轿车用铝合金材料的电阻点焊工艺研究现状

作者:周江奇;郑宏良;覃鑫 刊名:装备制造技术 上传者:马红

【摘要】铝合金等轻量化材料在汽车业的地位日渐重要。概述了材料点焊工艺的研究现状,着重分析了铝合金材料的可焊性、电极寿命、接头强度、焊接过程监测与控制等几个方面的研究现状,并对将来的发展进行了展望。

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国内外研究表明:车重量如降低1%,就可以节省0.6~1%的燃料消耗[1]。采用铝合金作白车身材料,可降低50%质量[2],整车质量至少可以降低10%[3];且铝材再制造性、抗腐蚀性、结构设计柔性都比低碳钢好[4]。点焊以其高效率、低成本、便于实现自动化生产的突出优点已经成为白车身制造的主要工艺[5]。因此,国内外汽车制造企业以和相关科研机构争相展开铝合金点焊方面的理论研究和应用研究。本文结合国外的相关研究文选,在材料可焊性、电极寿命、接头强度、过程控制等几个方面,论述铝合金点焊工艺的研究进展和现状,并对将来的研究进行展望。1铝合金的可焊性研究低碳钢和铝合金材料物理性能如表1所示,由于低碳钢和铝材物理性能的差异性,焊接相同厚度的薄板,铝板的焊接电流差不多为碳钢的2~3倍;铝的导热性能良好,为获得足够的输入热量,所需的焊接时间大约仅为碳钢的三分之一(一般在0.04~0.16s)[5]。这种独特的大电流、短通电时间的焊接规范对焊接电源提出了较高的要求。与普通的低碳钢点焊相比,要求通电时间应准确,通电时不允许瞬态电流,要使用同步时间继电器,同时还要求焊机加压系统的随动性好,导向机构的重量应轻,摩擦力要小。另外一个棘手的电源问题就是铝合金焊接时常发生电压降,这是因为采用大电流规范,使得焊机的容量一般较大的缘故,这也是铝合金点焊的特征之一。铝合金点焊一般推荐使用低频或直流焊机,当焊接板厚小于1.2mm的铝合金时,可使用工频交流焊机。对电流的控制一般可分为三种形式:普通通电方式、电流缓升控制方式、电流缓升控制和电流缓降控制,如图1所示。缓升控制可以减少波动,防止飞溅,减少电极的溶粘,而电流缓降控制则可有效防止在焊核内产生气孔及裂纹[6]。TadaYoshihiro等人提出了通过其他加热方式,来取代部分焊核形成必须的热量,从而达到可以减小电流的目的。这项技术采用钛铝粉末混合物作为反应剂,可大幅降低铝合金点焊时的电流,据文献[7]报道,对2mm厚的铝板,在不作任何表面处理的情况下,焊接电流仅为7kA,而拉剪强度则保持较高。这种方法的缺点是操作复杂程度大幅增加。2电极寿命研究点焊工艺由于电极压力、通电时间、焊材表面状况(如清洁度)等参数的变化,非常容易导致电极头产生粘连、墩粗等现象,从而大大降低电极寿命。因此,电极寿命问题一直作为点焊研究的焦点所在,只有很好地解决这个问题,才能在工业化生产中进一步降低点焊的使用成本。应用研究表明:铝合金点焊时的电极磨损问题比点焊镀锌钢板时更严重,其原因是:铝材很容易被氧化(即使在常温下),薄板表面表1低碳钢和铝合金的材料物理性能材料低碳钢铝合金熔点1500660比热Jkg-1-1500900密度Kgm-379802700热导率Wm-1K-116.3220线膨胀系数10-6K-116.623.6电阻率cm732.63弹性模量GPa20671(A)普通通电方式(C)电流缓升控制和电流缓降控制(B)电流缓升控制方式图1铝合金点焊所使用的电流波形不可避免地存在一定的高电阻率的致密氧化膜,在通电初期,有很大的焊接电流通过很小的导电面,高电流密度产生过热,而铝合金本身的熔点又低(约为900K),使铜和铝合金局部熔化,导致电极溶粘。Ford汽车公司研究人员K.S.Yeung等人[8]通过有限元分析方法和热传导分析技术,建立电极头的热学参数模型,以预测电极头与铝板接触面上的瞬时温度分布,为铝合金点焊的电极设计提供理论依据。在不同冷却条件和不同电极高度条件下的分析结果显示,传导和辐射热损失对电极头温度的影响并没有想象的那样重要,电极头表面最高温度和输

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