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铝合金电阻点焊性能研究

文档作者：郭亚洲张勇倪雷杨如松文档来源：上海汽车集团股份有限公司乘用车公司		点击数：	更新时间： 2024年11月24日
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上一篇：浅谈接触电阻对热电阻温度测量的影响及对策

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铝合金电阻点焊性能研究
郭亚洲张勇倪雷杨如松(上海汽车集团股份有限公司乘用车公司，上海201804)
【摘要】对某牌号铝合金进行电阻点焊试验，通过对比单脉冲和多脉冲条件下对焊接窗口、拉剪力、熔
核直径和电极寿命的影响。结果表明：两种脉冲下，熔核存在气孔和裂纹，多脉冲条件下铝合金焊接窗口宽于单
脉冲，单脉冲焊点拉剪强度普遍高于多脉冲；多脉冲热量输入多于单脉冲，单脉冲条件下的电极寿命优于多
脉冲。
【Abstract】In this paper，the resistance spot welding test of a grade aluminum alloy is carried
out by comparing the effects of single pulse and multi—pulse conditions on the welding window，tensile
shear，nugget diameter and electrode life．The results show that there are pores and cracks in the nuggets
under the two kinds of pulses．The welding window of the aluminum alloy is wider than the single
pulse in the multi—pulse condition，and the tensile and shearing strength of the single pulse welding is
generally higher than that of the muhi—pulse．The electrode life under pulse conditions is better than
multiple pulses．
【关键词】单脉冲多脉冲焊接窗口电极寿命
doi：10．3969／j．issn．1007-4554．2017．10．13
0 引言
随着汽车轻量化的发展，越来越多的铝合金
被逐渐应用到白车身上，目前车身用铝合金一般
以机械连接为主，机械连接为了达到一定强度一
般需要铆钉，成本较高。铝合金表面氧化膜成分
复杂，会导致未焊透、焊缝夹渣、气孔等缺陷；同时
由于铝合金膨胀系数大，焊接时易出现裂纹；高温
下铜铝合金化倾向强烈，电极烧损严重。
电阻点焊是车身结构零件应用最广泛的连接
方法。钢制白车身一般由3 000—6 000个焊点连
接而成。点焊具有效率高成本低的优点，铝合金
收稿日期：2017—07—03
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的电阻点焊技术正成为研究热点之一。
多脉冲在镀锌板上运用较多(其优点包括：增
加熔核直径、减小飞溅裂纹、提高正拉强度、加宽工
艺窗口等)，脉冲模式的对比分析在铝合金电阻点
焊中的相关研究中较少报道。因此，本文从单脉冲
和多脉冲的角度对铝合金电阻点焊进行研究。
1 试验方案及结果
1．1单脉冲和多脉冲下铝合金焊接窗口试验
试验选取某牌号5系铝合金试片(厚度
1．0 mm)进行点焊试验，采用电极选用标准平电极
和中频逆变直流点焊机进行相关焊接试验。电极
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万方数据
尺寸和点焊机如图1所示。
图1 试验用点焊机和电极
焊接压力F=2．5 kN，单脉冲条件下组合通电
时间和电流值，多脉冲条件下固定Impulse=4，
cool time=5 ms，改变Heat time获取目标熔核；分
别获取上限6 mm和下限4 mm熔核。单脉冲和多
脉冲焊接窗口如图2所示。
图2单脉冲和多脉冲条件下铝合金焊接窗口
多脉冲焊接窗口向右平移，多脉冲比单脉冲提
高了电流下限(2 kA)和上限(4 kA)，其电流区间比
后者更宽(2 kA)；在相同的焊接电流下，为获得相
同的熔核，多脉冲的实际通电时间要长于单脉冲。
1．2 单脉冲和多脉冲对拉剪强度的影响
同批实验的焊点，两种不同脉冲下分别选取
熔核直径为4 mm、5 mm和6 mm的各3组试样进
行拉剪试验，拉剪强度变化趋势如图3所示。
从图中可以看出，剪强度对通电时间变化均
呈现先增后减的趋势，但多脉冲强度变化趋势较
为平缓，不同焊点之间的强度波动弱于单脉冲；单
脉冲焊点仅在d=4 mm时拉伸强度小于多脉冲，
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图3相同熔核直径下单脉冲和多脉冲焊点拉剪强度
其余各试验点强度均大于多脉冲。按拟合曲线，
单脉冲拉剪强度的最大值对应的熔核直径d=
5．57 mm，多脉冲拉剪强度最大值对应的熔核直径
d=5．26 mm，且单脉冲最大拉剪强度大于多脉冲
的。两种电流模式下熔核直径均随通电时间的延
长而变大，如图4所示。
图4单脉冲和多脉冲熔核直径随焊接时间变化
1．3 单脉冲和多脉冲对熔核金相影响
选取熔核直径为5 mm的焊点进行金相试验，
得到单脉冲和多脉冲条件下焊点熔核金相，如图5
所示。
从图中可以看出，两种电流模式对熔核正负
极熔深影响差别不大。单脉冲由于焊接时间比多
脉冲要短，液态熔核流动混合不如多脉冲充分，冷
却后的气孔要多于多脉冲。但同时由于多脉冲焊
接时铝板受热时间较长，在相同电极压力作用下，
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万方数据
图5单脉冲(左)和多脉冲(右)熔核金相
其变形程度大于单脉冲焊件，从而呈现出多脉冲
焊件的减薄率更大的特点。单脉冲与多脉冲的熔
核金相组织成分相似：熔核中心主要为等轴晶，随
着向塑性环的接近等轴晶成分减少柱状晶比例增
加，如图6所示。皇一|
图6熔核金相组织
在熔核直径为5 mm时，单脉冲、多脉冲在裂纹
数目上接近多脉冲的裂纹长度普遍要比单脉冲长，
特别是裂纹长度在500～700岬之间的裂纹单脉
冲仅有2条，多脉冲多达18条，如图7所示。
1．4单脉冲和多脉冲对电极寿命的影响
焊点变化规律基本一致，如图8所示。在开
始阶段焊点熔核值直径稳定在5 m／l／，超过一定焊
点数后熔核直径开始明显增大，达到上限6 mm附
近后维持数个焊点后大幅波动，焊点直径逐渐下
降直至某一焊点直径突降至4 mm以下达到电极
寿命。实际试验中单脉冲焊接第20点第一次发
生飞溅，第24点开始连续飞溅，焊点表面出现气
孔、裂纹、粘连，第69点熔核直径3．89 mm<
4 mm，判定单脉冲点焊电极寿命为23点。多脉冲
第15点第一次发生飞溅，第20点开始连续飞溅，
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图7 单脉冲和多脉冲熔核裂纹数量和长度
焊点表面出现气孔、裂纹、粘连，第35点熔核粉
碎，直径3．88 mm<4 mm，判定多脉冲点焊电极寿
命为19点。两种电流模式下的电极寿命差异可
从焊接过程中的热量输入来考虑。M039010Wave
焊接监控仪以1 ms一次的频率对焊接电流值与正
负电极之间的瞬时电阻值采样并记录，利用以下
公式近似计算单个焊点消耗的热量
Q-㈦Z12(ti)‘R(t。)‘￡(1)
式中：n为实际通电时长；，(ti)为t。时刻的电流
值；R(ti)为ti时刻的电阻值；At=1 ms。计算得
到单脉冲产热约737 J，多脉冲产热约1 065 J，多
脉冲完成一个焊点所需热量约为单脉冲的1．45
倍，这意味着多脉冲焊接时电极端面将承受更多
热量，故而电极寿命较短。
图8单脉冲和多脉冲电极寿命
(下转第62页)
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4 结语
本文对比分析了某车型在50MDB试验中
WorldSID假人和ES2假人的伤害情况，并从碰撞
过程和假人物理结构方面对两者的伤害差异进行
了分析。
两者的胸部、腹部及骨盆等部位，在形状、尺
寸和结构等方面存在明显差异，造成假人对外部
响应的不同，因此针对不同假人的约束系统优化
策略应变化，在针对WorldSID假人进行伤害值优
化时，应重点关注SAB形状、压力、假人手臂位置、
假人不同部位的物理结构等。
假人伤害与车身结构、内饰造型、假人布置、
约束系统设计等多因素相关，系统优化时应结合
实际试验进行具体分析。本文可为2018版C—
NCAP侧面试验WoddSID假人的伤害优化提供
参考。
参考文献
[1]刘磊，朱海涛，李充等．WorldSID 50百分位男性假人研
究[J]．天津科技，2014(8)．
[2]1wata，K．，Tatsu，K．，Saeki，H．et a1．Comparison of
Dummy Kinematics and Injury Response between WorldSID and ES-2
in Side Impact[J]．SAE Int．J．Trans．Safety，2013，1(1)．
[3]De Odriozola，M．，¨∞ro，I．，Ferrer，A．Comparative
Study between the WorldSID and the EuroSID II in Static Impact Tests
[J]．SAE Technical Paper，2015—26—0241．
[4]杜亮，张绍卫．针对2018版c—NCAP侧面碰撞的假人
伤害分析[J]．上海汽车，2017(2)．
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(上接第56页)
2 结语
(1)相比单脉冲，多脉冲具有更宽的电流窗
口，电流上下限均有提高；为获得相同直径熔核，
多脉冲实际通电时间更长，能耗更大；
(2)单脉冲焊点强度总体高于多脉冲焊点
强度；
(3)单脉冲裂纹长度普遍小于多脉冲，裂纹数
目并无显著差异；
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(4)单脉冲电极寿命长于多脉冲。
对于该铝合金，建议采用单脉冲模式+CrZr-
Cu电极，可获得较为合适的熔核直径、拉剪强度并
保证较好的电极寿命。
参考文献
[1] 吴松，王敏，程轩挺等．铝合金电阻点焊研究现状及工
业应用[J]．电焊机，2013，13(9)：10一16．
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