对镀锌钢部件进行电阻点焊 (RSW) 是一项挑战。挑战之一是材料涂层与电极帽之间的相互作用。虽然大家都知道电极帽是 RSW 过程中最易消耗的部分，但仍有理由希望在需要更换电极帽之前尽可能多地焊接。
有许多通用的最佳做法可以帮助确保电极帽获得尽可能长的使用寿命。部分清单包括但不限于：确保材料可焊、工件与电极的接触良好、焊枪/工具性能良好、电极对准和冷却良好、可焊性堆叠率良好，以及实际焊接计划本身适合应用。综上所述，还有一个与工艺相关的项目可以帮助确保焊接质量：使用适当的电流步进器。要了解电流步进器对 RSW 工艺的作用，首先必须了解如果我们进行点焊，而焊接控制器上没有电流步进器增强功能，会发生什么情况。
在每次焊接过程中，按计划的焊接时间和二次电流，再加上所需的焊接力，都会使电极接触面的状况发生物理退化。业内有人称之为 “蘑菇化”。这种退化可能是微妙的，即使经过多次焊接后也很难察觉；也可能是显著的，在生产过程中很快发生。例如，在冷轧裸钢上使用 RSW 工艺时，如果工件上没有污垢，并且轻度涂有已知的良性油，那么在电极帽无法再产生可接受质量的焊缝之前，可以进行数千次焊接。另一方面，我见过一些钢材，其涂层通过与电极帽合金化而成为强烈的磨损剂，在焊接不到几十次后就基本上毁坏了，需要进行维护！最常见的电极维护活动是通过修整电极帽或更换电极帽来更新接触面的几何形状。
什么是电流步进器
电流步进器是焊接控制器的一项功能，它的出现有助于增加电极维护周期之间的焊接次数。它以编程方式调节次级电流，使电流密度（安培/单位面积）在每次焊接时电极帽接触面面积增加时保持相对一致。早期的焊接控制器只允许在不连续的时间间隔内增加电流。这导致焊接次数上的电流曲线图看起来像一组阶梯，因此得名。更现代的焊接控制器允许定制曲线图（例如，每焊一次提升 1 安培）。不过，尽管现代示例的曲线是一条斜线，看起来不再像一组台阶，但这个名字还是沿用了下来。
在汽车 OEM 层面，人们已经开始放弃使用当前步进机的升压功能，而严格将其用作触发维护活动的计数器。在某些应用中，这种 “不升压、早维护、勤维护 “的理念有其可取之处，有助于建立健全的工艺流程。尽管如此，在镀锌材料（尤其是热浸镀锌 (HDG)）上进行焊接有一些独特之处，可能无法很好地使用这种方法。本文稍后将详细阐述这一观点。
不过，在我们继续讨论之前，有一点很重要：本讨论实际上只适用于汽车级涂层钢产品，特别是热浸镀锌应用。我之所以这么说，是因为其他汽车级涂层（电镀锌、电镀锌等）也会出现这种令人担忧的行为，但通常程度较轻。最后，在钢材上焊接任何其他材料基材（不锈钢、铝等）或镀锌涂层等级（如商用、军用等）都不属于本文的适用范围。
此外，请注意，在本讨论中，RSW 工艺的所有方面都必须适合所讨论的应用。材料的可焊性、工件外观、焊枪能力、配置和状态、电极排列、冷却、堆叠率以及实际焊接计划本身等重要因素都必须适合应用。否则，我们就无法正确评估生产过程中的电极磨损和焊接性能。
实际步进剖面
那么，如何为 RSW 创建步进（也称为电流提升曲线）呢？首先必须建立一个稳健的起点。这实际上是成功的一半。在此基础上，您可以使用通用的步进曲线（见下面的示例），看看它的反应如何。这就需要提高质量检验水平，以确保不会采用过于激进或温和的方法（例如，随着时间的推移而出现驱逐或冷焊）。如果出现上述任何一种情况，都需要更改曲线来解决。下面的示例曲线还按电极面类型进行了细分。这考虑到了不同几何形状的焊面生长特性。您还需要考虑应用中的电极磨损问题：较厚的涂层材料对电极的磨损会更严重，可能需要更短的焊接次数或更高的增压值。反之亦然：较薄的无涂层材料对电极的磨损较小，可能需要较长的焊接次数或较低的增压值。最后，无论增压曲线如何，总会有一个极限，即电极的接触面不再能够支撑焊缝，需要进行修整或更换。
通用步进
| 步骤 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| 焊接次数 | 100 | 200 | 300 | 300 | 300 |
| 安培/焊缝
B-鼻* |
2 | 1.5 | 1 | 1 | 1 |
| 安培/焊接
A/E-Nose* |
1 | 1 | 1.5 | 1.5 | 2 |
*有关电极几何形状的信息，请参见参考文献 1
整个生产过程中的焊接可接受性
任何焊接过程都有一定的可变性，这在概念上并不难理解–事情似乎本来就会随时发生变化。只要在 YouTube 上搜索 “慢动作焊接视频”，就能找到证明。在那里，你会发现无数的选择，每一个似乎都比下一个更好，展示了一个金属起伏和流动的世界，似乎是它自己的自由意志。当然，这些都很可能是可见弧焊工艺。现在搜索 “慢动作电阻焊接视频”。仍然会有一些可见电弧焊视频出现，但现在人们可以看到一些电阻焊接过程。通过这种更慢、更近的视角观看，情况就会有些不同。考虑到上述所有因素，人们需要在整个生产流程中验证焊接的完整性。这正是步进机可以提供帮助的地方，在本案例中，步进机可能是完成任务的最有效方法。
前面几段详细介绍了 RSW 如何随时间发生变化，以及可能的通用步进轮廓如何发挥作用。我们将重点关注电极帽最初安装和首次焊接时的退化情况。为了清楚起见，我们所说的电极帽是指在开箱即用的状态下安装和使用的电极帽（如冷成形面），或者是在安装和修整后使用的电极帽（如切割面）。
最初的几道焊缝
如上所述，在整个生产过程中注意焊缝的完整性非常重要。但如果密切关注涂层材料的前几道焊缝，就可能会发现自己处于以下情况：
- 安装电极帽并开始生产涂层钢时，可能会出现几乎无法接受的小焊缝。这可能会导致想要增加基本计划焊接电流，并从更高的初始值开始。不过，我们需要看看在短时间内（30-100 次焊接）会发生什么情况，这可能不是一个好主意。
- 随着焊缝数量的增加，如果不对最初的焊接计划进行任何修改，也不使用任何类型的步进器，最初较小的焊缝就会开始增加。最终，如果不小心的话，焊缝就会变得非常大，甚至有可能被焊死。
- 经过少量焊接（同样，30-100 次）后，我们可能会发现自己的工艺正在排出金属，产生的焊缝比理想的要小，甚至可能不符合最小焊接尺寸 (MWS) 的标准。
让我们更详细地了解一下上述情况。首先，在如此早期的生产过程中，每一条焊缝都与之前的焊缝不同。这意味着 1 号焊缝与 10 号焊缝或 100 号焊缝是不一样的。是什么在变化呢？电极钣金焊接表面的接触电阻在变化。
再细分一下。当我们使用的是全新或刚更换过的瓶盖时，电极接触电阻较高。这可能是因为电极表面有点粗糙和/或存在氧化物或其他残留膜。这可能会导致接触面积变小，在此界面上的电压降比人们希望或希望看到的要大。最终的结果是，在你不希望出现热量的地方（电极与金属板的焊接面）可能会出现更多的热量，而在你希望出现热量的地方（待焊材料的焊接面）可能会出现更少的热量。
但经过 30-100 次焊接（或多或少）后，整个情况就会发生变化。现在电极接触的面积更大了，原来存在的氧化物和/或薄膜都烧掉了，一些锌被吸附并与铜合金化。所有这些都会导致焊缝之间的差异减小，表面接触电阻大大降低。我们现在可以将热量传递到我们想要的地方–待焊接材料的熔合表面。更重要的是，电极面几何形状的影响成为焊接尺寸的主要驱动力。
另一种观点
上述情况是一种经常出现的现象。其中一种方法是用焊缝叶来说明。焊接叶是表达特定电阻点焊应用稳健性的一种方法（见图-1）。从本质上讲，它是一种用图表表示焊接电流和焊接时间的多种组合的方法，在特定条件下（焊接力、电极帽配置、金属堆积等）可产生令人满意的焊缝。通过绘制与特定可测量特征（最典型的是焊接尺寸）相对应的焊接电流值与焊接时间的关系图，可创建焊接波形（有时称为焊接窗口）。注：特定焊接时间的评估数据称为焊接范围。如果针对特定条件测试了一个以上的焊接时间（强烈建议），则将它们组合在一起，形成一个焊接叶。有关如何创建焊接范围的更多详情，请参阅参考资料-2。此过程有一个重要的注意事项：焊接范围通常在已磨合的焊条上进行 – 这一过程取决于如何进行，称为调节，或在某些情况下称为稳定。今后我们将使用 “调节 “一词。
- 波形曲线的左边界显示焊接电流和焊接时间的组合，这些组合产生的焊缝符合最低可接受质量要求，在本例中为 5.0 mm MWS。曲线左侧的焊接电流和焊接时间组合仍可产生焊缝，但通常低于根据特定特性测量的理想质量。
- 该曲线的右边界显示了焊接电流和时间的组合，这些组合与基底剥离或飞边相对应。不过，使用该曲线右侧参数生产的焊缝仍可满足工程设计要求。
- 在给定焊接时间内，这两个边界之间的距离称为电流范围。宽电流范围是工艺稳健性的一种表现。因此，这种叠层可以承受制造工艺和焊接设备因正常工艺变化和设备退化而产生的变化。相反，电流范围窄则表明工艺对典型制造工艺变化的耐受性要差得多。这种工艺很可能很 “挑剔”，似乎需要更多的关注。
我们在焊缝波形图中增加了一个数据点（见图-1），有助于说明电极调节的效果。这个特殊焊缝波形图的独特之处在于，它详细描述了一组新的未调节电极产生符合 MWS 要求的焊缝时的二次电流值。然而，一旦电极经过调节（见上文），达到 MWS 焊缝（I-Min）所需的二次电流将大大降低。此外，新的未调节电极 MWS 电流仅略低于调节电极驱逐电流（I-Max）。这正是上文详述的问题。从生产的角度来看，这是一个真正的问题，因为由于电极接触面电阻的差异，电极表现出非常动态的磨合行为。
这种动态行为的潜在后果是，公布的焊缝叶结果可能价值甚微。有一种方法可以解决这个问题：通过焊接叶点验证来确认数据。焊接叶点验证测试验证特定的焊接参数集是否能够持续生产出质量合格的焊缝。该测试通过验证叶内的焊接点来进行。对于典型的汽车级材料，在给定的焊接时间内，验证点通常低于焊接电流 500-1000 安培，并使用配置为模拟生产环境的电极（即开箱后未进行调节或修整）。验证的焊接部分包括在所需验证点进行一系列剥离试样（通常为 30 个或更多）。所有剥离的测试焊缝都应大于 MWS，并且最好不出现飞溅。
可能的替代方案
解决这一问题的一个可行办法是采用负步进升压曲线（见图-2）。正如示例中详细说明的那样，这种类型的升压曲线允许在使用新电极帽时使用较高的初始启动次级电流，然后迅速减小到更适合已调节电极帽的基线值。一旦电极帽开始出现正常磨损，就可以设置正值的升压，从而延长电极维护周期之间的间隔时间。虽然这需要一些试验，但采用这种替代性升压策略后，RSW 过程将更加稳健，成本效益更高。
RSW 工艺可以非常稳健，即使在涂层材料上也是如此。但是，为了达到这种坚固性，必须考虑到许多变量，在不符合要求时加以解决，并记录在案以供参考，最后在零件的生命周期内加以维护。目前所需的步进装置就是其中之一。
图-1：电阻点焊叶片
图-2：涂层材料电阻点焊电流步进提升曲线
参考资料
1) RWMA《电阻焊接手册》，修订版第 4 版
2) AWS D8.9M-2022，评估汽车钢板材料电阻点焊性能的测试方法
小唐纳德-F-马茨（Donald F. Maatz）现供职于 Milco Manufacturing 公司，担任高级焊接工程师。他曾任 AWS 底特律分会主席、D8 和 D8.9 汽车焊接委员会委员、D8D 委员会主席、C1 电阻焊接委员会顾问、AWS 认证的 CWI 和 RWMA 学校讲师。他毕业于俄亥俄州立大学，获得焊接工程学士学位。如果没有 Milco 团队成员的协助，本文将无法完成。请将您的意见/问题发送至dmaatz@milcomfg.com。
图-1：一个电阻点焊焊缝叶片，显示新电极和经过调整的电极的焊缝尺寸
图-2：涂层材料电阻点焊电流步进提升曲线