论文电阻点焊工艺参数分布研究

论文电阻点焊工艺参数分布研究内容摘要：

都提出更高地要求。 中频技术的经济性体现在提供对称的电网负载，因而降低了电网成本。 优化功率参数，节省能源消耗。 由于缩短了焊接时间和降低了电流负荷，因而提高了电极使用寿命。 对负荷不大的中频焊机，采用空冷，可以降低对循环水系统的投入。 同时采用中频焊机加大喉深不会引起次级电路的功率损失。 因此中频焊机应是未来电阻焊机的发展方向。 4）电阻点焊的发展趋势 电阻点焊是一 个高度非线性、多变量耦合作用和存在大量随机不确定因素的过程，而且形核处于封闭状态且无法观测，质量信息的提取难度也非常大。 影响电阻点焊质量的因素很多，包括接头设计、材料性能、工艺方法选择、电阻焊设备的可靠性与稳定性，甚至还包括焊工操作水平和生产环境，这些因素都使得焊接过程复杂程度增加，使质量控制变得非常困难。 而且随着电阻点焊应用领域的不断扩展和深入，对焊接质量也提出了越来越高的要求。 在早期的点焊实时控制研究中，工作重点主要是寻找能够反映熔核形成的参量作为质量控制的被控制量 [13]。 这些方法虽有优点，但也在不同 程度上存在局限性，难以获得满意的控制效果。 原来的经典过程控制手段难以获得满意的焊接质量，点焊过程控制己由宏观向微观、由简单控制向智能控制发展 [14]。 低碳钢在工业中的作用 本课题研究低碳钢的焊接参数分布，低碳钢一般轧成角钢、槽钢、工字钢、钢管、钢带及钢板，用于制作各种建筑构件、容器、箱体、炉体和农用机具等。 优质低碳钢轧成薄板，制作汽车驾驶室、发动机罩等深冲制品；制成棒材，用于制作强度要求不高的机械零件。 镀锌钢在工业中的作用 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、 ZnNi合金镀层板、 ZnFe 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。 镀锌钢有良好的耐腐 蚀性， 汽车在行驶过程中受到大气、水 (包括酸雨 )的腐蚀。 各国都对汽车的耐腐蚀性能提出了严格的要求。 其中美国、日本都提出了耐表面腐蚀 5年，耐穿孔腐蚀 10年。 但是传统的冷轧钢板已不能满足这方面的需求。 根据锌和铁的电化学特征，人们认识到镀锌层可以阻止钢铁的腐蚀，同时锌腐蚀后在金属表面形成致密的ZnO、 Zn(OH) 2和 ZnCO3[15]又可以使自身腐蚀速度减慢，即使在油漆层受到破损的情况下也能保持较好的耐腐蚀性。 为了提高汽车的耐腐蚀性及使用寿命，国内外都在不断推广应用镀锌钢板 [16]。 随着汽车工业引进技术的不断消化 ，国内镀锌钢板在车身板材上的应用也日见广泛。 以引进技术的北京吉普生产的切诺基为例，整车车身需钢板 公斤，其中镀锌钢板 ，占总用量的 70%。 国内自主开发的中华牌轿车，镀锌钢板的应用也超过了 80%。 总的来说镀锌钢板在车身上，尤其在轿车车身上用量应占汽车冷轧薄板的 70%左右。 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 [17]或通过对电极的低温处理等措施提高电极的使用寿命 [18]。 在国外，热镀锌板己经普遍向镀锌 铝板和热镀 .锌板发展 HDG[19]。 70 年代开始欧美各国开始在车身上采用镀锌钢板 [20]，此后镀锌钢板在汽车行业应用的比例不断增长。 1998 年，美国用于汽车制造业的镀锌钢板达到 240 万吨，占镀锌板总量的 30%。 欧洲汽车工业 1987 年消耗镀锌板 130 万吨，占镀锌板总消耗量的 26%。 日本早在 1980 年消耗的镀锌板总量就高达 140 万吨 [21]。 镀锌钢板的镀锌工艺方法有热浸锌、电镀、热喷镀、真空蒸发镀、机械滚镀等。 目前汽车行业中常用的镀锌钢板大致分为热浸镀锌钢板、电镀锌钢板及热喷涂锌钢板。 虽然近几十年来电镀锌得到 长足的发展，但由于热镀锌板镀层厚，耐蚀性强、成本低，因此汽车车身在镀锌板中以热镀锌为主。 其中热镀锌占全部镀锌量的 90%以上 [15]。 主要热镀锌工艺方法有惠林法、赛拉丝法、森吉米尔法等。 热镀锌法是将低碳钢底部浸入熔化锌中，从锌槽中取出后，再用轧辊压延以调整镀锌层厚度。 森氏镀锌法是将母材表面在还原气氛中进行活性化处理的同时加以退火，然后再浸入加在少量铝的锌溶液中使之镀锌。 其中锌液中除了残留的错配元素，还包含故意添加的铝、铅及锑。 添加铝的主要目的是控制锌锅中氧化皮的形成和锌铁 (ZnFe)金属间化合物的形成对锌膜的 粘滞力产生不良的影响。 有时添加铅及锑来控制锌结晶花尺寸以及提高可润湿性。 这种方法对合金层的扩展能较好的抑制，压延性良好。 库克 .诺德曼法是一种采用水溶性溶剂的干式连续镀锌法。 用这种镀锌方法得到的锌铁合金层厚度也是不 同的。 本课题的 研究意义 电阻焊作为一种高效、廉价且机械化和自动化程度较高的连接技术，在汽车工业中得到了广泛的应用。 无论是在汽车车身组装中，还是汽车零部件的生产中，电阻焊工艺都占据了相当重要且相当比例的地数量位。 其发展方向及特点主要体现在以下几方面： 1） 由于生产技术更新加快，车型变化加快 ，要求车身生产线的自动化和柔性化程度提高。 2） 为了适应汽车的小型化和轻量化发展及提高汽车的耐腐蚀能力，汽车用材料将发生很大的变化，目前已有许多车型的汽车车身部分或全部采用镀锌钢板替代了冷轧钢板，并将应用更多的中强钢高强钢。 此外，一些发达国家正在研制全铝车身的轿车。 3） 随着汽车产量的不断上升，生产节奏加快，对生产质量控制和检验提出了更高的要求。 汽车车身焊装包括车身底板、车架、车顶、车门及车身总成等部分的焊接，在它的焊装过程中，大量采用电阻点焊工艺。 据统计，每一辆汽车车身上，约有 3000～ 4000个电阻点 焊焊点。 电阻焊是车身装配时的主要工艺手段，在车身底板、侧围、车架、车顶、车门及车身总成等部分的焊装中，大量采用电阻点焊工艺。 据统计，每一辆轿车车身上，约有 4000—6000个电阻点焊焊点，例如：上海大众 “帕萨特 ”白车身装配中，每辆车的总焊点数达到 5892点。 因此，提高点焊质量对保证车身装配质量，控制车体误差有着深远的意义 [22]。 本课题的研究对象是低碳钢和镀锌钢点焊参数的分布，而低碳钢和镀锌钢在工业中有着广泛地作用，所以研究这 2种材焊接参数分布，对电阻点焊有一个更全面的了解，对以后在工厂工作有着重要的指导 作用。 本课题的研究内容 本课题研究的内容主要有以下方面： 1） 对低碳钢板进行点焊实验，通过调节参数，得到最佳适焊区间。 2） 对镀锌钢进行点焊实验，通过调节参数，得到最佳适焊区间。 3） 通过对焊接过程中的飞溅、熔核进行分析，画出焊接电流与焊接时间的关系曲线，分析各个焊接参数对焊接质量的影响，研究各种参数和材料对适焊区间的影响。 4） 通过分析焊接过程中得到的不当工艺参数，例如飞溅过早，焊接质量较差，研究各个不当因素对焊接质量的影响。 2 低碳钢板与镀锌钢板电阻点焊工艺分析 低碳钢板点焊工艺 特点 点焊低碳钢有良好的焊接性能，低碳钢的电阻率适中，需要的焊机功率不大； 低碳钢在大气中的抗腐蚀能力较低。 因之，这些金属在运输、存放和加工过程中常常用抗蚀油保护。 如果涂油表面未被车间的赃物或其它不良导电材料所污染，在电极的压力下，油膜很容易被挤开，不会影响接头质量； 塑性温度区宽，易于获得所需的塑性变形而不必使用很大的电极压力。 碳与微量元素含量低，无高熔点氧化物，结晶温度区间窄、高温强度低、热膨胀系数小、因而开裂倾向小。 这类钢具有良好的焊接性，其焊接电流、电极压力和通电时间等工艺参数具有较大的调节范围 [34]。 由于低碳钢含碳量低，锰、硅含量也少，所以，通常情况下不会因焊接而产生严重硬化组织或淬火组织。 低碳钢焊后的接头塑性和冲击韧度良好，焊接时，一般不需预热、控制层间温度和后热，焊后也不必采用热处理改善组织，整个焊接过程不必采取特殊的工艺措施，焊接性优良。 焊接质量的好坏一个取决于材料，另一个取决于焊接参数的设置，由此可以看出低碳钢的焊接质量因为其焊接性的良好，主要取决于焊接参数的正确设置。 总之，低碳钢是属于焊接性最好、最容易焊接的钢种，所有焊接方法都能适用于低碳钢的焊接。 镀锌钢板点焊工艺特点 1） 接触电阻小。 由于镀锌层的存在，点焊开始时，焊件之间实际上是锌与锌的接触，由于锌的硬度低，电阻率低，故点焊开始时焊件与焊件接触面上的接触电阻很小，不利于熔核的形成。 2） 焊接电流密度小，由于镀锌层的熔点低，焊接过程中，焊件间的镀锌层熔化后挤出塑性环，增大了焊件与焊件的接触面，使焊接电流密度减小，电流场的分布不稳定，影响熔核的形成与大小。 3） 易出现裂纹、气孔或软化组织。 在镀锌钢板点焊过程中，由于焊接规范不合理，使接头中残留部分锌及锌铁合金，在熔核结晶过程中，可能形成细小裂纹或气孔，残留锌较多时还会形成软化组织。 4） 焊件与电极易沾污或形成合金，电极寿命短。 焊接时，电极与焊件接触面上的锌层熔化后，与电极工作面粘结，锌原子向电极扩散，电极表面形成锌铜合金，使其导电、导热性能变差，表面硬度下降，同时也易使焊件表面镀层遭到破坏。 连续点焊时，电极头将迅速过热而变形，焊点强度逐渐降低，电极使用寿命将缩短。 低碳钢板与镀锌钢板的点焊工艺对比 低碳钢由于焊接性能良好，现通过分析镀锌钢的焊接工艺与之比较，镀锌钢板电阻点焊工艺主要有两大问题： 1） 焊接规范很窄 对无镀层钢板，在点焊接头的形成过程的通电加热阶段，在焊接压力的 作用下金属产生塑性变形并挤向板缝，这一塑性变形有助于形成密封熔核的环带，同时也导致板缝发生翘离，从而限制了导电通路的扩大，这有利于保持足够的电流密度。 继续加热后，开始出现液态熔核，并逐渐扩大到所需的熔核尺寸。 断电后进入冷却结晶阶段。 而对于镀锌钢板的熔核形成过程，在预压阶段，锌层的熔点低、硬度小、塑性好，在点焊压紧时就很容易使电极端面与板之间，板与板之间的实际接触面积比普通钢板大，板间的压紧程度紧密。 通电时，因为接触面积大，其电流密度比在相同工艺条件下的一般钢板大为减少。 当通电加热时，由于锌的熔点较低 (约 420℃ )，锌将先于钢板熔化，堆附于电极端面边缘及板的间隙内。 当电流继续加热时，锌层熔化区域增大，与此同时产生熔核，并在电流边缘效应的作用下，产生熔核的塑性环，将板间部分的锌包围于熔核内。 有的残留液态锌可以分布在电极端面周围部位或板间熔核周围，形成锌环。 由于锌环的分流作用，使点焊时需更大的焊接电流，以及适当增加压力和通电时间。 同时压力、电流、时间等焊接参数又受到镀层厚度的影响，因此如何结合工厂实际，选取合适的工艺参数是值得研究。 2） 电极消耗快 电阻点焊在汽车、航空和家电装配中的应用中也在日益增加，而镀锌钢板和 铝合金的越来越多的应用是上述行业的发展趋势。 电阻点焊镀锌钢板和铝合金存在主要问题是点焊电极的失效 [2325]。 电极是点焊中的易耗零件，电极头的温度上升很快，达到了稍低于焊点熔核的高温，使电极头部在高温及压力作用下失效。 热浸镀锌钢板与电镀锌钢板相比，有一种独特的闪灿花纹，而且热浸镀锌钢板因镀层厚，要增加电极的修整次数，比电镀锌钢板来说电极损耗更严重，电极寿命更短 [26]。 对于点焊热浸镀锌钢板与电镀锌钢板，在其它条件不变的情况下，点焊镀锌钢板的电极寿命是热浸镀锌钢板的电极寿命的 5倍 [27]。 点焊电极，尤其是在 焊接镀锌钢板时，由于镀锌层的存在，镀锌钢板的接触电阻只有普通钢板的 1/10一 1/20[28]。 同时由于锌环的存在，使电流密度变小。 因此镀锌板的焊接和普通低碳钢相比焊接电流增加 30%，电极压力增加 10%一30%，焊接时间不变或减少 20%。 由于电极压力和电流的增大使电极端部变形严重。 在电极的端部，由于热和压力的联合作用，锌粘附在电极的表面形成合金化，使电极端部的硬度下降，电阻增大，又进一步加快了电极的磨损和变形。 分析电极材料失效的原因有塑性变形、磨损、合金化、坑蚀 (Pitting)、再结晶、热疲劳和粘附等。 总 的来说，上述失效形式都是由高温和压力联合作用引起的 [29]。 另外电极失效会使电极工作部分必须经常的挫修或用切削工具加工，此时电极的一部分金属被除去，即电极被磨损。 电极失效会带来一系列的焊接缺陷：焊点不致密或未焊合、焊点形状不规则、工件表面有不允许的压痕、烧损或斑渍、表面熔化、电极在工作表面溶敷等等 [4]。 提高镀锌钢板点焊质量的途径 1） 不镀锌与镀锌低碳钢 选择并严格控制焊接工艺参数。 镀锌钢板点焊质量的评估是指单个焊点的强度，耐腐蚀性的高低，更重要的是指在大生产条件下焊点的合格率。 在实际生产中影响焊接 质量的因素相当多，例如网路电压的波动、分流、电极的磨损，以及装配质量等。 由于镀锌钢板焊接参数的范围本来就小，更需要严格控制，在板厚变化时还需要进行调整。 2） 采用合理的电极材料、电极形状和尺寸，并及时修整或更换电极，电极良好的冷却对保证焊接质量是很重要的。 3） 采用多脉冲或 Slope电流方法来焊接镀锌钢板。 一种是增加预热和后热电流，另一种是增加缓升和缓降电流。 通过用高速摄影拍摄焊核的形成过程，研究了改变电流的作用， 认为： ； ； 的电流改变有助于约束熔核，防止飞。