近年來(lái)隨著(zhù)汽車(chē)車(chē)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，相應的工業(yè)產(chǎn)品在其材料、結構及應用領(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。
由于電阻焊過(guò)程相當復雜，包含了多種影響因素，例如：被焊材料、電流、電極壓力、通電時(shí)間、電極端面形狀及尺寸、分流、焊點(diǎn)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聯(lián)系，有一定的交互作用。同時(shí)，加之焊接過(guò)程中熔核的不可見(jiàn)性及焊接過(guò)程進(jìn)行的瞬時(shí)性，給焊接質(zhì)量控制帶來(lái)較大的困難。為了適應新材料、新工藝、新產(chǎn)品在工業(yè)上開(kāi)發(fā)應用的需要，以使電阻焊工藝及設備能滿(mǎn)足現代化生產(chǎn)的要求，近十年來(lái)，各國焊接界在電阻焊工藝和設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(guò)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)量監控方法研究
電阻焊過(guò)程的計算機模擬研究
電阻焊是一個(gè)牽涉到電學(xué)、傳熱、冶金和力學(xué)的復雜過(guò)程，其中包括焊接時(shí)的電磁、傳熱過(guò)程、金屬的熔化和凝固、冷卻時(shí)的相變、焊接應力與變形等。要得到一個(gè)高質(zhì)量的焊接接頭必須要控制這些因素。傳統的電阻焊工藝及參數制定方法是通過(guò)一系列工藝試驗和經(jīng)驗數據得到的。然而從發(fā)展來(lái)看，隨著(zhù)計算機技術(shù)的發(fā)展，數值模擬的方法將起越來(lái)越重要的作用。例如，用新的高強鋼等材料制造新的工程結構，尤其是對于一些航空航天重要結構，沒(méi)有多少經(jīng)驗可以憑借，如果只依靠實(shí)驗方法積累數據要花很長(cháng)的時(shí)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(shí)數值方法將發(fā)揮其獨特的能力和優(yōu)點(diǎn)。只要通過(guò)少量驗證試驗證明數值方法在處理某一問(wèn)題上的適用性，那么大量的篩選工作便可由計算機進(jìn)行，而不必在車(chē)間和實(shí)驗室里進(jìn)行大量的試驗工作。這就大大節約了人力、物力和時(shí)間，具有很大的經(jīng)濟效益。一旦各種焊接現象能夠實(shí)現計算機模擬，我們就可以通過(guò)計算機系統來(lái)確定焊接各種結構和材料時(shí)的最佳設計、最佳工藝方法和焊接參數。此外，數值模擬還廣泛地用于分析點(diǎn)焊接頭強度和性能等方面。
由于電阻點(diǎn)焊熔核形成的不可見(jiàn)性，對其試驗觀(guān)測相當困難，理論模型的建立對它的分析研究具有重要價(jià)值。自1984年Nied建立的最初有限元點(diǎn)焊分析模型開(kāi)始，至今已有不少點(diǎn)焊的有限元模型出現，并為實(shí)際生產(chǎn)提供了理論依據。
隨著(zhù)有限元數值模擬方法在電阻焊研究領(lǐng)域的深入應用，近年來(lái)國際上在此領(lǐng)域上的研究主要集中在以下三方面：
1?采用電－熱－力耦合有限元模擬方法
電阻點(diǎn)焊過(guò)程是一個(gè)存在電、熱、力學(xué)和冶金現象相互作用的復雜過(guò)程，這一過(guò)程包括電場(chǎng)問(wèn)題、熱傳導問(wèn)題和熱彈塑性變形問(wèn)題，所以必須考慮所有這些問(wèn)題的相互作用和耦合效應，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(shuō)求解這樣的耦合問(wèn)題，應該同時(shí)求解電場(chǎng)、熱場(chǎng)和力場(chǎng)。因此，近年來(lái)對于電阻點(diǎn)焊的有限元分析從原先互相孤立的電場(chǎng)、熱場(chǎng)和力場(chǎng)分析逐步發(fā)展為電－熱－力耦合分析，例如：美國學(xué)者Sun,X.用電－熱－力耦合有限元模擬點(diǎn)焊過(guò)程熔核生長(cháng)及熱分布，研究了帶有中間過(guò)渡材料的鋁合金與鋼板的電阻點(diǎn)焊，模擬結果經(jīng)實(shí)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(xué)者Cha，B.W.通過(guò)對304不銹鋼電阻點(diǎn)焊過(guò)程的電－熱－力分析得出焊后的殘余應力以及影響殘余應力的點(diǎn)焊參數；Feng,Z.等學(xué)者開(kāi)發(fā)了一種用以模擬電阻點(diǎn)焊過(guò)程和性能的集成模型，它將點(diǎn)焊中的基本物理現象和載荷條件結合起來(lái)，這種方法由工藝模型、微觀(guān)模型及結構模型三部分組成，它可以綜合評價(jià)在電－熱－力作用下的點(diǎn)焊接頭性能；日本學(xué)者De,A在鋁合金電阻點(diǎn)焊的研究中，采用電－熱－力耦合的有限元模型，預測了在不同焊接電流、焊接時(shí)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(xiàn)檢測焊接參數對焊點(diǎn)尺寸的影響非常有用。
2?計算機模擬的精確性分析
隨著(zhù)計算機模擬方法在電阻焊過(guò)程研究中的應用日趨廣泛，為了進(jìn)一步開(kāi)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？如何提高數值模擬的精度，使其得出的結果更接近于實(shí)際焊接情況。近來(lái)，有些國外學(xué)者就此方面作了專(zhuān)門(mén)的研究，例如：美國學(xué)者Cavendish,James? C.在文章中提到：對于計算機模擬模型評估的一個(gè)重要問(wèn)題是判斷它是否足夠精確，通常人們用貝葉斯定理統計策略來(lái)分析模擬計算的誤差范圍，但是，在輸入量和未知參數多、數據量大的情況下，統計分析變得相當困難。Hasselman,Timothy等學(xué)者在用電－熱－力有限元模型分析鋁合金電阻點(diǎn)焊過(guò)程，計算熔核尺寸和表面壓痕時(shí)，采用基于不確定模型方法的主元素法，通過(guò)對熔核尺寸和壓痕統計的線(xiàn)性均方差得到有限元的預測精度。
3?計算機模擬的工業(yè)應用
計算機數值模擬有其成本低，參數改變靈活、方便等優(yōu)點(diǎn)，但目前大部分都用于離線(xiàn)計算和模擬，如何將這種方法有效地應用到工業(yè)生產(chǎn)中對焊接質(zhì)量進(jìn)行在線(xiàn)評估和控制，這個(gè)問(wèn)題也成為近年來(lái)焊接學(xué)家們研究的一個(gè)重點(diǎn)。丹麥學(xué)者Zhang,Wenqi基于長(cháng)期的工程研究和工業(yè)合作，開(kāi)發(fā)了一個(gè)新的基于有限元方法的焊接軟件:SORPAS,用于模擬電阻凸焊和點(diǎn)焊過(guò)程。為了使該軟件能被工廠(chǎng)中的工程師和技術(shù)員直接應用，電阻焊中的所有參數被考慮并自動(dòng)地在軟件中實(shí)現。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(jìn)行幾何形狀設計，參數設置猶如正式焊機，它可用于工業(yè)中支持產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和工藝優(yōu)化?，F在Volkswangen,? Volvo,? Siemens和ABB等公司都開(kāi)始采用此軟件。美國華盛頓大學(xué)的Li,Wei提出了一個(gè)基于接觸區域的點(diǎn)焊質(zhì)量評估模型，它是用一個(gè)有限元分析模型來(lái)表示接觸區域變化，根據模擬結果進(jìn)行在線(xiàn)應用，經(jīng)試驗：在不同的電極尺寸、電極力、焊接時(shí)間和電流下這種方法是成功的，它將為電阻焊監測和控制提供重要的信息。
新型材料的可焊性研究?
隨著(zhù)工業(yè)的迅猛發(fā)展，對工業(yè)產(chǎn)品（特別是汽車(chē)）外殼用材的性能提出了更高的要求，并促進(jìn)了產(chǎn)品用材的更新?lián)Q代。例如，為了改善汽車(chē)外殼的抗腐蝕性能，提高汽車(chē)的使用壽命，在汽車(chē)車(chē)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(chē)身總體重量，節省能源消耗，世界各大汽車(chē)公司正在開(kāi)發(fā)鋁合金或高強鋼車(chē)身的汽車(chē)。由于在汽車(chē)車(chē)身等薄板結構的裝配制造中，大量采用電阻點(diǎn)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(diǎn)焊性能已成了非常迫切的任務(wù)。近年來(lái)，各國焊接工作者就此方面做了大量的理論及實(shí)際研究工作，并取得了一定的成績(jì)。
1?鋁合金的電阻點(diǎn)焊研究
鋁合金熔點(diǎn)低、屈服強度低、導電導熱性能良好以及存在表面氧化膜等特點(diǎn)，給電阻點(diǎn)焊帶來(lái)了很大的困難，近年來(lái)各國焊接學(xué)家主要作了以下一些研究：
在鋁合金點(diǎn)焊電極壽命研究方面，美國沃特盧大學(xué)的Lum,L在研究5182鋁合金點(diǎn)焊電極壽命中，采用了掃描電鏡、SEM/EDX、XRD等方法，研究表明：從電極衰退到最終失效主要經(jīng)歷了鋁剝離、鋁與銅合金化、電極端面蝕斑及電極端面凹坑四個(gè)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(chē)生產(chǎn)中鋁合金的應用；美國加利福尼亞大學(xué)的Fresz,B研究了銅電極的合金成分對電極壽命的影響，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(xué)者提出了點(diǎn)焊鋁合金時(shí)采用復合電極以提高其壽命，研究采用在鉻鋯銅電極端部鑲嵌鎢的復合電極焊接鋁合金，發(fā)現電極壽命可提高1.5至2倍。
在鋁合金點(diǎn)焊的工藝研究方面，Sari,H.等學(xué)者通過(guò)鋁合金點(diǎn)焊工藝試驗，研究了鋁合金點(diǎn)焊時(shí)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；美國密西根大學(xué)的Cho,Y采用實(shí)驗研究方法，比較了鋁合金與鋼的電阻點(diǎn)焊工藝，根據試驗得出的葉型曲線(xiàn)確定可用焊接電流范圍和焊點(diǎn)破壞后的鈕扣直徑，并用這兩個(gè)參數來(lái)評價(jià)鋁合金和鋼的點(diǎn)焊質(zhì)量，試驗表明：電極尺寸對鋼焊點(diǎn)破壞后的鈕扣直徑有很大影響，但對鋁焊點(diǎn)沒(méi)有很好的對應關(guān)系，鋁焊點(diǎn)破壞后的鈕扣直徑波動(dòng)很大。
此外，鋁合金點(diǎn)焊過(guò)程的有限元模擬也是近年來(lái)各國學(xué)者的研究熱點(diǎn)。
2 高強鋼的電阻點(diǎn)焊研究
先進(jìn)高強度鋼具有強度高、成型性能好、高烘烤硬化性能、能量吸收率和疲勞強度較高，而且防撞凹性能好等優(yōu)點(diǎn)，因而在汽車(chē)輕量化建設中它的應用量正在日益增長(cháng)，高強鋼的電阻焊可焊性的研究也應運而生。目前各國焊接學(xué)家對高強鋼電阻焊的研究主要集中在各種高強鋼的可焊性、焊接規范參數對焊點(diǎn)組織性能的影響、焊接程序和工藝的優(yōu)化等。例如：英國TWI材料連接技術(shù)全球中心的Shi,G等學(xué)者研究了高強鋼點(diǎn)焊程序的修正以及母材強度和焊接淬火對焊點(diǎn)性能的影響；日本學(xué)者Otani,Tadayuki等對超細晶粒高強鋼電阻點(diǎn)焊特性作了系統的研究，研究發(fā)現：這種由于高強鋼在高溫下的電阻率和強度與低碳鋼不同，其點(diǎn)焊時(shí)得到同樣大小的熔核尺寸需要的焊接電流比低碳鋼板更大，同時(shí)，這種鋼板的碳當量很低，雖然焊后熔核的主要組織是馬氏體，但由于低碳成分限制了熔核硬化，因此這種材料的點(diǎn)焊接頭不經(jīng)過(guò)回火就能得到高的拉剪強度和垂直拉伸強度；法國學(xué)者M(jìn)imer，M通過(guò)試驗研究提出了通過(guò)焊后回火工藝來(lái)改進(jìn)高強鋼和超高強度鋼的電阻點(diǎn)焊性能的方法；日本學(xué)者Sakuma,Yasuharu還對高強鍍鋅鋼板的點(diǎn)焊可焊性進(jìn)行了研究。
3 鍍鋅鋼板的電阻點(diǎn)焊研究
為了提高產(chǎn)品的耐腐蝕性能，在汽車(chē)、家電等行業(yè)越來(lái)越廣泛地使用各種類(lèi)型的鍍鋅鋼板，根據鍍鋅工藝、鍍鋅成分等不同，鍍鋅鋼板分為：電鍍鋅板、熱鍍鋅板、Zn-Ni合金鍍層板、Zn-Fe合金鍍層板等。由于鍍層金屬的物理性能與導電性能不同于低碳鋼，所以鍍鋅鋼板的電阻點(diǎn)焊性能與未鍍鋅的同種鋼板有較大的不同，且從其使用性能考慮，對接頭質(zhì)量要求更高，即點(diǎn)焊時(shí)既要保證產(chǎn)生足夠強度的接頭，還應合理地保護鍍層。
由于鍍鋅鋼板在其點(diǎn)焊焊接性上存在一定的難點(diǎn)，這些年來(lái)各國焊接工作者就鍍鋅鋼板的焊接性方面圍繞著(zhù)焊接工藝規范、焊接過(guò)程的數值模擬、電極壽命等問(wèn)題作了大量的研究工作。
目前，國際上對鍍鋅鋼板的焊接工藝研究基本成熟，進(jìn)一步研究的熱點(diǎn)主要集中在如何提高鍍鋅鋼板點(diǎn)焊電極壽命，例如采用彌散強化銅合金或通過(guò)對電極的低溫處理等措施提高電極的使用壽命。
電阻焊質(zhì)量監控方法研究
由于電阻焊工藝運用的廣泛性、重要性和具有代表性，保證焊接質(zhì)量已成為電阻焊研究的主要目標，點(diǎn)焊質(zhì)量控制始終是國內外焊接界學(xué)者致力研究的重要課題之一。例如：日本焊接協(xié)會(huì )專(zhuān)門(mén)成立了點(diǎn)焊質(zhì)量監控及檢測研究小組，美國也為解決汽車(chē)工業(yè)中的電阻點(diǎn)焊開(kāi)展了2mm研究工程。目前，焊接工藝控制工程師面臨的一個(gè)主要問(wèn)題是探索出一種可靠、低成本、非破壞性的技術(shù)，用以區分焊點(diǎn)的質(zhì)量和實(shí)時(shí)預測焊點(diǎn)強度。
近年來(lái)，電阻焊的質(zhì)量監控方面的研究一直保持上升趨勢，而且其手段和方法日趨先進(jìn)，主要集中在以下幾方面
1?點(diǎn)焊焊過(guò)程直接變量的實(shí)時(shí)監控
美國密西根大學(xué)的Cho,Y用高速數字攝象機實(shí)時(shí)監測熔核形成過(guò)程，研究電阻點(diǎn)焊熔核形成機理以及它對焊接過(guò)程參數的影響。
2?點(diǎn)焊過(guò)程間接電參數的實(shí)時(shí)檢測?
美國學(xué)者M(jìn)atsuyama,K提出了一種基于能量平衡積分形式的新的監控運算法則，該系統通過(guò)獲取焊接電壓、電流和總板厚，計算焊接時(shí)的平均溫度，從而預測焊點(diǎn)直徑和飛濺情況，是一種低成本的點(diǎn)焊實(shí)時(shí)監控方法；? Jou,Min等學(xué)者探索了通過(guò)改變輸出信號的控制參數，保證焊點(diǎn)強度和質(zhì)量的監控方法，其研究方法是創(chuàng )建一個(gè)與焊點(diǎn)質(zhì)量有關(guān)的過(guò)程輸出與過(guò)程輸入變量間的關(guān)系，且輸入參量選擇直接影響焊點(diǎn)尺寸和強度的熱輸入百分比，輸出選擇電極位移，它能精確反映熔核的生長(cháng)和變形，這種監控方法在汽車(chē)鋼板點(diǎn)焊中得到應用。
近年中有不少學(xué)者從事了用動(dòng)態(tài)電阻法監控焊點(diǎn)質(zhì)量的研究，例如美國Fanuc Robotics公司的學(xué)者Garza,? Frank等通過(guò)對動(dòng)態(tài)電阻的預測、分析和分類(lèi)，并在實(shí)際中應用證明這種方法對于檢測不良焊點(diǎn)是有效的；中國學(xué)者Wang,S.C.等在研究中，動(dòng)態(tài)電阻通過(guò)焊接區的溫度總量獲得，此溫度與焊接區工件電阻、工件與電極、工件與工件間的電阻有關(guān)，測得的動(dòng)態(tài)電阻曲線(xiàn)可以分為四個(gè)階段：1）隨著(zhù)接觸電阻的下降而迅速下降；2）主要取決于工件的體積電阻的增大，動(dòng)態(tài)電阻也相應增加；3）工件體積電阻增大，但接觸電阻減小，從而動(dòng)態(tài)電阻也增加；4）由于接觸表面的熔核形成使動(dòng)態(tài)電阻變小。試驗發(fā)現，焊接熔核在第三、第四階段形成；美國密西根大學(xué)的Cho,Y采用通過(guò)測量初級回路的瞬時(shí)電流和電壓，用回歸分析確定這些因素與焊接質(zhì)量間的關(guān)系，克服了傳統的測二次回路動(dòng)態(tài)電阻方法在實(shí)時(shí)監測中存在的問(wèn)題。
3?點(diǎn)焊焊過(guò)程間接力參數的實(shí)時(shí)監控?
華沙大學(xué)的Senkara,J建立了點(diǎn)焊接頭的飛濺預測模型，此模型是基于焊接中的力學(xué)和冶金過(guò)程的互相作用考慮的。用模型計算出點(diǎn)焊時(shí)的電極力和液態(tài)熔核力，當后者大于前者時(shí)發(fā)生飛濺，并對該模型進(jìn)行了實(shí)驗驗證，效果很好，該模型可以用來(lái)指導電極壓力的選擇；美國學(xué)者Tang,H研究了焊機的機械特性對電阻點(diǎn)焊工藝及焊點(diǎn)質(zhì)量的影響，研究表面：焊機的剛性和摩擦對焊接過(guò)程和焊點(diǎn)質(zhì)量有較大影響，而運動(dòng)慣量對焊接過(guò)程及焊點(diǎn)質(zhì)量不產(chǎn)生大的影響；丹麥學(xué)者Wu,Pei認為：電阻焊機機械動(dòng)態(tài)反映對焊接質(zhì)量及電極壽命有很大的影響，因此在焊接生產(chǎn)及模擬時(shí)必須考慮，由于焊機機械結構的復雜性，模擬方程中的一些相關(guān)系數很難得到，該學(xué)者通過(guò)試驗及MATLAB計算求得了這些參數。
4?焊點(diǎn)質(zhì)量的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )預測
美國密西根大學(xué)的Cho,Yongjoon等學(xué)者，在用動(dòng)態(tài)電阻法評估點(diǎn)焊質(zhì)量的系統中，結合Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )理論對焊點(diǎn)質(zhì)量進(jìn)行預測，其結果與實(shí)焊試樣得到的拉剪強度有很好的一致性；Podrzaj,? Primoz等學(xué)者采用LVQ(A? linear? vector? quantization)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )方法檢測不同材料的點(diǎn)焊飛濺，結果表明：電極力信號是飛濺產(chǎn)生的最重要的標志。
