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摘要：本文采用2mm+2mm重叠接头形式的5083铝合金板材进行电阻点焊焊接工艺试验，通过宏观金相试验、焊核剥离试验、熔合尺寸确定及剪拉力测试对不同工艺参数下获得的试样进行焊核成形质量和力学性能分析，运用正交方案确定了3段电流为29KA、32KA、25KA;锻压时序-100ms;焊接压力6.5KN为最佳参数，且满足EN 15085-3设计规定中对焊核尺寸及剪拉力值的要求。
关键词：5083铝合金薄板;电阻点焊;工艺研究
1 电阻点焊工艺
电阻点焊主要分为单面點焊和双面点焊，双面点焊的原理是通过将工件置于夹紧电极间，由电极施加较大电流并同时对试件施加压力使两电极间金属密切接触形成电流回路，进而使电极间金属熔化形成熔核实现材料连接。电阻点焊一般由预压阶段保证工件间接触紧密良好、通电焊接阶段保证形成良好的焊核及塑性环、焊后保压阶段保证焊后凝固阶段无缩孔及裂纹等缺陷三个阶段组成一个焊接循环。其具有生产效率高、热影响区小变形小、无焊材成本低、劳动强度低等优点[1]，目前该焊接方式广泛应用于航空航天、轨道及交通运输车辆等行业中[2]。电阻点焊受焊接母材的导电率、熔点、导热率、热膨胀系数、板材厚度不同等影响，易产生缩孔、未融合、熔核尺寸过小、焊穿等缺陷，因此电阻点焊的工艺参数对焊接产品质量影响重大[3]。
2 铝合金车体电阻点焊
随着轨道交通装备制造业的迅速发展，轻量化机车车辆车体材料的选择逐渐成为了焦点。机车车辆车体材料主要有碳钢、不锈钢、铝合金三种。碳钢材料的耐腐蚀性能较差，且密度较高，约为铝合金材料的3倍，目前主要应用于机车车体焊接。不锈钢材料具有较好的耐腐蚀性，但在盐雾条件下易发生晶间腐蚀，且制造成本高，曾用于和谐号动车组车体焊接。铝合金作为轻量化节能材料，在工业生产中的价值日益提升，铝合金材料凭借其耐腐蚀性良好、强度较高、密度小质量轻、可进行型材加工等特点逐渐取代代了碳钢、不锈钢等材料成为了复兴号标准动车组、城轨地铁车辆车体制造的主要材料，减少了车体的焊接量和劳动强度，提升了生产效率。
目前铝合金车体大部件如底架、侧墙、车顶等中厚板及厚板焊接或力学性能要求严格的部件焊接主要采用MIG（熔化极惰性气体保护焊）、TIG（非熔化极惰性气体保护焊）、搅拌摩擦焊等方式。对于薄板焊接，MIG及TIG焊接由于其热输入大、焊接变形量大等特点，无法实现薄板的精密焊接及变形控制。搅拌摩擦焊只适用于中厚板的平对接，适用范围较小。而铝合金电阻点焊工艺未施加焊接压力区域受铝合金表面氧化膜的影响，导电能力弱不易使电流分流，因此仅对焊点区域产生热输入易于形成稳定焊核，成为了轨道车辆部件铝合金薄板焊接的主要方式。为了保障铝合金电阻点焊的焊接质量，EN15085-3轨道车辆及其部件焊接设计要求中对电阻点焊也做出了相应的要求，2mm厚铝合金焊核尺寸及剪应力要求如表1所示。
3 5083铝合金电阻点焊工艺研究
试验采用梅达SMD-80SS中频逆变电阻点焊机对2mm+2mm的5083铝合金板材进行搭接点焊试验。改变了焊接压力、焊接电流、锻压时序三种主要变量进行正交试验。通过宏观金相试验、焊核剥离试验、焊核尺寸确定、剪应力测试确定最优参数和是否满足EN15085标准。试验参数如表2所示。
各试样的剥离试验结果如图1所示，参数4试件由于焊接压力偏小，焊点金属熔化后没有足够的焊接压力和锻压压力，焊核金属强度不足，在剥离试验中焊核断裂。
各试样焊核直径和是否产生焊接飞溅的情况见表3，各参数试样焊核直径均大于EN15085-3中2mm铝合金电阻点焊熔核直径的要求（不小于7mm）。参数5试件由于焊接压力过大，焊点金属熔化后被挤出熔核区域，从两板之间未焊接区域喷射出形成飞溅，通过对比得出焊接压力6.5KN为最佳焊接压力。
电阻点焊各试样宏观金相如图2所示，各焊核外形对称，无表面烧穿，板间无空隙。两试板为同种材料，且厚度相同均为2mm，施加电流和压力，焊点内部金属熔化后焊核均匀对称，在凝固过程中内部温度梯度较小形成等轴晶。随着金属不断凝固熔化金属与未熔金属间存在较大温度梯度，于是焊核内部沿温度梯度下降方向形成柱状晶，从焊核内部向四周扩散，形成了各试样四周平滑均匀的宏观金相。
如图2（2）所示，参数2试件熔核中心有1.5mm区域缩孔，两侧金属未完全融合，产生这种现象的原因为电流过小，焊接过程中缩孔附近熔核金属未完全熔化，焊接压力及锻压压力无法将金属完全连接在一起，随着焊核冷却，两侧金属在凝固拉应力的作用下形成缩孔。
如图2（1）所示，参数1由于焊接电流过大，焊核尺寸随之增大，形成熔核直径为11.2mm，明显大于其他参数试件，且通过观察宏观金相，熔核距试板表面仅1-2mm，在电流不稳定时较大的电流易产生烧穿风险，因此三段焊接电流29KA、32KA、25KA为最佳电流参数。
如图2（3）与2（6）所示，电流与焊接压力相同的情况下，锻压时序-100ms与-50ms的试样各项试验结果无明显差别，表明-50ms时序即可完成熔核锻压，但为保证焊核质量稳定仍选取-100ms为最优参数。
表4所示为5组参数3试样的进行剪应力测试结果，将两块2*50*200的试样错位搭接点焊，焊接完成后使用万能拉伸试验机夹持试件两端测试断裂所需剪应力值。试验平均剪应力值为8.859KN，且最低剪应力测试值试样3的剪切力为7.57KN，高于EN15085中5083铝合金（抗拉强度270MPa）对应的剪切力要求4.1KN，符合EN15085-3中对电阻点焊的设计要求，表明该参数可以应用于轨道车辆部件焊接。
4 结论
工艺参数对焊接产品质量影响明显。当焊接电流过小时熔核强度低易剥离，焊接电流过大会导致焊核直径增大引发焊穿。当焊接压力过小时熔化金属无法结合易产生缩孔，焊接压力过大会导致飞溅增加。锻压时序对电阻点焊熔核影响不大。2mm+2mm接头形式5083铝合金电阻点焊最优工艺参数为三段电流29KA、32KA、25KA，锻压时序-100ms，焊接压力6.5KN，满足EN15085标准中的要求，可应用于轨道车辆部件的焊接。
参考文献：
[1]吴松，王敏，程轩挺.铝合金电阻点焊研究现状及工业应用[J].电焊机，2013，09：56-58.
[2]李洋.电阻点焊形核基础问题及焊点质量强化研究[D].天津大学，2014：7-9.
[3]郑振太，单平，等.大电阻介质下铝合金电阻点焊[J].焊接学报，2006，27（7）：5-8.
关键词：5083铝合金薄板;电阻点焊;工艺研究
1 电阻点焊工艺
电阻点焊主要分为单面點焊和双面点焊，双面点焊的原理是通过将工件置于夹紧电极间，由电极施加较大电流并同时对试件施加压力使两电极间金属密切接触形成电流回路，进而使电极间金属熔化形成熔核实现材料连接。电阻点焊一般由预压阶段保证工件间接触紧密良好、通电焊接阶段保证形成良好的焊核及塑性环、焊后保压阶段保证焊后凝固阶段无缩孔及裂纹等缺陷三个阶段组成一个焊接循环。其具有生产效率高、热影响区小变形小、无焊材成本低、劳动强度低等优点[1]，目前该焊接方式广泛应用于航空航天、轨道及交通运输车辆等行业中[2]。电阻点焊受焊接母材的导电率、熔点、导热率、热膨胀系数、板材厚度不同等影响，易产生缩孔、未融合、熔核尺寸过小、焊穿等缺陷，因此电阻点焊的工艺参数对焊接产品质量影响重大[3]。
2 铝合金车体电阻点焊
随着轨道交通装备制造业的迅速发展，轻量化机车车辆车体材料的选择逐渐成为了焦点。机车车辆车体材料主要有碳钢、不锈钢、铝合金三种。碳钢材料的耐腐蚀性能较差，且密度较高，约为铝合金材料的3倍，目前主要应用于机车车体焊接。不锈钢材料具有较好的耐腐蚀性，但在盐雾条件下易发生晶间腐蚀，且制造成本高，曾用于和谐号动车组车体焊接。铝合金作为轻量化节能材料，在工业生产中的价值日益提升，铝合金材料凭借其耐腐蚀性良好、强度较高、密度小质量轻、可进行型材加工等特点逐渐取代代了碳钢、不锈钢等材料成为了复兴号标准动车组、城轨地铁车辆车体制造的主要材料，减少了车体的焊接量和劳动强度，提升了生产效率。
目前铝合金车体大部件如底架、侧墙、车顶等中厚板及厚板焊接或力学性能要求严格的部件焊接主要采用MIG（熔化极惰性气体保护焊）、TIG（非熔化极惰性气体保护焊）、搅拌摩擦焊等方式。对于薄板焊接，MIG及TIG焊接由于其热输入大、焊接变形量大等特点，无法实现薄板的精密焊接及变形控制。搅拌摩擦焊只适用于中厚板的平对接，适用范围较小。而铝合金电阻点焊工艺未施加焊接压力区域受铝合金表面氧化膜的影响，导电能力弱不易使电流分流，因此仅对焊点区域产生热输入易于形成稳定焊核，成为了轨道车辆部件铝合金薄板焊接的主要方式。为了保障铝合金电阻点焊的焊接质量，EN15085-3轨道车辆及其部件焊接设计要求中对电阻点焊也做出了相应的要求，2mm厚铝合金焊核尺寸及剪应力要求如表1所示。
3 5083铝合金电阻点焊工艺研究
试验采用梅达SMD-80SS中频逆变电阻点焊机对2mm+2mm的5083铝合金板材进行搭接点焊试验。改变了焊接压力、焊接电流、锻压时序三种主要变量进行正交试验。通过宏观金相试验、焊核剥离试验、焊核尺寸确定、剪应力测试确定最优参数和是否满足EN15085标准。试验参数如表2所示。
各试样的剥离试验结果如图1所示，参数4试件由于焊接压力偏小，焊点金属熔化后没有足够的焊接压力和锻压压力，焊核金属强度不足，在剥离试验中焊核断裂。
各试样焊核直径和是否产生焊接飞溅的情况见表3，各参数试样焊核直径均大于EN15085-3中2mm铝合金电阻点焊熔核直径的要求（不小于7mm）。参数5试件由于焊接压力过大，焊点金属熔化后被挤出熔核区域，从两板之间未焊接区域喷射出形成飞溅，通过对比得出焊接压力6.5KN为最佳焊接压力。
电阻点焊各试样宏观金相如图2所示，各焊核外形对称，无表面烧穿，板间无空隙。两试板为同种材料，且厚度相同均为2mm，施加电流和压力，焊点内部金属熔化后焊核均匀对称，在凝固过程中内部温度梯度较小形成等轴晶。随着金属不断凝固熔化金属与未熔金属间存在较大温度梯度，于是焊核内部沿温度梯度下降方向形成柱状晶，从焊核内部向四周扩散，形成了各试样四周平滑均匀的宏观金相。
如图2（2）所示，参数2试件熔核中心有1.5mm区域缩孔，两侧金属未完全融合，产生这种现象的原因为电流过小，焊接过程中缩孔附近熔核金属未完全熔化，焊接压力及锻压压力无法将金属完全连接在一起，随着焊核冷却，两侧金属在凝固拉应力的作用下形成缩孔。
如图2（1）所示，参数1由于焊接电流过大，焊核尺寸随之增大，形成熔核直径为11.2mm，明显大于其他参数试件，且通过观察宏观金相，熔核距试板表面仅1-2mm，在电流不稳定时较大的电流易产生烧穿风险，因此三段焊接电流29KA、32KA、25KA为最佳电流参数。
如图2（3）与2（6）所示，电流与焊接压力相同的情况下，锻压时序-100ms与-50ms的试样各项试验结果无明显差别，表明-50ms时序即可完成熔核锻压，但为保证焊核质量稳定仍选取-100ms为最优参数。
表4所示为5组参数3试样的进行剪应力测试结果，将两块2*50*200的试样错位搭接点焊，焊接完成后使用万能拉伸试验机夹持试件两端测试断裂所需剪应力值。试验平均剪应力值为8.859KN，且最低剪应力测试值试样3的剪切力为7.57KN，高于EN15085中5083铝合金（抗拉强度270MPa）对应的剪切力要求4.1KN，符合EN15085-3中对电阻点焊的设计要求，表明该参数可以应用于轨道车辆部件焊接。
4 结论
工艺参数对焊接产品质量影响明显。当焊接电流过小时熔核强度低易剥离，焊接电流过大会导致焊核直径增大引发焊穿。当焊接压力过小时熔化金属无法结合易产生缩孔，焊接压力过大会导致飞溅增加。锻压时序对电阻点焊熔核影响不大。2mm+2mm接头形式5083铝合金电阻点焊最优工艺参数为三段电流29KA、32KA、25KA，锻压时序-100ms，焊接压力6.5KN，满足EN15085标准中的要求，可应用于轨道车辆部件的焊接。
参考文献：
[1]吴松，王敏，程轩挺.铝合金电阻点焊研究现状及工业应用[J].电焊机，2013，09：56-58.
[2]李洋.电阻点焊形核基础问题及焊点质量强化研究[D].天津大学，2014：7-9.
[3]郑振太，单平，等.大电阻介质下铝合金电阻点焊[J].焊接学报，2006，27（7）：5-8.