于离线计算和模拟，如何将这种方法有效地应用到工业生产中对焊接质量进行在线评估和控制，这个问题也成为近年来焊接学家们研究的一个重点。丹麦学者Zhang,Wenqi基于长期的工程研究和工业合作，开发了一个新的基于有限元方法的焊接软件[12]:SORPAS,用于模拟电阻凸焊和点焊过程。为了使该软件能被工厂中的工程师和技术员直接应用，电阻焊中的所有参数被考虑并自动地在软件中实现。该软件支持Windows友好界面，操作灵活，对工件及电极可灵活地进行几何形状设计，参数设置犹如正式焊机，它可用于工业中支持产品开发和工艺优化。现在Volkswangen, Volvo, Siemens和ABB等公司都开始采用此软件。美国华盛顿大学的Li,Wei提出了一个基于接触区域的点焊质量评估模型[13]，它是用一个有限元分析模型来表示接触区域变化，根据模拟结果进行在线应用，经试验：在不同的电极尺寸、电极力、焊接时间和电流下这种方法是成功的，它将为电阻焊监测和控制提供重要的信息。

　　2新型材料的可焊性研究

　　随着工业的迅猛发展，对工业产品(特别是汽车)外壳用材的性能提出了更高的要求，并促进了产品用材的更新换代。例如，为了改善汽车外壳的抗腐蚀性能，提高汽车的使用寿命，在汽车车身制造中大量采用镀锌钢板代替普通冷轧钢板；为了减轻车身总体重量，节省能源消耗，世界各大汽车公司正在开发铝合金或高强钢车身的汽车。由于在汽车车身等薄板结构的装配制造中，大量采用电阻点焊方法，为保证焊接质量，研究铝合金、镀锌钢板高强钢等新材料的电阻点焊性能已成了非常迫切的任务。近年来，各国焊接工作者就此方面做了大量的理论及实际研究工作，并取得了一定的成绩。

　　2.1 铝合金的电阻点焊研究

　　铝合金熔点低、屈服强度低、导电导热性能良好以及存在表面氧化膜等特点，给电阻点焊带来了很大的困难，近年来各国焊接学家主要作了以下一些研究：

　　在铝合金点焊电极寿命研究方面，美国沃特卢大学的Lum,L在研究5182铝合金点焊电极寿命中，采用了扫描电镜、SEM/EDX、XRD等方法，研究表明[14]：从电极衰退到最终失效主要经历了铝剥离、铝与铜合金化、电极端面蚀斑及电极端面凹坑四个阶段，由于蚀斑和凹坑起源于铝的剥离和合金化，因此，作者认为定期对电极表面清洁能增加电极寿命，有利于汽车生产中铝合金的应用；美国加利福尼亚大学的Fresz,B研究了铜电极的合金成分对电极寿命的影响[15]，试验中采用了Cu-Cr,Cu-Zr,Cu-Cr-Zr,Cu-Be等不同的铜电极材料；Dorn,Lutz等学者提出了点焊铝合金时采用复合电极以提高其寿命[16]，研究采用在铬锆铜电极端部镶嵌钨的复合电极焊接铝合金，发现电极寿命可提高1.5至2倍。

　　在铝合金点焊的工艺研究方面，Sari,H.等学者通过铝合金点焊工艺试验，研究了铝合金点焊时电极接触半径与接触电阻间的关系，以及电极接触半径与工件与工件的接触面积间的关系[17]；美国密西根大学的Cho,Y采用实验研究方法，比较了铝合金与钢的电阻点焊工艺[18]，根据试验得出的叶型曲线确定可用焊接电流范围和焊点破坏后的钮扣直径，并用这两个参数来评价铝合金和钢的点焊质量，试验表明：电极尺寸对钢焊点破坏后的钮扣直径有很大影响，但对铝焊点没有很好的对应关系，铝焊点破坏后的钮扣直径波动很大。

　　此外，铝合金点焊过程的有限元模拟也是近年来各国学者的研究热点[9] [19]。

　　2.2 高强钢的电阻点焊研究

　　先进高强度钢具有强度高、成型性能好、高烘烤硬化性能、能量吸收率和疲劳强度较高，而且防撞凹性能好等优点，因而在汽车轻量化建设中它的应用量正在日益增长，高强钢的电阻焊可焊性的研究也应运而生。目前各国焊接学家对高强钢电阻焊的研究主要集中在各种高强钢的可焊性、焊接规范参数对焊点组织性能的影响、焊接程序和工艺的优化等。例如：英国TWI材料连接技术全球中心的Shi,G等学者研究了高强钢点焊程序的修正以及母材强度和焊接淬火对焊点性能的影响[20]；日本学者Otani,Tadayuki等对超细晶粒高强钢电阻点焊特性作了系统的研究，研究发现：这种由于高强钢在高温下的电阻率和强度与低碳钢不同，其点焊时得到同样大小的熔核尺寸需要的焊接电流比低碳钢板更大[21]，同时，这种钢板的碳当量很低，虽然焊后熔核的主要组织是马氏体，但由于低碳成分限制了熔核硬化，因此这种材料的点焊接头不经过回火就能得到高的拉剪强度和垂直拉伸强度[22]；法国学者Mimer，M通过试验研究提出了通过焊后回火工艺来改进高强钢和超高强度钢的电阻点焊性能的方法[23]；日本学者Sakuma,Yasuharu还对高强镀锌钢板的点焊可焊性进行了研究[24]。

　　2.3 镀锌钢板的电阻点焊研究

　　为了提高产品的耐腐蚀性能，在汽车、家电等行业越来越广泛地使用各种类型的镀锌钢板，根据镀锌工艺、镀锌成分等不同，镀锌钢板分为：电镀锌板、热镀锌板、Zn-Ni合金镀层板、Zn-Fe合金镀层板等。由于镀层金属的物理性能与导电性能不同于低碳钢，所以镀锌钢板的电阻点焊性能与未镀锌的同种钢板有较大的不同，且从其使用性能考虑，对接头质量要求更高，即点焊时既要保证产生足够强度的接头，还应合理地保护镀层。

　　由于镀锌钢板在其点焊焊接性上存在一定的难点，这些年来各国焊接工作者就镀锌钢板的焊接性方面围绕着焊接工艺规范、焊接过程的数值模拟、电极寿命等问题作了大量的研究工作。

　　目前，国际上对镀锌钢板的焊接工艺研究基本成熟，进一步研究的热点主要集中在如何提高镀锌钢板点焊电极寿命，例如采用弥散强化铜合金[25]或通过对电极的低温处理等措施提高电极的使用寿命[26]。

　　3电阻焊质量监控方法研究

　　由于电阻焊工艺运用的广泛性、重要性和具有代表性，保证焊接质量已成为电阻焊研究的主要目标，点焊质量控制始终是国内外焊接界学者致力研究的重要课题之一。例如：日本焊接协会专门成立了点焊质量监控及检测研究小组[27]，美国也为解决汽车工业中的电阻点焊开展了2mm研究工程[28]。目前，焊接工艺控制工程师面临的一个主要问题是探索出一种可靠、低成本、非破坏性的技术，用以区分焊点的质量和实时预测焊点强度。

　　近年来，电阻焊的质量监控方面的研究一直保持上升趋势，而且其手段和方法日趋先进，主要集中在以下几方面3.1 点焊焊过程直接变量的实时监控

　　美国密西根大学的Cho,Y用高速数字摄象机实时监测熔核形成过程，研究电阻点焊熔核形成机理以及它对焊接过程参数的影响[29]。

　　3.2点焊过程间接电参数的实时检测

　　美国学者Matsuyama,K提出了一种基于能量平衡积分形式的新的监控运算法则，该系统通过获取焊接电压、电流和总板厚，计算焊接时的平均温度，从而预测焊点直径和飞溅情况，是一种低成本的点焊实时监控方法[30]；Jou,Min等学者探索了通过改变输出信号的控制参数，保证焊点强度和质量的监控方法[31]，其研究方法是创建一个与焊点质量有关的过程输出与过程输入变量间的关系，且输入参量选择直接影响焊点尺寸和强度的热输入百分比，输出选择电极位移，它能精确反映熔核的生长和变形，这种监控方法在汽车钢板点焊中得到应用。

　　近年中有不少学者从事了用动态电阻法监控焊点质量的研究，例如美国Fanuc Robotics公司的学者Garza, Frank等通过对动态电阻的预测、分析和分类，并在实际中应用证明这种方法对于检测不良焊点是有效的[32]；中国学者Wang,S.C.等在研究中，动态电阻通过焊接区的温度总量获得[33]，此温度与焊接区工件电阻、工件与电极、工件与工件间的电阻有关，测得的动态电阻曲线可以分为四个阶段：1)随着接触电阻的下降而迅速下降；2)主要取决于工件的体积电阻的增大，动态电阻也相应增加；3)工件体积电阻增大，但接触电阻减小，从而动态电阻也增加；4)由于接触表面的熔核形成使动态电阻变小。试验发现，焊接熔核在第三、第四阶段形成；美国密西根大学的Cho,Y采用通过测量初级回路的瞬时电流和电压[34]，用回归分析确定这些因素与焊接质量间的关系，克服了传统的测二次回路动态电阻方法在实时监测中存在的问题。

　　3.3点焊焊过程间接力参数的实时监控

　　华沙大学的Senkara,J建立了点焊接头的飞溅预测模型，此模型是基于焊接中的力学和冶金过程的互相作用考虑的。用模型计算出点焊时的电极力和液态熔核力，当后者大于前者时发生飞溅，并对该模型进行了实验验证，效果很好，该模型可以用来指导电极压力的选择[35]；美国学者Tang,H研究了焊机的机械特性对电阻点焊工艺及焊点质量的影响，研究表面[36]：焊机的刚性和摩擦对焊接过程和焊点质量有较大影响，而运动惯量对焊接过程及焊点质量不产生大的影响；丹麦学者Wu,Pei认为[37]：电阻焊机机械动态反映对焊接质量及电极寿命有很大的影响，因此在焊接生产及模拟时必须考虑，由于焊机机械结构的复杂性，模拟方程中的一些相关系数很难得到，该学者通过试验及MATLAB计算求得了这些参数。

　　3.4焊点质量的神经网络预测

　　美国密西根大学的Cho,Yongjoon等学者，在用动态电阻法评估点焊质量的系统中，结合Hopfield神经网络理论对焊点质量进行预测，其结果与实焊试样得到的拉剪强度有很好的一致性[38]；Podrzaj, Primoz等学者采用LVQ(A linear vector quantization)神经网络方法检测不同材料的点焊飞溅[39]，结果表明：电极力信号是飞溅产生的最重要的标志。【MechNet】

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