焊接電流對(duì)鋁合金/低碳鋼電阻點(diǎn)焊接頭性能的影響

涂益民 ，石紅信 ，金璐杰 ，郭興東 ，郭新新 ，雷 鳴

（1.河南科技大學(xué)，河南 洛陽(yáng) 471003；2.河南省有色金屬材料科學(xué)與加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471003）

0 前言

異種材料間的有效連接不僅能夠充分利用材料各自特性，達(dá)到“材盡其長(zhǎng)”之效果，還可以為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供新思路。鋼與鋁合金作為最常見(jiàn)的兩種結(jié)構(gòu)材料，它們之間的連接將是不可欠缺的。然而，由于鋁合金和鋼的熔點(diǎn)等物理性能差異很大，且兩者之間的固溶度較低，容易在界面生成脆性的金屬間化合物[1-2]，所以這兩材料之間的連接還存在一些問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者分別采用了摩擦焊[3]、擴(kuò)散焊[4]以及攪拌摩擦焊[5]等固態(tài)連接方法對(duì)鋁合金與鋼異種材料進(jìn)行焊接，并深入研究接頭組織、性能。雖然采用固態(tài)焊接可以有效控制金屬間化合物的生長(zhǎng)，但受接頭形式、工件尺度、作業(yè)氣氛、柔性度和效率等方面的限制，這些固態(tài)焊接技術(shù)迄今尚未應(yīng)用到汽車(chē)車(chē)身的實(shí)際生產(chǎn)中。為此，鋁/鋼異種材料的熔釬焊最近被廣泛的研究[6-8]。熔釬焊是利用鋁合金和鋼熔點(diǎn)的差異，通過(guò)電弧或激光加熱并精確控制焊接熱輸入，保證高熔點(diǎn)的鋼在不發(fā)生熔化的前提下使低熔點(diǎn)的鋁合金熔化，熔化的鋁合金及填充金屬與固態(tài)的鋼實(shí)現(xiàn)釬焊連接。這種新型連接技術(shù)提升了鋁/鋼異種金屬連接的應(yīng)用空間，其在汽車(chē)車(chē)身量產(chǎn)制工程化應(yīng)用的研究也正在展開(kāi)。

電阻點(diǎn)焊因具有生產(chǎn)效率高、操作簡(jiǎn)便、無(wú)需填充材、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)代汽車(chē)車(chē)身焊裝的主要焊接方法[9-10]。然而，關(guān)于鋁合金與低碳鋼異種材料電阻點(diǎn)焊的研究成果尚未達(dá)到實(shí)用化程度，仍需進(jìn)一步深入探討。對(duì)此，本研究采用熱補(bǔ)償工藝墊片電阻點(diǎn)焊法焊接鋁合金與低碳鋼，利用電子顯微鏡觀察分析接合界面反應(yīng)物形貌特征。分析焊接電流對(duì)接頭性能的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為1.0 mm厚的A6061鋁合金和低碳鋼Q235，表1、表2分別給出了其化學(xué)成分。圖1為用于抗剪試驗(yàn)的焊接試樣形狀與尺度。由于鋁合金導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能好，焊接時(shí)在鋁合金板上附加一材質(zhì)為低碳鋼（厚1.0 mm）的工藝墊片對(duì)其進(jìn)行熱補(bǔ)償以獲得對(duì)稱的熔核。關(guān)于熱補(bǔ)償工藝墊片電阻點(diǎn)焊的詳細(xì)報(bào)道見(jiàn)文獻(xiàn)[11]。

表1 鋁合金A6061的化學(xué)成分 %

表2 低碳鋼Q235的化學(xué)成分 %

圖1 焊接試樣形狀

焊前，將被焊材料和所用熱補(bǔ)償工藝墊片表面用無(wú)水乙醇洗凈后烘干。焊接工藝條件如表3所示。焊后，在室溫條件下以1.7×10-5m/s的速率對(duì)接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。對(duì)部分典型接頭進(jìn)行斷面觀察試驗(yàn)。垂直于接合界面沿焊點(diǎn)直徑橫切焊接接頭，研磨、拋光其斷面。用掃描電子顯微鏡（SEM,JEOL JSM-6300）沿接合面觀察界面區(qū)微觀形貌。

表3 焊接參數(shù)

為了方便對(duì)比，本研究也對(duì)鋁合金A6061與低碳鋼Q235的常規(guī)電阻點(diǎn)焊接頭進(jìn)行了性能試驗(yàn)。常規(guī)電阻點(diǎn)焊不采用熱補(bǔ)償工藝墊片。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)分析

焊接電流為17.5 kA的接頭中心界面區(qū)掃描電子顯微鏡照片如圖2所示。由圖2可知，反應(yīng)層和鋼之間的界面凹凸起伏很大，且凸起朝向鋼側(cè)，反應(yīng)層和鋁合金間交界處較為平滑。這是因?yàn)橄嗤瑴囟认拢現(xiàn)e在Al中的擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)大于Al在Fe中的擴(kuò)散系數(shù)。界面反應(yīng)層厚度約為4.5 μm。通過(guò)觀察可知：反應(yīng)層厚度在界面并非穩(wěn)定不變的，在焊點(diǎn)中心處反應(yīng)層最厚，隨距焊點(diǎn)中心距離增加而逐漸減小。反應(yīng)層厚度在界面呈這樣分布被認(rèn)為與焊接過(guò)程中的溫度場(chǎng)有關(guān)。因?yàn)榉磻?yīng)層厚度X是反應(yīng)時(shí)間t和溫度T的函數(shù)。點(diǎn)焊時(shí)，由于被焊材料的傳導(dǎo)散熱作用，在焊接區(qū)外圍的溫度低于焊接中心區(qū)，且其處高溫反應(yīng)時(shí)間也比中心區(qū)域短[12]。因此，反應(yīng)層厚度呈中心高周?chē)头植肌?/p>

圖2 焊接界面區(qū)域掃描電鏡照片

不同焊接電流條件下接頭中心區(qū)域的界面反應(yīng)層厚度如圖3所示。由圖3可知，焊接電流越大，焊點(diǎn)中心的反應(yīng)層厚度越大。這是因?yàn)殡S著焊接電流的增大，點(diǎn)焊接頭區(qū)域的溫度較高，且高溫反應(yīng)時(shí)間也較長(zhǎng)。

圖3 焊接電流對(duì)焊點(diǎn)中心反應(yīng)層厚度的影響

圖4為靠近低碳鋼側(cè)、鋁合金側(cè)反應(yīng)層的能譜分析結(jié)果。分析結(jié)果顯示，靠近低碳鋼一側(cè)的金屬間化合物鋁、鐵原子個(gè)數(shù)比為2.44∶1，靠近鋁合金一側(cè)的金屬間化合物鋁、鐵的原子個(gè)數(shù)比為3.18∶1。根據(jù)Fe-Al二元相圖，靠近鋼一側(cè)的鋁鐵金屬間化合物為Fe2Al5，靠近鋁合金一側(cè)的金屬間化合物是FeAl3。未檢測(cè)到其他類(lèi)型鋁鐵金屬間化合物的生成，這是由于FeAl3和Fe2Al5的生成自由能較低，在焊接過(guò)程中優(yōu)先生成。

2.2 接頭力學(xué)性能

A6061/Q235常規(guī)點(diǎn)焊、熱補(bǔ)償電阻點(diǎn)焊兩類(lèi)接頭的熔核直徑與焊接電流的關(guān)系如圖5所示。這里的熔核直徑是從接頭斷口測(cè)出，圖中數(shù)據(jù)是5件試樣的平均值。對(duì)于兩類(lèi)接頭，其熔核直徑都是隨焊接電流的增大而增大。根據(jù)焦耳定律可知，焊接電流是影響電阻熱的主要因素。隨焊接電流的增大，析出的電阻熱增大，因而能夠生成較大的熔核。由圖可知，在相同的焊接電流條件下，A60612/Q235熱補(bǔ)償電阻點(diǎn)焊接頭的熔核尺度比常規(guī)點(diǎn)焊接頭的大2.5 mm左右。這是由于材質(zhì)為低碳鋼的工藝墊片的電阻較大、且導(dǎo)熱性也較鋁合金差，其產(chǎn)熱的效果較好、散熱差。所以，熱補(bǔ)償點(diǎn)焊接頭熔核尺度較大。

圖4 反應(yīng)層成分分析結(jié)果

圖5 接頭熔核直徑與焊接電流的關(guān)系

常規(guī)點(diǎn)焊、熱補(bǔ)償電阻點(diǎn)焊兩類(lèi)接頭剪載荷與焊接電流的關(guān)系如圖6所示，兩類(lèi)接頭的抗剪載荷都隨焊接電流的增加而增大。這是因?yàn)殡S焊接電流增大所生成的熔核尺寸較大，其承載能力也就隨之增大。熱補(bǔ)償電阻點(diǎn)焊所得焊接接頭的抗剪載荷遠(yuǎn)高于常規(guī)點(diǎn)焊所得焊接接頭抗剪強(qiáng)度。在本研究中，具有4.52 kN的最大抗剪力的接頭是在焊接電流為20 kA時(shí)獲得的。這時(shí)的熔核直徑達(dá)10.3 mm，也完全滿足點(diǎn)焊標(biāo)準(zhǔn)所要求的直徑d＞4t1/2（t為板厚）。根據(jù)文獻(xiàn)，Oikawa等人采用采用鋁/鋼軋制復(fù)合板作為中間夾層焊接鋁合金與鋼，其結(jié)果表明焊接電流為20 kA時(shí)獲得最大接頭抗剪載荷為4 kN[13]。采用熱補(bǔ)償電阻點(diǎn)焊法獲得的接頭具有較大的熔核和較高的抗剪力。這也證明了熱補(bǔ)償電阻點(diǎn)焊法對(duì)焊接鋁合金是有效的。

圖6 抗剪載荷與焊接電流的關(guān)系

4 結(jié)論

（1）在鋁合金/低碳鋼的電阻點(diǎn)焊接合界面有反應(yīng)層生成，其厚度隨位置的變化而變化。

（2）鋁合金/低碳鋼接頭熔核直徑、抗剪載荷隨焊接電流的增加而增大。

（3）采用熱補(bǔ)償電阻點(diǎn)焊焊接鋁合金與低碳鋼能獲得具有較大熔核、較高抗剪載荷的接頭。

[1]Qiu R，Iwamoto C，Satonaka S.In situ scanning electron microscopy observation of fracture crack propagation in the welding interface between aluminum alloy and steel[J].Materials Science and Technology，2009（25）：1189-1192.

[2]Qiu Ranfeng，Iwamoto Chihiro，Satonaka Shinobu.The influence of reaction layer on the strength of aluminum/steel joint welded by resistance spot welding[J].Materials Characterization，2009（60）：156-159.

[3]Yilmaz M，Col M，Acet M.Interface properties of aluminum/steel friction-welded components[J].Materials Characterization，2003（49）：421-429.

[4]Kuroda S，Saida K，Nishimoto K.Microstructure and properties of directly bonded joint of A6061 aluminum alloy to SUS316 stainless steel[J]，Quart J Jpn Weld Soc，1999，17（3）：484-489.

[5]Lee WB，Schmuecker M，Mercardo UA，et al.Interface reaction in steel aluminum joints made by friction stir welding[J].Scripta Materialia，2006（55）：355-358.

[6]Mathieu A，Shabadi R，Deschamps A，et al.Dissimilar material joining using laser（aluminum to steel using zincbased filler wire）[J].Optics&Laser Technology，2007（39）：652-661.

[7]林三寶，宋建嶺，楊春利，等.鋁合金/不銹鋼鎢極氬弧熔-釬焊接頭界面層的微觀結(jié)構(gòu)分析[J].金屬學(xué)報(bào)，2009，45（10）：1211-1216.

[8]雷 振，秦國(guó)梁，林尚揚(yáng)，等.基于激光-MIG復(fù)合熱源的5A02鋁合金/鍍鋅鋼熔-釬焊[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2009，45（3）：94-98.

[9]龍偉民，李 濤，鐘素娟等.焊接技術(shù)在汽車(chē)工業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景[J].電焊機(jī)，2004，34（6）：1-3.

[10]袁少波，童彥剛.點(diǎn)焊技術(shù)在汽車(chē)工業(yè)的應(yīng)用[J].電焊機(jī)，2005，35（2）：26-30.

[11]Qiu RF，Yu H，Shi H，et al.Resistance spot welding between aluminum alloy and low-carbon steel[J].Advanced Materials Research，2011（189-193）：3534-3540.

[12]Eisazadeh H，Hamedi M，Halvaee A.New parametric study of nugget size in resistance spot welding process using finite element method[J].Materials and Design，2010（31）：149-57.

[13]Oikawa H，Ohmiya S，Yoshimura T，et al.Resistance spot welding of steel and aluminum sheet using insert metal sheet[J].Science and Technology of Welding and Joining，1999，4（2）：80-88.