Resistance spot welding process window control technology of 6016-T4P three-layer plate with unequal thickness
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摘要:
通过电阻点焊工艺性试验，分析2.5 mm，3.2 mm，2.0 mm 3种厚度6016-T4P板材搭接焊点熔核形成过程，并采用主机厂常用的2种不同形状电极帽（ϕ16R20，ϕ20R100）分别进行工艺性测试，建立对应电阻点焊焊接工艺窗口，同时分析了电极压力和电极帽形状对于焊接工艺窗口偏移的影响。结果表明，采用ϕ16R20电极帽时，电极压力的变化（3.5～5.5 kN）可使焊点可用最小焊接电流变化3 kA的幅度；采用ϕ20R100电极帽时，电极压力的变化（3.5～5.5 kN）可使焊点可用最小焊接电流变化1 kA的幅度；在相同焊接工艺参数（电极压力4.5 kN、焊接时间200 ms、保持时间150 ms）条件下，电极帽形状（ϕ16R20，ϕ20R100）的变化可使焊点可用最小焊接电流变化5 kA的幅度。通过该文的研究成果，可显著改善铝合金生产厂在材料推广应用中遇到的电阻点焊工艺窗口不吻合的情况，方便材料切换，利于铝合金在主机厂的推广应用。
Abstract:Through resistance spot welding technology test, formation process of 6016-T4P plate lap welding spot nugget with three thicknesses of 2.5 mm, 3.2 mm and 2.0 mm was analyzed. And two different shape electrode caps (ϕ16R20, ϕ20R100) commonly used in main engine factory were used for technology test respectively, and the corresponding resistance spot welding process window was established. Meanwhile, influence of electrode pressure and electrode cap shape on the shift of welding process window was analyzed. The results showed that when ϕ16R20 electrode cap was used, change of electrode pressure (3.5～5.5 kN) could make the minimum welding current available to welding spot change by 1 kA. When ϕ20R100 electrode cap was used, change of electrode pressure (3.5～5.5 kN) could make the minimum welding current change of 3 kA. Under the same welding parameters (electrode pressure 4.5 kN, welding time 200 ms, holding time 150 ms), change of electrode cap shape (ϕ16R20 electrode cap, ϕ20R100 electrode cap) could make the minimum welding current available to welding spot change by 5 kA. The research results of this paper could significantly improve the situation that resistance spot welding process window did not match in the promotion and application of aluminum alloy in the aluminum alloy production plant, facilitate the material switching, and be conducive to the promotion and application of aluminum alloy in the main engine plant.
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Keywords:
- 6016-T4P /
- resistance spot welding /
- electrode cap /
- process window /
- regulation
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0. 前言
随着国家节能减排的要求，轻量化材料如铝合金等在汽车车身中的应用越来越广泛，材料的顺利应用离不开连接技术的支持，铝合金的电阻点焊技术一直是行业研究热点[1 − 3]。目前，行业内通过借鉴钢制汽车板的评价方式已逐步的建立铝合金电阻点焊工艺规范和标准，但是现有标准都是针对两层板焊接，并没有针对三层板焊点的评价能力。同时，由于三层板点焊过程涉及厚度变化、熔核偏移等因素，目前国内研究机构在针对三层板焊接过程中，主要采用焊前预热、脉冲电流、焊后回火等方式进行工艺优化，工艺过程复杂[4 − 8]。
在推广铝合金进入主机厂的使用过程中，铝合金生产厂家的竞争也非常激烈，在切换主机厂的其它供货商铝合金材料过程中，即使在满足铝合金国标及行业标准中的成分、性能等基础要求时，由于不同厂家之间的微量元素不同，热处理工艺不同，所以，在焊接过程中的具体表现也不一样。因此，经常会遇到不同生产厂的材料电阻点焊工艺窗口不匹配的现象，该现象的出现对铝合金材料的后续推广具有不利影响。
解决本类问题的思路有以下3个方面：①改进铝合金材料成分和热处理工艺等条件，重新进行材料制备。由于变动铝合金材料成分和工艺条件对后续的铝合金材料组织、性能包括其他应用性能评价方面影响明显，这往往需要花费大量的人力物力，短则数月、长则1～2年方可完成。②改善铝合金表面状态，调节焊接热输入。因为不同的铝合金清洗程度、钝化程度、轧制状态等均对焊接工艺效果存在影响，但经过前期研究，上述因素影响程度有限，如工艺窗口变化较大，仅从铝合金表面状态的优化角度难以实现工艺窗口的完全匹配。③通过电极压力的调节和电极帽形状的优化，完成工艺窗口的匹配。由于不同电极压力条件下，焊接电流范围会存在明显的偏移，且电极帽形状也会明显影响熔核处热量的产生，继而导致焊接工艺窗口变化，因此，该类方法简单高效，可实现度较好，且可随材料数据包一起提供主机厂，方便后续应用[9 − 10]。
1. 试验材料与方法
1.1 试验材料
焊接材料选用中铝集团下属企业公司生产的厚度为2.5 mm，3.2 mm，2.0 mm的6016-T4P铝合金，其化学成分相同，见表1，力学性能见表2。试验中所用的2种电极帽成分均为氧化铝弥散铜，牌号为C15715，其成分见表3。其中，ϕ16R20电极帽形状如图1所示，ϕ20R100电极帽形状如图2所示。
表 1 6016-T4P铝合金材料的化学成分（质量分数，%）Si Fe Cu Mn Mg Cr Ni Zn Ti Zr Al 1.02 0.18 0.068 0.12 0.39 0.034 0.005 0 0.013 0.013 0.001 0 余量 表 2 6016-T4P铝合金材料的力学性能厚度b/mm 屈服强度ReH/MPa 抗拉强度Rm/MPa 断后伸长率A(%) r值 n值 2.5 124 225 28.5 0.62 0.23 3.2 123 223 28.4 0.61 0.23 2.0 126 227 28.3 0.63 0.23 表 3 Cu-Al2O3（C15715）氧化铝弥散铜电极材料的成分及相关性能成分（质量分数）w(%) 相关性能 Al Al2O3 Cu 显微硬度H/HV 电导率σ(%IACS) 软化温度（80%原始硬度）T/℃ 0.1 0.3 余量 113.3 94.84 1 040（上限） 1.2 试验设备
焊接设备采用安徽日基焊接设备有限公司生产的PWF2AM-300型中频直流固定式点焊机，金相设备采用Axio Scope. A1型金相显微镜，电导率测试设备采用SIGMATEST 2.069型涡流导电仪，铝合金及铜电极成分测试设备采用SPECTROLAB LAVM 11型火花直读光谱仪。
1.3 试验方法
试验材料选用40 mm×100 mm料片，按照2.5 mm，3.2 mm，2.0 mm的上下顺序依次搭接，采用电阻点焊方式进行连接，电极压力分别设置为3.5 kN，4.5 kN，5.5 kN，预压时间设定300 ms，焊接时间设置为200 ms，保持时间设置为150 ms，电极帽位置冷却水流速为4 L/min，水温为20 ℃。
焊接前，使用酒精对铝合金料片进行擦拭，去除表面油污，按照中心对准原则安装焊接电极头，正式焊接前将电极压紧，保证电极头处于稳定焊接状态；同时，为去除铜电极表面在焊接过程中发生的铝铜反应的影响，电极头每焊30个点进行一次更换。该部分电阻点焊焊接工艺窗口测试方法，参考AWS D8.2M: 2017《Specification for automotive weld quality-resistance spot welding of aluminum》，焊接工艺窗口由不同电极压力下的最小电流和最大电流组成，确定某个电极压力条件下，调整焊接电流，以1.0 kA为步长递增；随着焊接电流的增大，熔核尺寸逐渐增大，当板材剥离测试后的熔核尺寸超过标准要求的熔核尺寸（4$ \sqrt{t} $，t为厚度）时，则该焊接电流为最小焊接电流；当焊接电流过大时，金属将发生飞溅，以焊接发生飞溅的前一个点为焊接电流最大值，综合3种不同电极压力下的最小焊接电流点组成最小电流曲线，综合3种不同电极压力的最大焊接电流点组成最大焊接电流曲线，则该曲线为该板材的合适焊接工艺窗口。
2. 试验结果及分析
2.1 6016-T4P三层板电阻点焊熔核形成过程
为获得三层板电阻点焊工艺窗口区间，首先通过开展焊接工艺摸索获得6016-T4P三层板焊点处熔核变化规律。该次测试选用ϕ16R20电极帽，电极压力选用4.5 kN，焊接时间为200 ms，保持时间为150 ms，焊接电流分别选用27 kA，30 kA，33 kA，36 kA，39 kA，经过电阻点焊后，对焊点的熔核形貌进行观察，得到如图3所示的熔核形貌变化图。由图3可知，当焊接电流较小为27 kA时，热量最开始在焊接位置三层板中间的搭接位置产生；随着焊接电流增加至30 kA，搭接位置处的热量逐渐增加，热量向中间板材处集中，中间板材开始熔化；当电流继续增加至33 kA时，热量继续增加，熔化区域开始增大，形成“小矩形”熔核；当电流增加至36 kA时，熔核处的热量在平行于接触面和垂直于接触面两个方向上均匀扩散，熔核尺寸均匀增大，形成“大矩形”熔核；当电流增加至39 kA时，熔核开始主要沿着平行于接触面的方向进行增长，熔核尺寸明显增加，熔透深度变化不大，形成“长矩形”熔核。
2.2 采用ϕ16R20电极帽时，电极压力对电阻点焊工艺窗口的影响
不等厚三层板焊点经过剥离测试后存在2个熔核尺寸，如图4所示。按照行业内的要求，当材料达到3层及以上时，按照次薄板确定焊点最小熔核直径，因此，该次测试以2.5 mm板厚确定熔核尺寸，焊点的熔核尺寸d$\geqslant $4$ \sqrt{t}=6.32\;\mathrm{m}\mathrm{m} $时为合格。在前期的研究基础上，在采用ϕ16R20电极帽条件下，开展3种不同电极压力下的焊接测试，焊接电流从31 kA开始，依次升高1 kA，至发生飞溅后为止，得到不同电极压力下焊接电流与熔核尺寸的关系，如图5所示。同时，基于图5的结果，以电极压力为纵轴，以焊接电流为横轴，形成焊接工艺窗口，其中阴影部分为可焊接区间，如图6所示。
从图5中可以看出，在3种电极压力下，随着焊接电流的增加，焊点的熔核尺寸均随之增大，但不同电极压力下，相同焊接电流产生的熔核尺寸不同，电极压力为3.5 kN时，熔核尺寸最大；4.5 kN时，居中；5.5 kN时，最小。这是由于不同电极压力下，熔核处形成的热量不同，由公式$ R=\rho L/S $可知，电极压力增加，板材与板材之间、板材与电极之间的接触面积均会增加，则熔核处的电阻减小，结合产热公式Q=I2Rt可知，电极压力越大，熔核产热量越小，熔核尺寸越小。因此，在3.5 kN电极压力下，达到焊点熔核最小要求尺寸（4$ \sqrt{t} =$6.32 mm）的电流最小，为34 kA；电极压力为4.5 kN时，最小电流为35 kA；电极压力为5.5 kN时，最小电流为36 kA；同时，从图5中可以看出，电极压力越大，焊点的最大电流越大，因为焊接过程是一个快速熔化凝固的过程，铝合金材料熔化过程中体积会增加，造成液态金属飞溅，随着电极压力的增加，包裹液态金属的铝合金塑性环约束能力越强，液态金属溢出越困难。因此，电极压力越大，焊点的最大电流越大；电极压力为3.5 kN时，最大电流为38 kA，电极压力为4.5 kN时，最大电流为41 kA；电极压力为5.5 kN时，最大电流为43 kA。
从图6中可以看出，在不同电极压力下，满足指标要求的焊接电流范围存在明显的区别，电极压力为3.5 kN时，可用焊接电流变化范围为34～38 kA；电极压力为4.5 kN时，可用焊接电流变化范围为35～41 kA；电极压力为5.5 kN时，可用焊接电流变化范围为36～43 kA。当电极压力较小时，虽然由于材料搭接位置的初始电阻值偏高，易于产热形成熔核，但是由于电极压力较小，塑性环约束液态金属能力较差，飞溅产生的较早；随着电极压力的增加，最小电流有少量增加，但是塑性环约束液态金属的能力增强明显，不容易发生飞溅，因此可用焊接电流范围较大。
2.3 采用ϕ20R100电极帽时，电极压力对电阻点焊工艺窗口的影响
应用相同测试方法，采用ϕ20R100电极帽，开展3种不同电极压力（3.5 kN，4.5 kN，5.5 kN）下的焊接测试，基于前期的研究基础和工艺摸索，焊接初始电流从39 kA开始，依次升高1 kA，至发生飞溅后为止，得到不同电极压力下焊接电流与熔核尺寸的关系，如图7所示。同时，基于图7的结果，以电极压力为纵轴，以焊接电流为横轴，形成焊接工艺窗口，其中阴影部分为可焊接区间，如图8所示。
从图7中可以看出，应用ϕ20R100电极帽时，焊点熔核尺寸与焊接电流之间的变化规律与应用ϕ16R20电极帽时相同，均随着焊接电流的增加，焊点的熔核尺寸均随之增大，且在不同电极压力下，相同焊接电流产生的熔核尺寸不同；电极压力为3.5 kN时，熔核尺寸最大；4.5 kN时居中，5.5 kN时最小。在3.5 kN电极压力下，达到焊点熔核最下要求尺寸（4$ \sqrt{t}= $6.32 mm）的电流最小，为40 kA；电极压力为4.5 kN时，最小电流为41 kA；电极压力为5.5 kN时，最小电流为42 kA；同时，也可以看出，电极压力为3.5 kN时，最大电流为43 kA；4.5 kN时，最大电流为46 kA，5.5 kN时，最大电流为48 kA。
类似的，从图8中可以看出，在不同电极压力下，满足指标要求的焊接电流范围存在明显的区别，电极压力为3.5 kN时，可用焊接电流变化范围为40～43 kA；电极压力为4.5 kN时，可用焊接电流变化范围为41～46 kA；电极压力为5.5 kN时，可用焊接电流变化范围为42～48 kA。
2.4 电极形状对电阻点焊熔核形貌的影响
对比图6和图8可知，以4.5 kN电极压力为例，在其他条件焊接工艺条件不变的情况下，采用ϕ16R20电极帽时的可用焊接电流范围为35～41 kA，采用ϕ20R100电极帽时的可用焊接电流范围为41～46 kA。当电极帽直径较小、电极端面处的弧形半径较小时，达到相同尺寸的焊点熔核时所需的焊接电流更小；这是因为当电极帽直径越小，电极端面处的弧形半径较小时，焊接过程中的电流集中度越高，产热量越高，越容易形成熔核。因此，通过电极形貌的调整，可使焊点可用最小焊接电流变化6 kA的幅度。
为了直观的对比不同电极形状对焊点熔核尺寸的影响，采用相同焊接工艺参数（电极压力4.5 kN、焊接电流40 kA、焊接时间200 ms、保持时间150 ms）分别进行焊接测试。图9为电极形状为ϕ16R20时的焊点金相组织，图10为电极形状为ϕ20R100时的焊点金相组织。可以看到，采用ϕ16R20电极帽的焊点，上熔核尺寸为8.64 mm，下熔核尺寸为8.28 mm；采用ϕ20R100电极帽的焊点，上熔核尺寸为6.61 mm，下熔核尺寸为5.99 mm，二者的差别明显。
3. 结论
（1）随着焊接电流的增加，三层板电阻点焊熔核最开始在焊接位置的板材搭接处产生，之后热量向中间层板材集中，形成“小矩形”熔核；随着热量的持续增加，开始时，熔核在平行于接触面和垂直于接触面的方向均匀增长，形成“大矩形”熔核；随着熔核区域变大后，熔核开始主要沿着平行于接触面的方向进行增长，形成“长矩形”熔核。
（2）当采用ϕ16R20电极帽时，电极压力为3.5 kN时，可用焊接电流变化范围为34～38 kA；电极压力为4.5 kN时，可用焊接电流变化范围为35～41 kA；电极压力为5.5 kN时，可用焊接电流变化范围为36～43 kA；电极压力的变化（3.5～5.5 kN）可使焊点可用最小焊接电流变化2 kA的幅度。
（3）当采用ϕ20R100电极帽时，电极压力为3.5 kN时，可用焊接电流范围为40～43 kA；电极压力为4.5 kN时，可用焊接电流变化范围为41～46 kA；电极压力为5.5 kN时，可用焊接电流变化范围为42～48 kA；电极压力的变化（3.5～5.5 kN）可使焊点可用最小焊接电流变化2 kA的幅度。
（4）在相同焊接工艺参数（电极压力4.5 kN、焊接时间200 ms、保持时间150 ms）条件下，当采用ϕ16R20电极帽时，可用焊接电流变化范围为35～41 kA；当采用ϕ20R100电极帽时，可用焊接电流变化范围为41～46 kA，可使焊点可用最小焊接电流变化6 kA的幅度。
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表 1 6016-T4P铝合金材料的化学成分（质量分数，%）
Si Fe Cu Mn Mg Cr Ni Zn Ti Zr Al 1.02 0.18 0.068 0.12 0.39 0.034 0.005 0 0.013 0.013 0.001 0 余量 
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表 2 6016-T4P铝合金材料的力学性能
厚度b/mm 屈服强度ReH/MPa 抗拉强度Rm/MPa 断后伸长率A(%) r值 n值 2.5 124 225 28.5 0.62 0.23 3.2 123 223 28.4 0.61 0.23 2.0 126 227 28.3 0.63 0.23
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表 3 Cu-Al2O3（C15715）氧化铝弥散铜电极材料的成分及相关性能
成分（质量分数）w(%) 相关性能 Al Al2O3 Cu 显微硬度H/HV 电导率σ(%IACS) 软化温度（80%原始硬度）T/℃ 0.1 0.3 余量 113.3 94.84 1 040（上限）
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1. 朱可宁，赵熹，冯帆. 汽车铝合金冲压厚度模型与多目标优化分析. 模具技术. 2025(01): 65-70 . 
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