采用Ni中間層的5052鋁合金/DP600車用鋼電阻點焊研究

李佳　陳地群　冉啟洪　岳林　汪維登　鐘海平

摘要：采用Ni做中間層實現(xiàn)了5052鋁合金和DP600車用鋼的電阻點焊連接，借助掃描電鏡和拉伸-剪切實驗對接頭界面組織和連接強度進行了表征和評價。結(jié)果表明，在點焊過程中，Ni中間層未發(fā)生熔化，完全阻隔了鋁合金和鋼母材之間的冶金反應(yīng)。在鋁合金/中間層界面，生成了Al3Ni金屬間化合物層，冶金結(jié)合良好。在Ni中間層/鋼界面，主要通過固態(tài)擴散形成Fe-Ni固溶體實現(xiàn)連接，但存在大量的未焊合區(qū)。隨著焊接電流增大，未焊合區(qū)面積逐漸減少。接頭連接強度隨焊接電流增大而顯著提升，在焊接電流11 kA時接頭最大載荷達到4.3 kN。

關(guān)鍵詞：鋁合金;DP600;電阻點焊;Ni中間層;金屬間化合物

中圖分類號：TG453 文獻標志碼：A 文章編號：1001-2303（2020）12-0009-05

0 前言

隨著排放標準的不斷提高，對于汽車節(jié)能減排的要求也日益嚴苛。提高鋁合金在車身中的占比是實現(xiàn)車身減重、降低汽車排放的有效途徑。但是，主流家用轎車市場尚不足以支撐全鋁車身所帶來的高成本，因而鋼-鋁混合車身成為了各大車企所廣泛關(guān)注的輕量化手段。

對于鋼-鋁混合車身的建造，實現(xiàn)鋁合金與車用鋼的高強可靠連接是關(guān)鍵。電阻點焊是車身建造應(yīng)用最為廣泛的焊接方法之一，目前，圍繞鋁合金與鋼的電阻點焊已經(jīng)開展了大量的研究和攻關(guān)[1]。研究結(jié)果表明，鋁-鋼體系的冶金兼容性差，在點焊接頭界面易生成大量的Fe-Al金屬間化合物[2]。由于界面反應(yīng)產(chǎn)物的巨大脆性，導致接頭強度較低，難以滿足實際應(yīng)用需求[3-5]。為消除或減輕界面脆性相對鋁-鋼點焊接頭強度的不利影響，目前主要采用添加中間層如Cu、Zn和Al-Si等阻隔母材間直接冶金反應(yīng)來實現(xiàn)[4-8]。張月瑩等[6]研究了Cu中間層對6061鋁合金和鍍鋅鋼電阻點焊的影響，發(fā)現(xiàn)Cu中間層可以顯著抑制Fe-Al金屬間化合物的生長，并提高接頭強度。鄭綱等[7]同樣采用Cu做中間層對6061鋁合金和TRIP 980車用高強鋼進行了點焊連接，發(fā)現(xiàn)Cu的添加改變了界面反應(yīng)產(chǎn)物類型，提升了接頭強度和塑性，接頭拉伸力達到4.32 kN。

上述研究結(jié)果表明，添加中間層材料是提高鋁-鋼電阻點焊接頭強度的有效手段。從冶金兼容性角度考慮，Ni能作為鋁-鋼電阻點焊的中間層材料。Ni與鋼可實現(xiàn)無限互溶，且只形成韌塑性極佳的固溶體。同時，研究發(fā)現(xiàn)，Al-Ni金屬間化合物具有一定的韌塑性[9]。因此，采用Ni作中間層，有望顯著提升鋁-鋼異材點焊接頭的力學性能。

目前，關(guān)于采用Ni中間層的鋁-鋼電阻點焊報道甚少。為此，文中選用Ni箔作為中間層對5052鋁合金和車用DP600鋼電阻點焊工藝的進一步改進提供指導。

1 實驗材料及方法

實驗選用厚度分別為2 mm和1 mm的5052鋁合金和DP600車用鋼板為母材，其化學成分如表1所示。點焊試樣的搭接形式及拉伸-剪切試樣如圖1所示，母材長、寬分別為25 mm和100 mm。搭接區(qū)域面積為25 mm×25 mm。Ni中間層以50 μm厚Ni箔的形式加入到母材之間，其尺寸等同于搭接區(qū)域面積。同時，設(shè)置不加中間層組別實驗，作為對比。點焊實驗在唐山松下DTBZ-80型中頻逆變直流點焊機上實現(xiàn)。選用Cu-Cr電極頭，端面直徑8 mm。焊接前，選用400#砂紙對母材及中間層表面進行打磨，去除氧化膜;隨后在丙酮中超聲波清洗，噴灑酒精吹干之后即實施點焊。焊接時間為20 cycles，電極壓力2 kN，焊接電流為8～11 kA。初步探索發(fā)現(xiàn)，當焊接電流超過11 kA時，電極頭與鋁合金產(chǎn)生明顯粘連，因此設(shè)置最高焊接電流為11 kA。

點焊之后，部分試樣經(jīng)線切割沿焊點中心剖開，經(jīng)研磨拋光之后在蔡司ΣIGMA HDTM掃描電鏡下表征接頭界面組織;部分試樣在新三思CMT5105型萬能試驗機上進行拉伸-剪切實驗。在鋁側(cè)和鋼側(cè)夾持端分別附加1 mm和2 mm厚度鋼片以保證拉伸軸線居中，拉伸速率為0.5 mm/min。

2 實驗結(jié)果與分析

不同焊接參數(shù)下添加Ni中間層的鋁-鋼點焊試樣的宏觀照片如圖2所示，試樣上所標數(shù)字表示焊接電流?？梢钥闯觯S著焊接電流的增加，焊點尺寸逐漸增大，從鋁側(cè)試樣觀察尤為明顯。

為進一步明確點焊接頭的界面組織，采用掃描電鏡在背散射電子模式下對接頭進行了詳細的表征。焊接電流為8 kA時接頭中心的界面組織如圖3所示。由圖3a可知，在給定的焊接條件下，Ni中間層未發(fā)生熔化，且界面處未發(fā)生明顯的形變，仍保持原始厚度，僅有輕微彎曲。圖3b為鋁合金/Ni中間層界面的背散射電子成像照片，可以看出，鋁合金與Ni中間層之間生成了一定厚度的反應(yīng)層，形成了良好的冶金結(jié)合。對點1的能譜分析結(jié)果表明，該界面層的成分為Al-77.3at.%，Ni-22.7at.%。根據(jù)相圖推斷，該反應(yīng)層為Al3Ni層。在Ni中間層/鋼界面，掃描電鏡下可觀察到大量的黑色條狀組織如圖3c所示?？梢园l(fā)現(xiàn)這些區(qū)域為未焊合區(qū)。這說明在8 kA焊接電流條件下，由于熱輸入過低，無法實現(xiàn)Ni中間層與鋼之間的可靠連接。

焊接電流為11 kA時接頭焊點中心位置的界面組織如圖4所示。由圖4a可知，相比于8 kA焊接電流時（見圖3a），Ni中間層發(fā)生了明顯的變形，在局部區(qū)域明顯減薄。這是因為隨著電流的增大，熱輸入增大，Ni中間層的軟化加劇，在電極壓力作用下更利于發(fā)生塑性變形。圖4b所示為該條件下鋁合金/Ni中間層界面的電鏡照片?？梢钥闯?，在這一界面生成了鋸齒狀的反應(yīng)產(chǎn)物。對點2進行能譜分析，得到該層成分為Al-78.5at.%， Ni-21.5at.%. 根據(jù)相圖，推斷該反應(yīng)層為Al3Ni。圖4c為該條件下鋼-Ni中間層界面的顯微組織。隨著焊接電流的增加，接頭界面焊合率顯著提高。從圖4d的線能譜結(jié)果看出，在鋼-Ni中間層界面形成了Fe-Ni連續(xù)固溶體，這與根據(jù)相圖推測結(jié)果一致。

不同焊接電流條件下接頭的拉伸實驗結(jié)果如圖5所示。當添加Ni中間層時，接頭強度隨焊接電流的增加而顯著提升。在焊接電流為8 kA時，接頭承受最大拉伸載荷僅為1.2 kN。當焊接電流為11 kA時，接頭強度達到了4.2 kN。但是，相比于不加中間層的對比組實驗結(jié)果，加Ni中間層接頭的強度普遍低于不加中間層的接頭強度。

加Ni中間層接頭強度遠低于未加中間層接頭強度的原因可從拉伸實驗之后接頭的宏觀斷口形貌進行分析。如圖6所示，當焊接電流為8 kA時，添加Ni中間層的接頭鋼側(cè)斷口僅有少量的反應(yīng)產(chǎn)物粘連，焊點大部分區(qū)域表面光滑，觀察不到界面反應(yīng)的痕跡。在鋁側(cè)，Ni中間層與鋁合金基體結(jié)合緊密，未發(fā)生脫落。當焊接電流增加至11 kA時，接頭斷裂特征與8 kA時類似，Ni中間層與鋁合金結(jié)合緊密，在鋼側(cè)，焊點僅為部分焊合，但焊合區(qū)域明顯增大。相比之下，對于不加中間層接頭，在最優(yōu)焊接電流10 kA條件下，由圖6可知，焊點尺寸明顯大于加Ni中間層焊點，即便后者焊接電流更大。未加中間層接頭焊點為全焊合，未發(fā)現(xiàn)未焊合等缺陷。

結(jié)合拉伸實驗結(jié)果和斷裂特征分析可以認為，加Ni做中間層的鋁合金-鋼電阻點焊接頭的連接強度主要受制于Ni中間層與鋼界面的焊合率偏低。從斷裂特征來看，即便在最大焊接電流下，該界面仍未完全焊合。為驗證這一事實，對該接頭遠離焊點中心區(qū)域進行了補充表征，結(jié)果如圖7所示。由圖7c可見，在Ni中間層和鋼基體之間，界面結(jié)合并不緊密。如圖中箭頭處，存在明顯的孔洞，導致接頭有效焊點尺寸遠小于未加中間層接頭。

綜上所述，當采用Ni中間層電阻點焊連接鋁合金和鋼時，在鋁合金-Ni中間層可以實現(xiàn)良好的冶金結(jié)合，但在Ni中間層-鋼界面其連接質(zhì)量則較差。在鋁合金-Ni中間層界面，通過熔融鋁潤濕中間層表面并發(fā)生冶金反應(yīng)，生成Al3Ni來實現(xiàn)連接，因而連接難度小。而在Ni中間層-鋼界面，由于二者均未發(fā)生熔化，因而是靠在電極壓力及焊接熱源作用下的固態(tài)擴散連接來實現(xiàn)結(jié)合，由于難以實現(xiàn)點焊工件的精細表面處理，因而固態(tài)下對界面實現(xiàn)緊密貼合的難度大，這是導致采用Ni中間層接頭強度低的主要原因。但值得指出的是，即便有效焊核尺寸遠小于無中間層接頭，但在11 kA焊接電流下，加Ni中間層接頭強度已經(jīng)與無中間層接頭強度接近。這從側(cè)面反映出Al3Ni更有利于鋁-鋼點焊接頭強度的提升。如果采取適當?shù)募夹g(shù)手段，解決電阻點焊過程中Ni中間層與鋼之間的連接問題，則有望大幅度提高接頭強度。

解決Ni中間層-鋼之間連接的難題可從改善中間層與鋼基體貼合程度和提高熱輸入兩方面入手。一方面，可采用噴涂或鍍層等方式在鋼基體制備Ni涂層，預(yù)先實現(xiàn)中間層與基體的緊密接觸。另一方面，本次實驗中由于電極頭與鋁合金發(fā)生粘連，導致最高焊接電流僅能設(shè)置為11 kA。如果在鋁合金側(cè)采用鋼質(zhì)工藝墊片，避免鋁合金與電極頭的粘連，則可以進一步提高焊接電流。通過提高焊接熱輸入，既能促進中間層軟化，實現(xiàn)良好界面接觸，同時又加劇界面擴散，促進良好冶金結(jié)合的形成。這將作為后續(xù)的研究內(nèi)容以充分挖掘Ni中間層在提高鋁合金-不銹鋼電阻點焊接頭力學性能方面的潛在效能。

3 結(jié)論

（1）當采用Ni中間層電阻點焊5052鋁合金和DP600車用鋼時，Ni中間層未發(fā)生熔化，可徹底阻隔母材之間的擴散反應(yīng)，避免Fe-Al金屬間化合物的生成。

（2）在鋁合金-Ni中間層界面生成了Al3Ni金屬間化合物層，界面結(jié)合良好。

（3）在Ni中間層-鋼界面，通過固態(tài)擴散連接形成Fe-Ni固溶體實現(xiàn)結(jié)合。在這一界面存在明顯的焊合不足，嚴重影響接頭強度。在最大焊接電流11 kA時接頭強度為4.2 kN。

（4）解決Ni中間層與鋼基體間的界面結(jié)合是Ni中間層電阻點焊的關(guān)鍵難題，仍需進一步探索和優(yōu)化。

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DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.12.03

收稿日期：2020-08-25

基金項目：國家重點研發(fā)計劃（2016YFB0101700）

作者簡介：李 佳（1990— ），女，博士，主要從事鋼/鋁焊接、鋁合金/碳纖維粘接以及機械連接的研究。E-mail：810934362@qq.com。