電動(dòng)汽車用7075鋁合金攪拌摩擦焊性能研究

劉美娜，高博

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

引言

目前，響應(yīng)國家對(duì)于新能源車各項(xiàng)政策，電動(dòng)汽車電池殼材料多選用密度較小的6系鋁合金，但由于6系鋁合金本身強(qiáng)度及電池殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)限制，往往達(dá)不到能量密度要求，因此可考慮采用7075高強(qiáng)鋁實(shí)現(xiàn)大幅減重。7075鋁合金是一種可熱處理強(qiáng)化的Al-Mg-Zn-Cu系高強(qiáng)鋁合金材料，熔鑄方便，成形性好，經(jīng)軋制能獲得比較理想的板材，通過固溶及時(shí)效處理，可獲得優(yōu)良的綜合性能，因此在航空、航天以及軍工領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。若7075鋁合金代替鋼鐵材料，可在很大程度上降低工業(yè)能耗，進(jìn)而緩解當(dāng)前能源和環(huán)境問題，提高資源利用率。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為7075鋁合金、7075-T6鋁合金，板厚均為2.0mm，鋁合金試片尺寸為350mm*150mm，焊縫熔深要求全焊透。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

焊接設(shè)備為賽福斯特龍門式攪拌摩擦焊設(shè)備，攪拌針長(zhǎng)2mm。

圖1 龍門式攪拌摩擦焊設(shè)備

1.3 試驗(yàn)方法

首先將兩個(gè)試片對(duì)接放置在攪拌摩擦焊設(shè)備平臺(tái)上，要求對(duì)接間隙為0，然后用工裝夾具進(jìn)行固定和夾緊，最后進(jìn)行施焊，如圖2所示。本試驗(yàn)主要焊接參數(shù)為：攪拌針轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度，不斷調(diào)整攪拌針轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度，觀察焊接過程中及焊后焊縫表面成形情況，在試驗(yàn)過程中，當(dāng)焊縫表面出現(xiàn)大量飛邊及溝槽缺陷時(shí)，立即終止焊接試驗(yàn)，重新調(diào)整焊接參數(shù)。焊后觀察不同焊接參數(shù)下得到的焊縫表面成型情況，金相觀察各焊縫斷面，檢驗(yàn)焊縫內(nèi)部是否存在缺陷。再對(duì)焊后的對(duì)接鋁板，進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。

拉伸試驗(yàn)試樣按照GB/T228《金屬材料拉伸試驗(yàn)》的要求進(jìn)行加工制作，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度控制在（23±5）℃，試驗(yàn)結(jié)束之后記錄焊接接頭的抗拉度。

圖2 施焊

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊縫表面形貌

圖3 （a）、（b）、（c）分別為未熱處理7075鋁合金焊縫、T6處理7075鋁合金焊縫及7075鋁合金焊后T6處理得到的焊縫，焊縫成型較好、表面均勻一致，無氣孔咬邊等焊接缺陷。但在焊接參數(shù)調(diào)試過程中，未經(jīng)熱處理的7075更易出現(xiàn)飛邊現(xiàn)象，主要原因是焊接過程中，焊縫上部溫度較高，而底部溫度較低，攪拌針端部的塑性金屬沿?cái)嚢栳槺砻嫦蛏线w移到軸肩區(qū)匯聚，由于軸肩區(qū)金屬溫度高，向下的擠壓力小，導(dǎo)致回填上來的金屬沿軸肩邊緣形成飛邊[2]。

圖3 焊縫表面形貌

2.2 焊縫斷面形貌

圖4 焊縫斷面形貌

將不同焊接參數(shù)下得到的焊縫沿橫截面切開，用砂紙打磨平整，然后用酒精清洗，再采用低倍顯微鏡觀察斷面形貌，采用高倍鏡觀察焊核區(qū)。由圖4（a）（b）（c）可知，焊縫內(nèi)部均未出現(xiàn)缺陷，焊縫明顯分為熱影響區(qū)、熱機(jī)影響區(qū)和焊核區(qū)三個(gè)部分，焊核區(qū)為細(xì)小的等軸晶粒；熱機(jī)影響區(qū)從母材的拉長(zhǎng)的變形組織變?yōu)榫哂幸欢ɑ《鹊膹澢M織；熱影響區(qū)的晶粒形貌與母材相似，但晶粒出現(xiàn)了粗化現(xiàn)象。圖4（a）未經(jīng)熱處理的焊核區(qū)晶粒較細(xì)小，攪拌摩擦焊接過程中，攪拌針的攪拌作用和熱作用共同造成焊核區(qū)發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，形成細(xì)小的等軸晶[3]。圖4（b）（c）經(jīng)熱處理的焊核區(qū)晶粒較粗大，主要是由于熱處理過程中接頭受熱位錯(cuò)能量釋放，位錯(cuò)密度降低，等軸晶粒發(fā)生進(jìn)一步長(zhǎng)大[4]。

2.3 力學(xué)性能

將不同焊接參數(shù)下得到的焊縫按照GB/T228《金屬材料拉伸試驗(yàn)》加工成拉伸試樣，用拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，最優(yōu)參數(shù)下焊縫抗拉強(qiáng)度結(jié)果如表1所示，拉伸試驗(yàn)后斷裂位置均在熱影響區(qū)。

表1 焊縫系數(shù)

圖5 抗拉強(qiáng)度與轉(zhuǎn)速/焊接速度曲線

未經(jīng)熱處理的7075鋁合金焊縫系數(shù)可達(dá)0.96；熱處理后7075鋁合金焊縫抗拉強(qiáng)度有所提升，但由于母材強(qiáng)度提升較明顯，焊縫系數(shù)有所降低。由圖5中7075-T6和7075-焊后T6焊縫抗拉強(qiáng)度與轉(zhuǎn)速/焊接速度曲線可知，焊前熱處理和焊后熱處理的焊縫抗拉強(qiáng)度與轉(zhuǎn)速/焊接速度具有相同的變化趨勢(shì)，均在轉(zhuǎn)速1600r/min，焊接速度600mm/min時(shí)獲得較高抗拉強(qiáng)度。

3 結(jié)論

（1）未經(jīng)熱處理的7075鋁合金焊縫系數(shù)可達(dá)0.96；熱處理后焊縫抗拉強(qiáng)度有所提升，但焊前熱處理強(qiáng)度提升明顯。

（2）焊前熱處理和焊后熱處理的焊縫抗拉強(qiáng)度與轉(zhuǎn)速/焊接速度具有相同的變化趨勢(shì)，均在轉(zhuǎn)速1600r/min，焊接速度600mm/min時(shí)獲得較高抗拉強(qiáng)度。