CN1007327B - 铝的电阻焊 - Google Patents

Abstract

铝焊件点焊用的电极的改良方法，综合了下列步聚：

a)在电极头上形成一种粗糙表面，其平均粗糙深度为12至30微米。b)焊件上还应用一种人为保护涂层，例如一种铬酸盐底涂层或者一种阳极氧化膜。c)调定初始焊接的熔核直径，可选择大于最小允许直径，其增大值不大于15%。特性a)和b)起协同作用，延长电极的工作寿命，一般可超过2000焊点。

Description

在进行铝的电阻焊时，用铜电极时在两个或多个接触铝板施加压力，同时在两个电极之间通上强电流。电加热使加压点上的焊板界面形成一种熔核。这种技术是连接铝件最实用的方法之一，这是因为这种方法可成批生产，降低单价。大部分的锻铝合金，无论是热处理型的或者是非热处理型的，都可以进行电阻焊。

电阻焊中最重要的方式就是点焊，包括应用两个相对小电极。已知的和使用中的其他有关技术，包括多点焊（同时有多个电极）;凸焊（包括利用焊件的凸出部分）;滚点焊例如缝焊（轮状电极，在压力下在焊件上移动）。

本发明特别与（虽然不是唯一的）自动化大批生产有关，包括例如汽车车身的电阻点焊。在这方面和其他方面应用时，最重要的是要考虑电极寿命问题。点焊铝和铝合金所用的一种电极的使用寿命比点焊钢所用的同类电极要短得多。尤其重要的是，还发现铝比钢的焊接质量更不稳定。其原因主要有两个：铝是一种优良的导热体和导电体（约为钢体电阻的1/3）;而且铝表面的氧化膜可作为电极和焊件之间的一种高电阻界面和多变电阻界面。所以，一般地说，用于软钢的点焊电极，其预期寿命约为4000焊点，而用于铝的则低到400焊点。

电阻点焊最重要的问题是电极和焊件之间的电阻（界面电阻）和焊件之间的电阻（接触电阻或结合电阻）。在强电流的短脉冲所产生的热的作用下，结合面上形成熔核。在这个过程中界面的不同电阻成为控制因素，结合面要产生焊点需要高电阻，但是高的外界面电阻会由于电极 导电头表面受到破坏，而引起电极和焊件间的界面过热。精轧铝合金因这种问题而受到损害。由于氧化膜的性质不稳定，〔特别是对Aluminium    Association    Inc.公司（以下简称AA或AA公司）的注册商标的5000系列合金〕，使界面电阻变化和引起焊接质量不稳定。

有人建议，生产一种其两面具有不同表面电阻（即一种低界面电阻和一种高结合电阻）的铝合金。这些建议包括：磨光外表面，外表面的电弧净化（参阅美国专利3，278，720）;在界面上和结合面上形成不同厚度的阳极氧化膜（参阅欧洲专利申请153149）。虽然这些方法可以延长电极寿命，但是还不能实际的应用在自动化的大批生产中。

英国专利1，554，297叙述了其他延长电极寿命的方法。这种方法包括两种方式处理电极表面。首先，把表面用喷丸处理成为具有大量相当尖锐的凸脊分割的微细凹槽。然后在粗糙面涂上一层由镍、铍、钴、铁或其高熔点合金组成的涂层。该篇专利说明书指出，上述两种处理方式是共同起作用的，但是喷丸处理本身实际上并不提高电极寿命。

当焊接质量开始降低时，把电极从焊机上拆下并在个别位置上再修整。对于一个常规的铜基电极来说，再修整工作仅仅包括应用切削刀或者沿适当车径回转的研磨盘，放在电极之间进行再修整。对于有药皮的电极，如英国专利1，554，297所叙述的，再修整工作包括了重新涂敷药皮，这是费时费钱的，何况原始的药皮电极已经不便宜。

英国专利公开说明书A2，139，540叙述了一种铝元件结构件的制法，其步骤是，将铝板进行预处理，使面上产生一种含有至少5%（重量）铬的表面层;把预处理后的铝板做成元件;元件上应用粘合剂;把它组装成所需的结构;把元件点焊，使结构件具有新的强度;固化粘合剂。这种点焊和粘合剂粘接的综合技术称为焊接一粘接。上述预处理的目的在于改进粘合剂粘接的持久性。但是点焊步骤没有做详细介绍。

按照本发明，延长铝焊件电阻焊用的电极的使用寿命，可综合采取 下列各种步骤：

a）使电极头形成一种粗糙表面;

b）在铝焊件的预定焊接位置的表面上，人工地涂上一种强粘附性涂层;

c）可选择地使初始焊接的熔核直径调定为大于容许的最小直径，其增大值不大于15%。

上述特性是协同起作用的，它比任何单一性能更加能延长电极的使用寿命。

这里所说的“铝”，其定义不仅包括纯金属，也包括富铝合金，特别是包括AA公司为车辆结构设想的注册的那些品种，例如2000，5000和6000系列产品。点焊金属的厚度，一般为0.6至3.2mm，多数为0.9至2.0mm。

使电极表面粗糙可以是使它产生凸脊和凹槽。许多申请人不想在理论上加以限制，他们一般相信，这些凸脊可参尖到足以穿透铝焊件表面上的绝缘层，为电流从电极流到整块铝而产生更多接触点。采用喷砂处理可以很容易地使其表面粗糙。粗糙的程度很重要，可以选择颗粒大小适当的喷砂材料和对表面喷射的压力来加以控制。表面粗糙度，可以采用一种测量仪（Perthometer）来测定，按德国工业标准（DIN4768，2.3.3节），其定义为平均峰对谷高度（Average    peak-to-valley    height），就是平均粗糙深度Rz。Rz较好为10微米，最好为12至30微米属于本技术领域技术人员就有条件完成这种表面粗糙度。

常规的电阻点焊电极是由铜基合金制成的。本发明的优点是可以利用这种常规电极，只使其表面粗糙，不必涂上任何其他金属或合金的涂层，就可以应用。

人们应该了解到，要成功进行点焊，就有一个熔核的最小容许直径问题。而这种最小直径随着金属厚度的增大而增大。人们也应了解到， 在设定的条件下，由常规电极偶形成的熔核直径，随着使用时间而减小，直至直径减小到应该更换电极为止。为了解决这个问题，一般可通过已调整的装置，使初始形成的熔核增大约20%。例如AA公司的T10号文件第九页中给出的如下数字：

金属厚度    最小焊接熔核    调整的熔核

（mm）    直径（mm）    直径（mm）

0.81    3.56    4.32

1.60    5.08    6.10

2.54    6.35    7.62

然而，大的电极直径需要强的焊接电流，其结果缩短了电极的使用寿命。

应用本发明的经粗糙的电极时，人们意外地发现，在设定条件下由电极偶形成的熔核直径随着使用时间而增大，只有在电极完全损坏之前不久，才开始缩小。其原因可能是这样，即这个粗糙电极头在应用时逐渐变平和散开。不管什么原因，上述意外发现，对焊接装置会产生重大的经济价值。可以安排初始熔核直径大小最小容许直径而其增大值不大于15%，通常为5%至10%。在实际应用上，这种变革可减少焊接电流的需用量，并可进一步延长电极的工作寿命。

本发明的另一个特点是铝焊件的表面上人工地涂上一种强粘附剂涂层。这对本发明很有利，使本发明可以利用具有始终相等、均匀的界面电阻的铝表面。最好把这个表面预先处理，使之具有中等界面电阻。如上所述，表面电阻太高会加速电极头损坏。另一方面，如果结合面电阻太低，普通焊接电流产生的热不足于形成适当的熔核和稳固的焊接点。

涂层的重量为0.01至0.1;最好为0.03至0.2克/米²。可以采用各种预处理剂，使之形成涂层。

一种较适合的预处理剂是由Pyrene    Chemical    Services    Ltd（公司）所销售的，其注册商品名为Bonderite735。采用该预处理剂，相信其表面层主要为水合磷酸铬与少量氧化铬，在铝/转化涂层附近为氟化铝。其所推荐的工艺程序是喷淋酸洗，喷水冲洗，喷涂转化型涂层，喷水冲洗，热空气干燥。

另一种较好的预处理剂是由Albright    &    Wilson    Ltd（公司）所销售，其注册商品名为“Accomet    C”。这是一种“无冲洗”处理剂，而且特别适用于卷材涂敷法，因为辊涂的铬酸盐底涂层是非活性的，不需要随后的清洗程序。这可以减少污水处理，使工艺程序比较容易控制。其推荐的工艺程序是喷淋酸洗，喷水冲洗，辊涂Accomet    C，干燥。

其他较适合的预处理剂，包括交替的铬酸盐-磷酸盐涂料，如ICI公司出售的，其注册商品名为“Alodine    407/47”。较适合的处理剂还有阳极处理剂，例如热硫酸中应用的防蚀阳极处理剂（参阅英国专利说明书，No1235661），还有英国专利公开说明书2139540A所叙述的各种处理剂。

有机涂料如油漆或清漆，粘附性不强，不适用。

下面列举的实例显示，综合应用本发明的各种特性，可以延长电极的工作寿命约100倍或更长。该实例还显示，使大范围的电极表面粗糙，焊件上又涂上各种涂层，电极寿命可提高到2000焊点以上。能成功焊接2000点而不换电极，这个数字很重要，因为这是一个典型生产线规定的每班的焊接点数。生产班次之间不用花很大费用于更换和再修整电极。因为在估计整个电阻焊工艺的成本时电极寿命仅仅是一种因素，所以除了尽可能提高电极寿命之外，如有其它考虑，最好进行表面处理，只要它能为满足最低要求的2000个成功焊点提供保证。以胶接点焊为例，一种能赋以优良的持久性粘合的处理剂总胜过寿命特别长的电极。

试验

整个试验过程中，所用的点焊装置是一种具有固态电子控制系统的75KVA台式焊机。焊接程序调定的熔核直径要大于AA公司T10号文件（汽车板材电阻点焊指南）规定的最小要求值。其焊接程序如下：

预压    ＝20周波

初始加压    ＝40周波

焊接    ＝3周波

焊接加热时间    ＝3周波

锻压时间    ＝1.5周波

间歇    ＝3周波

维持    ＝5周波

休止    ＝20周波

电流    ＝19千安培（有效值）

电极接近速度    ＝26mm/秒

焊接时压力    ＝2.35千牛顿（520磅）

锻压时压力    ＝4.0千牛顿（880磅）

调定直径    ＝厚0.875mm板上的

熔核直径为3.8mm

电极    ＝76mm球面电极

（Cu-Cr合金）

带材尺寸    ＝25×1000mm

焊点距    ＝25mm

焊接速率    ＝达到30焊点/分

带材进料    ＝手工进料

电极寿命用一套电极在设定焊接条件下（不换电极也不修整电极）的合格焊点数来表示。检查每一个焊点。出现下列任一情况时，试验就 告结束。

1.如果在一组40个焊点中，4或更多的焊点剥落。

2.平均焊点直径小于AA公司T10号文件给定的最小值（即3.6mm以下）。

3.平均的单焊点抗剪强度小于上述T10号文件给定的最小值。

4.焊接过程中，板出现气泡。

5.电极从板上拉出一个焊塞。

实例1

使用无回火和0.875mm规格的AA5251合金板。该板经过预处理剂Accomet    c（4%溶液）进行卷绕处理，涂上一层“无冲洗”铬酸盐底涂层。经测定，预处理材料的电阻：界面电阻为59微欧姆，结合电阻为26毫欧姆。另取相同合金板，在精轧条件下做比较。

考虑采用5种电极粗糙度，假定这些就是厂商“初供给的”新电极，把电极喷丸处理成4种不同表面情况。电极粗糙度，电极寿命和失败点数之间的关系，列于表1。表上列出精轧AA5251合金板的数值作为对比。

采用预处理板能够提高电极寿命，这个情况都是在其电极处于最佳粗糙度才出现的。所有试验里，焊点的典型抗剪强度介于320与360磅/焊点之间，它比AA    T10号文件上列出的数字还要高。其焊接质量很好，很少或没有飞溅。

这些试验的一个重要推论是，当进行电极寿命试验时，熔核随着工作时间而增大。按一般情况来说，在进行电极寿命试验时，要选择熔核直径大于最小直径，试验过程中，熔核直径逐渐减少至到最小值为止。然而从以前的试验一直到这个试验中，使用相同的点焊条件，显示出，电极表面开始变平，则熔核尺寸就增大。例如，上面试验中，选择的初始熔核直径为3.8mm，仅仅比3.6mm的最小容许直径大约大5%。此后逐步增大到4.2mm，此数值在余下的电极寿命中保持不变，一直到快要失效 为止。这种作用表现了电极变平和没有电极粘着物共同起作用的结果。

实例2

以前的研究表明，Bouderite 735（一种水合磷酸铬涂层）能比Accomet C提供更长的电极寿命。表2中也反映这情况，即采用同类电极加工品和0.1克/米²Bonderite 735涂敷的5251合金所做的实例1试验都反映这种情况。所有试验中的点焊质量很好，和用Accomet C作试验所得情况相同。和上面采用Accomet C所做的上述实例相比较，鉴定出电极粗糙度对电极寿命的作用。焊接寿命达到20297焊点的最佳性能者，都是“粗”电极。失败的点数为515次，占2.5%。

也做过重0.2克/米²的高涂层的Bonderite735表面试验，试验时采用“中等”加工程度的电极。以电极寿命为1208点与用低重量涂层的寿命为13748次作比较，可以看到高界面电阻电阻和结合电阻所起的作用。

表1

已用Accomet    C处理过的5251合金和精轧5251合金其电极粗糙度、板面和电极寿命之间的关系

平均粗糙    失败

表面    电极    深度Rz    电极

处理    处理程度    处理方法    （微米）    寿命    点数    %

4%Accomet    C    按供应品    3.8    408    19    4.7

（相当于0.1-    （未加工）    -

0.15克/米²）

4%Accomet C 细 180/220Al₂O₃10.7 1734 40 2.3

80磅/吋²：10秒

4%Accomet    C    中等    40/20再循环    18.4    4759    118    2.5

砂：80磅/吋²：

10秒

4%Accomet C 粗 46目Al₂O₃26.1 7271 184 2.5

45磅/吋²：10秒

4%Accomet C 很粗 46目 Al₂O₃27.4 4109 97 2.4

80磅/吋²：10秒

精轧合金    按供应品    3.8    120    5    4.0

（未加工）    -

精轧合金    中等    -    18.4    512    32    6.3

精轧合金    粗    -    26.1    801    51    6.4

表2

用Bonderite    735处理过的5251合金其电极粗糙度、板面和电极寿命之间的关系

平均粗糙    失败

表面处理    电极处理    深度Rz    电极

（微米）    寿命    点数    %

0.1克/米²Bonderite 735 按供应品 3.8 1189 38 3.2

（界面电阻＝64微欧姆    （未加工）

结合电阻＝26毫欧姆）

0.1克/米²Bonderite 735 中等 18.4 13748 382 2.7

0.1克/米²Bonderite 735 粗 26.1 20297 515 2.5

0.1克/米²Bonderite 735 很粗 30.4 6261 153 2.4

0.2克/米²Bonderite 735

（界面电阻＝172微欧姆    中等    18.4    1208    35    2.9

结合电阻＝55毫欧姆）

实例3

本试验使用两块AA2521合金板，该板在55℃的10%磷酸中用600安/米²的电流进行阳极氧化处理5秒种。板ⅰ用交流电处理，其阳极氧化膜厚度为40毫微米。板ⅱ用直流电处理，其阳极氧化膜厚度为70毫微米。用实例1所述的粗面电极对这两块板进行点焊。

板ⅰ的电极寿命为1800焊点，失败率为4%。

板ⅱ的电极寿命为5300焊点，包括第一次失败前的2300焊点，失败率为0.5%。

实例4

这个试验的目的是说明润滑剂对电极寿命的影响。这一点很重要，因为在许多情况下，例如在汽车生产线上进行点焊时，看来都会遇到外来润滑剂问题。

其试验条件大致和实例1一样。用4%Accomet    C卷绕处理AA5251合金。把MA10牌润滑剂涂在已处理过的卷绕板上。用各种电极进行点焊试验，试验结果如下：

电极    Rz    电极    失败

处理    （微米）    寿命    点数    %

如供应品    1.2    88    0    0

一样经过    6.6    105    3    2.9

粗磨光    26.1    3582    20    0.6

试验结果表明，在残留有压力机润滑剂的情况下，可以进行点焊。

Claims (9)

1、一种在进行铝焊件电阻焊时延长焊接电极的工作寿命的方法，其特征在于：

a)使电极端头形成一种粗糙表面，

b)在铝焊件的预定焊接位置的表面上，人工地涂上一种强粘附性涂层。

2、根据权利要求1的方法，其特征在于其中的电阻焊是电阻点焊。

3、根据权利要求2的方法，其特征在于初始焊接调定的熔核直径大于最小容许熔核直径，其增大值不大于15%。

4、根据权利要求1的方法，其特征在于电极是一种铜基合金，它具有平均粗糙深度Rz至少为10微米。

5、根据权利要求4的方法，其特征在于平均粗糙深度为12至30微米。

6、根据权利要求1的方法，其特征在于所应用的粘附涂层，以干重量计算为0.01至1.0克/米²。

7、根据权利要求6的方法，其特征在于所应用的粘附涂层，以干重量计算为0.03至0.2克/米²。

8、根据权利要求1的方法，其特征在于所应用的粘附涂层，均匀地涂在两个焊件的整个表面上。

9、根据权利要求1的方法，其特征在于粘附涂层至少含有5%（重量）的铬。