0.   序言

电阻点焊是一种在电极压力作用下，利用电流通过焊件及接触处产生的电阻热将工件间的接触表面熔化而实现连接的一种焊接方法^[1-3]. 它是一个涉及电、热、力、磁、流、冶金等多因素耦合的复杂过程. 随着铝合金在新能源汽车工业中扮演越来越重要角色^[4-6]，铝板焊接的问题也越来越突出. 由于铝合金的良好导电导热性以及其它物理性^[7-8]，在焊接过程中会产生一系列的问题，具体表现为^[9-12]：①铝合金表面易氧化，在表面形成一层致密的氧化铝薄膜(熔点约2050 ℃)，难熔的氧化铝膜阻碍金属之间的良好结合，从而影响焊接工艺和焊接质量；②铝合金的热导率大^[13](约为钢的4倍)，导电性好^[14]，多采用大电流、短时间的硬规范，因此铝板焊接所需功率要比钢的大2 ~ 4倍；③铝合金的线膨胀系数大，焊件会产生较大的热应力、变形及裂纹的倾向. 上述几方面均给铝合金的电阻点焊带来了困难. 与普通碳钢点焊相比，铝合金点焊需要采用较大的焊接电流，且焊接分流影响较大，电极烧损严重^[15]. 对于普通碳钢焊接，电极可以连续点焊几百点，而在铝合金的连续点焊一般仅为几十点，远远不能满足连续化生产的要求，从而严重影响了铝合金在汽车工业中的应用^[16-17]. 因此，减少铝点焊的电极磨损^[18-19]，延长电极帽使用寿命是亟需解决的问题.

1.   铝点焊电极失效形式

表1展示了铝和钢的相关物理性能^[9]，相对于钢，铝的热导率高，导电性好，以及表面易产生高熔点氧化铝薄膜等物理性能，导致铝板点焊电极工作过程中存在以下几种失效形式^[20-22].

表  1  铝和钢的物理性能^[9]

Table  1.  Physical properties of aluminum and steel^[9]

板材	熔点 Tm/℃	热导率 λ/(W·m−1·K−1)	电阻率 R/(μΩ·cm)	表面氧化物	表面氧化物熔点 Tc/℃
铝	660	237	220	Al2O3	2050
钢	1538	60	73	FeOx	1370 ~ 1565

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(1)塑性变形. 塑性变形是由电极头部在焊接压力和高温共同作用下的结果. 焊接时，电极头部与铝板接触处的温度高，如果点焊压应力大于点焊温度下电极材料的屈服强度，电极就会产生塑性变形. 由于温度分布不均匀，产生的塑性变形不均匀，则电极端部将发生“蘑菇化”，导致电极直径增加.

(2)合金化. 在点焊高温环境下，铜电极表面会与铝板发生合金化反应，产生Al-Cu合金产物. 当电极离开工件表面时，在机械撕扯力的作用下这些金属间化合物部分剥离电极，部分存留在电极表面，使电极表面凹凸不平. 随着点焊次数增多，接触面处的铜铝合金化现象更加严重，显著增加了电极头部的电阻，增加了焊接产热，从而加速电极失效.

(3)点蚀. 电极与工件表面产生低熔点合金产物时，部分低熔点合金在飞溅作用下离开电极表面，在电极端面产生弧坑，许多小的弧坑聚集形成蚀坑. 蚀坑的产生提高周围的电流密度和工作压力，使得蚀坑周围产生更严重的塑性变形和脱落，从而导致电极长度减少以及直径增加.

(4)热疲劳. 点焊电极在工作过程中不仅要在高温下传递压力，而且承受着加热和冷却的周期应力作用，产生热疲劳，导致电极表面脱落，引起电极失效.

总体说，电极失效开始于电流循环期间电极和工件的局部合金化或者塑性变形等原因，引起电流和接触压力分布不均匀，导致电极点蚀，以及最终失效. 电极失效过程会引起焊点强度等性能变化，其变化可根据电极与工件间的接触面积和电极点蚀来解释. 据此可将点焊过程电极寿命分为4个阶段，如图1所示^[23]. ①第一阶段：接触面积增长，没有任何明显点蚀，焊点强度增加； ②第二阶段：焊点强度达到最大值，接触面积随着电极的初始点蚀而继续增长； ③第三阶段：随着接触面积不断增加，焊点强度开始下降，但与此同时，电极的点蚀变得显著，并继续形成大蚀坑； ④第四阶段：当电极尖端表面出现大空腔时，焊点强度达到失效标准.

图  1  电极寿命的4阶段示意图：与电极点蚀、电极和工件接触面积相关的焊点强度变化^[23]

Figure  1.  Schematic illustration of four stages of electrode life: the change of the joint strength related to the pitting of electrode and the contact area between electrode and worksheet^[23]

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目前汽车生产厂家广泛采用的是电极修磨，通过机械加工的方法在电极磨损以后切削其端面使其恢复正常端面形貌，从而可以继续使用. 不同于使用常规机械加工修磨技术，BOOMER等人^[24]通过定期频繁对锆铜电极进行轻微抛光仅去除新生金属化合物的技术来确保电极始终保持良好状态，即每隔15 ~ 50次点焊后，对电极帽进行短时间(约1 s)打磨，这将引起电极的整体寿命增加了至少三倍，并提高了焊接质量. 机器制造商Centerline在1995年提交的美国专利中就曾对类似技术进行了描述，他们在电极帽失效的初始阶段就抛光铝铜合金化合物，从而防止了电极磨损渐进过程的开始^[25]. 但铝点焊的修磨频次高、消耗大量的电极帽并牺牲生产节拍，仍将是铝点焊工艺的痛点.

2.   提高铝点焊电极寿命

基于上述电极失效原因及其失效形式，国内外关于提高铝点焊电极寿命已经展开了一系列相关研究，主要包括以下几方面.

2.1   材料体系

铜基合金由于高强度、硬度、以及高导电、导热性等综合性能良好而被广泛用于点焊电极. 铜的电导率在金属中仅次于银，并且价格远远低于银. 通常需在铜中添加少量合金元素或第二相颗粒来改善铜的物理—力学性能，尤其能显著提高其强度、硬度和软化温度^[26-28]. 但其他元素固溶在铜基体中会降低其导电性，所以必须选择合适的铜合金体系来兼顾电极帽所需的综合性能. 电极用铜合金中常用的合金化元素有铬(Cr)、锆(Zr)、镉(Cd)、银(Ag)、镍(Ni)、硅(Si)、铍(B)、钴(Co)、铝(Al)等. 它们与铜组成的二元合金、三元合金或多元合金具有不同的性能，能适应各种金属材料焊接的不同需求^[29]. 常用的点焊电极用铜基合金包括基于析出强化的Cu-Cr，Cu-Cr-Zr和Cu-Zr合金，或者基于弥散强化的Cu-Al₂O₃合金^[30-31].

2.1.1   析出强化铜合金

现阶段国内工业一般采用固溶—变形—时效的加工工艺来加工CuCr，CrZrCu和ZrCu ^[32]. 如图2所示^[33]，Cr与Zr元素在Cu基体中具有较大的平衡溶解度梯度，低温度下Cr在Cu中的平衡溶解度不高，而当温度提高至960 ℃和1076 ℃时，其溶解度分别增高至0.64%和0.71%(质量分数). 相比之下，Zr在Cu中的溶解度更低，在室温下几乎不溶解于Cu基体，在965 ℃时达到最大溶解度，约0.12%(质量分数). 因此通常在960 ℃左右对ZrCu、CrCu和CrZrCu合金进行固溶与淬火，并且通过后续时效处理使合金中的Cr和Zr以弥散细小的沉淀相形式析出. Cr和Zr沉淀相的析出不仅能恢复基体的导电性，还能提高基体的强度和硬度. 然而，这些铜合金的软化温度即高温强度有限. CrZrCu的软化温度低于500 ℃，因此在温度高于500 ℃时，强化作用消失，强度随之迅速降低，这将严重影响点焊电极的寿命^[34-35].

图  2  铜合金相图^[33]

Figure  2.  Phase diagrams of Cu alloy. (a) Cu-Cr; (b) Cu-Zr

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随着研究深入，已有众多关于优化其成分和工艺来提高铜合金电导率和强度的相关研究. 通过合适的成分控制，以及固溶时效热处理、冷变形、冷镦加工等工艺过程控制，可以获得具有高强度和高电导率等综合性能优良的电极用铜合金^[36-38]. 赵志方^[26]研究表明，CrZrCu合金在铸造 + 轧制 + 等通道挤压 + 450 ℃时效3h后，硬度、强度和电导率等综合性能达到最佳；潘振亚^[38]表明，与自然凝固试样相比，定向凝固CrCu合金的力学性能和导电性能均得到大幅度提高.

值得一提的是，深冷处理是常规热处理的一种延伸，又称为超低温处理(−196 ~ −130 ℃)，可以用来优化多种金属的组织和性能，进而改善其物理性能和综合力学性能^[39]. 吴志生等人^[40]在−150 ℃和−170 ℃下对CrZrCu电极进行深冷处理后发现，电极基体的显微孔洞数量显著减少，电极电阻率降低，并且基体致密程度和耐磨性也得到明显提高. 刘克明等人^[41]的研究也表明深冷处理引起冷轧铜合金的抗拉强度、电导率和断后伸长率都得到提高；因此，深冷处理可以改善电极的导电、导热与抗变形能力，进而减少点焊过程中电极产热，加快散热，进而显著提高铝点焊电极寿命^[42-44].

2.1.2   弥散强化铜合金

弥散强化合金被认为是颗粒增强金属基复合材料的延伸，其强化机制主要为奥罗万(Orowan)强化，即利用弥散分布的第二相粒子来强化基体合金^[27]. 由于Al₂O₃熔点高(2015 ℃)、硬度大、热稳定性好、与铜基体几乎不润湿，是稳定的惰性粒子，在铜基体中Al₂O₃粒子尺寸细小且均匀分布，所以弥散Al₂O₃强化铜合金展现了高强度、高导电和优良的抗高温软化性能，开始被广泛应用于汽车焊接工业^[45].

20世纪70年代，美国SCM公司采用内氧化法成功研制出不同含量Al₂O₃弥散铜合金，与传统的CrZrCu电极材料相比，其软化温度高达900 ℃^[46]. 国内Al₂O₃弥撒铜合金研究起步较晚，20世纪70年代洛阳铜加工厂曾建立一条弥散铜合金生产线，但由于成本高，制品性能差，未能规模生产^[47]. 20世纪80年代国内高校及科研院所才开始进行研究，目前，北京有色金属研究总院、广州有色金属研究院、昆明冶金研究院、中南大学在内的众多科研院所正在对此类材料进行研发^[48-51].

Al₂O₃弥散铜合金的主要制备方法有：机械合金化法、复合电沉积法、溶胶凝胶法、热压法、内氧化法等^{[31, 45, 51-52]}. 其中内氧化法是目前工业化生产弥散强化铜合金时普遍采用的生产工艺，利用该方法制备的Al₂O₃弥散铜具有优良的综合性能^[53]. 图3展示了典型内氧化制备工艺：Cu-Al合金熔炼→雾化制粉→Cu₂O氧源制备→混料→等静压成形→内氧化-还原-烧结→热挤压→冷拔→固溶时效^[51]. 根据Orowan机制，弥散强化与粒径和粒子间距有关，通过合理控制工艺参数获得均匀分布的细小Al₂O₃强化粒子是弥散强化合金优异综合性能的关键.

图  3  内氧化制备工艺示意图

Figure  3.  Schematic illustration of internal oxidation preparation process

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Al₂O₃弥散铜较ZrCu等析出强化铜合金展示了更优异的综合性能：高软化温度、高强度，并保证了高电导率，所以Al₂O₃弥散铜将成为合适的铝点焊电极材质^[53]. 目前已有不少汽车公司在钢点焊中使用Al₂O₃弥散铜高寿命电极帽，但弥散铜电极帽在铝点焊的应用现状较少，这主要归因于弥散铜合金的粉末冶金过程复杂，制备成本高，质量稳定性较差等缺点. 如果上述问题能得到解决，将会大大促进Al₂O₃弥散铜合金在铝点焊电极帽的应用.

2.2   电极表面改性

如第1节所述，铝铜合金化是点焊电极失效的主要原因之一，因此减少铜电极帽与铝板合金化是提高电极寿命的重要手段. 已有相关研究表明，对点焊电极进行表面改性，即在电极表面制备一层能阻挡合金化的材料(单质、化合物或复合涂层)可以减少点焊过程中铜电极和铝板的合金化^[51].

董仕杰等人^[54]通过电火花沉积方法在铜电极表面沉积鳞片状TiB2/TiC，TiN或ZrB₂等复合涂层来提高电极寿命，TiB₂/Cu电极在点焊镀锌钢板的平均使用寿命是CrZrCu合金电极的4倍；于汇泳等人^[55]也认为在电极端面制备Cu-Ti-B复合涂层可减轻电极烧损，提高电极的使用寿命；王涛^[56]采用电火花沉积技术，在CrZrCu电极上沉积Ni/金属陶瓷涂层，制得双涂层电极帽，在镀锌钢板点焊时，该涂层可限制锌层与电极之间合金化，提高电极的抗塑性变形能力，使涂层电极寿命达到普通电极寿命的2.5倍以上；邹家生等人^[57]研究了电极表面的多涂层沉积工艺及其对涂层质量的影响，其涂层电极硬度大大高于普通CrZrCu电极硬度，且涂层质量好、无缺陷，显著提高了电极寿命.

目前涂层电极在工业上的应用仍然有限，主要归因于涂层制备成本、制备工艺、以及涂层电极失效后的修磨、迭代等问题.

2.3   电极结构设计

电极形状对铝合金点焊工艺、焊点性能以及电极寿命也将存在明显影响，合理的电极形状不但可以提高铝合金点焊接头的力学性能，还可以改善焊接区的热、力循环，对提高电极寿命、减少和抑制接头裂纹有重要作用^[58]. 因此，通过对电极的端面直径、端面曲率、端面形貌、电极锥角等进行改进和创新设计，能有效提高电极端面电流密度分布均匀性，从而降低电极不均匀烧损.

杜慧敏等人^[59]研究发现，电极端面直径越大，电流密度以及熔核尺寸越小，并且球头电极烧损(图4(a)所示) 比球平面电极(图4(b)所示) 更严重. 直径6 mm的球平面电极进行5052铝板点焊时，其寿命比球头电极提高了20%. 另外，张敏等人^[60]研究了CrZrCu球平面(图4(b)所示) 和锥平面(图4(c)所示) 对AA5182铝合金电阻点焊的影响，结果表明锥平面电极寿命优于球平面电极. 完成单个点焊时，锥平面电极处于高温状态的时间更短，电极处的压强降低，由此缓解了铜电极端面和铝板之间的合金化反应，从而改善了电极烧损.

图  4  电极形状示意图

Figure  4.  Schematic illustration of electrode shape. (a) ball electrode; (b) spherical electrode with flat end face; (c) cone electrode

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如图5所示，上海交大LI团队^[61]研究了电极锥角(15°，30°，45°和60°)对电阻点焊的影响，认为锥角不仅影响焊接质量，还影响电极使用寿命. 图5可见，锥角越大，电极温度越高. 这是因为，小锥角电极具有较大的体积，展示更高的冷却能力，有利热量排放，缓解电极热量聚集，从而具有更高的电极寿命. 但是，由于小锥角电极具有优异的冷却能力，必须施加更大的焊接电流来补偿电极散发的热量. 因此，考虑到电极锥角对电极寿命、焊接质量和生产成本的影响，在车身焊接中建议使用30°和45°锥角电极.

图  5  电极示意图及其温度场分布^[61]

Figure  5.  Schematic diagram of electrodes and the temperature field. (a) schematic diagram of electrode cone angle; (b) temperature field in electrode under different cone angles

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通用汽车研发部针对铝合金连接，在传统焊接技术上进行了创新开发，发明了多环圆顶(multi ring dome, MRD)电极专利，在电极端面上设计了多个凸起的同心圆环，如图6所示^[62-64]. 点焊时，凸起的圆环压破铝板表面氧化物，减小了电极与工件界面的接触电阻，从而改善了界面间传热行为，降低了界面温度.

图  6  多环圆顶电极帽^[62-64]

Figure  6.  Multi ring dome (MRD) electrode

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王艳俊等人^[65]分别采用MRD和平头电极对2 mm厚5182铝合金进行电阻点焊对比试验. 结果表明，电极力下MRD圆环将氧化膜挤压到圆环附近，促使氧化膜规律性分布，利用环形触点在合金内部形成导电，电流均匀通过，提高了产热效率. 另外，圆环的存在增大了接触面积，表面散热更好、温度较低，从而可以提高电极寿命，使得焊点连续性更好，接头强度更稳定；LI等人^[66]通过显微组织分析和力学性能测试，探讨了MRD等电极端面形貌对1.2 mm厚6022铝板电阻点焊的影响，表明电极表面形貌可以显著影响电极发热和冷却效果，并产生具有独特形态、微观结构和力学性能的焊缝，但这将对修磨技术提出新的要求，并且对表面质量要求较高的场景并不适用.

2011年，福尼斯(Fronius)公司推出Delta点焊系统，即电极带式电阻点焊. 如图7所示，在电极与板材之间增加一条铜带，铜带与板材形成三明治结构，电流流经铜带完成板材连接. 随着焊接进行铜带发生转动，每次点焊均使用新铜带，因此Delta点焊系统的消耗品主要是铜带而非电极帽，电极不与铝板直接接触而避免电极失效，从而大大降低电极帽损耗^[67-68].

图  7  电极带式电阻点焊机^[67-68]

Figure  7.  Delta spot welding machine

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CAO等人^[69]利用电阻点焊的热、电和机械增量耦合有限元分析，设计开发了一种可以显著延长铝点焊电极寿命的新型电极. 如图8(a)所示，该电极采用了不同材料的复合表面结构，其中，电极基材仍由铜合金制成，在电极端面中心嵌入圆柱状不锈钢、钨等高温强度高、电导率低的材料，在电极外围插入不锈钢环形外套管. 这种电极设计其一可以通过优化电流流动路径来改善电—热—机械条件，以降低焊核形成所需的电流水平，使得电极/板材接触表面温度没有明显升高；其二优化了电极力分布，由于接触压力峰值位于电极的中心和外围边缘，外部和中心插入不锈钢承受了这些峰值接触压力，最大限度地降低了电极表面加热和塑性变形；其三，外部环也可以防止电极外围“蘑菇化”生长. 上述几方面共同促进了该新型电极的高寿命；同样，如图8(b)所示，DE等人^[70]的研究表明在电极端面中间插入钨棒可以有效阻止电极表面的合金化反应，并且该钨棒直径对点焊结果有很大影响，直径1 mm钨棒的效果最好.

图  8  新型电极帽设计

Figure  8.  Designed electrode configuration. (a) center insert and outer ring of stainless steel; (b) center insert of tungsten rod

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综上，已有不少研究工作对电极结构进行设计来改善焊接过程中的热力分布，从而提高焊接质量和点焊寿命. 但不同的电极结构设计需要对修磨技术提出新的要求，且实际点焊的具体应用场景并不能满足所有结构电极，例如法兰盘有限的区域不能使用端面太大的电极帽.

2.4   铝板表面处理

如图9所示，在电极力作用下，氧化膜发生不均匀破碎，造成电流集中，局部产生很高温度，促进了合金化，在电极离开铝板后造成坑蚀^[21]. 可见，高熔点、低电导率的致密Al₂O₃薄膜使铝板表面接触电阻幅值较大、不稳定，进而影响铜电极和铝板之间热量传递，因此控制铝板表面是提高电极寿命和改善焊接质量的关键因素之一.

图  9  电极帽坑蚀示意图^[21]

Figure  9.  Schematic of electrode pitting

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2.4.1   接触电阻

为了提高电极寿命，在无法完全去除表面氧化层时，应保证薄而均匀的Al₂O₃层来实现均匀传热，减少接触界面处的热量集中. 根据德国标准DVS 2929，将薄板接触电阻控制在20 ~ 50 μΩ可以实现具有均匀焊核的稳定焊接过程，但只有对板材表面进行适当处理时，才能实现这种理想接触电阻^[71]. 国内外已有众多关于控制表面氧化层以及接触电阻来提高电极寿命的研究.

LEONE和ALTSHULLER^[72]将点焊数量与表面接触电阻以及氧化层厚度之间建立了抛物线关系，分别如图10(a)和图10(b)所示，并估计了接触电阻和氧化物厚度之间的线性关系，如图10(c)所示. 可见，表面电阻与氧化层厚度呈正线性相关(图10(c))，约330 Å的氧化层厚度产生最高点焊数量(图10(a))，这对应约50 × 103 μΩ的平均表面接触电阻，如图10(b)所示.

图  10  点焊数量、氧化层厚度以及表面电阻的关系 ^[72]

Figure  10.  Relationship of welding number, oxide thickness and surface resistance. (a) welding number-oxide thickness; (b) welding number-surface resistance; (c) oxide thickness-surface resistance

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SAMUEL等人^[73]设计了一种通过扭转电极来破坏铝板表面氧化层进而提高电极寿命的新方法. 在电极接触工件时，旋转约20°，通过电极尖端研磨工件，破坏铝板表面氧化膜，并且对电极尖端进行清洁，保证电极和铝板之间良好接触，这将减少界面产热，从而延长了电极帽寿命并获得均匀焊接. 进一步的测试结果表明，使用扭转电极点焊脱脂铝板和涂油铝板时，电极帽寿命均明显提高，脱脂铝板焊接的扭转电极较传统电极寿命提高了近500%.

除了与电极接触的铝板表面外，两铝板贴合界面对点焊也存在明显影响. 为了降低两铝板贴合界面处的接触电阻，可以利用两个工件之间的滑动来降低电阻. CRINON等人^[74]研究了表面粗糙度、氧化膜厚度和界面滑动对两铝板界面接触电阻的影响. 他们指出，仅约10 μm的滑动位移可以显著降低铝板与铝板贴合表面的接触电阻.

由于铝合金的易氧化性，在实际生产中想要完全去除铝板表面氧化膜，以及合理控制氧化膜厚度及其接触电阻存在一定的难度.

2.4.2   表面清洗

铝板表面处理可以改变氧化层微观结构和表面粗糙度等，影响表面电阻的大小和分布，进而影响电极寿命.

HANA等人^[75]研究了未处理、脱脂、化学清洗和电弧清洗的5A02合金表面处理方法对CrZrCu电极寿命的影响. 图11展示了这四种条件铝板对应的表面电阻，其中，铝板表面经化学清洗和电弧清洗后具有较低的表面电阻，此时电极帽寿命明显较高. 另外，化学清洗铝板的点焊电极寿命最佳，因为化学清洗后铝板表面的Al₂O₃层最薄、最均匀. 图11所示，虽然电弧清洗的铝板具有更低的表面电阻，但电弧清洁并不总能产生均匀一致的表面，所以电弧清洗铝板的点焊电极寿命略低于化学清洗铝板的电极寿命. THORNTON和NEWTON等人^[76]的试验研究表明，如果对2 mm薄板表面进行适当的脱脂或化学清洗，可以实现高达1000个点焊的电极寿命；使用由特殊薄膜涂敷的铝板获得了类似的高电极寿命.

图  11  不同表面处理铝板的电阻^[75]

Figure  11.  Resistance of aluminum sheet surface with various surface conditions

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2.4.3   表面涂敷物质

在铝板表面涂敷合适物质来改变接触摩擦，影响表面粗糙度和接触电阻，也能一定程度上提高电极寿命.

李青松等人^[77]研究表明，在铝合金表面加入有机油、硫酸铜溶液、碳化硼等都能改善基体组织，有效减弱点焊时的铜铝合金化. 其中，有机油和碳化硼的效果最好，电极磨损最轻，能有效改善铝点焊质量和电极寿命，这与周慧琳等人的试验结果一致^[78].

RASHID等人^[23]研究了不同铝板润滑剂对铝点焊电极寿命的影响，发现一种良好润滑剂可以将ZrCu电极寿命延长200%. 他们分析揭示了这种润滑剂使铝板表面氧化层变薄，减少了电极工件界面处的接触电阻和产热，从而降低了合金化和点蚀速率，延长了电极寿命.

英国华威大学的HANA等人^[75]研究了氧化层去除程度和表面固体润滑剂对AA5754铝板点焊的影响. 他们认为不完全去除氧化膜不利于焊接，完全去除氧化膜有助提高焊接质量的稳定性，对应更宽的焊接窗口. 利用预热脉冲可有效去除固体润滑油，降低接触电阻，防止飞溅. 进一步研究了MF(mill finish)和EDT(electrical discharge texture)对AA6011点焊熔核的影响，表明MF在铝板表面产生平行于轧制方向的线性纹理，其点焊工艺窗口较窄.

PATRICK等人^[79]进行的早期工作表明，需要对板/电极界面和两铝板贴合面进行不同处理来实现最佳点焊. 一方面，将与电极接触的铝板表面进行电弧清洗，另一方面，将两铝板贴合表面使用铬磷化转化膜以实现均匀的电阻和化学稳定性，这两方面共同作用实现了高寿命点焊电极.

综上，在铝板表面涂敷物质能改善电极帽和铝板之间的接触行为，从而提高点焊寿命. 但在实际应用中，铝板表面涂敷物质除了考虑对点焊的影响外，还需考虑对胶粘、电泳等整车生产过程中后续工艺的影响.

2.4.4   表面凸点

在两铝板贴合面引入局部过渡凸块可以避免焊接过程中板材的直接接触，以更大的熔核尺寸、更少的缺陷和更高的强度实来现更好焊接^[80]. 如图12所示，ZHANG等人^[81-82]在铝板焊接处进行凸点处理，发现与采用球形电极帽的传统电阻点焊相比，凸点辅助点焊工艺可以改变焊接过程中电流密度以及温度场分布，使焊后接头表面无明显压痕，并且焊透、电极帽粘黏等现象得到缓解，接头无表面裂纹，但生成的熔核直径小，抗剪强度低.

图  12  金属凸块辅助电阻点焊示意图^[81]

Figure  12.  Schematic illustration of metallic bump assisted resistance spot welding

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类似于金属凸点辅助电阻点焊，Arplas焊接技术是汽车制造领域白车身钣金件焊接的一种全新技术，如图13所示，它是基于点焊原理，但采用不同于传统电阻点焊技术的方式和参数^[83]. Arplas焊接采用平头电极帽，在极短时间内高电流脉冲熔化零件完成焊接，焊接热变形和压痕极小. 并且，在焊接之前必须在一个零件上冲出一个凸起，Arplas焊接时，该凸起与另一个零件在高电流脉冲下完全熔合. 在采用Arplas焊接的工件中几乎不存在传统电阻焊中普遍存在的热应力，能有效解决传统电阻点焊的质量问题和低电极寿命问题^[84].

图  13  Arplas焊接成形示意图^[83]

Figure  13.  Schematic diagram of Arplas welding and forming

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表面凸点处理方法在试验理论研究中可以达到较好提高电极寿命效果，但在整车应用中可实施性存在局限性.

2.5   焊接工艺

由于铝合金的低熔点、高导热和导电性^[85]，点焊时多采用大电流、短时间的硬规范. 合适的焊接时间、电流、压力等工艺参数对保证点焊质量和电极寿命具有重要作用. 通过改善焊接工艺来提高电极寿命已展开了大量研究.

2.5.1   预热和预压

西北工业大学张勇等人^[86]的研究表明，T4高强铝合金电阻点焊时采用预热电流改善了接触电阻分布的随机性和不均匀现象，降低了铝合金点焊对工件表面状态和工艺参数波动的敏感性，这将有利于点焊电极寿命的提高.

较大的电极力会减小板与板、板与电极之间的贴合空隙，降低接触电阻，将在电极界面处产生较少的热量和合金化. 因此，对于电极寿命而言，适当的大电极力是优选的. 然而，如图14所示，ZHEN等人^[87]关于预压和预热对AA5052电阻点焊质量和一致性的影响研究表明，单纯增大电极力不能显著降低电极/铝板界面处或铝板贴合面处的接触电阻. 采用适当的预热处理(8 kA的预热电流和50 ms的预热时间)可以在铝板贴合面处产生轻微的熔融区，从而抑制铝板表面的氧化膜，使得铝板贴合面的接触电阻降低两个数量级，并且接触电阻的均匀性得到明显提高.

图  14  不同电极力、有无预热(8 kA预热电流和50 ms预热时间)条件下铝板间接触电阻^[87]

Figure  14.  Contact resistance between aluminum sheets under different electrode pressures and with or without preheating (preheating current of 8kA and preheating time of 50 ms)

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2.5.2   电流补偿(步进电流)

在电极磨损时补偿焊接电流是减小电极磨损的有效方法. 电极磨损后其端面直径增大，电流密度降低，所以通过补充电流以使电流密度不变，从而保证焊接质量，提高电极寿命^[88].

LI等人^[89]建立了电极磨损估计方法模型，他们利用动态电阻来表征电极与工件的接触行为，通过测量动态电阻，监控焊接时电极与工件的接触面积，实时进行电流补偿焊接，从而改进了电阻点焊工艺质量. WADDELL和WILLIAMS^[90]的研究也表明了步进电流对提高电极寿命的有效作用，其中，采用步进电流促使CrZrCu电极的点焊数量从 ~ 1600增加到 ~ 5000.另一方面，采用步进电流会导致电极尖端温度更高，高温时间更长，CrZrCu电极由温度过高而引起尖端变形失效的风险增大. 而Al₂O₃弥散铜比CrZrCu的软化温度更高，高温下硬度更大，其抵抗高温变形能力更强，所以采用步进电流使得Al₂O₃弥散铜电极寿命更有优势.

2.5.3   多脉冲电流

上海交通大学吴松等人^[91]关于5052-O铝合金的电阻点焊研究发现，相对于单脉冲电流，多脉冲电流的非持续输入，使得焊接过程中存在一定冷却时间，其裂纹危险分布系数有所降低. 多脉冲工艺下，含有环状凹痕端面的电极能够完全抑制裂纹产生，并可以提升点焊接头的力学性能. 首钢刘兴全等人^[92]也认为多脉冲焊接相对于单脉冲焊接可扩宽可焊电流范围，提高板材可焊性，以及降低飞溅发生率，抑制裂纹和缩孔缺陷.

天津大学程方杰等人^[93]认为电极烧损与飞溅的发生主要归因于在通电初期接触面上产热严重不均匀以及局部区域点热量迅速积累，所以减小电极烧损主要措施是尽量消除开始通电时的电流分布不均匀以及初始阶段接触表面上的热量积累，从而减小局部熔化倾向. 因此，他们提出了一种适合于铝点焊的新电流控制法，如图15所示，该方法的电流脉冲分为焊接状态稳定脉冲和焊接脉冲两部分. 前者是几个不连续的小幅值电流脉冲，主要作用是促使表面接触均匀化，保证接触电阻稳定在一个较小值；后者焊接脉冲是为了加热工件，形成熔核可以有效减少飞溅发生，使电极烧损变慢、变均匀，还可以降低对工件表面处理工艺的要求.

图  15  电流控制方式示意图^[93]

Figure  15.  Schematic diagram of current control method

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相比于上述讨论的电极材料改善、表面改性、结构设计和铝板表面处理等技术方案，通过点焊工艺调控来提高电极寿命理论上不需要额外的成本投入，带来的效益将更显著，但需要考虑对生产节拍的影响.

3.   结束语

(1)综上所述，铝点焊电极失效的主要原因机理已被理解，电极失效开始于电极表面的局部合金化、塑性变形、热疲劳等原因，导致电流和接触压力分布不规则，进而引起点蚀，电极的最终失效通常是坑蚀形成的结果. 目前虽然已经做了大量研究来提高铝点焊电极寿命，也取得了很多成果，但寻找能彻底有效提高铝点焊电极寿命的技术仍有待进一步探索.

(2)电极材料需同时保证高导电、导热率以及高温强度等综合性能，目前电极材料主要是铜合金，在焊接高温下铜电极难以避免会与铝板发生合金化而引起失效. 对电极进行涂敷涂层等表面处理来阻止铝铜合金化也是技术路线之一，但涂层制备工艺、成本以及迭代等问题制约着涂层电极. 所以寻找新的电极材质体系来避免高温下合金化、热疲劳等行为仍是相关研究者的一个重要研究方向.

(3)由于电极失效涉及电、热、力、流、冶金等多因素耦合的复杂过程，目前还不能完全抑制电极劣化，但根据铝点焊实际情况，探索合适的电极结构、铝板表面处理方法和焊接工艺等技术路线来减缓电极失效，可以在相对较长的生产周期内以较低的维护成本保持可接受的焊接质量，这仍然具有重要意义.