焊接专业毕业论文.doc

LF21防锈铝电阻焊接工艺及接头性能研究
1.绪论

1.1序言
1.2铝合金
1.2.1 铝合金的概况
电阻焊属于电阻热的焊接。它是运用电流通过工件及焊接接触面间所产生的电阻热，将焊件加热至塑性或局部熔化状态，再施加压力形成焊接接头的焊接措施。
电阻焊分为点焊、缝焊和对焊3种形式。
（1）点焊：将焊件压紧在两个柱状电极之间，通电加热，使焊件在接触处熔化形成熔核，然后断电，并在压力下凝固结晶，形成组织致密的焊点。
点焊合用于焊接4 mm如下的薄板(搭接)和钢筋，广泛用于汽车、飞机、电子、仪表和平常生活用品的生产。
（2）缝焊：缝焊与点焊相似，所不一样的是用旋转的盘状电极替代柱状电极。叠合的工件在圆盘间受压通电，并随圆盘的转动而送进，形成持续焊缝。
缝焊合适于焊接厚度在3 mm如下的薄板搭接，重要应用于生产密封性容器和管道等。
（3）对焊：根据焊接工艺过程不一样，对焊可分为电阻对焊和闪光对焊。
1）电阻对焊 焊接过程是先施加顶锻压力(10～15 MPa)，使工件接头紧密接触，通电加热至塑性状态，然后施加顶锻压力(30～50 MPa)，同步断电，使焊件接触处在压力下产生塑性变形而焊合。
电阻对焊操作简便，接头外形光滑，但对焊件端面加工和清理规定较高，否则会导致接触面加热不均匀，产生氧化物夹杂、焊不透等缺陷影响焊接质量。因此，电阻对焊一般只用于焊接直径不不小于20 mm、截面简朴和受力不大的工件。
2）闪光对焊 焊接过程是先通电，再使两焊件轻微接触，由于焊件表面不平，使接触点通过的电流密度很大，金属迅速熔化、气化、爆破，飞溅出火花，导致闪光现象。继续移动焊件，产生新的接触点，闪光现象不停发生，待两焊件端面所有熔化时，迅速加压，随即断电并继续加压，使焊件焊合。
闪光对焊的接头质量好，对接头表面的焊前清理规定不高。常用于焊接受力较大的重要工件。闪光对焊不仅能焊接同种金属，也能焊接铝钢、铝铜等异种金属，可以焊接0.01 mm的金属丝，也可以焊接直径500 mm的管子及截面为20 000 mm2的板材。
1.2.2 防锈铝
防锈铝：重要是Al-Mn系及Al-Mg系合金。因其时效强化效果不明显，因此不适宜热处理强化，但可以通过加工硬化来提高强度及硬度。此类合金重要性能特点是具有优良的抗蚀性，故称为防锈铝。
铝镁合金尚有铝锰合金统称为防锈铝，由于两者中间的合金成分均有增长他们防腐性能，铝锰合金代表是3003，3004，3105，第一种使用比较广泛，第二种一般使用在易拉罐体上面，后一种是电线以及其他的导电性规定比较高的上面使用，铝镁合金根据镁合金的含量的高下依次为5005 5252 5251 5050 5052 5754 5083 5056 5086等等，分别使用在某些防腐性能尚有强度规定比较高的行业，例如造船，容器尚有地铁高速列车
1.3 铝合金的焊接措施
几乎多种焊接措施都可以用于焊接铝及铝合金，但铝及铝合金对多种焊接措施的适应性不一样，多种焊接措施有其各自的应用场所。气焊和焊条电弧焊措施，设备简朴，操作以便。气焊可用于焊接质量规定不高的铝薄板及铸件的补焊。焊条电弧焊可用于铝合金铸件的补焊。惰性气体保护焊（TIG和MIG）措施是应用最广泛的铝及铝合金的焊接措施。铝及铝合金薄板可采用钨极交流氩弧焊或钨极脉冲氩弧焊。铝及铝合金厚板可采用钨极氦弧焊、氩氦混合钨极气体保护焊，熔化极气体保护焊，脉冲熔化极气体保护焊。
1.4 电阻焊
1.4.1 电阻焊基本原理
　　焊接热的产生及影响产热的原因点焊时产生的热量由下式决定：

电阻焊基本原理
　　Q =I″Rt (6-1）
　　式中Q——产生的热量(J)
　　I″——焊接电流(A)的平方
　　R——电极间电阻(Ω)
　　t——焊接时间(s）
　　1.电阻R及影响R的原因式（6-1）中的电极间电阻包括工件自身电阻R。，两工件间接触电阻R},电极与工作间接触电
　　阻R
　　点焊时的电阻
　　R =2Rw,-l-Rc-I-2Rm (6-2)分布和电流线
　　当工件和电极已定期，工件的电阻取决于它的电阻率。因此，电阻率是被焊材料的重要性能。电阻率高的金属其导热性差（如不锈钢），电阻率低的金属其导热性好（如铝合金）。因此，点焊不锈钢时产热易而散热难，点焊铝合金时产热难而散热易。点焊时，前者可以用较小电流（几千安培），后者就必须用很大电流（几万安培）。
1.4.2电阻焊的重要方式及影响原因
电阻焊措施重要有四种，即点焊、缝焊、凸焊、对焊
点焊（Spot Welding）
　　点焊是将焊件装配成搭接接头，并压紧在两柱状电极之间，运用电阻热熔化母材金属，形成焊点的电阻焊措施。点焊重要用于薄板焊接。
　　点焊的工艺过程：
　　1、预压，保证工件接触良好。
　　2、通电，使焊接处形成熔核及塑性环。
　　3、断电锻压，使熔核在压力继续作用下冷却结晶，形成组织致密、无缩孔、裂纹的焊点。
缝焊(Seam Welding)
　　缝焊的过程与点焊相似，只是以旋转的圆盘状滚轮电极替代柱状电极，将焊件装配成搭接或对接接头，并置于两滚轮电极之间，滚轮加压焊件并转动，持续或断续送电，形成一条持续焊缝的电阻焊措施。
　　缝焊重要用于焊接焊缝较为规则、规定密封的构造，板厚一般在3mm如下。
　　对焊(Butt Welding)
　　对焊是使焊件沿整个接触面焊合的电阻焊措施。
凸焊(Projection Welding)
　　凸焊是点焊的一种变型形式;在一种工件上有预制的凸点，凸焊i时，一次可在接头处形成一种或多种熔核。
　　1、电阻对焊(Resistance Butt Welding)
　　电阻对焊是将焊件装配成对接接头，使其端面紧密接触，运用电阻热加热至塑性状态，然后断电并迅速施加顶锻力完毕焊接的措施，
　　电阻对焊重要用于截面简朴、直径或边长不不小于20mm和强度规定不太高的焊件。
　　2、闪光对焊(Flash Butt Welding)
　　闪光对焊是将焊件装配成对接接头，接通电源，使其端面逐渐移近到达局部接触，运用电阻热加热这些接触点，在大电流作用下，产生闪光，使端面金属熔化，直至端部在一定深度范围内到达预定温度时，断电并迅速施加顶锻力完毕焊接的措施。
　　闪光焊的接头质量比电阻焊好，焊缝力学性能与母材相称，并且焊前不需要清理接头的预焊表面。闪光对焊常用于重要焊件的焊接。可焊同种金属，也可焊异种金属；可焊0.01mm的金属丝，也可焊0mm的金属棒和型材。
　　电阻焊接的品质是由如下4个要素决定的：
1.    电流，2.通电时间，3.加压力，4.电阻顶端直径

重要参数对焊接的影响
焊接电流的影响
　　从公式可见，电流对产热的影响比电阻和时间两者都大。因此，在点焊过程中，它是一种必须严格控制的参数。引起电流变化的重要原因是电网电压波动和交流焊机次级回路阻抗变化。阻抗变化是因回路的几何形状变化或因在次级回路中引入了不一样量的磁性金属。对于直流焊机，次级回路阻抗变化，对电流无明显影响。
　　除焊接电流总量外，电流密度也对加热有明显影响。通过已焊成焊点的分流，以及增大电极接触面积或凸焊时的凸点尺寸，都会减少电流密度和焊热接热，从而使接头强度明显下降。
焊接时间的影响
　　为了保证熔核尺寸和焊点强度，焊接时间与焊接电流在一定范围内可以互为补充。为了获得一定强度的焊点，可以采用大电流和短时间（强条件，又称强规范），也可以采用小电流和长时间（弱条件，又称弱规范）。选用强条件还是弱条件，则取决于金属的性能、厚度和所用焊机的功率。但对于不一样性能和厚度的金属所需的电流和时间，都仍有一种上、下限，超过此限，将无法形成合格的熔核。
电极压力的影响
　　电极压力对两电极间总电阻R有明显影响，伴随电极压力的增大，R明显减小。此时焊接电流虽略有增大，但不能影响因R减小而引起的产热的减少。因此，焊点强度总是伴随电极压力的增大而减少。在增大电极压力的同步，增大焊接电流或延长焊接时间，以弥补电阻减小的影响，可以保持焊点强度不变。采用这种焊接条件有助于提高焊点强度的稳定性。电极压力过小，将引起飞溅，也会使焊点强度减少。
电极形状及材料性能的影响
　　由于电极的接触面积决定着电流密度，电极材料的电阻率和导热性关系着热量的产生和散失，因而电极的形状和材料对熔核
　　的形成有明显影响。伴随电极端头的变形和磨损，接触面积将增大，焊点强度将减少。
工件表面状况的影响
工件表面上的氧化物、污垢、油和其他杂质增大了接触电阻。过厚的氧化物层甚至会使电流不能通过。局部的导通，由于电流密度过大，则会产生飞溅和表面烧损。氧化物层的不均匀性还会影响各个焊点加热的不一致，引起焊接质量的波动。因此，彻底清理工件表面是保证获得优质接头的必要条件
1.4.3电阻焊循环过程分析
电阻焊一般在焊件装配好之后才接通电源的，电源一旦接通，变压器就在负载状态下运行，一般无空载运行的状况发生，其他工序，如装载，夹紧等，一般不需要接通电源，因此变压器处在断续工作状态。
　　点焊 将工件搭接在上、下两个电极之间并压紧，通电后工件局部熔化，冷却后凝固形成焊点。焊点直径一般为单个工件厚度的2倍加3毫米,焊点高度为工件总厚度的30～70％。焊点的数目和电流大小，根据接头所需要的强度选择。点焊常用于飞机、汽车、铁路车辆和电器等薄壁构件的联接，也可用于钢筋、棒材或金属丝网的交叉联接。适合采用点焊的最大厚度：低碳钢一般为3毫米,钢筋和棒材直径可达25毫米。焊接两个厚度不等的工件时厚度比应不不小于 1:3。单点焊的生产率一般可达每分钟 100点。大量生产中往往采用专用的多点焊机。
　　将被焊工件之一在焊前冲出或压出凸点或凸环，用平板电极焊接。焊接过程与点  焊相似。焊时凸点被压平，形成接头，可同步焊接许多点或一种环。凸焊合用于大量生产和焊接厚度相差较大的工件，如飞机的孔盖、加强板、晶体管的管壳等。
1.4.4电阻焊的优缺陷
电阻焊的长处
　　1、熔核形成时，一直被塑性环包围，熔化金属与空气隔绝，冶金过程简朴。
　　2、加热时间短，热量集中，故热影响区小，变形与应力也小，一般在焊后不必安排校正和热处理工序。
　　3、不需要焊丝、焊条等填充金属，以及氧、乙炔、氢等焊接材料，焊接成本低。
　　4、操作简朴，易于实现机械化和自动化，改善了劳动条件。
5、生产率高，且无噪声及有害气体，在大批量生产中，可以和其他制造工序一起编到组装线上。但闪光对焊因有火花喷溅，需要隔离。
电阻焊的缺陷
　　1、目前还缺乏可靠的无损检测措施，焊接质量只能靠工艺试样和工件的破坏性试验来检查，以及靠多种监控技术来保证。
　　2、点、缝焊的搭接接头不仅增长了构件的重量，且因在两板焊接熔核周围形成夹角，致使接头的抗拉强度和疲劳强度均较低。
　　3、设备功率大，机械化、自动化程度较高，使设备成本较高、维修较困难，并且常用的大功率单相交流焊机不利于电网的平衡运行。
1.4.5 电阻焊的发展概况
伴随航空航天、电子、汽车、家用电器等工业的发展、电阻焊越加受到广泛的重视。同步，对电阻焊的质量也提出了更高的规定。可喜的是，我国微电子技术的发展和大功率可控硅、整流器的开发，给电阻焊技术的提高提供了条件。目前我国已生产了性能优良的次级整流焊机。由集成电路和微型计算机构成的控制箱已用于新焊机的配套和老焊机的改造。恒流、动态电阻，热膨胀等先进的闭环监控技术已开始在生产中推广应用。这一切都将有助于提高电阻焊质量，并扩大其应用领域。
1.5 铝合金的电阻焊
国外的学者对铝合金的点焊研究较多，而我国在这方面研究较少，英国学者M.HAO认为在低碳钢点焊时使用良好的动态电阻法不适合于铝合金点焊，在动态电阻与熔核直径或承载能力之间没有确定的关系。点焊铝合金时，电极位移与熔核直径之间的关系也是不确定的，单独使用热膨胀信息来预测铝合金点焊的熔核尺寸是很片面的。他认为用任何单一的参数来预测熔核直径及焊点强度都是不充足的。M.HAO运用从测得数据中提取出的几种特性信息预测了铝合金点焊熔核尺寸及承载强度，成果良好。90%熔核尺寸（直径）预测误差在±（0.2～0.4）mm之间，90%焊点拉伸强度误差在±(0.68～0.89)kN之间。M.HAO在最终的结论中提到仅测量电参数就可以预测焊接及焊点强度并检测与否发生飞溅。这会大大简化这一措施在生产应用所碰到的传感器问题[8]。
多种铝合金与其他黑色金属相比，具有导热导电性好，热膨胀系数大，表面易氧化形成较大的接触电阻等共同特性，因此他们点焊与缝焊的重要特点是：
⑴由于电阻率小，热导率大，要?蟛捎么蟮缌鳌⒍淌奔涞墓娣逗附樱ǔＢ梁辖鸷附铀煤附拥缌髟嘉穸鹊吞几值?4～5倍。因此，规定有大容量的电源，这在一般交流焊机上往往难以满足。另一方面由于热导率大，焊件表面极易过热，使电极与焊件互相粘结，电极磨损加剧，表面质量下降。对表面包纯铝的硬铝合金来说，还将因电极的铜原子进入包铝层，使铝合金表面抗腐蚀性能减少。
⑵焊接时极易产生飞溅。由于铝合金的常温强度较高，表面又极易氧化而形成较高的接触电阻。焊接时瞬时通以强大的焊接电流，将使接触面上局部电流密度过大，瞬时熔化，而形成初期飞溅，影响焊件表面质量并使电极使用寿命下降。
此外，由于铝合金的线膨胀系数α大，在加热过程中，伴随熔核的形成与扩大，焊接区金属体积的膨胀量大。这时，假如焊机加压机构的随动性不好，则会使加在熔核上的实际电竭力忽然增大，易将熔核周围的塑性环挤破，导致后期飞溅。
⑶对于硬铝合金来说，产生裂纹的倾向较大。硬铝合金具有一定量的铜元素。铜与铝可形成低熔点的共晶体，分布在晶界上。在熔核冷却结晶阶段，假如缺乏足够的电竭力，则形成较大的收缩变形和应力，使熔核产生热裂纹。
1.6 本文研究内容
本文重要研究了1.5mmLF21防锈铝电阻点焊工艺条件下重要焊接参数对焊接接头性能的影响状况，并可以分析出在何种参数组合下焊接接头的各项性能均能到达很好的原则。同步进行金相组织分析，分析组织中出现的缺陷原因以及怎样防止缺陷的产生。
2.试验准备及方案设计

2.1试验材料
LF21铝合金属于铝锰系防锈铝的经典合金，是一种不可热处理强化的铝合金。该铝合金的特点是抗蚀性强、焊接性能好、并具有中等强度，在退火状态时塑性高，而在冷作硬化状态时塑性低但耐蚀性强，是一种应用最为广泛的防锈铝。常用作液体或气体介质中工作的低载荷零件，如油箱、导管及多种异形容器材料。
试验用材料使用的是厚度为1.5mm的LF21铝合金板，尺寸规格（长×宽×厚）为150mm×20mm×1.5mm,其重要化学成分和力学性能分别如表2.1和表2.2所示。LF21防锈铝的重要强化相Al6Mn，杂质相为Al6（FeMn），或（Fe,Mn,Si）Al6等，但其杂质的存在减小了Mn的偏析，对细化晶粒有一定的增进作用。
表2.1 LF21铝合金的重要化学成分（质量分数/%）
合 金
元 素
Cu
Mg
Mn
Fe
S
Zn
Ti
Al
含量
0.2
0.05
1.6
0.7
0.6
0.1
0.15
余量
表2.2 LF21铝合金的力学性能

LF21
加工状态
抗拉强度σb/ MPa
屈服强度σs/ MPa
伸长率δ/%
断面收缩率Ψ/%
退火
130
50
20
70
冷作强化
160
130
10
55

2.2焊接试验
2.2.1焊接设备
在焊接过程中所用到设备是D/TN-42型单相交流点(凸)焊机（见图2.1），详细参数如表2.3所示。焊接中采用了单相工频交流电源，电网交流380V电流经主电力开关及功率调整器输入到焊接变压器的一次绕组，再通过焊接变压器降压从其二次绕组输出大电流，用于焊接工件。
D/TN-42型单相交流点(凸)焊机使用了SK-Ⅱ电阻焊控制器，用于实现焊接电流、电极压力、压紧力、顶锻力等工艺参数的调整与控制，保证焊接循环中各阶段工艺参数的动态波形互相匹配和时间控制，来实现规定的焊接循环，控制器启动开关启动后，程序从加压时间开始执行，执行过程时序图如图2.2所示，预压后进行一次加热，压力在加热时维持不变直到加热结束，进入冷却时间，冷却结束后开始第二次加热并维持压力的大小，接着压力减小进入休止状态。本试验采用了一次加热过程，即开关启动后，焊机处在加压→焊接（通电）→维持冷却的循环状态。
图2.1 D/TN-42的交流单相点(凸)焊机
表2.3 D/TN点(凸)焊机的重要参数
焊机型号
D/TN-42
最大焊接功率
23kV.A
电源电压
1.5Hz～300V
次级空载电压
5.2V
原则代号
GB15578、GB/T8366、JB/T9529、JB/T10110
50%负载持续率
的标称功率
40kV.A
最大次级短路电流
17.5kA
电极臂间距E）
220mm
电极臂伸出长度（L）
500mm
电极总行程（s）
60mm
电极工作行程（s1）
<60mm
最小电极预压力（Fmin）
1200N
最大电极锻压力
6000N
冷却水压力（Ps）
0.3MPa
冷却水流量（Q）
2dm3/min
供气压力（PQ）
0.5MPa
整机重量
280kg
图2.2 控制器过程时序图

2.2.2接头设计及试验准备
根据焊接接头的不一样，电阻焊分为了点焊、凸焊、缝焊和对焊，本试验采用了点焊接头，LF21防锈铝板尺寸规格为为150mm×20mm×1.5mm（长×宽×厚），接头设计如图2.3所示:

图2.3 焊接接头设计(mm)
由于铝合金的化学活性很强，在空气中表面极易形成难熔的氧化膜（Al2O3熔点约为2060℃），加之铝合金导热性强，因此焊接时易导致不熔合现象。由于氧化膜密度与铝的密度相近，也轻易成为焊缝金属的夹杂物，同步，氧化膜可吸取较多水分而成为焊缝气孔的重要原因之一。因此必须在焊接前进行氧化膜的清理工作。试验中采用了砂纸进行氧化膜的清理，清理结束应尽快进行焊接，不能寄存时间过长，以防止铝合金的再次氧化。
2.2.3 焊接方案
前期完毕了对焊接接头的设计并在焊前对LF21防锈铝板进行了氧化膜的清理，接着在焊接前还需制定一种焊接过程中参数变化的焊接方案。试验方案采用了正交试验法，选择合适的正交表来制定合适?氖匝榉桨浮?
正交科研设计法又称正交试验法或正交法，是一种安排和分析多原因试验的科学措施，它是以人们的生产实践经验、有关的专业知识和概率论与数理记录为基础，运用数学上的“正交性”原理而编制并已原则化了的表格——正交表，来科学的安排试验方案和对试验成果进行计算、分析，找出最优的或较优的生产条件或工艺条件的数学措施。
在电阻点焊过程中，对焊接成果影响比较重要的原因有焊接电流、通电时间、电竭力、焊接速度、电极直径、电极间电压、焊接过程中的动态电阻等。由于焊接参数对焊接质量影响最大并且搜集信息比较轻易，其他原因例如电极直径、焊接速度。电极间电压等采集信息比较困难，并且焊接时一般可对这些原因采用固定值，因此，本试验选用了焊接电流、通电时间和电极压力这三个焊接参数来研究分析其对LF21防锈铝材料电阻点焊接头性能的影响状况。
本试验确定要考察的原因有三个，即焊接电流Iw（原因A）、通电时间tw（原因B）、电极压力F（原因C），每个原因均取三个水平，即焊接电流A：A1=13.9kA，A2=15.2kA，A3=16.4kA；通电时间B：B1=0.18s，B2=0.22s，B3=0.20s；电极压力C：C1=2400N，C2=3600N，C3=3000N。列出的原因水平表如表2.4所示。
表2.4焊接电流、通电时间与电极压力三原因水平表
水 平
因 素
焊接电流A（kA）
通电时间B(s)
电极压力C(N)
1
13.9
0.18
2400
2
15.2
0.22
3600
3
16.4
0.20
3000
原因与水平选择好了后来，就开始选择合适的正交表。由于本试验的原因水平表为三原因三水平，因此选择了L9(34)正交表。将各个原因水平按“水平对号入座”的措施填入所选用的L9(34)正交表上，并列出试验方案如表2.5所示。
表2.5焊接电流、通电时间与电极压力三原因试验方案

试 验 号
因 素
焊接电流A（kA）
通电时间B(s)
电极压力C(N)

列 号
1
2
3
4
1
1（13.9）
1（0.18）
1（2400）
1
2
1
2
2
2
3
1
3
3
3
4
2（15.2）
1
2（3600）
3
5
2
2（0.22）
3
1
6
2
3
1
2
7
3（16.4）
1
3（3000）
2
8
3
2
1
3
9
3
3（0.20）
2
1
按照表2.5的方案焊接两组试样，其中一组试样用于拉伸试验，此外一组用于熔核直径的测量、焊透率的计算以及金相试样的制备。对试验成果分析可以得到影响焊接成果的最重要原因，因此还需设计一种两原因三水平的正交表来确定影响焊接成果的次要原因和影响最小的原因。
这个两原因三水平表要考察的原由于：焊接电流Iw（原因A*）和通电时间tw（原因B*），每个原因均取三个水平，即焊接电流A*：A*1=13.9 kA，A*2=15.2 kA，A*3=16.4 kA；通电时间B*：B*1=0.18s，B*2=0.20s，B*3=0.22s。列出的原因水平表如表2.6所示。
由于是两原因三水平表，因此仍然可以选用L9(34)正交表，将各项原因水平按照规律填入正交表中，并列出试验方案如表2.7所示。
表2.6 焊接电流、通电时间两原因水平表
水 平

因 素
焊接电流A*（kA）
通电时间B*(s)
1
13.9
0.18
2
15.2
0.20
3
16.4
0.22
表2.7焊接电流、通电时间两原因试验方案

试 验 号
因 素
焊接电流A*（kA）
通电时间B*(s)

列 号
1
2
3
4
1
1（13.9）
1（0.18）
1
1
2
1
2
2
2
3
1
3
3
3
4
2（15.2）
1
2
3
5
2
2（0.20）
3
1
6
2
3
1
2
7
3（16.4）

1
3
2
8
3
2
1
3
9
3
3（0.22）
2
1
完毕试验方案的设计之后，按照试验方案进行焊接，每组焊接参数焊接两组试样，焊接完毕后进行各项测试和测量工作。
2.3 焊后分析过程简介
在材料的焊接完毕后，还需要对焊件进行一系列的检查，包括撕破检查、低倍检查、接头显微组织检查和力学性能试验。
金相分析是金属材料试验研究的重要手段之一，采用定量金相学原理，由二维金相试样磨面或薄膜的金相显微组织的测量和计算来确定合金组织的三维空间形貌，从而建立合金成分、组织和性能间的定量关系。本次试验的金相组织观看采用了型号为OLMPUS-PME3的金相显微镜（见图24），重要是对焊后LF21薄板铝合金焊接接头进行微观组织观测。对切割下来的试样通过锉刀的粗磨后，运用不一样规格的砂纸进行细磨以及在抛光机上进行机械抛光，抛光中采用的抛光粉为氧化铬，进行抛光直至得到光亮无痕的镜面，接着进行浸蚀，运用浸蚀剂对试样的化学溶解将组织显露出来，在金相显微镜下对焊后的LF21防锈铝合金的组织特点以及出现的缺陷进行观测和分析。本次试验采用的浸蚀剂为氢氟酸水溶液（氢氟酸0.5mL+水100mL）。

图2.4 OLMPUS-PME3的金相显微镜
金属材料的力学性能是指金属在外加载荷作用下或载荷与环境原因（温度、介质和加载速率）联合作用下所体现的行为。金属材料的力学性能重要包括强度、硬度、塑性、耐磨性和缺口敏感性等性能。
焊接完毕后将选择一组对焊件进行拉伸试验。拉伸试验是指在承受轴向拉伸载荷下测定材料特性的试验措施，试验所用的设备为CMT电子万能材料试验机（见图2.5），运用拉伸试验所得到的数据可以确定材料的抗拉强度，用来检查材料与否符合原则和材料的性能。
焊接接头质量的好坏最终反应在接头强度上，而接头强度重要取决于焊点的尺寸，表面与内部质量。表面质量是指焊件表面电极压痕深度大小，有无表面飞溅、烧伤、裂纹、粘连电极、翘曲变形及表面抗腐蚀性能的变化等。
当接头上存在的内部或外部缺陷均在规定的原则容许的范围内时则接头强度重要决定于焊点的几何尺寸，即焊点的熔核直径dR、焊透率A%与电极的压痕深度c。
选择此外一组焊件进行测量熔核直径、压痕深度和焊透率等数据。压痕深度是指点焊和缝焊后，由于通电加压，在焊件表面上所产生的与电极端头形状相似的凹痕，它的出现属于正常现象。但过深的压痕将引起应力集中，减少动载性能，一般表面压痕应不不小于单板厚度的10%～20%。
焊透率是指单板实际熔深h与焊后实际板厚（δ-c）之比例，其公式为A=[h/(δ-c)] ×100%
式中 A——焊透率（%）；
h——熔深（mm）；
c——压痕深（mm）；
δ——板厚（mm）。
焊透率A一般在20%～80%内波动，一般如下限为佳，过大的熔深并不会增长强度。
图2.5 CMT电子万能材料试验机

3 试验成果与分析讨论
3.1 三原因焊接试验成果分析
根据表2.5完毕焊接电流、通电时间以及电极压力三原因正交焊接试验后，进行了拉伸试验、测量了熔核直径并且对焊透率进行了计算，各项测试及计算成果如表3.1所示。
表3.1 焊接电流、通电时间与电极压力三原因焊接试验成果
参数
焊接电流Iw（kA）
通电时间tw (s)
电极压力F（N）
熔核直径dR(mm)
焊透率A（%）
抗拉强度σb(MPa)
1
13.9
0.18
2400
5.46
53.3
124.11
2
13.9
0.22
3600
5.06
45.3
26.267
3
13.9
0.20
3000
3.70
49.3
25.813
4
15.2
0.18
3600
2.80
34
22.093
5
15.2
0.22
3000
5.80
53.3
33.703
6
15.2
0.20
2400
5.60
69.3
81.047
7
16.4
0.18
3000
4.58
53.3
36.13
8
16.4
0.22
2400
4.68
51.3

75.58
9
16.4
0.20
3600
3.72
51.3
17.813
从表3.1中直接可以看出来，当电极压力为2400N时，抗拉强度相比较高，但由于在进行拉伸试验时焊件存在着偏心力矩，在载荷过程中焊件会产生塑性变形使板件扭转而力图减小偏心力矩，从而使得部分焊件的抗拉强度较低。
抗拉强度高的焊件的熔核直径普遍在5.0左右，基本符合了板厚为1.5+1.5铝合金电阻点焊的最小熔核直径。
从表3.1的数据可以看出，电极压力的升高使抗拉强度减小，而抗拉强度的减小原因很也许是未焊透，这个现象出现的原因也许是电极压力过大，使得接触电阻变小，焊接热量局限性导致了焊件的未焊透现象的产生。
运用正交试验法对焊透率这个指标进行分析，从直观分析、原因指标方面对指标的平均值和极差进行分析如表3.2所示，并作出原因指标图（见图3.1）。

表3.2 三原因焊接试验成果分析
所在列
1
2
3
4

原因
焊接电流Iw
通电时间tw
电极压力F

试验成果A
1
13.9
0.18
2400
1
53.3
2
13.9
0.22
3600
2
45.3

（表3.2续）
3
13.9
0.20
3000
3
49.3
4
15.2
0.18
3600
3
34
5
15.2
0.22
3000
1
53.3
6
15.2
0.20
2400
2
69.3
7
16.4
0.18
3000
2
53.3
8
16.4
0.22
2400
3
51.3
9
16.4
0.20
3600
1
51.3
均值1
 49.300
46.867
57.967
52.633

均值2
52.200
49.967
45.533
55.967

均值3
 51.967
56.633
51.967
44.867

极差R
 2.900
9.766
14.434
11.100

按照表3.2，用原因的水平做横坐标，指标的平均值做纵坐标，画出原因与指标关系图(见图3.1)，来发现指标随原因变化的规律和趋势。

图3.1 焊接电流、通电时间与电极压力与指标关系图
从表3.2的计算成果和图3.1可以看出：
 ⑴通电时间越高，焊透率越高，以0.20s时焊透率到达最高。
⑵焊接电流以15.2kA时焊透率最高。
⑶电极压力方面以2400N时的焊透率最高。
由上面图表综合起来初步确定最优参数水平组合为A2B3C1，即焊接电流为15.2kA,通电时间为0.20s，电极压力为2400N的参数组合。 
焊接接头缺陷分析
电阻焊构造设计不合理、材料原始条件不精确、零件表面应有状态遭破坏、设备工作不稳定及工艺措施不妥，均会形成导致消弱工作性能和承载能力的缺陷，因此分析缺陷的产生，进而采用恰当的工艺措施，是电阻焊接生产中重要的一环。焊接缺陷所选用的试样为表2.5中的4号试样，即焊接电流为15.2kA、通电时间为0.18、电极压力为3600N参数下的试样。
电阻焊的缺陷按照其出现的部位，可以分为内部缺陷、外部缺陷和构造缺陷。其中内部缺陷包括未熔合、缩孔、裂纹、结合线伸入、内部喷溅等。外部缺陷包括压痕过深、烧伤、烧穿、边缘胀裂和外部喷溅等。
在焊接完毕后选用试样进行金相制备，观看其内部组织，与否有缺陷的产生并对产生的原因进行分析。在金相观测中发现了裂纹、气孔和高温液化等现象，如图下所示。
在图3.8中出现了气孔缺陷，产生的原因应当为焊接前对氧化膜进行清理时未能清理彻底，氧化膜有少许的残留，使得氧化膜吸取了少许的水分，导致在焊接过程中，由于冷凝速度太快导致气体来不及逸出而产生了气孔。阐明氧化膜对焊接质量的影响非常大，焊接前必须对其进行彻底的清理，以保证焊接接头的力学性能以及其他各项指标。

图3.8 焊缝区出现的气孔 200x
图3.11所示的裂纹为熔核内部裂纹。可以看出来由于电阻点焊采用的是短时间、大电流的硬规范操作，在电极压力的作用下熔核内部液态金属出现喷溅的现象，喷溅分为了内部喷溅和外部喷溅。

图3.11 焊缝内部出现的裂纹 500x

图3.11 焊缝内部出现的裂纹 500x
从这些缺陷的产生原因可以看出LF21防锈铝表面存在的氧化膜对熔核直径、焊透率、抗拉强度有很大影响。

4 结论

本论文采用了正交试验法对1.5mm厚LF21防锈铝板的电阻点焊工艺进行了试验方案的设计，对试验成果、接头性能和组织进行了分析，得出了如下结论：
⑴在焊接参数对指标的影响关系中：电极压力>焊接电流>通电时间
⑵LF21电阻点焊在焊接电流为15.2kA、通电时间为0.20s、电极压力为2400N时焊接成果最佳。
⑶通过对在焊接过程中出现的焊接缺陷进行了分析，出现缺陷的原因除了母材具有缺陷外，LF21防锈铝表面较厚的氧化膜给焊接带来了一定的影响，是影响焊接质量的重要的外部原因。