多層鍍鋁鋼板點焊工藝參數確定方法與流程

本發(fā)明涉及多層鍍鋁鋼板的電阻點焊技術領域，具體涉及多層鍍鋁鋼板點焊工藝參數確定方法，可用于汽車發(fā)動機隔熱罩三層鍍鋁鋼板電阻點焊等技術領域。

背景技術：

電阻電焊技術應用廣泛，例如，在汽車制造產業(yè)中，汽車車身、表面薄板等零部件上，點焊焊接占據總焊接數95％以上。其中，鍍層鋼板(如：鍍鋅鋼板、鍍鋁鋼板)，因其具有良好的抗腐蝕性，在汽車產業(yè)中被不斷推廣使用，如汽車發(fā)動機隔熱罩，因要求其質量輕、抗腐蝕、隔熱效果好，三層鍍鋁鋼板既能滿足車身輕量化又能達到較好的隔熱效果而得到有效應用。

鍍層鋼板其加工工藝多采用電阻點焊工藝。但目前電阻點焊尤其是多層板焊接卻存在以下兩方面的困難：首先是：熔核形成比無鍍層鋼板困難，主要是因為鍍鋁層其熔點低、導電好、易破壞、散熱快等特點，使焊接時鍍鋁層先融化，導電的面積增大；同時融化后的鍍鋁層與銅電極端面粘結，形成導熱性差的新合金，使得點焊接觸電阻變大、通過的電流密度小、熔核直徑不夠以及熔核高度較淺，最終導致產品強度不夠。其次是：三層鋼板點焊相比二層鋼板點焊更容易產生飛濺，主要是因為三層鋼板比二層鋼板，鋼板之間多了一層間隙，該間隙更容易使點焊過程產生飛濺現(xiàn)象，進而導致焊接品質不穩(wěn)定。

例如，選擇點焊工藝焊接電流這一參數時，上述兩個困難還是一對矛盾體，即增大電流更有助熔核的形成，但同時更容易產生飛濺。為此，本發(fā)明研發(fā)在保證產品質量、兼顧兩方面問題平衡基礎上，解決工藝參數的確定。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明主要針對上述采用電阻電焊進行多層板焊接時，熔核形成與飛濺產生相互制約問題，提出多層鍍鋁鋼板點焊工藝參數確定方法。

本發(fā)明的目的至少通過如下技術方案之一實現(xiàn)。

多層鍍鋁鋼板點焊工藝參數確定方法，其包括如下步驟：

(1)選定電極，包括選定電極材料；

(2)以現(xiàn)場電焊經驗初步確定參數進行試做；根據產品材質和板厚，參照現(xiàn)場生產鍍鋁鋼板點焊的工藝參數，初步選定工藝參數，包括焊接電流、焊接時間和電極壓力；

(3)判斷試做結果是否合格，對試做結果通過目視進行外部品質判定，外部

品質不良的現(xiàn)象為焊接過程產生的飛濺程度，同時進行內部品質判定；若不

合格，則重新進行步驟(2)，若合格則進一步進行參數品質穩(wěn)定性試做；

(4)確定出良品工藝參數；

(5)確認良品工藝參數后使用同一電極進行試做直到出現(xiàn)品質不合格，通過試做找到突變產生時對應的電極點數；同時抽檢確認突變前品質穩(wěn)定性，確認電極交換頻度。因為點焊時電極的狀態(tài)變化，會引起焊接過程中動態(tài)電阻的突變，當該電阻突變后，點焊焊點均不合格。

進一步地，步驟(3)中，內部品質判定是通過測定焊點熔核直徑和熔核單側高度進行換算，判定點焊質量；具體是用顯微鏡測定焊點熔核直徑和熔核單側高度，通過熔核直徑(d)和焊透率(A)來判定點焊質量；采用判定方法如下：

(1)焊點熔核直徑規(guī)格標準應滿足如下公式

式中d為熔核直徑，單位為mm；δ為多層板中最薄板厚，單位為mm，薄鋼板δ＜4mm；

(2)焊透率規(guī)格應滿足：20％≤A≤80％，其具體計算公式如下：

式中A為焊透率(％)；H為熔核單側高度，單位為mm；δ為實測板厚，單位為mm。

進一步地，步驟(2)所述外部品質判定標準：通過目視，點焊過程中無明顯焊渣飛濺現(xiàn)象，焊接部無開裂和凹坑。

進一步地，步驟(4)中良品工藝參數的確認方法為：依據焊接品質開始出現(xiàn)不良時，焊接動態(tài)電阻有突變現(xiàn)象，尋找突變產生的臨界點，從而確定良品工藝參數。

進一步地，本發(fā)明還得出了適用于多層鍍鋁鋼板點焊工藝參數，即采用CuCr型電極材料，具體良品工藝參數為：焊接電流7.5kA，焊接時間16周波，電極壓力1.7kN)電極交換點數104點。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點和技術效果：本發(fā)明提供了一種切實可行的多層鍍鋁鋼板點焊工藝參數確定方法，特別是確定了汽車發(fā)動機隔熱罩三層鍍鋁鋼板電阻點焊良品工藝參數，采用電阻點焊產品外部品質(目視)和內部品質的判定標準，以厚度組合為0.5mm×0.5mm×1.0mm型鍍鋁鋼板為研究對象，針對關鍵因素焊接電流，焊接時間對點焊品質的影響規(guī)律進行了實驗研究，并確定了一組三層鍍鋁鋼板的電阻點焊良品工藝參數。在采用CuCr型電極材料的條件下，具體良品工藝參數為：焊接電流(7.5kA)，焊接時間16周波(0.32s)，電極壓力(1.7kN)，電極交換點數(104點)。目前針對三層鍍鋁鋼板點焊工藝方面的研究較少，尤其是實驗方面的數據相對缺乏。因此，本發(fā)明基于現(xiàn)場實際點焊工藝基礎參數，為確定可用于汽車發(fā)動機隔熱罩三層鍍鋁鋼板產品量產的點焊工藝良品參數，針對相應關鍵因素如：焊接電流，焊接時間對點焊品質的影響規(guī)律進行研究。為相關理論分析和數值模擬提供了可靠的基礎實驗數據。

附圖說明

圖1為實例中的汽車發(fā)動機隔熱罩三層鍍鋁鋼板電阻點焊良品工藝參數確定流程示意圖。

圖2為實例中的點焊示意圖。

圖3為內部品質判定時的試樣示意圖。

圖4為實例中電極使用點數與熔核直徑關系圖。

圖5為實例中電極使用點數與焊透率關系圖。

具體實施方式

以下結合附圖和實例對本發(fā)明的具體實施作進一步說明，但本發(fā)明的實施和保護不限于此。

如圖1所示，為車發(fā)動機隔熱罩三層鍍鋁鋼板電阻點焊良品工藝參數確定流程，用于確定材料焊接參數。

其中，步驟③根據產品材質和板厚，參照現(xiàn)場實際生產鍍鋁鋼板點焊的工藝參數，初步選定工藝參數：焊接電流，焊接時間，電極壓力。圖2為三層鍍鋁鋼板點焊示意圖。

步驟④進行品質判斷：通過目視進行外部品質判定，通過檢驗進行內部品質判定。步驟⑥確認良品工藝參數后使用同一電極進行大量試做直到出現(xiàn)品質不合格。因為點焊時電極的狀態(tài)變化，會引起焊接過程中動態(tài)電阻的突變，當該電阻突變后，點焊焊點均不合格。

本實例中，點焊品質判定標準的包括外部品質和內部品質兩個方面，方法如下：

外部品質判定標準：點焊過程中無明顯焊渣飛濺現(xiàn)象，焊接部無開裂和凹坑。

如圖3，內部品質判定標準：用顯微鏡測定焊點熔核直徑和熔核單側高度，通過熔核直徑(d)和焊透率(A)來判定點焊質量。

(1)焊點熔核直徑規(guī)格標準應滿足如下公式

式中d為熔核直徑(mm)，δ為多層板中最薄板厚(mm)；對于一般結構的薄鋼板(δ＜4mm)；

(2)焊透率規(guī)格應滿足：20％≤A≤80％，其具體計算可見公式如下：

式中A為焊透率(％)，H為熔核單側高度(mm)，δ為實測板厚(mm)。在采用的點焊工藝參數條件下，進行內部品質檢驗，如圖3示意圖。

本實例中，良品工藝參數的確認方法：依據焊接品質開始出現(xiàn)不良時，焊接動態(tài)電阻有突變現(xiàn)象，尋找突變產生的臨界點，確定良品工藝參數。例如，確定電極點數工藝參數時，通過試做找到突變產生時對應的電極點數；這樣做，一方面可以抽檢確認突變前品質穩(wěn)定性，另一方面可以確認電極交換頻度，保證焊接質量，得出良品參數。

如圖2，本實例所用的鋼板代號為A，B，C，材質相同均為熱鍍鋁鋼板，其中A型板厚為1.0mm，B和C型板厚為0.5mm，各型號原鋼板成分質量含量的具體參數如表1所示。熱鍍鋁鋼板的鍍層附著量及力學性能如表2所示。

表1原鋼板的板厚及成分質量含量

表2熱鍍鋁鋼板鍍層附著量及力學性能

需要指出的是，B型鋼板和C型鋼板，通過沖壓工藝，貼合形成一個沖壓品整體，點焊工藝流程中，A型鋼板和沖壓品整體通過電阻點焊方法形成一個組裝品。

由于鍍鋁層的導電導熱性好，需要較大的焊接電流，適合用導電性適中且硬度較高的電極進行點焊。硬銅合金的球面電極滿足此類條件，廣泛應用與鍍鋁鋼板點焊。本實例最終采用電極材料為CuCr，球面半徑為8mm，點焊上下電極型號一樣。

圖1中的，步驟①中，首先是產品生產設備。所使用的主要設備有：點焊機和工業(yè)機器人。其中點焊機由YR-500S型的單向交流電阻焊機(電源電壓：380V，額定功率：50kVA，最大短路電流：19.5kA，最大電極壓力：11.7kN)和YF-0201Z5型的電阻焊機控制器組成，對產品進行點焊工藝加工。此外，為保證焊點位置的穩(wěn)定性，還使用了YR-UP50N-A00型的搬運機器人，進行產品點焊前后的搬運。其次是產品檢測設備及流程，主要用于產品內部品質測定?；玖鞒毯椭饕O備有：(1)進行產品初步切割加工，使用LGK8-63TSMI型的空氣等離子弧切割機；(2)使用鋸片切割機對產品焊道中部切割，進行產品細切加工；(3)部品焊點采用XQ-1型試樣鑲嵌機進行鑲嵌；(4)將鑲嵌完的試樣用YM-2A型的試樣預磨機對焊點的切斷面進行研磨；(5)亮化處理及清洗，使用5％的硝酸液對焊道切斷面進行亮化處理擦拭1～2s，確保焊點熔核單側高度清晰可見后將試樣立刻放入清水內，清洗干凈后將試樣上的殘留水擦凈烘干；(6)觀測測量，使用VHX-2000型的數碼顯微鏡，對熔核直徑、熔核單側高度和點焊后的板厚進行觀察和測量。

根據產品材質和板厚，參照現(xiàn)場實際生產鍍鋁鋼板點焊的工藝參數，初步選定工藝參數為：焊接電流8.5kA，焊接時間13周波，電極壓力1.7kN。用此條件進行試做，品質結果見表3，此處4個焊點都有進行內部品質宏觀檢驗，因4個焊點均在同等條件下試做，隨機選取其中一個點的數據列出。外部品質不良的現(xiàn)象為焊接過程有中等飛濺。根據內部品質判斷標準公式(1)和公式(2)，得出0.5mm的板厚對應的熔核直徑規(guī)格：≥2.82mm，焊透率規(guī)格：≥20％。

表3參數1試做結果

備注：1：○表示合格，×表示不合格。

實驗得出，熔核直徑較大，最小熔核直徑為4.72mm，超出要求的規(guī)格63％以上。熔透率最小46.5％，超出要求規(guī)格的26.5％。從數據上看焊接參數可調整的范圍較大。

一般來說，隨著焊接電流的減少，熔核直徑和飛濺隨之減小。為了低減飛濺，進行四組數據試做。參數2：以工藝參數1為基礎，在電極壓力不變的情況下，進行焊接電流低減1kA，焊接時間增加3Hz進行試做，參數3、4、5：以參數2為基礎，在電極壓力不變的情況下，分別單因素降低焊接時間3Hz和降低電流0.5kA、1kA進行試做。品質結果見表4，外部品質焊接過程中均無飛濺。

表4參數2、3、4、5試做結果

備注：1：○表示合格，×表示不合格。

結果表明，參數2在降低電流和增加時間后，電流密度降低，飛濺減少。整體的焊接熱量趨近原來參數1，熔核直徑和焊透率的值都較大，符合良品工藝參數。

單因素對比參數1和參數3的試做結果，焊接電流減少，薄板BC間的熔核直徑和焊透率均為0，厚板A與薄板B間的熔核直徑減小，焊透率增加，飛濺減少。由焦耳定律知熱量公式Q＝I²Rt(式中Q為熱量，I為焊接電流，R為電極間的電阻，t為焊接時間)，經分析，這是因為焊接電流降低，焊接熱量減少，產品通過焊接電流處局部發(fā)熱，發(fā)生塑性變形而形成的塑性金屬環(huán)減小，所以熔核直徑減小。同時避免了塑性金屬環(huán)在電極壓力下發(fā)生崩潰，防止了融化金屬從焊件之間或焊件表面溢出的情況，所以飛濺減少。而當不等厚鋼板點焊時，薄板的散熱效果更好，熱量損失大，厚板的電阻大，吸收熱量多，所以焊接時熔核中心會向熱量更多的厚板偏移，導致厚板的焊透率增加。由于熔核向厚板偏移現(xiàn)象以及焊接熱量減小的綜合作用，就會出現(xiàn)薄板C沒有熔核高度，熔核直徑和焊透率均為0的情況。

單因素對比參數2和參數3的試做結果，焊接時間減少，薄板BC間的熔核直徑和焊透率均為0，厚板A與薄板B間的熔核直徑也出現(xiàn)減小，焊透率增加，均無飛濺。分析知焊接時間的減少會導致焊接熱量的減少，使熔核直徑減小，加上多層板點焊時熔核偏移現(xiàn)象，導致薄板C的熔核直徑和焊透率為0。

綜合對比參數2、3、4、5的試做結果，當減少焊接電流或焊接時間任何一個因素時，焊接熱量會減少，從而導致熔核直徑減小。整體熱量小于某個臨界點時，外側薄板C無法形成熔核直徑。為了改善多層鋼板點焊熔核偏移的現(xiàn)象，適宜用較大熱量的焊接條件，同時為了減小飛濺，不宜使用太大的焊接電流。

從試做結果選定參數2(焊接電流7.5kA，焊接時間16Hz，電極壓力1.7kN)。為良品工藝參數。

作為實例，改變其中單一因素，例如焊接電流參數選擇，可不斷改變電流參數，進行試做；當減少焊接電流，焊接熱量會減少，從而導致熔核直徑減?。划斦w熱量小于某個臨界點時，外側薄板C無法形成熔核直徑；因此，可以根據熔核形成臨界點，同時考慮為了改善多層鋼板點焊熔核偏移的現(xiàn)象，適宜用較大熱量的焊接條件，為了減小飛濺，不宜使用太大的焊接電流等，確定焊接電流參數。又如，點焊電極由于使用次數增加發(fā)生磨損會影響點焊品質，其電極交換頻度參數的確認，可使用新電極進行試做直到出現(xiàn)品質不合格為止：隨著電極使用點數的增加，每個部品進行外部品質確認，熔核大小檢測，焊接飛濺觀察；如圖4，考察熔核大小變化，發(fā)現(xiàn)當電極使用點數為137點時，熔核直徑出現(xiàn)不合格，圖2所示鋼板B與鋼板C板開始出現(xiàn)熔核直徑小于規(guī)格標準的情況，因此此點為點焊電極使用次數的臨界點；由此，可以確定點焊良品的工藝參數。從圖5可以看出，當電極使用點數＜133點時，焊點的焊透率都是合格的，當電極使用點數為133點時，0.5mm的鋼板C出現(xiàn)了焊透率A1低于規(guī)格標準20％的現(xiàn)象。

以上僅僅是本發(fā)明的部分實例，本發(fā)明的保護范圍以權利要求限定的保護范圍為準。本實例中確定汽車發(fā)動機隔熱罩三層鍍鋁鋼板電阻點焊良品工藝參數為目的，結合電阻點焊外部品質和內部品質的判定標準。在確定電阻點焊基礎工藝參數的前提下，針對焊接電流，焊接時間對點焊品質的影響規(guī)律進行研究分析，并確定了具體良品工藝參數、良品工藝參數的穩(wěn)定性以及電極交換頻度。