6016鋁合金板材表面預處理對電阻點焊的影響

陶志民，麻慧琳，李延成，王芝東，張德鎮(zhèn)

(山東南山鋁業(yè)股份有限公司，山東 龍口 265713)

鋁合金作為汽車輕量化的最佳材料，在車身制造應用過程中需要使用多種連接方式，如焊接、鉚接、膠接、包邊等。電阻點焊(resistance spot welding，RSW)是一種重要焊接方式，是將工件壓緊于兩電極之間后通電流，利用電流流經(jīng)工件接觸面及附近區(qū)域產(chǎn)生的電阻熱將其加熱到熔化狀態(tài)，使之形成金屬結(jié)合的一種方法。電阻點焊遵循焦耳定律，在汽車主機廠使用電阻點焊工藝對鋁板進行連接時，焊機焊接參數(shù)為電流、通電時間和電極壓力，通常是固定工藝參數(shù)，而電阻主要取決于焊接材料。每輛乘用車車身大約需要3000～5000個焊點?？梢?，電阻點焊的質(zhì)量和穩(wěn)定性對車身制造至關(guān)重要。

1 試驗方法

本試驗采用1 mm厚6016鋁合金板材，并將其分為經(jīng)表面預處理(使用Chemetall Gardobond?X4591進行Ti/Zr鈍化處理，標記為TZ)與未經(jīng)表面預處理(標記為NP)兩組鋁合金板。將寬度50 mm、長度100 mm的合金板材試樣，每兩片疊在一起進行電阻點焊，每種工藝測量8個焊點，焊接電流依次為32 kA、34 kA、36 kA、38 kA，焊接后用鉗子拆開焊點，測量每個熔核直徑最大值和最小值，取平均值作為該焊點的熔核直徑，再取所有8個焊點直徑的平均值作為對比分析數(shù)據(jù)。對焊點試樣進行十字連接拉拔測試，獲得焊點的抗拉力強度值。利用光學顯微鏡和掃描電鏡觀察合金板試樣表面形貌。利用透射電鏡觀察試樣橫截面，分析表面處理后形貌。利用表面電阻儀測量試樣表面電阻。最終對比不同表面處理工藝板材表面清潔度差別，從而分析其對電阻點焊的影響。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 電阻點焊性能

兩組合金板試樣電阻點焊的焊點典型形貌如圖1所示。電阻點焊熔核直徑的最低標準值為工件厚度平方根的4倍，推薦達到5倍[1]，即：2片1 mm厚試樣焊接的最小熔核直徑為5.6 mm，目標值為7.0 mm。

圖1 電阻點焊焊點形貌Fig.1 Spots of resisitence spot weld

圖2是兩組試樣在不同焊接電流下的熔核直徑。由圖2可知，隨著焊接電流的增加，熔核直徑呈增大趨勢，這符合焦耳定律。對比TZ和NP試樣對應的熔核直徑，經(jīng)TZ試樣在所測焊接電流范圍內(nèi)均能達到標準要求，且熔核直徑變化不大，具有較寬的焊接工藝窗口。而NP試樣，在焊接電流為32 kA時未能焊合；當焊接電流為34 kA時，熔核尺寸不合格；當焊接電流進一步提高至36 kA時，獲得合格的熔核直徑，但未達到目標值；當焊接電流為38 kA時，出現(xiàn)飛濺現(xiàn)象?？紤]到主機廠的節(jié)能要求，在保證熔核尺寸和焊接穩(wěn)定性的前提下，盡量選擇較低的焊接電流。因此選用焊接電流為36 kA，對比熔核的十字拉伸測試結(jié)果和數(shù)據(jù)穩(wěn)定性。

圖2 不同焊接電流下的熔核直徑Fig.2 Nugget diameters at different welding currents

將兩片試樣通過電阻點焊焊點連接成“十”字形后，進行抗拉力測試，結(jié)果見表1。由表1可見，TZ試樣較NP試樣具有更大和更穩(wěn)定的抗拉力值。

表1 焊點十字抗拉測試值(焊接電流為36 kA)Talbe 1 Test values of cross tensile test of welding spots (The welding current is 36 kA)

表面氧化膜均勻的TZ鋁合金板材，能夠在更大的電流范圍內(nèi)形成穩(wěn)定的熔池。但當工件表面質(zhì)量不良，例如NP鋁板樣品表面存在不均勻的氧化膜時，在熔池形成至尚未冷卻期間，污染物和雜質(zhì)易進入熔池并迅速氣化，形成飛濺，影響焊點表面質(zhì)量和焊接穩(wěn)定性。

2.2 顯微組織

采用光學顯微鏡觀察試樣的表面形貌如圖3所示。由圖3可見，相比TZ試樣，NP試樣表面存留較多黑褐色的條紋；黑褐色的物質(zhì)并不是均勻分布，而是呈現(xiàn)沿鋁合金板軋制方向拉長的不規(guī)則條帶狀不均勻分布。對比NP和TZ試樣，TZ試樣上的黑褐色物質(zhì)數(shù)量較NP的少，且顏色更淡。因此，認為這些條紋是在表面預處理前產(chǎn)生的，通過預處理可以減輕。

圖3 光學顯微鏡觀察試樣的表面形貌Fig.3 Optical microscope photo of sample surface morphologies

通過掃描電鏡進一步觀察，黑褐色條紋是較為疏松的形貌，與鋁合金自然氧化形成的致密的Al2O3氧化膜不同，且條紋表面附著顆粒狀物質(zhì)，見圖4a；而經(jīng)過表面處理的試樣表面，相對比較平滑，見圖4b。分析顯示條紋部位除含有Al、Mg、Si等金屬元素外，還含有O和C元素。說明除了金屬氧化物之外，還存在有機物成分。

通過透射電鏡觀察(圖中試樣表面黑色是為了便于觀察和確定試樣表面界限而做的鍍金層)可知，未經(jīng)表面處理的試樣(NP)上條紋處呈現(xiàn)絮狀疏松的結(jié)構(gòu)，顆粒和微孔尺寸均為納米級，氧化層厚度為200 nm～300 nm，見圖5a；而經(jīng)預處理的試樣(TZ)表面的氧化層厚度約5 nm，未觀察到疏松和微孔，見圖5b。

圖4 試樣SEM表面形貌Fig.4 SEM microscope photo of sample surface morphologies

圖5 試樣的氧化層橫截面TEM照片F(xiàn)ig.5 TEM images of cross section of sample oxide layer

結(jié)合光學顯微鏡、掃描電鏡和透射電鏡的觀察結(jié)果，確認未經(jīng)預處理的試樣表面殘留的黑褐色條紋為機械變形層(Near-surface deformed layer)，是由于熱軋過程中，在高溫下鋼質(zhì)軋輥與鋁合金帶材接觸面上大的剪切變形并混雜了熱軋乳化液等有機物所產(chǎn)生的納米級結(jié)構(gòu)。由于其內(nèi)部夾雜著氧化物顆粒和微氣孔，因此呈現(xiàn)相對鋁合金基體較低的密度和較差的導電性。

2.3 表面電阻

電阻點焊電阻由以下幾部分組成：電極本身的電阻、電極與鋁合金板接觸電阻、鋁合金板工件自身電阻、鋁合金板工件間的接觸電阻[2]。其中：電極本身和工件本身的電阻由材料特性決定，電極與鋁合金板的接觸電阻和鋁合金板工件間的接觸電阻受鋁合金板材料表面處理工藝的影響。

試樣的表面電阻值平均值：NP試樣的為35 μΩ；TZ試樣的為18 μΩ。電阻點焊過程中熔核首先在工件接觸面產(chǎn)生和形成，并沿水平方向生長[3-4]。工件與工件接觸面內(nèi)導電斑點的分布以及接觸電阻的大小直接影響了初始溫度場的分布情況，而初始溫度場則直接決定了初始形核階段的特點。鋁合金本身具有良好的導電性，由于表面氧化膜的存在，使有效導電面積減小、電流路徑增長，就形成了一個附加電阻，即接觸電阻[5]。氧化膜過厚，將阻礙電流路徑形成，導致無法焊合；完全無氧化膜將導致接觸電阻過低，也不利于焊合。鋁合金的化學活性強，表面易形成氧化膜，且多具有難熔性質(zhì)(氧化鋁熔點約2 050 ℃，氧化鎂熔點約2 500 ℃)，導電性極差[6]，使得接觸電阻比較大，不利于電阻點焊。NP試樣由于存在導電性較差的機械變形層，鋁合金本身的表面電阻偏高且厚度較厚，在電阻點焊過程中，無法在電極頭壓力的碾壓下破碎，使鋁合金板之間無法形成足夠的電流回路，從而降低電阻點焊過程中形成的熱量和熔核尺寸；同時，由于機械變形層中混雜的有機物和微氣孔，導致電阻點焊焊接電流增加時產(chǎn)生飛濺。而TZ試樣去除了機械變形層，形成較薄的鈍化膜代替氧化層，在電阻點焊過程中能夠穩(wěn)定形成尺寸合格的熔核。

3 結(jié) 論

通過對6016鋁合金板進行表面預處理，可有效控制氧化層厚度，從而穩(wěn)定控制表面電阻值，為后續(xù)電阻點焊過程獲得較寬的工藝窗口和提高焊接穩(wěn)定性提供基礎(chǔ)保障。

1)經(jīng)表面預處理的6016鋁合金板電阻點焊性能優(yōu)于未經(jīng)表面預處理的。

2)經(jīng)表面預處理可有效降低鋁合金板表面電阻。

3)自然形成的鋁合金表面氧化層實際是納米結(jié)構(gòu)的氧化物、有機物和微氣孔的混合物。

需要指出的是，電阻點焊效果還受電極頭壓力、電流脈沖周期、電極類型、工件厚度和鋁合金成分等因素影響；材料表面預處理工藝也受槽液濃度、處理溫度和接觸時間等多方面因素影響。