【连接技术】RSWA铝点焊

实物展示
1 MRD电极铝点焊

图1  通用铝点焊外观示意
2 电极带式铝点焊

图2  伏能士Delta Spot铝点焊
3 操作示意

图3  通用铝点焊操作图

图4  伏能士电极带式铝点焊操作图

图5  森德莱铝点焊Tesla操作示意
工艺简介
碳钢的点焊技术已经相当成熟，现就的点焊出发，对比下铝点焊的差异：
1 物理特性对比
铝合金与钢材的物理性能对比如下：
更低的熔点（过程时间短）；
塑性变形温度差距较大；
焊接电极需要更多的冷却水；
低电阻率与高导热系数；
很难保证焊接温度及保温形成焊核；
铝合金分流比钢材更明显；
凝固过程中铝合金更易形成裂纹。
最重要的是，铝合金表面具有高电阻及高熔点的氧化物阻碍电流形成回路。具体的对比项目如下表所示：
对比项目
铝
钢
熔点
480~640℃
1480~1540℃
塑形温度范围
90℃
540℃
导热系数
高
低
电阻率
~5μΩCm
~15μΩCm
凝固收缩率
高
低
表面氧化物
Al2O3（厚）
Feo，Fe2O3
表面氧化物熔点
2050℃
1370℃，1565℃
根据上表我们可以分析如下：
铝合金的热导率比钢材的更大，可想而知铝合金在点焊时比钢材更容易损失热量，这就要求焊接时需要短时间，大电流。
铝合金的电阻率远小于钢材，约为钢材的40%，这也要求铝点焊需要短时间，大电流。
2 焊接时间对比
通过以上分析，我们知道，铝点焊时需要高电流和短的焊接时间。同时，因为铝的热导率高的问题，我们需要控制电流的上升时间在极短的时间内。钢铝点焊的电流大致如图6所示。

图6  钢铝点焊焊接时间对比
3 电极头对比
通过以上分析，我们不难得出铝合金点焊时需要大直径的焊接面电极帽，从而覆盖铝合金焊核及其软化区域（导热快）。钢铝点焊的电极头对比如图7所示。

图7  钢铝点焊的电极头区别
4 热量产生位置对比
普通的镀锌钢板在点焊时热量主要集中在板材中部，普通的铝合金点焊时的热量主要集中在上下两个电极头和两层钣金中间。而我们希望铝点焊的热量较多的集中在中部形成焊核的位置。如图8所示。
图8  点焊产生热量位置对比
分类
目前，铝合金的点焊有以下几种工艺：
1 通用MRD电极铝点焊
2014款雪佛兰克尔维特跑车的制造采用了通用汽车公司（GM）多环圆顶电极专利技术，通用的技术被用在了凯迪拉克的CT6车型上。
新电极在焊接面上设计了几个凸起的同心环，焊接时使相接触的铝合金表面产生变形，从而刺破铝合金表面的氧化层，这个过程对铝合金点焊工艺的稳固性至关重要。新开发的涂层刀片能够切掉电极焊接面上的凸起环，进一步推动了其在通用工厂的应用。电极帽与修磨刀片见图9。

图9  通用铝点焊电极帽与修磨器
此种MRD电极的磨损将经历以下几个阶段。首先，点焊过程中小的同心环与铝合金表明反复接触，造成同心环结构的变形或压扁。结果降低了电极穿透铝合金表面的氧化层能力, 导致电极/铝合金接触面上电阻升高。由于接触面上电阻和热量的上升，铜电极与铝合金的合金化加速，在电极焊接面上生成反应层或腐蚀层。在某些点上，点焊过程中，由于机械和热应力的作用，生成的反应层开始裂开和剥落，在电极表面形成凹坑。因此，磨损机理是同心环的机械变形、铝腐蚀层的熔敷以及最后腐蚀层剥落造成的表面点蚀等共同作用。最初的磨损阶段主要是环形结构的机械损伤，主要受以下几个因素影响：铜环和铝合金硬度、焊接压力、焊接时电极焊接面温度以及电极抗软化能力。采用软铜电极，硬铝基材、较高的电极压力、较高的表面电阻或焊核熔深较大时，都会使接触面温度升高并产生电极软化，加速电极磨损。
2 特斯拉铝点焊
Centerline公司为特斯拉汽车开发了相关的铝点焊焊枪，与通用的相比在电流输入前期无需将电压变压，同时在焊枪中也只使用一个变压器。相比来说，焊枪节省了一台变压器，并且供电系统也节省了一台升压变压器，从整体成本来看，较Aro的方案介绍成本20%左右。森德莱推荐使用与铝合金接触面为超大半径（R＞1mm）球面来替代平面的电极帽。该技术使用的电极帽与修模器如图10所示。

图10  特斯拉铝点焊电极帽与修磨器
3 DeltaSpot电阻点焊
奥地利Fronius伏能士（或称福尼斯）公司推出了一种新型的电阻点焊技术，其原理是在电极与工件之间增加一条电极带，焊接时电极压住电极带接触工件进行焊接，当一个焊点完成后，电极带自动转动到下一个位置。这种方式意味着电极同工件接触表面总能保持干净，每个焊点都是用“全新的”电极，每次焊接开始都有高质量的焊接条件，从而保证100%质量重复精度。电极带式铝点焊的工作原理和焊钳如图11和图12所示。

图11  伏能士Delta Spot铝点焊

图12  Delta SpotX型焊钳
电极带的使用不仅可以保护电极，还有如下用途：
可依据不同的材料选用不同电阻性能的电极带，以增加焊缝热量的输入，从而达到增加核心直径或者达到节能的目的；
上下电极选用不同的电极带，从而实现电极两端的热平衡，例如应用厚薄不均的多层板；
采用电极带后，通水的铜电极直接接触母材，避免了焊后强冷导致在焊接超高强、铝合金等材料后产生裂纹。
市场分析
通用MRD电极铝点焊生产时，需要配备相应的四刀片修磨器，修磨频次为普通碳钢的5倍，约40～50点/次。由于技术保护等原因，目前仅应用于“通用汽车”，包括GM与SGM。
凯迪拉克金桥工厂车身底板焊接工作：

森德莱FlexGun铝点焊（特斯拉使用的技术）其在北美铝材点焊枪领域供应了超过600把焊枪，占有60%市场。
Tesla门盖区域铝点焊：

伏能士开发的Deltaspot使用70M的焊带能焊出5000～10000个点，电极带使用完需要重新更换，其可焊接任何类型的接头，即便是超高强钢、铝与铝，甚至是钢铝异种材料，并且有极高的工艺可靠性。2010年北美一家最大纯电动跑车制造商购买了6台Deltaspot用于铝合金车身的制造。经过测试后又购买了20台Deltaspot设备。另外，特斯拉Model S前期也有使用此种铝点焊技术。
伏能士-DeltaSpot电阻点焊用于Tesla特斯拉：

检验
铝板点焊后判断焊接产品是否合格主要有如下几种方法：目视、破坏试验、超声波X光检测、金相试验。
1 目视
通过目视观察工件表面痕迹过大、焊接搭接处缝隙过大、焊点处是否有飞溅毛刺、有无裂纹等。产生的现象与原因如下表所示：
现象
原因
表面痕迹过大
1、焊接电极和工件接触面积太小
2、电流过大
焊接搭接处缝隙过大
1、焊接电流小或者焊接时没有焊接维持时间
2、焊接时上下电极不同心
焊点处有毛刺
1、焊接电流过大
2、焊接电极和工件接触面积太小
焊点处有小孔或者龟裂
1、焊接电流过大
2、电极或者工件表面有污物
2 破坏试验
多采取打试片的方法——取和工件材料厚度和材质相同的材料（试片大小根据每个主机厂的要求而定，也可参照供应商描述的大小进行）来焊接，在焊接完成后做剪切、拉伸或者剥离实验，以试片的检测性能来判断工件是否能达到性能要求。
3 超声波X光检测
为了在不破坏产品的前提下需要判定产品熔核中是否有缩孔及裂纹，可通过超声波和X光来检测，由数字信号转换成图形信息，可准确形象的判定焊核的大小及焊接效果。
4 金相试验
焊接完成后，在特定的位置截切指定大小（每个公司的要求不一）进行金相断面的分析,从而判定铝点焊的焊点合格性。
因铝合金熔点低、热导率高、表面易氧化等特性，铝点焊必须采用大电流、短时间、多脉冲、大电机压力，所以铝点焊对焊机、变压器及焊枪等的要求较高。目前，市面上常见的铝点焊形式有通用的MRD电极铝点焊、森德莱FlexGun铝点焊、伏能士的Deltaspot电极带式铝点焊等多种铝点焊方式。
随着钢铝混合车身的流行，铝与铝、铝与钢的连接技术必将成为国内钢铝混合车身发展的一大障碍。而纵观钢铝混合车身的几种连接技术，SPR、FDS、拉铆等工艺都需要用到连接材料，除去对局部强度的影响不说，成本上而言这几种连接技术都比点焊要高出不少，这就是为什么我们要抓紧研究铝合金点焊的原因。
另外，我们也必须看到，目前凯迪拉克CT6对铝点焊的应用也只限于门盖、侧围等外覆盖件与内骨架件之间这种非承载部位。