双相钢电阻点焊的电极磨损特性.doc

双相钢电阻点焊的电极磨损特性
X.Q张 G.L李 Y.S张
车身制造技术中心，机电工程学院，上海交通大学，上海200030，中国收到时间2006年3月17日；接收完成时间2006年10月31号；网上查询时间2006年12月19日
摘要：热镀锌双相钢是适应汽车轻量化与安全要求的新开发钢，具有高强度和良好的抗腐蚀性。但焊接镀锌钢导致严重的不确定电极磨损，导致电极的寿命短和焊接质量不均匀。实验对焊接厚度0.8毫米强度600兆帕（dp600）镀锌双相钢的的伺服焊枪电极磨损的特点进行了研究。本特性的电极径向磨损和轴磨损与焊接强度dp600的未涂层钢电极进行了比较。结果表明，当焊接dp600的未涂层钢时，更多的合金产品和电极变形产生使电极早期磨损阶段直径增加，其中较高的电极损耗率在这个阶段。较小的熔核形成加速了电极点蚀和电极磨损。
爱思唯尔公司保留所有权利，2006年1 简介
600兆帕强度（dp600）的双相钢由于其强度高，耐腐蚀性好和冲压特征[ 1–3 ]，是广泛适用于汽车轻量化，强度高和安全要求高的新开发钢。电阻点焊主要焊接和组装汽车车身，但由于点焊镀锌钢会加速电极磨损和使电极寿命短故仍然是个问题[ 4]，对焊接质量有重大影响。由于dp600钢结构广泛应用于车身生产，所以需要研究其点焊电极磨损规律，以支持其进一步在汽车车身生产上的使用。
有许多因素会影响焊接质量，如电压波动，电极错位，这些因素如果不改变，会导致焊缝数量的增加，可以通过焊接控制器或机的维护来很好的控制[ 5]。但是，电极损耗是固有的，会导致焊缝数量的增加，改变了机械在电极和电表界面的热接触条件。尤其是点焊镀锌钢相比裸钢需要更多的电流和时间，锌外套是敏感的合金和铜电极棒，其中比较严重的电极磨损（电极直径扩大，长度减少和点蚀等。）[ 4 , 6 ]如焊接铝合金，造成电表接触面积增加和电极点蚀，它极大地影响电极表面的电流密度，发生较大的波动范围和电极寿命以及不确定的焊缝质量[ 7]。
为了方便研究点焊dp600时的电极磨损特性，首先建立确定的焊接实验参数，再对dp600和涂层钢在不同焊接数的轴向和径向磨损特性之间进行比较。
2 实验方法和步骤
2.1实验设备和材料
由OBARA公司生产的交流伺服焊枪被用来进行电极磨损试验。伺服焊枪在表1中列出其特性，与气动枪相比，伺服控制的伺服电机具有较高精度，降低了由于位置产生的对电极影响和更准确的电极压力控制，从而延长电极寿命[ 8]。机器人与伺服焊枪有六轴自由，最大负荷的机器人是200公斤，重复定位精确误差在±5um。伺服枪的上电极作为机器人的第七轴驱动，机器人伺服焊枪沿一预先设计路线到达预定位置，然后焊接程序运行的控制器完成焊缝焊接。
表一：伺服焊枪的主要参数

功率
最大电流
焊接力
最大行程
扭矩
110KW
18KA
5KN
160mm
17.5 Nm
表二：dp600的化学成分
元素
锰
铬
钼
铝
硅
含量（%）
1.40
0.21
0.05
0.02
0.4

图1 电极几何尺寸
实验中所用的钢是0.8毫米厚度的dp600钢和它的化学成分见表2，电极面直径为5毫米的球形电极，其详细的尺寸如图1所示。
2.2 确定焊接叶
焊接dp600应首先建立确定的焊接电极磨损试验参数。焊接参数对焊缝强度dp600的影响进行研究，如图2所示，焊接电流比焊缝强度和焊接时间在同等条件下有更大的影响。dp600钢的焊接叶根据焊接电流和时间显示在图3，左极限焊缝是根据最大力的80%来确定的。焊缝叶将采取更严重的驱逐比确定深凹陷深度和焊缝强度。一般来说，压痕深度应不超过厚度片的30%，否则疲劳强度焊点不满足强度要求[ 9]。为了减少驱逐比对焊缝强度的影响，试验确定焊缝叶压痕深度约等于25%板厚则通过实验规定设计。确定右极限的强度约11KN，焊接参数的选择根据焊缝叶的深度来确定见表3。

图2 在焊接DP600时焊接电流和时间的影响

图3 DP600焊接叶
电极磨损实验采取了不同的的焊接参数完成20毫米的间距焊缝来设计。拉伸剪切试验在完成300个焊缝后每完成50个焊缝焊接的速度，或者以0.30毫米的剪切速度完成300个焊缝后每焊接100个焊缝的/剪切速度来设计。每个剪切试验有三个样本，记录最大剪切力为焊接强度，试验样本大小为100毫米，38毫米和38毫米·重叠区域。碳印记方法得到的电极表面条件和在不同焊接编码下的电极直径，在每一个剥离试验下进行按钮直径测量。电极寿命被定义为当焊缝强度下降到低于最大值的80%时的焊缝数。
表3 焊接参数dp600
挤压循环时间 10周
焊接时间 10周
保持时间 5周
焊接力 220公斤
焊接电流 10安
焊接速度 12点/分钟
水流量 8升/分钟

图4 在不同焊接方法编号下碳印记电极
3 结果与讨论
3.1 dp600钢的焊接特点
径向电极磨损使电极表面直径扩大，从而降低对电极表面的电流密度。当电流密度太低，达到合适的熔核尺寸，电极寿命结束。尤其是焊接dp600钢需要更多的电流和时间，加速电极磨损，电极寿命减短。碳压印方法被用来获取电极表面直径和在不同的焊缝数量下的接触条件如图4所示，在dp600钢焊接时电极表面的碳印记，这实际上反映了机械接触面积电极片，和电极表面直径随着焊缝数量的增加而扩大。在不同的焊缝数量下焊接点和电极尖端的表面如图5所示。焊接点的表面反映了电极尖端的表面，在大约1000焊缝比在50焊缝下他们变成了更加的不规则。
白色碳印记区域（图4）是电极表面的点蚀地区的指示，点蚀开始出现在大约200焊缝及其区域随着焊缝数量增加而长大。面对敏感电极合金，锌涂层坚持在高温和压力下，产生低熔点合金电极表面。点蚀的形成是与去除合金产品从电极表面，点蚀逐步成长起来的焊缝数量增加，许多小坑区连在一起，形成一个大腔。大腔影响电极表面的电流分布和在边缘地区产生较大的高温和高压，从而导致环焊缝。一旦大腔形成，在高压力和温度下腔的地区可能被打破，接触面积电极片已大大增加来抵抗同一电极压力[ 10 ]，所以这是为什么焊接直径会突然增大700点左右的原因（图6）。点蚀对电极和其表面的情况是有很大影响的，这可能是导致焊接dp600钢时电极磨损的不确定和电极的寿命减短的原因。

图5 焊接DP600中焊点和电极外观
dp600钢的电极焊接直径变化特征和无涂层低碳钢焊缝数量的增加如图6所示。当焊接dp600，电极直径的迅速增加与焊缝数量的提高，在整个电极寿命试验（1200焊接）增加约1.9毫米。径向磨损率约为1.85um每焊接前焊接和下降到约7000.62um在700焊接下。使较高的径向磨损率比前700焊后700焊接的原因是较小的电极直径导致更高的电流密度和压力对电极表面的早期焊缝，在电极表面产生较高的温度。对电极表面的电流密度和压力随电极直径增大而增大，所以径向磨损率也下降，电极直径稍扩大后磨损阶段。但当焊接无涂层低碳钢，电极直径扩大只有约0.52毫米在1500焊接电极，而无涂层钢焊缝焊接8000；径向磨损率约为0.35um每焊接在1500焊缝。dp600径向磨损焊接比未涂层钢快得多。

图6 DP600钢和表面未刷漆DP600钢的径向磨损
3.2 焊接DP600钢时轴的磨损特
轴向电极(电极长度减少)能衡量伺服焊枪与测量精度在0.01毫米线上。通过伺服焊枪测量轴向磨损，穿包括上、下电极磨损。一般来说,上下电极在交流焊接枪[11]下均匀磨损,所以每一电极都会被磨损。如图图7、焊接dp600钢的轴向磨损率比未涂层钢更快；DP600的轴磨损率约为0.78Lm每400焊缝和焊接前减少约4000.23lm每焊接后焊缝，在整个电极寿命试验（1200焊接）中总长度减少约0.86毫米。在焊接dp600钢的早期磨损阶段比后来的磨损阶段具有更高的轴向磨损率，由于在早期磨损阶段的高电流密度和压力从电极表面删除更多的铜内容材料。平均轴向钢的焊接表面未刷漆磨损率仅为每个焊接和0.25 lm总长度约在1500年0.38毫米的焊缝。焊接DP600需要更多的电流和时间，锌涂层与铜电极容易合成,使电极具有严重塑性变形和新兴的和合金产品, 焊接DP600的电极磨损率比表面未刷漆钢材更快。
电极磨损包括电极直径扩大，电极长度减少和点蚀,电极磨损会产生较小的熔核尺寸和使电极失效。电极直径增大是影响焊接质量和电极寿命的主要因素[6、12]。事实上,减少电极长度的因素之一是放大电极直径。针对在实验（图8）中被用来的球形电极，可推断出轴向和径向磨损之间的关系
图8 球形电极的几何尺寸

其中R1是击穿的电极尖端半径、r0是原来的电极尖端半径、R是电极的球面半径,长度和Dh是电极长度的减少。

假如电极直径增长仅因轴向长度减少,在电极直径增大下不考虑其他的影响因素（电极的塑性变形或合金产品建立）,所以轴向长度的可以根据方程1来预测电极直径增长。预测和计量电极直径，如图9所示。当焊接dp600时，预测值均小于测量值。这是因为那合金产品，塑性变形的电极导致电极直径增加除长度减小外。虽然轴向长度减少率保持非常高水平在400的焊缝（0.78Lm每焊接），长度减少的贡献比率仅为电极直径增长的45%。但当长度下降到0.23每焊后在400焊缝硬度,长度的贡献率减少的电极直径增长了大约62%。结果表明，更多的合金产品和电极变形在早期磨损阶段电极直径增加比后来磨损阶段更快。
轴向和径向磨损减少对电极表面的电流密度和压力, 产生小金块，然后使电极失效。在不同焊缝数量下焊接DP600的焊缝界面如图10所示。在200焊缝下成立一个良好的9.3 kN的焊接强度和360 lm的凹坑深度。其熔核直径(测量截面的焊接点)大约是5.8毫米。但在1200焊接，没有熔核形成；由于电极损耗，压痕深度减少约90lm和焊缝强度只有8.2KN,使电极失效.

图7 . DP600钢和表面未刷漆钢的轴的磨损

图9 在焊接DP600中电极的直径测量和预测。

图10 在不同焊缝数量下DP600焊缝截面。
4 结论
（1） 通过绘制DP600钢的焊接叶来确定电极磨损实验中的焊接参数。在不减小焊接强度的情况下根据压痕深度大约等于25%的板厚来确定焊接叶的右极限。
（2） DP600钢焊接点的轴向和径向在早期磨损阶段中保持较高的磨损率，为了使电极直径扩大，在这一阶段中产生了更多的合金产品和电极变形，点蚀的变大加速了电极的失效和导致电极寿命的不确定性。DP600钢焊接点的电极磨损比未涂层钢的磨损快得多
致谢
这项研究已得到了国家自然科学基金（基金号：50575140）。

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