張昌青　榮琛　秦卓

摘要：采用電阻釬焊進行了1060鋁板與T2銅板的搭接試驗，通過設(shè)計復(fù)合電極頭和選用阻抗較大的工藝墊片實現(xiàn)熱補償?shù)淖饔茫稍谳^低電流水平下實現(xiàn)銅鋁異種材料的焊接。設(shè)定不同的焊接工藝參數(shù)，利用實時傳感技術(shù)實時采集電阻釬焊動態(tài)過程的溫度、電極電壓和電極電流信號，并以溫度為依據(jù)初步確定焊接工藝參數(shù)的范圍，然后通過計算和處理檢測信號得到動態(tài)電阻曲線。實驗結(jié)果表明：焊接電流、焊接時間的變化導(dǎo)致提供的焊接能量不同，電阻釬焊過程中出現(xiàn)不同的動態(tài)電阻變化，并形成不同的焊接接頭質(zhì)量特征，從而為焊接接頭質(zhì)量的非破壞性評估提供了可能。

關(guān)鍵詞：電阻釬焊;動態(tài)電阻;波形分析

中圖分類號：TG454 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1001-2303（2020）12-0018-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.12.05

0 前言

電阻焊中的動態(tài)電阻是指焊接區(qū)的電阻，能夠反映被焊材料在熱、力聯(lián)合作用下發(fā)生的內(nèi)部特征變化，為間接評價焊點質(zhì)量提供重要依據(jù)[1]。動態(tài)電阻曲線能較為真實地反映電流電壓的變化，可利用焊接過程中焊接區(qū)動態(tài)電阻的變化規(guī)律來跟蹤動態(tài)電阻曲線 [2]。電阻釬焊與電阻點焊原理類似，通過采集焊接過程中的物理信號，能夠反映電阻釬焊的物理信號變化。

馬躍洲等人[3]研制出以單片機為核心的電阻焊數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并采集了低碳鋼板搭接點焊試驗中的電壓、電流等信號。實驗數(shù)據(jù)分析表明，接頭動態(tài)電阻與熔核形態(tài)密切相關(guān)，可用于電阻點焊接頭質(zhì)量的在線監(jiān)控。劉勇等[4]利用自行改制的數(shù)控交流電阻焊機，采用ZnAl薄帶釬料，對鋁合金和紫銅進行電阻釬焊工藝試驗，在焊接電流為9 kA、熔融釬料溫度在450～520 ℃時，接頭抗剪切強度最佳，但電流過大對焊機的高負荷運行存在安全隱患。張禹等人[5]采用電阻點焊對6061-T6鋁合金/H70黃銅異種材料熱補償電阻點焊工藝進行研究，對比了兩種搭接形式下點焊接頭的力學(xué)性能差異，結(jié)果表明，采用熱補償電阻點焊的工藝方法可在較低焊接電流下實現(xiàn)鋁/黃銅異種材料的焊接。

文中擬通過采集焊接過程的電信號，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理分析動態(tài)電阻的變化，間接有效地監(jiān)控整個焊接過程，這對確定電阻釬焊焊接工藝參數(shù)、控制焊接接頭質(zhì)量具有指導(dǎo)意義。

1 試驗方法及設(shè)備

試驗用鋁質(zhì)母材為1060工業(yè)純鋁板，尺寸為60 mm×25 mm×8 mm，化學(xué)成分如表1所示;銅板母材為T2紫銅板，尺寸為60 mm×25 mm×2 mm，化學(xué)成分如表2所示。電阻釬焊試樣如圖1所示。

試驗用釬料為鋅鋁（Zn98Al2）合金釬料，其熔點為420 ℃，具有良好的漫流性及耐腐蝕性，在合適的焊接工藝參數(shù)條件下易均勻地填滿接頭間隙。針對點狀電極頭在焊接過程中難以均勻傳遞溫度和熱量的問題，選用KDWJ-17型電阻點焊機，在對多功能電阻焊機結(jié)構(gòu)進行完善和改進時，采用一種新型復(fù)合式電極頭，即在原有點狀電極頭的基礎(chǔ)上增加了平板狀鈦板結(jié)構(gòu)，尺寸45 mm×45 mm，如圖2所示。相比于點狀電極頭與工件表面的點狀接觸，平板狀的鈦板能增大與焊件的平整接觸面積，改善溫度和熱量在工件表面上的分布。

焊接過程信號實時檢測系統(tǒng)如圖3所示。采用實時傳感技術(shù)檢測焊接過程中流經(jīng)電阻點焊機次級回路的電極電壓與焊接電流信號，其中焊接電流通過Rogowsk線圈傳感。通過在Cu塊中心位置鉆孔插入K型熱電偶測得焊接過程中的溫度曲線，通過對所采集信號的計算分析得到電阻釬焊過程動態(tài)電阻的變化。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 焊接過程溫度曲線

釬料發(fā)揮作用的溫度區(qū)間高于釬料熔點20～50 ℃。銅鋁金屬阻抗較低，為了達到界面釬料熔化的熔點，在較小電流參數(shù)下需選用阻抗較高的工藝墊片來產(chǎn)熱。由于銅鋁金屬熱導(dǎo)率不同，電阻釬焊過程中銅鋁母材和釬料接觸面上溫度不同，需要選用熱導(dǎo)率較大的焊接工藝墊片調(diào)整母材表面的溫度。

焊接過程溫升曲線提取如圖4所示，分別設(shè)定焊接電流為5.5 kA、6 kA、6.5 kA。在未加焊接工藝墊片的情況下（見圖4a），當(dāng)焊接電流超過6.5 kA時，溫度超過600 ℃導(dǎo)致鋁母材出現(xiàn)熔蝕，釬焊實驗不能正常完成。在鋁側(cè)加上301L工藝墊片的條件下（見圖4b），溫度維持得更長，即維持釬料有效溫度區(qū)間時間逐漸變長，相當(dāng)于保溫過程中溫度在小范圍內(nèi)波動可達到釬料發(fā)揮作用的溫度區(qū)間。

2.2 動態(tài)電阻曲線

由于實驗中使用的焊接電源為單相交流電源，電極電壓信號和焊接電流信號有明顯的交變特征。焊接電流與電極電壓波形如圖5所示。由于電極電壓和焊接電流具有周期性脈沖特征，且電極電壓和焊接電流信號同相位，截取焊接階段的數(shù)據(jù)用峰值法即用焊接電流峰值時刻的電極間電壓U除以焊接電流I，可以消除電路互感帶來的影響。焊接過程中電阻釬焊動態(tài)電阻的變化如圖6所示，可表示為：

R（t）= U（t）/I（t）

由圖6可知，銅鋁電阻釬焊過程中的動態(tài)電阻曲線呈單調(diào)遞減特征，可分為兩個階段：快速下降階段（Ⅰ）和緩慢下降階段（Ⅱ）。在焊接階段初期，焊接區(qū)溫度較低，工件—釬料—工件、工件—電極的有效接觸面積較小，接觸電阻大，此時焊接區(qū)母材、釬料金屬處于固相加熱狀態(tài)。隨著通電時間的增加，焊接區(qū)溫度提高，釬料軟化，接頭導(dǎo)電面積增大，因此動態(tài)電阻迅速下降，這一階段即為快速下降階段（Ⅰ），持續(xù)時間約為2 s。之后電阻曲線進入緩慢下降階段（Ⅱ），焊接區(qū)釬料金屬逐漸熔化，界面接觸電阻很小甚至已經(jīng)消失;另外，此階段溫度變化較緩，故因溫度引起的電阻率變化對動態(tài)電阻影響不大，因此這一階段的動態(tài)電阻緩慢下降。

2.3 焊接工藝參數(shù)對電阻釬焊過程的影響

預(yù)熱階段和緩冷階段電流參數(shù)固定，只有焊接階段的參數(shù)發(fā)生變化，忽略其他兩個階段通電造成的影響，集中分析焊接階段不同參數(shù)對動態(tài)電阻的影響規(guī)律。

2.2.1 焊接電流

不同焊接電流條件下的動態(tài)電阻曲線分布如圖7所示?？梢钥闯觯弘S著焊接電流的不斷增加，所提供的釬料潤濕鋪展的能量也越多，動態(tài)電阻曲線在生長階段的斜率增大。焊接電流的增大使得釬焊搭接區(qū)導(dǎo)電面積增長較快，電阻急速減小。這也表明焊接電流的增加會加快釬料潤濕的速率。此外動態(tài)電阻曲線的峰值大致出現(xiàn)在2 s左右，但隨著焊接電流的變化，動態(tài)電阻峰值的出現(xiàn)時刻有細微變化。焊接電流越大，動態(tài)電阻峰值越小，且較大焊接電流下的動態(tài)電阻峰值出現(xiàn)時刻提前于較小焊接電流下的。這意味著在較大焊接電流下，釬料潤濕的起始時刻將早于較小焊接電流，即較大焊接電流有利于釬料的初始潤濕階段及其鋪展，但過大的電流對于鋁母材的燒蝕存在危害，不利于釬料對母材的潤濕鋪展。隨著焊接電流的增加，接觸電阻均呈現(xiàn)下降趨勢。這是因為隨著焊接電流的增加，兩電極間通電瞬間所產(chǎn)生的熱量增多，使電阻釬焊初期接觸面積和導(dǎo)電面積增加速度加快，則初始電阻逐漸降低。2.2.2 電極壓力

不同電極壓力條件下的焊接過程動態(tài)電阻曲線分布如圖8所示。可以看出，焊接初始階段電阻發(fā)生突變的時間點同樣出現(xiàn)在1.6 s左右。當(dāng)電極壓力從2 kN增加到4 kN時，接觸電阻隨之減小，動態(tài)電阻曲線變化表現(xiàn)出一定的相似性。由于采用相同強度的焊接電流（I=5.5 kA），不同電極壓力下釬料潤濕、鋪展前期階段所提供的能量幾乎相同，但電極壓力越大使電阻釬焊穩(wěn)定階段產(chǎn)生差異，進而影響到焊接過程的動態(tài)電阻。電極壓力的增大會提高待焊試樣工件間的接觸電阻，而在供能一定的情況下，接觸電阻的提高會使電阻釬焊初期獲得更多的初期工件界面電阻熱，增加釬料塑性并在焊接大電流階段更容易潤濕鋪展。

2.2.3 焊接時間

不同焊接時間的動態(tài)電阻曲線實時變化過程如圖9所示。可以看出，焊接初始階段電阻發(fā)生突變的時間點同樣出現(xiàn)在2 s左右。當(dāng)焊接時間從10 s增加到14 s時，接觸電阻略微增加，動態(tài)電阻曲線變化表現(xiàn)出一定的相似性。由于采用相同強度的焊接電流（I=5.5 kA），不同焊接時間下釬料潤濕鋪展前期階段所提供能量的幾乎相同，但焊接時間越長使電阻釬焊穩(wěn)定階段產(chǎn)生差異，進而影響到焊接過程的動態(tài)電阻值。

3 結(jié)論

（1）在電阻釬焊焊接過程中，通過設(shè)計復(fù)合電極頭和選用阻抗較大的工藝墊片實現(xiàn)熱補償?shù)淖饔?，能夠?qū)崿F(xiàn)在較低電流水平下銅鋁異種材料的焊接。

（2）根據(jù)動態(tài)電阻曲線可將電阻釬焊過程根據(jù)釬料狀態(tài)劃分為固液轉(zhuǎn)變和潤濕鋪展兩個階段，在不同的階段，釬料潤濕鋪展表現(xiàn)出不同的電阻特征。

（3）焊接電流、焊接時間、電極壓力參數(shù)的變化導(dǎo)致提供的焊接能量不同，預(yù)熱、焊接、緩冷過程產(chǎn)生不同的動態(tài)變化，均可在動態(tài)電阻曲線中得到體現(xiàn)， 從而為焊接接頭質(zhì)量的非破壞性評估提供了可能。

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收稿日期：2020-07-19

作者簡介：張昌青（1973— ），男，博士，副研究員，主要從事焊接設(shè)備及其自動化、固相連接技術(shù)及焊接質(zhì)量控制方面的研究工作。E-mail：zcq321@sina.com。