电阻焊机理及工艺研究进展

文/王敏

在电阻焊基础及应用研究领域的第1项国家自然科学基金是1993年获批的由吉林大学承担的“点焊熔核形成机理及最佳质量控制研究”项目，此后，围绕着电阻点焊熔核形成机理、质量控制、新材料及异种材料点焊机理、点焊电极表面处理以及电阻焊复合焊接等方面开展了一系列基础及应用基础研究，据不完全统计，在1994~2015年我国焊接工作者在电阻焊机理及工艺研究方面获批的国家自然科学基金资助项目有却多项。此外，在电阻焊工艺和机理研究方面，我国的研究人员通过总结和提升，出版和发表了一系列的专著和教材。

一、电阻焊新工艺

1、点焊熔核孕育处理

吉林大学在国家自然科学基金和美国GM基金资助下开展了“点焊熔核孕育处理理论与方法”的研究，获得了全部凝固组织为等轴晶的点焊溶核，使全部为柱状的点焊熔核贴合面处出现等轴晶区，扩大熔核等轴晶区，缩小熔核柱状晶区，使凝固组织晶粒显著细化。研究结果表明，孕育处理可显著提高点焊接头力学性能，尤其是疲劳强度。这就为点焊质量监控技术开辟了一条新路，从“质”的方面根本改善了点焊接头质量。

2、中频逆变电阻焊技术

从20世纪90年代开始，我国焊接工作者就开始研制电阻焊逆变电源，但由于功率器件性能限制，逆变电阻焊技术一直未得到推广应用。进入21世纪后，随着电力电子技术的发展，逆变电阻技术逐渐趋于成熟并得到推广应用，特别是近年来由于我国汽车制造业的飞速发展，逆变电阻焊以其变压器体积小、控制精度高且焊接电流稳定、节能高效等优点有机器人轿车焊装生产线上得到了广泛的应用，研究工作者也通过试验研究证明：该项技术在镀锌钢板、高强度钢、铝合金以及异种金属或多层板焊接中具有明显的优势。

3、电阻复合焊接技术

随着有色金属及轻质材料的工业应用越来越广，用传统单一的电阻焊方法难以满足产品的连接质量要求，我国焊接工作者又开始探索将另一种焊接方法与电阻焊结合的复合焊接技术，如由吉林大学提出的“激光束-电阻缝焊”复合焊接方法，研究表明: 该方法用于铝合金焊接时，比单一激光焊方法表面成形更好，焊缝组织更细，接头熔深和强度更高; 华南理工学提出了一种针对有色金属焊接的“超声-电阻”复合焊接技术，利用机械能和电能结合的方法，提高焊接热量，解决了导电、导热性极好的铜片焊接; 哈尔滨工业大学、上海交通大学及天津大学先后开展了在电阻点焊过程中，外加永磁体磁场，以改善低合金高强度钢、双相钢及铝合金点焊熔核尺寸、微观组织及接头性能的研究。

二、新型工业材料电阻焊机理及工艺

随着航空航天技术和汽车轻量化工程的发展，新型的高强度、轻质材料的电阻焊技术己为新材料推广应用及产品可靠性的关键，因此，系统研究工业所需的高强度及超高强度钢、铝合金、镜合金等新材料的电阻焊焊接性及接头形成机理已成为各国焊接工作者的工作重点之一，我国焊接工作者在近却年左右，对新型工业材料的电阻焊工艺和机理开展了较为深入的研究。

1、高强度及超高强度钢的电阻点焊

上海交通大学、北京工业大学等单位相关学者对汽车用双相钢、TRIP钢、超高强度热成形钢板，以及低碳钢与高强度钢异种材料的电阻点焊机理研究及工艺优化开展了较系统的研究，研究中采用接头显微组织表征、力学性能测试与数值模拟相结合的方法，分析点焊接头形成机理，特别是软化区形成机理等，并提出了相应的焊接工艺优化方案。

上海交通大学对高强度双相钢DP 590电阻点焊接头形成机理，以及母材化学成分和电阻焊工艺等对接头韧度的影响机理进行了深入的探讨，研究表明: 母材碳含量越高， 接头抗拉强度及韧度越差，其主要机理是，在电阻点焊不平衡的急速冷却条件下，随着母材碳含量的增加，在点焊熔核及熔合区形成了板条状或片状的孪晶马氏体亚结构，从而降低了接头的韧反; 同时，通过采用带回火脉冲的双脉冲工艺，使熔核中马氏体板条中形成针状铁素体，提高了接头的韧度; 此外，通过对超高强度热成形钢B1500HS电阻点焊温度场分布、接头硬度微观组织分布的研究发现:该材料点焊接头热影响区接近母材处存在明显的软化区，该区域残存了大量铁素体、贝氏体组织以及碳化物，硬度低，出现明显软化，软化区是造成接头抗拉强度显著降低的主要原因。

2、铝合金、镁合金电阻点焊

由于铝合金本身电阻率低、导热性好的物理特性以及与铜电极易形成铝-铜合金等特点决定，其电阻点焊存在着熔核直径及熔深较小、容易形成气孔、裂纹等焊接缺陷、电极寿命短等难点，近年来，国内天津大学、吉林大学、上海交通大学等就铝合金的电阻焊接性及工艺优化、铝合金点焊形核过程的高速摄影观察和声发射检测、铝合金点焊电极延寿技术，以及铝合金焊接接头裂纹产生机理及抑制措施等方面做了大量的研究工作，包括采用电极板辅助点焊进行了H220YD高强度钢与6008-T66铝合金异种金属的连接；通过数值模拟与试验结合的方式，揭示了钢/铝电阻点焊的非对称温度场分布特点及由此产生的溶核偏移和双熔核特征等方面的研究，均取得了一定的成果。

镁合金的电阻点焊工艺及机理研究国内刚刚启动，由于镁合金热胀系数大，表面易形成氧化物、易与铜电极形成合金等特点，给电阻焊带来较大的难度，焊后会产生大变形、电极寿命短等。国内哈尔滨工业大学、北京航空制造研究所等单位就镁合金电阻点焊接头组织控制、喷溅及裂纹缺陷控制等开展了相关的研究工作。

3、电阻焊过程数值模拟

电阻点焊数值模拟也是近年来国内学者研究的热点。1995年，哈尔滨工业大学用有限元方法模拟了低碳钢点焊过程的热膨胀变形，分析了热膨胀对电极的作用和各种机械约束对热膨胀行为的影响。2000年，吉林工业大学建立了三维有限差分模型用于分析异质材料点焊的热电耦合行为，首次提出了利用传热学理论研究电阻点焊熔核形成过程中传热和传质过程，确立了异质材料点焊熔核形成过程中电磁场、热场、流场和浓度场的控制方程。2000年吉林大学在充分考虑接触电阻、液态熔核温度、相变潜热等因素对点焊温度场影响的条件下，建立了65Mn弹簧钢点焊熔核温度场的有限元模型，利用该模型可以系统地研究弹簧钢的点焊热过程，为正确选择点焊焊接参数提供了理论依据，并可进一步实现弹簧钢点焊接头组织及性能的数值预测。2005~2012年，上海交通大学分别用ANSYS和SORPAS软件对镀钵钢板、高强度双相钢板及热成形板电阻点焊动态过程的计算机模拟做了较多的工作，建立了相应材料的电阻点焊热电分析模型，通过数值模拟定量揭示了点焊熔核产生及长大、焊接热输人对熔核形成的影响，进而预测了典型点焊规范参数下的熔核尺寸，并通过试验验证了所建模型和计算结果的可靠性。2013年，华中科技大学等考虑相变对线胀系数的影响，采用ANSYS建立了考虑相变影响的电阻点焊二维轴对称有限元数值分析模型，研究了DP 600电阻点焊应力场及工件焊接变形。