钢的点焊焊接过程稳定性研究

王富一

（东北大学，辽宁 沈阳 110167）

1 钢的点焊焊接的研究背景和意义

在进入21世纪后，随着全球化的到来，我国经济进入高速发展的时期，并且我国的工业发展进入现代化时期，不论是产量还是工业技术都走在世界前列。其中，在工业投产中钢的使用非常频繁，比如在汽车的车身生产中，钢的点焊焊接必不可少。随着汽车市场态势的发展越来越好，汽车的工艺技术也在不断向前发展。而其中，钢的焊接技术是一个值得我们研究的课题。一般来说，因为不同种类的金属属性不同，在热力学、冶金学与机械性方面都有着不同程度的差异，所以金属的点焊焊接有一定难度，按照连接的原理可以分为机械、胶结与热力学等不同连接方法。首先，机械法是通过物理方式来焊接金属材料的，一般来说，较常用的有钻孔螺钉、自冲铆等方法；而胶结法则是利用浓度高的化学剂对不同的金属材料进行连接；热力学顾名思义以各种手段来释放出大量的热，从而让零件的表面在热量下融化掉，在焊接的过程中，点焊的金属会在高温下化为金属化合物，从而完成钢的点焊连接。在金属材料领域，一般比较多见的热力学焊接种类有电弧焊、高能粒子束焊、电阻点焊等等。在钢的焊接方式上，应该以提高工作效率、降低接头变形机率与减少钢材料的焊接成本为准。不同的焊接方式原理不同，在各种不同的焊接方式中电阻点焊在现实生产中最为被广泛应用，因其效率高但成本低，而且同时具有稳定性与灵活性，所以在汽车的结构材料工业生产中较常被使用。

虽然目前已经有不少学者与相关领域的专家对钢的点焊焊接做了专项研究，可是，在钢材料的点焊焊接上的相关文献中，关于其稳定性的研究有所欠缺。在钢的点焊焊接环节中，影响其稳定性的原因：装配误差应该是在焊接工件间的实际间隙所造成的，因为装配误差造成工件和电极两者的夹角并非90°，或者是电流不稳定的情况下，造成了电极的磨损从而让电极头的长短不一致。当使用多环形电极来点焊时情况却大不相同，经证实在焊接完成后其稳定性确实有所提高。本文对钢的焊接过程稳定性进行了研究，对以后相关学者的科研研究起到一定的积极作用；对于工程师在实际生产中面对的扰动因素有所了解，能够掌握钢的点焊焊接的主要影响机理，在钢材工业化生产工作中提高效率和焊接的作业质量。

2 对焊接接头的影响规律

2.1 电极磨损对产生的焊接飞溅的影响

在进行钢的点焊焊接时，如果压力没有达到一定数值，那么材料熔核周围的塑性环就不能把融化的钢材料完整的包裹进其中，在这样的情景下就会发生焊接飞溅的情景，因为压力值太小导致熔融钢以很快的速度飞溅出去离开熔池，接着在进行焊接的钢板上的塑性环外围逐渐凝固。焊接过程中接头的飞溅实际上分成三种：即无飞溅、轻度飞溅和飞溅。无飞溅也就是说压力处于一定数值时，熔融的钢材料被限制于塑性环里，在这个过程中并无熔融钢材料脱离出去（见图1-1）；而轻度飞溅则是说少部分脱离出去离开了熔核，并且在钢板上逐渐凝固（见图1-2）；飞溅是有许多熔融钢脱离熔核，在钢板上直接凝固（见图1-3）。

图1 焊接飞溅

一般意义上来说，钢的点焊焊接时尽量不要有飞溅情况出现。熔化的钢材料飞溅会造成钢板变薄，而且它将对焊接接头的力学性能产生影响。

2.2 电极倾角对接头形貌的影响规律

在关于钢的点焊焊接实验时，因为拥有相对精准的实验条件前提下，点焊实验可以控制点焊的电极与板材两者间维持精准的90°，即垂直关系。然而，在生产实践的时候，因为被焊接工件之间的尺寸有所不同与装配产生的误差原因，焊接的电极与板材间通常没有构成精准的90°（垂直）。在相关研究中，如果电极与板材两者间的角度如果偏离90°，把这种情况下的扰动因素叫做电极倾角。通过特定的夹具，在一定的钢材点焊焊接条件下，板材和电极间设置成不同角度，即0、30°与60°，从而在这个过程中去分析电极之间的倾角对于焊接过程中与接头形貌的影响规律。

2.3 电极倾角对焊接过程中飞溅的影响

电极倾角对焊接飞溅的影响见图2，在点焊焊接时，板材与电极间的角度不是90°，那么说明板材与电极并非垂直，就会造成电极和板材之间的接触面积大大减少，板材与钢板两者的接触面变大。另一方面，不是90°角度的板材与电极的电极倾角将造成点焊过程中板材电流密度的不对称情况发生。不对称分布的电流密度会对焊接造成一定影响，比如让钢材料的接头变成不对称的熔核。这样一来，不对称的熔核生长方式会让塑性环不能整个包裹住熔融的钢，就会导致高频率、程度更大的飞溅情况。

图2 电极倾角对点焊飞溅的影响

3 扰动因素对点焊接头力学性能影响的机理

3.1 单变量扰动因素对接头力学性能影响的机理

电流的扰动也会对钢的点焊焊接接头力学性能产生重要影响，而且它的影响机理与点焊时电流的作用机理是相同的。在电流扰动使让焊接的电流变大时，焊接点接头力学性能会在500 A上下幅度内加大。在电流扰动让焊接电流变大时，增加的焊接电流相应的使热输入增多。电流扰动虽然能让焊接电流变大，可是其增加的数值并不大，单单仅有500 A。在数值变化后，更多的热输入使铝板的变形与薄度变小的情况加大，这样更多的焊接根角随之产生。金属的焊接根角与接头力学性能有密不可分的联系，简单地说，焊接根角数值如果变大，那么拉伸能力也会较好。热输入变得更大不单单会提高焊接根角数值，同时会让高温作用下的面积增多，虽然板材的熔融区变大使点焊接头拥有较大的熔核，熔核也对焊接接头的各方面性能有很大程度的优化作用。而且，更多的热输入可以快速分解钢的表面的氧化层，在化学原理上破碎为直径更小的颗粒，破碎的氧化层颗粒由于体积小能够均匀分散于熔核里，从而防止大面积大氧化层聚集产生显著缺陷，充分考虑接头的力学性能。

3.2 双变量复合作用机理分析

在板材间隙是点焊时需要重点注意的问题之一，其和电极倾角产生复合作用之后，点焊接头的形变规律会发生不同变化，且走势较为复杂。如图3所示，引入板材间隙可以让焊接根角变大，而引入后可以影响到焊接根角，在加上板材间隙与电极倾角以后，接头的根角会变小。也就是说，板材间隙与电极倾角同时对焊接根角发生作用时，后者影响力明显较大，所以，前者对拉伸性能的强化作用也就没有了，双变量复合作用下电极倾角的负作用仍旧发挥影响，钢的点焊接头拉伸能力下降。另一方面，它们都可以减少钢的电焊接头熔核直径，直径变小后虽然能够减少接头的撕裂可能性，但是对拉伸能力与其他方面比如能量吸收也产生重要影响。所以，双变量大作用机理下可以大大减少焊接接头的撕裂可能性。

图3 板材间隙变化时板材变形状况

4 结论

根据本文的研究分析，针对实际的工业生产中扰动因素的控制，提出了以下几条结论：

1）实际生产中，保持焊接电流稳定十分重要。当电流扰动使电流过大，会产生更多更严重的飞溅，影响点焊接头的力学性能;当电流扰动使电流过小，则会导致热输入不够，导致熔核偏小，氧化层缺陷增多，焊接根角偏小。

2）实际生产过程中，应尽量避免电极倾角的出现。电极倾角的出现将使获得的焊接接头力学性能变差。

3）实际生产过程中，严禁板材间隙和焊接根角同时出现。当这两个干扰因素同时出现时，对点焊接头的性能有着致命影响。