異種鋁合金電阻點(diǎn)焊接頭的組織及性能

劉臘臘，劉翥寰，史濤，郭春飛，王勇

(天津七所高科技有限公司，天津 300409)

0 前言

鋁合金具有密度小、比強(qiáng)度和比剛度高、擠壓成形性能良好等特點(diǎn)[1-2]，在汽車輕量化方面得到了大量應(yīng)用。鋁可用在車身面板，動力傳動系統(tǒng)，封閉裝置，底盤，制動殼體，導(dǎo)流板零件和座椅滑軌中等，將來有望取代鋼材成為汽車行業(yè)的主要應(yīng)用材料[3]。奧迪、寶馬、奔馳、捷豹路虎、凱迪拉克等品牌的多款豪華車型車身上大量采用鋁合金材料，大眾、通用、福特等品牌的高端車型上鋁材代替鋼材也有部分應(yīng)用，國內(nèi)品牌汽車企業(yè)也在這方面進(jìn)行了很多前期的研究工作。

在汽車制造過程中，焊接接頭是影響汽車的壽命、安全性和強(qiáng)度的重要因素[4]。鋁合金在電阻點(diǎn)焊過程中，由于鋁合金本身的物理化學(xué)特性，以及焊接過程中電極與工件表面狀態(tài)、焊接工藝參數(shù)等因素的影響，在焊接接頭中經(jīng)常出現(xiàn)焊點(diǎn)熔核尺寸波動、飛濺、縮孔等缺陷、電極燒損影響壽命等問題，嚴(yán)重影響了鋁合金的廣泛應(yīng)用。

文中作者以車身生產(chǎn)中應(yīng)用較多的5754鋁合金與5182鋁合金為研究對象，研究了異種鋁合金電阻點(diǎn)焊接頭的組織特點(diǎn)與力學(xué)性能，以期為其在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)采用中頻逆變直流點(diǎn)焊機(jī)，電極頭端面直徑為20 mm，電極端面圓弧半徑為150 mm。選用母材為2 mm厚的O態(tài)5182鋁合金和2 mm厚的O態(tài)5754鋁合金，母材化學(xué)成分及性能參數(shù)見表1和表2所示。點(diǎn)焊前對母材進(jìn)行化學(xué)清理：用7%氫氧化鈉溶液堿洗5 min，用水沖洗后在30%的硝酸溶液中鈍化3 min，然后用水沖洗、吹干，并在24 h內(nèi)完成焊接試驗(yàn)。焊接時(shí)5182鋁合金位于正極，5754鋁合金位于負(fù)極。使用焊接工藝參數(shù)見表3。

表1 母材化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 母材性能參數(shù)

表3 焊接工藝參數(shù)

焊接完成后沿焊點(diǎn)中心截取接頭橫截面制作金相試樣，金相研磨、拋光，用Keller試劑(190 mL H2O，5 mL HNO3，3 mL HCl和2 mL HF)進(jìn)行腐蝕，通過金相顯微鏡(OM)觀察焊接接頭的微觀組織。采用維氏顯微硬度儀測量焊接接頭的硬度，加載載荷0.5 N，保壓時(shí)間10 s。通過拉伸試樣機(jī)進(jìn)行焊接接頭的拉伸試驗(yàn)，焊接接頭拉伸試樣的尺寸如圖1所示，加載速度2 mm/min，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，結(jié)果取平均值，為保證拉伸力在一條直線上，板件夾緊處增加相同厚度墊片進(jìn)行補(bǔ)償。

圖1 焊接接頭拉伸試樣的尺寸

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 母材顯微組織分析

圖2為5754鋁合金和5182鋁合金板材顯微組織形貌，可知2種板件母材上均存在彌散分布的析出物，5754鋁合金母材上的析出物與軋制方向平行分布，5182鋁合金母材上的析出物相對比較均勻，且數(shù)量相對較多。

圖2 鋁合金母材顯微組織

2.2 焊接接頭宏觀結(jié)構(gòu)

圖3所示為焊接接頭橫截面的宏觀組織，從圖中可以看出焊接接頭可以分為幾個明顯的區(qū)域：母材區(qū)(BM)、熱影響區(qū)(HAZ)和熔核區(qū)(Nugget Zone)，熔核區(qū)主要由邊緣柱狀晶和中心等軸晶組成。柱狀晶方向與熔合線切線方向垂直，中心等軸晶無明顯的方向性。在液態(tài)金屬凝固過程中，首先在固液界面處形核，最外層垂直于熔合線方向過冷度最大，樹枝晶沿該方向擇優(yōu)生長，形成柱狀晶。隨著距熔核中心距離越近過冷度越小，溫度梯度減小，中心的液態(tài)金屬自由形核或遇到異質(zhì)形核質(zhì)點(diǎn)而形核，最終生長成均勻的等軸晶[5]。

圖3 焊接接頭橫截面的宏觀組織

圖3中正極側(cè)熔深為1.71 mm，負(fù)極側(cè)熔深為1.13 mm，熔核的直徑為8.94 mm，其中邊緣柱狀晶區(qū)寬度較窄約為0.4 mm，中心等軸晶區(qū)體積約占整個熔核區(qū)的90%。在熔核中心存在少量縮孔缺陷，主要是因?yàn)殇X合金在凝固時(shí)體積收縮率較高，收縮過程中由于受到電極和圍繞熔核周圍較冷母材的限制，導(dǎo)致液態(tài)金屬無法完全填充焊點(diǎn)體積，最終形成縮孔。

2.3 焊接接頭微觀組織

圖4為焊接接頭析出物與裂紋情況圖。圖4a為焊接接頭部分區(qū)域的微觀組織照片，其中上面板件為位于正極的5182鋁合金，下面板件為位于負(fù)極的5754鋁合金。由圖可知在5182鋁合金側(cè)的HAZ區(qū)域存在較多黑色斑點(diǎn)，且越靠近HAZ斑點(diǎn)密度越高，而5754鋁合金側(cè)的HAZ無明顯的黑色斑點(diǎn)。在圖4b可以看到5182鋁合金側(cè)HAZ出現(xiàn)了與其母材相比數(shù)量較多、體積較大的析出物。在電阻點(diǎn)焊快速加熱時(shí)，HAZ區(qū)域受熱后溫度短時(shí)間內(nèi)迅速升高即開始冷卻，冷卻過程中位于HAZ晶粒內(nèi)部的Mg等合金元素進(jìn)一步向晶界析出，或與晶粒上已存在的析出物結(jié)合造成其體積增大，最終形成圖4b所示形貌。由于5182鋁合金Mg等元素的含量高于5754鋁合金，造成相同條件下其HAZ產(chǎn)生的析出物數(shù)量更多，體積更大。

圖4 焊接接頭析出物與裂紋情況

根據(jù)圖3可知位于5182鋁合金側(cè)HAZ的兩端出現(xiàn)明顯的裂紋，而5754鋁合金側(cè)HAZ則無裂紋出現(xiàn)。為了進(jìn)一步研究裂紋出現(xiàn)的位置，設(shè)置對比試驗(yàn)在相同的焊接條件下使5182鋁合金位于負(fù)極、5754鋁合金位于正極進(jìn)行焊接，得到焊接接頭宏觀組織照片圖4c，發(fā)現(xiàn)裂紋仍僅出現(xiàn)于5182鋁合金側(cè)HAZ的兩端。裂紋產(chǎn)生于熔合線附近向母材方向延伸，裂紋根部較寬，越遠(yuǎn)離熔核裂紋越窄，如圖4d所示。這種裂紋屬于一種典型的液化裂紋。加熱時(shí)HAZ含Al3Mg2的夾雜物在靠近部分熔化區(qū)的區(qū)域內(nèi)熔化，在晶界上形成了幾乎連續(xù)的液化膜，裂紋在熱應(yīng)力作用下沿著晶間裂開，使這些液體夾雜物在焊接壓力作用下進(jìn)入裂紋中，填充滿裂紋的縫隙，因此在裂紋起始端無裂紋源，內(nèi)部沉淀相與周圍組織不同，而在裂紋末端，并未被液體填滿，留下清晰可見的沿晶斷裂的縫隙[6]。

由于5182鋁合金母材的導(dǎo)電率和導(dǎo)熱率均低于5754鋁合金母材，點(diǎn)焊過程中散失的熱量較小，由圖3與圖4c可知，無論5182鋁合金位于正極還是負(fù)極，均獲得比5754鋁合金更大的熔深，因此其在焊接加熱初始階段產(chǎn)生了更大的熔化區(qū)域，在電極力的作用下易產(chǎn)生更大的變形量而形成裂紋。同時(shí)5182鋁合金母材中的Mg含量幾乎高5754鋁合金一倍，加熱時(shí)更容易產(chǎn)生Al3Mg2夾雜物液化膜。

2.4 拉伸試驗(yàn)結(jié)果與分析

拉伸剪切試驗(yàn)曲線如圖5所示，焊接接頭的平均拉伸剪切力為9.4 kN，發(fā)生斷裂前載荷與位移曲線斜率平緩減小，說明在載荷作用下焊接接頭處材料均勻變形，當(dāng)載荷達(dá)到9.4 kN附近時(shí)開始出現(xiàn)裂紋，載荷迅速下降。焊接接頭拉伸斷口宏觀照片如圖6所示。圖6a中，斷裂形式均為紐扣型斷裂，且均為5754鋁合金側(cè)的焊接接頭被剝離。斷裂從圖6b中A處開始，沿著A→B→C的方向進(jìn)行擴(kuò)展，在C處完全被拉斷。其中在A處發(fā)現(xiàn)一小部分焊接接頭從5182鋁合金側(cè)被剝離，說明斷裂開始時(shí)5754鋁合金與5182鋁合金側(cè)接頭處均發(fā)生開裂，在后續(xù)的拉伸過程中5754鋁合金側(cè)的接頭強(qiáng)度小于5182鋁合金，使后續(xù)開裂行為均發(fā)生在5754鋁合金側(cè)的焊接接頭，這主要是因?yàn)?182鋁合金側(cè)熔深大于5754鋁合金，在斷裂時(shí)可承受更高的切應(yīng)力。

圖5 焊接接頭的力-位移曲線

圖6 焊接接頭拉伸斷口宏觀照片

2.5 焊接接頭的硬度分布

圖7為焊接接頭橫穿熔核中心的硬度分布情況。圖中顯示熔核中心的硬度最小為25.5 HV，但是在光學(xué)顯微鏡下此位置可觀察到氣孔，為更好體現(xiàn)熔核中心硬度值，分別取中心點(diǎn)兩側(cè)避讓可見氣孔進(jìn)行測量，測得硬度值分別為34 HV和37.3 HV，硬度值依然較小，這主要是因?yàn)槿酆酥行拇嬖诘妮^多細(xì)小孔洞缺陷破壞了熔核中心基體的連續(xù)性，導(dǎo)致硬度降低。隨著與中心距離越遠(yuǎn)硬度逐漸增大，柱狀晶區(qū)的硬度均大于內(nèi)部等軸晶區(qū)，這是因?yàn)橹鶢罹^(qū)凝固過程冷卻速度快，晶粒尺寸更小，而等軸晶區(qū)冷卻速度慢晶粒尺寸較大導(dǎo)致硬度較低。5182鋁合金側(cè)HAZ的硬度高于熔核區(qū)及其母材，而5754鋁合金側(cè)的HAZ硬度低于熔核柱狀晶區(qū)但略高于母材，由于這兩種鋁合金都是退火狀態(tài)非熱處理強(qiáng)化鋁合金，其硬化的形成是由電極壓力作用下板材的形變帶來的應(yīng)變強(qiáng)化機(jī)制導(dǎo)致的，加之5182鋁合金側(cè)的HAZ分布了更多的析出物，導(dǎo)致其硬度高于熔核及其母材，而5754鋁合金側(cè)的HAZ無明顯的析出情況，未對HAZ產(chǎn)生明顯的強(qiáng)化作用。

圖7 焊接接頭的硬度分布

3 結(jié)論

(1)5182鋁合金與5754鋁合金點(diǎn)焊的焊接接頭由3個典型區(qū)域組成：母材區(qū)、熱影響區(qū)和熔核區(qū)。熔核區(qū)主要由邊緣柱狀晶和中心等軸晶組成，中心等軸晶區(qū)體積約占整個熔核區(qū)的90%。

(2)5182鋁合金側(cè)焊接接頭的HAZ出現(xiàn)較多大顆粒析出物與液化裂紋，并且無論5182鋁合金位于正極還是負(fù)極，均在其HAZ出現(xiàn)液化裂紋。5754鋁合金側(cè)焊接接頭的HAZ處無明顯析出物與液化裂紋產(chǎn)生。

(3)5182鋁合金與5754鋁合金點(diǎn)焊的焊接接頭斷裂形式為紐扣型斷裂，且均為5754鋁合金側(cè)的熔核被剝離。

(4)熔核中柱狀晶區(qū)硬度高于等軸晶區(qū)，等軸晶區(qū)由于存在氣孔等缺陷硬度值最低，位于兩種鋁合金側(cè)的HAZ硬度均高于其對應(yīng)的母材硬度。