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國外電阻焊技術(shù)的進展（一）
近年來隨著汽車車輛、航空航天、建筑、運輸以及輕工家電等工業(yè)的飛速發(fā)展，相應(yīng)的工業(yè)產(chǎn)品在其材料、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用領(lǐng)域上不斷更新和發(fā)展，對產(chǎn)品的加工質(zhì)量要求不斷提高，作為這些工業(yè)產(chǎn)品制造中的一種廣泛使用的材料加工工藝 —— 電阻焊也受到了很大的挑戰(zhàn)。
由于電阻焊過程相當復(fù)雜，包含了多種影響因素，例如：被焊材料、電流、電極壓力、通電時間、電面形狀及尺寸、分流、焊點離邊緣的距離、板厚、工件表面狀態(tài)等，而且這些因素之間互相，有一定的交互作用。同時，加之焊接過程中熔核的不可見性及焊接過程進行的瞬時性，給焊接質(zhì)量控制帶來較大的困難。為了適應(yīng)新材料、新工藝、新產(chǎn)品在工業(yè)上開發(fā)應(yīng)用的需要，以使電阻焊工藝及設(shè)備能滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)的要求，近十年來，各國焊接界在電阻焊工藝和設(shè)備控制方面做了大量的工作，主要集中在以下幾方面：
1）電阻焊過程的計算機模擬研究
2）新型材料的可焊性研究
3）電阻焊質(zhì)量監(jiān)控方法研究
1 電阻焊過程的計算機模擬研究
電阻焊是一個牽涉到電學、傳熱、冶金和力學的復(fù)雜過程，其中包括焊接時的電磁、傳熱過程、金屬的熔化和凝固、冷卻時的相變、焊接應(yīng)力與變形等。要得到一個高質(zhì)量的焊接接頭必須要控制這些因素。傳統(tǒng)的電阻焊工藝及參數(shù)制定方法是通過一系列工藝試驗和經(jīng)驗數(shù)據(jù)得到的。然而從發(fā)展來看，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬的方法將起越來越重要的作用。例如，用新的高強鋼等材料制造新的工程結(jié)構(gòu)，尤其是對于一些航空航天重要結(jié)構(gòu)，沒有多少經(jīng)驗可以憑借，如果只依靠實驗方法積累數(shù)據(jù)要花很長的時間和經(jīng)費，而且任何嘗試和失敗，都將造成重大經(jīng)濟損失。此時數(shù)值方法將發(fā)揮其*的能力和優(yōu)點。只要通過少量驗證試驗證明數(shù)值方法在處理某一問題上的適用性，那么大量的篩選工作便可由計算機進行，而不必在車間和實驗室里進行大量的試驗工作。這就大大節(jié)約了人力、物力和時間，具有很大的經(jīng)濟效益。一旦各種焊接現(xiàn)象能夠?qū)崿F(xiàn)計算機模擬，我們就可以通過計算機系統(tǒng)來確定焊接各種結(jié)構(gòu)和材料時的*設(shè)計、*工藝方法和焊接參數(shù)。此外，數(shù)值模擬還廣泛地用于分析點焊接頭強度和性能等方面。
由于電阻點焊熔核形成的不可見性，對其試驗觀測相當困難，理論模型的建立對它的分析研究具有重要價值。自1984年Nied[1]建立的zui初有限元點焊分析模型開始，至今已有不少點焊的有限元模型出現(xiàn)，并為實際生產(chǎn)提供了理論依據(jù)[2-5]。
隨著有限元數(shù)值模擬方法在電阻焊研究領(lǐng)域的深入應(yīng)用，近年來上在此領(lǐng)域上的研究主要集中在以下三方面：
1.1 采用電－熱－力耦合有限元模擬方法
電阻點焊過程是一個存在電、熱、力學和冶金現(xiàn)象相互作用的復(fù)雜過程，這一過程包括電場問題、熱傳導(dǎo)問題和熱彈塑性變形問題，所以必須考慮所有這些問題的相互作用和耦合效應(yīng)，有壓力引起的工件——電極以及工件——工件界面之間的接觸狀態(tài)的變化，以及熱變形在這些相互作用中起重要的影響，嚴格的說求解這樣的耦合問題，應(yīng)該同時求解電場、熱場和力場。因此，近年來對于電阻點焊的有限元分析從原先互相孤立的電場、熱場和力場分析逐步發(fā)展為電－熱－力耦合分析，例如：美國學者Sun,X.用電－熱－力耦合有限元模擬點焊過程熔核生長及熱分布[6]，研究了帶有中間過渡材料的鋁合金與鋼板的電阻點焊，模擬結(jié)果經(jīng)實驗驗證：該模型可用于電極選擇階段，以減小焊接變形和改善焊接質(zhì)量；韓國學者Cha，B.W.通過對304不銹鋼電阻點焊過程的電－熱－力分析得出焊后的殘余應(yīng)力以及影響殘余應(yīng)力的點焊參數(shù)[7]；Feng,Z.等學者開發(fā)了一種用以模擬電阻點焊過程和性能的集成模型[8]，它將點焊中的基本物理現(xiàn)象和載荷條件結(jié)合起來，這種方法由工藝模型、微觀模型及結(jié)構(gòu)模型三部分組成，它可以綜合評價在電－熱－力作用下的點焊接頭性能；日本學者De,A在鋁合金電阻點焊的研究中，采用電－熱－力耦合的有限元模型[9]，預(yù)測了在不同焊接電流、焊接時間、電極力作用下的熔核直徑、熔深、電極與板的接觸直徑等，經(jīng)驗證：這種模型對于離線檢測焊接參數(shù)對焊點尺寸的影響非常有用。
1.2 計算機模擬的性分析
隨著計算機模擬方法在電阻焊過程研究中的應(yīng)用日趨廣泛，為了進一步開發(fā)它用于工業(yè)生產(chǎn)中，必須考慮這種模擬方法的誤差有多大？如何提高數(shù)值模擬的精度，使其得出的結(jié)果更接近于實際焊接情況。近來，有些國外學者就此方面作了專門的研究，例如：美國學者Cavendish,James C.在文章中提到[10]：對于計算機模擬模型評估的一個重要問題是判斷它是否足夠，通常人們用貝葉斯定理統(tǒng)計策略來分析模擬計算的誤差范圍，但是，在輸入量和未知參數(shù)多、數(shù)據(jù)量大的情況下，統(tǒng)計分析變得相當困難。Hasselman,Timothy等學者在用電－熱－力有限元模型分析鋁合金電阻點焊過程，計算熔核尺寸和表面壓痕時，采用基于不確定模型方法的主元素法，通過對熔核尺寸和壓痕統(tǒng)計的線性均方差得到有限元的預(yù)測精度。
1.3 計算機模擬的工業(yè)應(yīng)用
計算機數(shù)值模擬有其成本低，參數(shù)改變靈活、方便等優(yōu)點，但目前大部分都用于離線計算和模擬，如何將這種方法有效地應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中對焊接質(zhì)量進行在線評估和控制，這個問題也成為近年來焊接學家們研究的一個重點。丹麥學者Zhang,Wenqi基于長期的工程研究和工業(yè)合作，開發(fā)了一個新的基于有限元方法的焊接軟件[12]:SORPAS,用于模擬電阻凸焊和點焊過程。為了使該軟件能被工廠中的工程師和技術(shù)員直接應(yīng)用，電阻焊中的所有參數(shù)被考慮并自動地在軟件中實現(xiàn)。該軟件支持Windows友好界面，操作靈活，對工件及電極可靈活地進行幾何形狀設(shè)計，參數(shù)設(shè)置猶如正式焊機，它可用于工業(yè)中支持產(chǎn)品開發(fā)和工藝優(yōu)化。現(xiàn)在Volkswangen, Volvo, Siemens和ABB等公司都開始采用此軟件。美國華盛頓大學的Li,Wei提出了一個基于接觸區(qū)域的點焊質(zhì)量評估模型[13]，它是用一個有限元分析模型來表示接觸區(qū)域變化，根據(jù)模擬結(jié)果進行在線應(yīng)用，經(jīng)試驗：在不同的電極尺寸、電極力、焊接時間和電流下這種方法是成功的，它將為電阻焊監(jiān)測和控制提供重要的信息。
2 新型材料的可焊性研究
隨著工業(yè)的迅猛發(fā)展，對工業(yè)產(chǎn)品（特別是汽車）外殼用材的性能提出了更高的要求，并促進了產(chǎn)品用材的更新?lián)Q代。例如，為了改善汽車外殼的抗腐蝕性能，提高汽車的使用壽命，在汽車車身制造中大量采用鍍鋅鋼板代替普通冷軋鋼板；為了減輕車身總體重量，節(jié)省能源消耗，世界各大汽車公司正在開發(fā)鋁合金或高強鋼車身的汽車。由于在汽車車身等薄板結(jié)構(gòu)的裝配制造中，大量采用電阻點焊方法，為保證焊接質(zhì)量，研究鋁合金、鍍鋅鋼板高強鋼等新材料的電阻點焊性能已成了非常迫切的任務(wù)。近年來，各國焊接工作者就此方面做了大量的理論及實際研究工作，并取得了一定的成績。
2.1 鋁合金的電阻點焊研究
鋁合金熔點低、屈服強度低、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能良好以及存在表面氧化膜等特點，給電阻點焊帶來了很大的困難，近年來各國焊接學家主要作了以下一些研究：
在鋁合金點焊電極壽命研究方面，美國沃特盧大學的Lum,L在研究5182鋁合金點焊電極壽命中，采用了掃描電鏡、SEM/EDX、XRD等方法，研究表明[14]：從電極衰退到zui終失效主要經(jīng)歷了鋁剝離、鋁與銅合金化、電面蝕斑及電面凹坑四個階段，由于蝕斑和凹坑起源于鋁的剝離和合金化，因此，作者認為定期對電極表面清潔能增加電極壽命，有利于汽車生產(chǎn)中鋁合金的應(yīng)用；美國加利福尼亞大學的Fresz,B研究了銅電極的合金成分對電極壽命的影響[15]，試驗中采用了Cu-Cr,Cu-Zr,Cu-Cr-Zr,Cu-Be等不同的銅電極材料；Dorn,Lutz等學者提出了點焊鋁合金時采用復(fù)合電極以提高其壽命[16]，研究采用在鉻鋯銅電部鑲嵌鎢的復(fù)合電極焊接鋁合金，發(fā)現(xiàn)電極壽命可提高1.5至2倍。
在鋁合金點焊的工藝研究方面，Sari,H.等學者通過鋁合金點焊工藝試驗，研究了鋁合金點焊時電極接觸半徑與接觸電阻間的關(guān)系，以及電極接觸半徑與工件與工件的接觸面積間的關(guān)系[17]；美國密西根大學的Cho,Y采用實驗研究方法，比較了鋁合金與鋼的電阻點焊工藝[18]，根據(jù)試驗得出的葉型曲線確定可用焊接電流范圍和焊點破壞后的鈕扣直徑，并用這兩個參數(shù)來評價鋁合金和鋼的點焊質(zhì)量，試驗表明：電極尺寸對鋼焊點破壞后的鈕扣直徑有很大影響，但對鋁焊點沒有很好的對應(yīng)關(guān)系，鋁焊點破壞后的鈕扣直徑波動很大。
此外，鋁合金點焊過程的有限元模擬也是近年來各國學者的研究熱點.
由于電阻焊過程相當復(fù)雜，包含了多種影響因素，例如：被焊材料、電流、電極壓力、通電時間、電面形狀及尺寸、分流、焊點離邊緣的距離、板厚、工件表面狀態(tài)等，而且這些因素之間互相，有一定的交互作用。同時，加之焊接過程中熔核的不可見性及焊接過程進行的瞬時性，給焊接質(zhì)量控制帶來較大的困難。為了適應(yīng)新材料、新工藝、新產(chǎn)品在工業(yè)上開發(fā)應(yīng)用的需要，以使電阻焊工藝及設(shè)備能滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)的要求，近十年來，各國焊接界在電阻焊工藝和設(shè)備控制方面做了大量的工作，主要集中在以下幾方面：
1）電阻焊過程的計算機模擬研究
2）新型材料的可焊性研究
3）電阻焊質(zhì)量監(jiān)控方法研究
1 電阻焊過程的計算機模擬研究
電阻焊是一個牽涉到電學、傳熱、冶金和力學的復(fù)雜過程，其中包括焊接時的電磁、傳熱過程、金屬的熔化和凝固、冷卻時的相變、焊接應(yīng)力與變形等。要得到一個高質(zhì)量的焊接接頭必須要控制這些因素。傳統(tǒng)的電阻焊工藝及參數(shù)制定方法是通過一系列工藝試驗和經(jīng)驗數(shù)據(jù)得到的。然而從發(fā)展來看，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬的方法將起越來越重要的作用。例如，用新的高強鋼等材料制造新的工程結(jié)構(gòu)，尤其是對于一些航空航天重要結(jié)構(gòu)，沒有多少經(jīng)驗可以憑借，如果只依靠實驗方法積累數(shù)據(jù)要花很長的時間和經(jīng)費，而且任何嘗試和失敗，都將造成重大經(jīng)濟損失。此時數(shù)值方法將發(fā)揮其*的能力和優(yōu)點。只要通過少量驗證試驗證明數(shù)值方法在處理某一問題上的適用性，那么大量的篩選工作便可由計算機進行，而不必在車間和實驗室里進行大量的試驗工作。這就大大節(jié)約了人力、物力和時間，具有很大的經(jīng)濟效益。一旦各種焊接現(xiàn)象能夠?qū)崿F(xiàn)計算機模擬，我們就可以通過計算機系統(tǒng)來確定焊接各種結(jié)構(gòu)和材料時的*設(shè)計、*工藝方法和焊接參數(shù)。此外，數(shù)值模擬還廣泛地用于分析點焊接頭強度和性能等方面。
由于電阻點焊熔核形成的不可見性，對其試驗觀測相當困難，理論模型的建立對它的分析研究具有重要價值。自1984年Nied[1]建立的zui初有限元點焊分析模型開始，至今已有不少點焊的有限元模型出現(xiàn)，并為實際生產(chǎn)提供了理論依據(jù)[2-5]。
隨著有限元數(shù)值模擬方法在電阻焊研究領(lǐng)域的深入應(yīng)用，近年來上在此領(lǐng)域上的研究主要集中在以下三方面：
1.1 采用電－熱－力耦合有限元模擬方法
電阻點焊過程是一個存在電、熱、力學和冶金現(xiàn)象相互作用的復(fù)雜過程，這一過程包括電場問題、熱傳導(dǎo)問題和熱彈塑性變形問題，所以必須考慮所有這些問題的相互作用和耦合效應(yīng)，有壓力引起的工件——電極以及工件——工件界面之間的接觸狀態(tài)的變化，以及熱變形在這些相互作用中起重要的影響，嚴格的說求解這樣的耦合問題，應(yīng)該同時求解電場、熱場和力場。因此，近年來對于電阻點焊的有限元分析從原先互相孤立的電場、熱場和力場分析逐步發(fā)展為電－熱－力耦合分析，例如：美國學者Sun,X.用電－熱－力耦合有限元模擬點焊過程熔核生長及熱分布[6]，研究了帶有中間過渡材料的鋁合金與鋼板的電阻點焊，模擬結(jié)果經(jīng)實驗驗證：該模型可用于電極選擇階段，以減小焊接變形和改善焊接質(zhì)量；韓國學者Cha，B.W.通過對304不銹鋼電阻點焊過程的電－熱－力分析得出焊后的殘余應(yīng)力以及影響殘余應(yīng)力的點焊參數(shù)[7]；Feng,Z.等學者開發(fā)了一種用以模擬電阻點焊過程和性能的集成模型[8]，它將點焊中的基本物理現(xiàn)象和載荷條件結(jié)合起來，這種方法由工藝模型、微觀模型及結(jié)構(gòu)模型三部分組成，它可以綜合評價在電－熱－力作用下的點焊接頭性能；日本學者De,A在鋁合金電阻點焊的研究中，采用電－熱－力耦合的有限元模型[9]，預(yù)測了在不同焊接電流、焊接時間、電極力作用下的熔核直徑、熔深、電極與板的接觸直徑等，經(jīng)驗證：這種模型對于離線檢測焊接參數(shù)對焊點尺寸的影響非常有用。
1.2 計算機模擬的性分析
隨著計算機模擬方法在電阻焊過程研究中的應(yīng)用日趨廣泛，為了進一步開發(fā)它用于工業(yè)生產(chǎn)中，必須考慮這種模擬方法的誤差有多大？如何提高數(shù)值模擬的精度，使其得出的結(jié)果更接近于實際焊接情況。近來，有些國外學者就此方面作了專門的研究，例如：美國學者Cavendish,James C.在文章中提到[10]：對于計算機模擬模型評估的一個重要問題是判斷它是否足夠，通常人們用貝葉斯定理統(tǒng)計策略來分析模擬計算的誤差范圍，但是，在輸入量和未知參數(shù)多、數(shù)據(jù)量大的情況下，統(tǒng)計分析變得相當困難。Hasselman,Timothy等學者在用電－熱－力有限元模型分析鋁合金電阻點焊過程，計算熔核尺寸和表面壓痕時，采用基于不確定模型方法的主元素法，通過對熔核尺寸和壓痕統(tǒng)計的線性均方差得到有限元的預(yù)測精度。
1.3 計算機模擬的工業(yè)應(yīng)用
計算機數(shù)值模擬有其成本低，參數(shù)改變靈活、方便等優(yōu)點，但目前大部分都用于離線計算和模擬，如何將這種方法有效地應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中對焊接質(zhì)量進行在線評估和控制，這個問題也成為近年來焊接學家們研究的一個重點。丹麥學者Zhang,Wenqi基于長期的工程研究和工業(yè)合作，開發(fā)了一個新的基于有限元方法的焊接軟件[12]:SORPAS,用于模擬電阻凸焊和點焊過程。為了使該軟件能被工廠中的工程師和技術(shù)員直接應(yīng)用，電阻焊中的所有參數(shù)被考慮并自動地在軟件中實現(xiàn)。該軟件支持Windows友好界面，操作靈活，對工件及電極可靈活地進行幾何形狀設(shè)計，參數(shù)設(shè)置猶如正式焊機，它可用于工業(yè)中支持產(chǎn)品開發(fā)和工藝優(yōu)化。現(xiàn)在Volkswangen, Volvo, Siemens和ABB等公司都開始采用此軟件。美國華盛頓大學的Li,Wei提出了一個基于接觸區(qū)域的點焊質(zhì)量評估模型[13]，它是用一個有限元分析模型來表示接觸區(qū)域變化，根據(jù)模擬結(jié)果進行在線應(yīng)用，經(jīng)試驗：在不同的電極尺寸、電極力、焊接時間和電流下這種方法是成功的，它將為電阻焊監(jiān)測和控制提供重要的信息。
2 新型材料的可焊性研究
隨著工業(yè)的迅猛發(fā)展，對工業(yè)產(chǎn)品（特別是汽車）外殼用材的性能提出了更高的要求，并促進了產(chǎn)品用材的更新?lián)Q代。例如，為了改善汽車外殼的抗腐蝕性能，提高汽車的使用壽命，在汽車車身制造中大量采用鍍鋅鋼板代替普通冷軋鋼板；為了減輕車身總體重量，節(jié)省能源消耗，世界各大汽車公司正在開發(fā)鋁合金或高強鋼車身的汽車。由于在汽車車身等薄板結(jié)構(gòu)的裝配制造中，大量采用電阻點焊方法，為保證焊接質(zhì)量，研究鋁合金、鍍鋅鋼板高強鋼等新材料的電阻點焊性能已成了非常迫切的任務(wù)。近年來，各國焊接工作者就此方面做了大量的理論及實際研究工作，并取得了一定的成績。
2.1 鋁合金的電阻點焊研究
鋁合金熔點低、屈服強度低、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能良好以及存在表面氧化膜等特點，給電阻點焊帶來了很大的困難，近年來各國焊接學家主要作了以下一些研究：
在鋁合金點焊電極壽命研究方面，美國沃特盧大學的Lum,L在研究5182鋁合金點焊電極壽命中，采用了掃描電鏡、SEM/EDX、XRD等方法，研究表明[14]：從電極衰退到zui終失效主要經(jīng)歷了鋁剝離、鋁與銅合金化、電面蝕斑及電面凹坑四個階段，由于蝕斑和凹坑起源于鋁的剝離和合金化，因此，作者認為定期對電極表面清潔能增加電極壽命，有利于汽車生產(chǎn)中鋁合金的應(yīng)用；美國加利福尼亞大學的Fresz,B研究了銅電極的合金成分對電極壽命的影響[15]，試驗中采用了Cu-Cr,Cu-Zr,Cu-Cr-Zr,Cu-Be等不同的銅電極材料；Dorn,Lutz等學者提出了點焊鋁合金時采用復(fù)合電極以提高其壽命[16]，研究采用在鉻鋯銅電部鑲嵌鎢的復(fù)合電極焊接鋁合金，發(fā)現(xiàn)電極壽命可提高1.5至2倍。
在鋁合金點焊的工藝研究方面，Sari,H.等學者通過鋁合金點焊工藝試驗，研究了鋁合金點焊時電極接觸半徑與接觸電阻間的關(guān)系，以及電極接觸半徑與工件與工件的接觸面積間的關(guān)系[17]；美國密西根大學的Cho,Y采用實驗研究方法，比較了鋁合金與鋼的電阻點焊工藝[18]，根據(jù)試驗得出的葉型曲線確定可用焊接電流范圍和焊點破壞后的鈕扣直徑，并用這兩個參數(shù)來評價鋁合金和鋼的點焊質(zhì)量，試驗表明：電極尺寸對鋼焊點破壞后的鈕扣直徑有很大影響，但對鋁焊點沒有很好的對應(yīng)關(guān)系，鋁焊點破壞后的鈕扣直徑波動很大。
此外，鋁合金點焊過程的有限元模擬也是近年來各國學者的研究熱點.
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