電極壓力對(duì)2A12鋁合金電阻點(diǎn)焊裂紋的影響*

劉宗芳，張 勇，張 濤，謝紅霞，張乾寧

（1．西北工業(yè)大學(xué) 凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 摩擦焊接陜西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710072；2．中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究，西安710068）

0 前 言

鋁合金導(dǎo)熱性強(qiáng)，線膨脹系數(shù)和冷卻收縮率大，在電阻點(diǎn)焊快速加熱和冷卻條件下，易在焊件內(nèi)出現(xiàn)較大的內(nèi)應(yīng)力而產(chǎn)生變形或在脆性溫度區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生熱裂紋。熱裂紋不僅可能直接導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在運(yùn)行中破斷，且還可能成為冷裂紋、再熱裂紋及疲勞裂紋的裂源［1-4］。2A12鋁合金是一種成分比較合理，綜合性能較好、用量較大的高強(qiáng)鋁合金，其含銅量雖超過Al-Cu合金裂紋敏感高峰區(qū)，但由于還含有形成低熔點(diǎn)多元共晶的其他元素，結(jié)晶溫度區(qū)間寬，因而焊接裂紋敏感性大［5-8］。

壓力作為電阻點(diǎn)焊一個(gè)十分重要的規(guī)范參數(shù)，對(duì)高強(qiáng)鋁合金點(diǎn)焊裂紋的形成有很大影響。以往的研究主要關(guān)注鍛壓力對(duì)電阻點(diǎn)焊裂紋的影響，關(guān)于焊接壓力和鍛壓力的綜合作用對(duì)電阻點(diǎn)焊裂紋的影響機(jī)理及規(guī)律還缺乏全面的了解［9-13］。

筆者分別調(diào)定焊接壓力為0.4 kN，1.2 kN，2.0 kN，2.8 kN，3.6 kN和4.4 kN，每個(gè)焊接壓力下調(diào)定鍛壓力為12.4 kN，14.0 kN和16.4 kN，研究焊接壓力和鍛壓力對(duì)2A12鋁合金點(diǎn)焊熔核裂紋的分布規(guī)律及形狀尺寸的綜合影響。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)選取的2A12-T4鋁合金，是對(duì)2A12進(jìn)行了固溶熱處理后自然時(shí)效至基本穩(wěn)定狀態(tài)的一種高強(qiáng)硬鋁合金，其化學(xué)成分見表1，金相組織照片如圖1所示。

表1 2A12-T4鋁合金的化學(xué)成分 %

圖1 2A12-T4鋁合金金相組織照片

圖1中白色較淺的大塊狀是α（Al）相，大顆粒的黑色片狀是θ（CuAl2）相，較小的黑色小顆粒包括了S（Al2CuMg）相和從α相或θ相中析出的二次相（θ2）等［14］。

使用DZ-3×63型三相次級(jí)整流式點(diǎn)焊機(jī)，試片規(guī)格為 100 mm×20 mm×1 mm。選用 CdCu合金的球面電極，其尺寸為φ 20 mm，球面半徑為50 mm。試驗(yàn)焊接參數(shù)見表2。本研究中將焊接壓力和鍛壓力統(tǒng)稱為電極壓力，表3是電極壓力調(diào)變參數(shù)。采用酸洗工藝清洗試片表面，并在12 h之內(nèi)完成試驗(yàn)。如圖2所示，試樣采用等距連續(xù)焊接3點(diǎn)的方法，焊后均選用左邊第一個(gè)焊點(diǎn)沿熔核中心方向切開制備成金相試樣，其余2點(diǎn)備用。腐蝕劑為 1.5%HCl，1%HF和 2.5%HNO3的水溶液。利用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡觀察熔核的裂紋特征及顯微組織。

表2 點(diǎn)焊焊接參數(shù)

表3 電極壓力調(diào)變參數(shù)

圖2 焊點(diǎn)分布示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 裂紋的宏觀分布特征及形成機(jī)理分析

試驗(yàn)獲得的點(diǎn)焊熔核裂紋數(shù)量分布規(guī)律如圖3所示。對(duì)應(yīng)有裂紋的點(diǎn)焊熔核低倍宏觀照片如圖4所示。

圖3 熔核裂紋數(shù)量分布

從圖3可以看出，第一組試驗(yàn)熔核沒有裂紋產(chǎn)生，第二、第三、第四組試驗(yàn)均有1條裂紋產(chǎn)生，第五組試驗(yàn)產(chǎn)生的裂紋數(shù)量最多（6條），第六組試驗(yàn)產(chǎn)生的裂紋數(shù)量為4條。由此發(fā)現(xiàn)隨焊接壓力的依次增大，點(diǎn)焊熔核內(nèi)產(chǎn)生裂紋的數(shù)量基本呈遞增趨勢(shì)。

圖4為有裂紋熔核的宏觀形貌。從圖4可以看出，隨焊接壓力的增大，點(diǎn)焊熔核內(nèi)產(chǎn)生裂紋的數(shù)量和尺度均有所增大。從第五、第六組試驗(yàn)點(diǎn)焊熔核宏觀照片發(fā)現(xiàn)，在焊接壓力不變的前提下，隨鍛壓力增大，點(diǎn)焊熔核內(nèi)產(chǎn)生裂紋的數(shù)量和尺度均有所減小，且產(chǎn)生的裂紋方向除第五組試驗(yàn)鍛壓力14.0 kN的點(diǎn)焊熔核有1條位于熔核邊沿上方的橫向裂紋外，其他裂紋均為熔核內(nèi)的縱向裂紋。

根據(jù)焊接熱裂紋理論，焊接熱裂紋產(chǎn)生的充分條件為［15-16］

式中：ε′為焊接冷卻過程中實(shí)際承受的拉伸應(yīng)變；εm為由凝固收縮和熱收縮變形所導(dǎo)致的拉伸應(yīng)變；εc為外加壓應(yīng)變；CST為臨界應(yīng)變速率。

圖4 有裂紋熔核的宏觀照片

式（1）表明：當(dāng)焊接冷卻過程中實(shí)際承受的拉應(yīng)變率大于其臨界應(yīng)變速率時(shí)則產(chǎn)生焊接熱裂紋。由于點(diǎn)焊熔核凝固過程本身就包括溫度的變化，熔核凝固收縮包含有熱收縮，因此可把由凝固收縮和熱收縮變形所導(dǎo)致的拉伸應(yīng)變統(tǒng)稱為凝固三維收縮拉應(yīng)變。

鋁合金點(diǎn)焊熔核凝固的一般過程是：點(diǎn)焊電流切斷后，受熱局部熔化的金屬在母材和電極的急冷作用下，點(diǎn)焊熔核從具有很大的溫度梯度熔合線處液態(tài)金屬由外向內(nèi)依次凝固，先凝固的液態(tài)金屬形成柱狀晶組織，后凝固的液態(tài)金屬在結(jié)晶潛熱及成分過冷等作用下生成等軸晶組織。在凝固即將結(jié)束時(shí)，熔核中心最后凝固的等軸晶區(qū)的金屬處于固-液階段后期，此時(shí)剩余液態(tài)金屬不足以完全填充等軸晶間的間隙，剩余液相流動(dòng)性減弱并被排擠到枝晶間滯留形成液態(tài)薄膜。此液態(tài)薄膜的強(qiáng)度及塑性遠(yuǎn)低于熔核熱影響區(qū)、熔核內(nèi)先凝固的柱狀晶和等軸晶晶界間的結(jié)合力。此時(shí)如果熔核凝固產(chǎn)生的三維收縮拉應(yīng)變率（dεm/dT）與電極施加的壓應(yīng)變率（dεc/dT）之差大于液態(tài)薄膜的臨界應(yīng)變速率（CST），則在熔核中心的等軸晶晶界液態(tài)薄膜處最先產(chǎn)生裂紋，隨后該裂紋沿著結(jié)合力較弱的等軸晶、柱狀晶晶界處縱向擴(kuò)展，這就是點(diǎn)焊熔核內(nèi)產(chǎn)生的裂紋大多是縱向凝固裂紋的原因。

分析認(rèn)為，焊接壓力對(duì)點(diǎn)焊熔核裂紋的影響，主要是其改變了點(diǎn)焊循環(huán)的通電階段焊接區(qū)域接觸面積的大小，進(jìn)而使后期冷卻結(jié)晶階段施加在點(diǎn)焊熔核上鍛壓力密度（壓強(qiáng)）發(fā)生變化造成的。在其他參數(shù)不變的條件下，隨焊接壓力的增大，焊接區(qū)域電極與工件的接觸面積增大，使得冷卻結(jié)晶階段施加在點(diǎn)焊熔核單位面積上的鍛壓力減小，導(dǎo)致其抵消點(diǎn)焊熔核凝固產(chǎn)生的三維收縮拉應(yīng)力的能力減弱，就越容易產(chǎn)生裂紋。

在點(diǎn)焊焊接循環(huán)的通電階段，熔核內(nèi)金屬處于熔化狀態(tài)，不會(huì)產(chǎn)生凝固三維收縮應(yīng)力，此階段產(chǎn)生裂紋的可能性較小，故鍛壓力的變化對(duì)點(diǎn)焊熔核裂紋的影響主要體現(xiàn)在點(diǎn)焊焊接循環(huán)的冷卻結(jié)晶階段。

在其他參數(shù)不變的條件下，焊接壓力決定了焊接區(qū)域的接觸面積。所以當(dāng)焊接壓力一定時(shí)，在冷卻結(jié)晶階段，鍛壓力越大，施加在點(diǎn)焊熔核單位面積上的鍛壓力越大，其抵消的點(diǎn)焊熔核凝固產(chǎn)生的三維收縮拉應(yīng)力越多，式（1）成立的條件越不充分，就越不容易產(chǎn)生裂紋。

2.2 橫向裂紋的形成機(jī)理

圖4（e）中橫向裂紋的局部高倍光鏡照片如圖5所示。從圖5可以看出，橫向裂紋位于點(diǎn)焊熔核邊沿晶粒受熱發(fā)生粗化的熱影響區(qū)，并沿晶向水平方向擴(kuò)展。

圖6是通過掃描電鏡的X射線能譜分析（EDS）點(diǎn)掃描法得到的該橫向裂紋內(nèi)的成分。

圖5 橫向裂紋局部高倍照片

圖6 橫向裂紋EDS分析結(jié)果

從圖6可見，橫向裂紋內(nèi)主要是低熔點(diǎn)共晶相：α（Al）+θ（CuAl2）+S（Al2CuMg）。 由此推斷該橫向裂紋是液化裂紋。分析認(rèn)為，在點(diǎn)焊過程中，熱影響區(qū)內(nèi)的晶粒過熱呈固態(tài)未發(fā)生熔化，但晶粒邊界上的低熔點(diǎn)共晶物可能發(fā)生熔化即晶界液化，從而出現(xiàn)固相與液相共存。晶間發(fā)生熔化的共晶相導(dǎo)致晶間結(jié)合力下降，離點(diǎn)焊熔核越近的熱影響區(qū)的晶界液化越嚴(yán)重，晶間結(jié)合力下降也越多。此時(shí)，如加壓機(jī)構(gòu)的隨動(dòng)性發(fā)生變化，當(dāng)外加電極壓力不足以抵消點(diǎn)焊熔核凝固產(chǎn)生的三維拉應(yīng)力時(shí)，這些晶界液化區(qū)就在殘余拉應(yīng)力的作用下發(fā)生開裂形成晶間裂紋即所謂的液化裂紋。

在液化裂紋擴(kuò)展的過程中，由于在點(diǎn)焊熔核周圍介于柱狀晶區(qū)和熱影響區(qū)之間有一條寬度為100 μm左右的塑性環(huán)，其晶粒比較細(xì)小，晶間結(jié)合力遠(yuǎn)高于熱影響區(qū)發(fā)生晶間液化的晶界結(jié)合力，致使液化裂紋穿過塑性環(huán)向點(diǎn)焊熔核內(nèi)擴(kuò)展的可能性比較低。此外，在電極下方的中部區(qū)域，電極壓力可以認(rèn)為主要是y軸方向的力，x軸方向的分力很?。蝗绻鹸軸方向的分力不足以抵消熔核凝固時(shí)的水平方向拉應(yīng)力，裂紋就會(huì)朝水平方向擴(kuò)展而形成沿晶橫向裂紋。

2.3 裂紋的長(zhǎng)度與電極壓力關(guān)系

裂紋長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4，對(duì)應(yīng)的分布規(guī)律如圖7所示。

從表4和圖7可以發(fā)現(xiàn)，第一組試驗(yàn)的點(diǎn)焊熔核均沒有裂紋產(chǎn)生；對(duì)于第二和第四組試驗(yàn)，鍛壓力為較小值12.4 kN和14.0 kN時(shí)，沒有裂紋產(chǎn)生，而鍛壓力取較大值16.4 kN時(shí)，點(diǎn)焊熔核內(nèi)均產(chǎn)生了裂紋，且焊接壓力大的產(chǎn)生的裂紋長(zhǎng)度短；對(duì)于第三、第五和第六組試驗(yàn)，鍛壓力依次取12.4 kN，14.0 kN和16.4 kN三個(gè)值時(shí)，產(chǎn)生的裂紋長(zhǎng)度會(huì)隨鍛壓力的增大依次減小。將6組試驗(yàn)點(diǎn)焊熔核內(nèi)產(chǎn)生裂紋的長(zhǎng)度求平均值，發(fā)現(xiàn)在焊接壓力不變的前提下，隨鍛壓力的增大，點(diǎn)焊熔核內(nèi)產(chǎn)生裂紋的平均長(zhǎng)度依次變短。

表4 不同鍛壓力下裂紋長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì) μm

圖7 裂紋長(zhǎng)度分布規(guī)律

綜上所述：當(dāng)焊接壓力維持在0.4 kN，鍛壓力依次取12.4 kN，14.0 kN和16.4 kN三個(gè)值時(shí)，點(diǎn)焊熔核內(nèi)產(chǎn)生裂紋的概率很低；當(dāng)焊接壓力維持在1.2 kN，2.0 kN，2.8 kN，鍛壓力依次取12.4 kN，14.0 kN和16.4 kN三個(gè)值時(shí)，點(diǎn)焊熔核內(nèi)產(chǎn)生裂紋的概率相對(duì)較低；當(dāng)焊接壓力維持在3.6 kN，4.4 kN，鍛壓力依次取12.4 kN，14.0 kN和16.4 kN三個(gè)值時(shí)，點(diǎn)焊熔核內(nèi)產(chǎn)生裂紋的概率相對(duì)較大。這說明，高強(qiáng)鋁合金點(diǎn)焊時(shí)，應(yīng)依據(jù)焊接壓力選取相應(yīng)的鍛壓力。焊接壓力越大，鍛壓力也應(yīng)增大。

3 結(jié) 論

在DZ-3×63型三相次級(jí)整流式點(diǎn)焊機(jī)上，通過改變焊接壓力和鍛壓力，研究了電極壓力對(duì)1 mm厚2A12-T4高強(qiáng)鋁合金點(diǎn)焊熔核裂紋分布特征及形狀尺寸的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論：

（1）產(chǎn)生的裂紋一般是位于熔核內(nèi)的縱向凝固裂紋。在電極下方中部、熔核邊沿的熱影響區(qū)，如果電極壓力在x軸方向的分力不足以抵消熔核凝固時(shí)的水平方向拉應(yīng)力時(shí)，可能形成沿晶橫向液化裂紋。

（2）在其他參數(shù)不變，焊接壓力一定的條件下，產(chǎn)生的裂紋數(shù)量和長(zhǎng)度總體隨鍛壓力的增大而減小。

（3）本研究試驗(yàn)條件下，當(dāng)焊接壓力為0.4 kN時(shí)，產(chǎn)生裂紋的概率很低；當(dāng)焊接壓力為1.2 kN，2.0 kN和2.8 kN時(shí)，產(chǎn)生裂紋的概率相對(duì)較低；當(dāng)焊接壓力為3.6 kN和4.4 kN時(shí)，產(chǎn)生裂紋的概率相對(duì)較大。高強(qiáng)鋁合金點(diǎn)焊時(shí)，焊接壓力越大，鍛壓力也需相應(yīng)增大。

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