电阻点焊最小熔核直径及剪切强度与板厚的线性化分析

张文扬 郭绍庆 梁海 李能 孙兵兵

摘要：以现行的电阻点焊航空工业标准、国家标准、国家军用标准以及国际标准为基础，总结了铝合金、钛合金、钢及高温合金等合金电阻点焊工艺中，最小熔核直径及最小剪切强度与板材厚度的关系，结论显示：对于各种合金在各种热处理状态下的电阻点焊，板厚在1.2～1.5 mm范围内存在分界点，在该分界点以左及以右，最小熔核直径及最小剪切强度与板厚均大致呈线性关系（对于极限强度在1 035～1 275 MPa和大于1 275 MPa的高温合金材料，在板厚2.5 mm以右，还需要再细分一段），同时提出了以强度对材料进行系统分类的原则。该结论可以对各种板厚新材料以及标准中未涉及到的板厚的电阻点焊的最小熔核直径及最小剪切强度提出理论预测。

关键词：电阻点焊;最小熔核直径;最小剪切强度;线性化;标准

中图分类号：TG453+.9      文献标志码：A         文章编号：1001-2003（2021）11-0001-07

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.11.01

0    前言

电阻点焊技术是传统的焊接技术，方便快捷、效率高、易操作。尽管近30年出现了激光焊、电子束焊以及搅拌摩擦焊和线性摩擦焊等先进焊接技术，电阻点焊技术仍然是重要的连接方法之一，国内外对电阻点焊技术的研究依然活跃。S. M. Manlandan等对铝合金的点焊技术做了系统全面的评述[1]。SHOUSHOU LI等提出了一种新颖的垫片辅助点焊工艺，提高了中锰含量的相变诱导塑性钢的点焊焊接性能[2]。Gu‑Cheol Kim等通过有限元模拟和拉伸剪切实验研究了5052铝合金电阻点焊过程中焊接时间对点焊性能的影响[3]。J P Oliveira等将电阻点焊技术与摩擦焊技术相结合，实现了高强度钢与沉淀硬化铝合金的多层板材的连接[4]。程东海等研究了5A90铝锂合金电阻点焊力学性能以及微观组织[5]。梁键等研究了航空发动机火焰筒矩形点焊换段修理技术[6]。近些年，还出现了激光点焊技术[7]、搅拌摩擦点焊技术[8]以及超声与点焊的复合技术[9]等，是点焊技术的新发展。

电阻点焊技术在航空工業中主要应用于飞机蒙皮、口盖以及整流罩等部件的生产制造。航空工业现行的电阻点焊行业标准主要有HB 5276-1984《铝合金电阻点焊和缝焊质量检验》[10]、HB 5427-1989《钛及钛合金电阻点焊和缝焊质量检验》[11]、HB 5282-1984 《结构钢和不锈钢电阻点焊和缝焊质量检验》[12]、HB6737-1993《高温合金电阻点焊和缝焊质量检验》[13]以及国家军用标准GJB 724A-1998《不锈钢电阻点焊和缝焊质量检验》[14]和国家标准GB19867.5-2008/ISO 15609-5：2004《电阻焊工艺规程》[15]，这些标准从编制时间上看大都已久远，面临更新或换版，以及补充新的材料牌号。但是，通过对比和研究这批标准发现：①除了HB6737-1993，其他标准对所涉及的材料都没有提出明确的材料分类原则;②标准中以表格形式规定的对一定板厚对应的最小熔核直径及最小剪切强度，蕴含有普遍的内在规律尚未揭示，因而对一定板厚的新材料的最小熔核直径和最小剪切强度没有预测能力。传统上只能通过大量的试验工作进行确定（拉剪试验、撕破试验和低倍试验），消耗大量成本，耗时费力。

文中通过将标准表格中的数据图形化，揭示了其中的普遍规律，同时提出对材料进行系统分类的原则，这为各种板厚新材料以及现行标准中未涉及到的板厚的电阻点焊最小熔核直径及最小剪切强度的预测提供了理论基础，在此基础上，只需少量的试验验证即可。

1 板材厚度与焊点最小剪切强度及核心尺寸关系的分析

航空工业行业标准HB 5276-84、HB 5427-1989、HB 5282-1984以及国军标GJB 724A-98、国际标准BS EN ISO18595-2007等标准对板厚与最小熔核直径、最小剪切强度的规定均以表格形式给出，为便于直观分析讨论，将相应的表格转换成散点图。采用Origin软件，将材料板厚与最小熔核直径和最小剪切强度制成一张散点图，为观察最小熔核直径与最小剪切强度的关系，再将最小熔核直径与最小剪切强度制作成一张散点图。

1.1 铝合金点焊板厚与最小剪切强度及最小熔核直径的关系

对于铝合金电阻点焊和缝焊的质量检验，航空工业的标准是HB5276-84《铝合金电阻点焊和缝焊质量检验》。该标准在其表1中规定了选定焊接规范参数的检验项目及试样数量，表2中规定了一定板厚点焊时所对应的熔核最小直径，以及焊点的最小抗剪强度或缝焊接头强度系数的最小值。

在此规定下，焊点的最小熔核直径及最小强度值都可以得到保证。将标准中的表2转为散点图，如图1、图2所示。为统一单位，将标准中出现的kgf都转化为kN。图1、图2中的硬状态对应LY12CZ、LF6、LC4CS、LC9CS、LY16CZ等材料;软状态对应LF2、LF3、LY12M、LC4M、LY16M等材料（数据取自HB 5276-84）。

由图1、图2可知，对每一种具体的铝合金电阻点焊，板厚大致在1.2 mm（对应最小熔核直径4.5 mm）以左及1.5 mm（对应最小熔核直径5.5 mm）以右，分别与最小熔核直径及最小剪切力呈线性关系;铝合金点焊最小熔核直径与最小剪切强度的关系也符合同样的分段线性关系。

例如，铝合金板厚与最小熔核直径的关系可用如下线性公式描述

板厚0.6～1.2 mm：   dmin=3.0+2.5×（t-0.6）         （1）

板厚1.5 mm以右：  dmin=6.0+2.0×（t-1.8）         （2）

式中 dmin为最小熔核直径;t为板厚。

而最小熔核直径与最小剪切力的关系，例如取硬状态，可用如下线性公式描述：

最小熔核直径2.5～4.5 mm：τmin=0.75+0.53×（dmin-3）                    （3）

最小熔核直径5.5 mm以右：τmin=0.75+1.2×（dmin-3）                     （4）

式中 dmin是最小熔核直径，τmin是最小剪切力。

1.2 钛合金电阻点焊板厚与最小熔核直径及最小剪切力的关系

钛及钛合金电阻点焊的数据见HB 5427-1989《钛及钛合金电阻点焊和缝焊质量检验》中表1，将其转成散点图，如图3、图4所示。

由图3、图4可知，钛合金点焊板厚在1.4 mm （对应熔核直径5 mm）以左及1.5 mm（对应熔核直径5.5 mm）以右与最小熔核直径、最小剪切强度均呈分段的线性关系，而最小熔核直径与最小剪切强度之间有很好的线性关系（薄板0.3 mm对应的最小熔核直径2.5 mm处的最小剪切强度略有偏离）。

1.3 结构钢和不锈钢电阻点焊板厚与最小剪切强度及最小熔核直径的关系

1.3.1 HB 5282-1984 《结构钢和不锈钢电阻点焊和缝焊质量检验》的情况

结构钢和不锈钢电阻点焊的情形最为复杂，因为在同样的板厚条件下，碳钢与低合金钢（即结构钢）的最小熔核直径相同，但与不锈钢的最小熔核直径不同，数据见HB 5282-1984 《结构钢和不锈钢电阻点焊和缝焊质量检验》中表1、表3，分别绘制成散点图，如图5～图8所示。

由图5可知，碳钢与低合金钢的最小熔核直径重合;板厚在1.5 mm （对应最小熔核直径4.5 mm）以左及2.0 mm （对应最小熔核直径5.5 mm）以右，板厚与最小熔核直径大致呈分段的线性关系。

由图6可知，板厚大致在1.5 mm以左及2.0 mm以右，板厚与最小剪切力也大致呈分段的线性关系，低合金钢的数据略有偏离。

由图7可知，对碳钢最小熔核直径与最小剪切力的关系，可以最小熔核直径4.2 mm（对应板厚1.5 mm）以左，以及4.8 mm以右，两边各自进行曲线的拟合已进行线性化;对低合金钢最小熔核直径与最小剪切力的关系，可以最小熔核直径6.0 mm为界，左右两边各自进行曲线的拟合已进行线性化。

由图8可知，对不锈钢情况略复杂，最小熔核直径与最小剪切力的关系，可以按3.8 mm以左、4.2～5.5 mm以及6.5 mm以右三个区间分别进行线性化。

在HB 5282-1984《结构钢和不锈钢电阻点焊和缝焊质量检验》中，碳钢与低合金钢的最小熔核直径是重合的，二者的最小剪切力，在板厚2.0 mm处有大约3 kN的差别，其余数据几乎也是重合的。

1.3.2 国军标GJB 724A-98《不锈钢电阻点焊和缝焊质量检验》的情况

将国军标GJB 724A-98中表7、表8的数据，分别绘制成散点图，如图9、图10所示。国军标中冷作硬化态材料包括1Cr11Ni2W2MoVA、1Cr17Ni2、1Cr18Ni9Ti（冷作硬化）、2Cr13Ni4Mn9（冷作硬化）、1Cr21Ni5Ti、1Cr18Ni9（冷作硬化）等;软态材料包括0Cr13、1Cr13、0Cr18Ni9（软态）、1Cr18Ni9Ti（软态）、1Cr19Ni11Si4AlTi、2Cr13Ni4Mn9（软态）等。

由图9可见，国军标中不锈钢电阻点焊板厚大致1.2 mm（对应最小熔核直径4.5 mm）以左，及1.5 mm（对应最小熔核直径5.0 mm）以右与最小熔核尺寸及最小剪切强度呈分段的线性关系。

由图10可见，最小熔核直径与最小剪切力的关系，与图9体现的关系基本一致，最小熔核直径4.5 mm以左（对应板厚1.2 mm），及最小熔核直径5.0 mm（对应板厚1.5 mm），与最小剪切强度大致呈分段的线性关系。

1.4 高温合金点焊板厚与最小剪切强度及最小熔核直径的关系

将HB6737-1993《高温合金电阻点焊和缝焊质量检验》中表3、表5的数据，分别绘制成散点图，如图11、图12所示。

由图11可知，高温合金的电阻点焊，板厚在1.2 mm（对应最小熔核直径4.6 mm）以左，及板厚在1.5 mm（对应最小熔核直径5.0 mm）以右，与最小熔核尺寸及最小剪切强度大致呈分段的线性关系;对于极限强度1 035～1 275 MPa及大于1 275 MPa的高温合金材料，在板厚2.5 mm以右，還需再细分一段。

由图12可知，最小熔核直径与最小剪切强度的关系，最小熔核直径4.6 mm（对应板厚1.2 mm）是一个分界点，其以左及以右，都分别可以进行线性化处理。由图11、图12可知，HB6737-1993《高温合金电阻点焊和缝焊质量检验》是以材料的极限强度范围进行分类，规则明晰，高温合金电阻点焊板厚与最小熔核直径以及最小剪切强度的关系可以清楚地呈现。

1.5 铝合金电阻点焊国际标准

以铝合金点焊为例，按BS EN ISO18595-2007《Resistance welding-Spot welding of aluminium and aluminium alloy—Weldability，welding and testing》[16]中表1的规定（该表中最小熔核直径只适用于A类铝合金，对B类铝合金的最小熔核直径没有给出数据），分别绘制成图13和图14。

如图13所示，板厚以1.5 mm以左、1.8～3.5 mm以及4.0 mm以右，铝合金点焊板厚与最小熔核直径大致呈线性关系;BS EN ISO18595-2007中规定的铝合金（A类合金和B类合金）电阻点焊板厚与最小剪切强度的关系呈现极好的线性关系。

板厚与最小剪切强度的关系可以如下表示：

对A类合金：τmin=0.47+0.78×（t-0.6）                （5）

对B 类合金：τmin=0.58+0.97×（t-0.6）                （6）

式中 τmin为最小剪切强度;t为板厚。

如图14所示，A类合金中最小熔核直径4.5～7.5 mm、8.0～10.0 mm以及11.0 mm以右大致三个区间段内，与最小剪切强度分别成线性关系。

与航标HB5276-84铝合金电阻点焊和缝焊质量检验相比，BS EN ISO18595-2007由于分类方式的变化，板厚、最小熔核直径与最小剪切力三者之间的规律也发生了变化，但仍是分段线性的。

A类合金与B类合金的分类见GB/T 3880.1-2012表1[17]，这与国际标准中对铝合金的分类一致，即：Mn（锰）和Mg（镁）的含量低于某个限值的为A类铝合金，其余的为B类合金。而在铝合金中适当添加Mn、Mg等合金元素，可以制成强度较高的铝合金，若再经变形强化或热处理，可进一步提高强度。因此A类合金与B类合金的分类实质上是按强度的分类，与HB6737-1993《高温合金电阻点焊和缝焊质量检验》对材料的分类原则一致。

2 讨论

综上所述，HB6737-1993《高温合金电阻点焊和缝焊质量检验》中以强度范围对材料进行分类值得借鉴，可以将此原则应用于其他标准的修订或制定。

对于铝合金，材料的分类可以按照GB/T 3880.1-2012，分成A类和B类，这样板厚与最小剪切力是完全线性化的，见图13，并与国际标准完全一致（但是是否还需要细分为软状态和硬状态，还需进一步的研究）。例如需要确定板厚为2.0 mm的6061铝合金[18]的最小剪切力和最小熔核直径（航标HB5276-84不包含该材料，但是该材料已获得电阻点焊的应用，应将该材料纳入到标准中），按GB/T 3880.1-2012，6061铝合金属于B类，将板厚2.0 mm带入式（6），可得最小剪切力为2 kN，再通过少量试验确定最小熔核直径。

对于钛合金，HB 5427-1989没有明确给出材料的分类原则，根据已有材料的强度数据（见中国航空材料手册）[19]，可以大致分为370～700 MPa（包括TA1、TA2、TA3、TC1和TC2等材料，主要为纯钛和部分近α钛合金）和785～930 MPa（包括TA7、TC3和TC4等材料，主要是部分α钛合金和α-β钛合金）两个材料范围（包括了HB 5427-1989中所有的材料，且仍保持其中线性化的规律），如有强度在980 MPa以上的电阻点焊材料可以再增加一个材料范围。例如需要确定板厚为2.0 mm的TB5钛合金[19]的最小剪切力和最小熔核直径（航标HB 5427-1989不包含该材料，但该材料已获得电阻点焊的应用，并将该材料纳入到标准中），按文献[19]给出的数据，该材料在熔核直径为6.5 mm时，最小剪切强度为27.4 kN（远高于HB 5427-1989中熔核直径为6.5 mm所对应的最小剪切强度），因此不能归入前两个材料范围。因其强度≥1 080 MPa，應属于980 MPa以上的材料范围。

对于结构钢和低合金钢，HB 5282-1984编制时间较久，包含合金牌号较少，碳钢和低合金钢可以合并考虑;不锈钢的分类应以GJB 724A-98为基础，按标准中材料所对应的强度数据（见中国航空材料手册）[20]，可以大致分为520～635 MPa（可以包括0Cr13、1Cr13、0Cr18Ni9（软态）、1Cr18Ni9Ti（软态）、2Cr13Ni4Mn9（软态）等软态材料）和635～980 MPa

（可以包括1Cr11Ni2W2MoVA、1Cr17Ni2、1Cr18Ni9Ti（冷作硬化）、2Cr13Ni4Mn9（冷作硬化）、1Cr21Ni5Ti、1Cr18Ni9（冷作硬化）等冷作硬化态材料）两个区间，原标准中的材料1Cr19Ni11Si4AlTi是放在软态材料中，但是按GJB 2295-1995，该材料在软状态下，拉伸强度是715 MPa;冷作硬化后的拉伸强度是880 MPa（见中国航空材料手册）[20]，因此将该材料纳入635～980 MPa范围的硬化材料更合适。

3 结论

（1）电阻点焊标准应按材料强度范围对材料进行分类。对于铝合金，可以按照GB/T 3880.1-2012分成A类和B类。对于钛合金，可以大致分为370～700 MPa和785～930 MPa两个材料范围。对于不锈钢，可以大致分为520～635 MPa和635～980 MPa两个区间。

（2）对于各种金属及其合金在各种热处理状态下的电阻点焊，普遍呈现一个规律：板厚在1.2～1.5 mm是一个分界点，在该分界点以左及以右，板厚与最小熔核直径及最小剪切强度均大致呈分段线性关系。对于铝合金，板厚的分界点是1.2 mm，BS EN ISO18595-2007中是1.5 mm;对于钛合金，是1.4 mm以左及1.5 mm以右;对于钢，综合参照航标以及国军标，碳钢和低合金钢都是1.5 mm，不锈钢是1.2 mm;高温合金是1.2 mm。

（3）而最小熔核直径与最小剪切强度的关系，也有类似（2）的规律。

（4）采用插值法求取标准中未涉及到的板厚对应的最小熔核直径及最小剪切力。

（5）在以材料强度范围进行分类的基础上，新的点焊材料只要查明其极限强度，就可以按板厚预测其最小熔核直径及最小剪切力，只需做少量的验证性工作即可以确定。

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