鋼/鋁異種金屬點(diǎn)焊研究進(jìn)展

謝澤豪,李建宇,陳樹海,黃繼華,楊健

北京科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,北京 100083

資源緊缺和環(huán)境危機(jī)是當(dāng)前全球制造業(yè)共同面對的兩大嚴(yán)峻問題。航空、航天和汽車結(jié)構(gòu)的輕量化是解決這些問題的重要途徑。鋼/鋁異種金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)既具備鋁合金輕量化特征,又具備鋼的較高的結(jié)構(gòu)性能,同時還具備耐蝕與導(dǎo)熱等多方面的綜合優(yōu)勢,受到制造業(yè)的廣泛關(guān)注。點(diǎn)焊是制造這種結(jié)構(gòu)的重要連接技術(shù)之一。然而,由于鋼/鋁異種金屬在焊接過程中不可避免地產(chǎn)生脆性的金屬間化合物IMCs(Intermetallic Compounds),傳統(tǒng)的電阻點(diǎn)焊在應(yīng)用過程中面臨著巨大的挑戰(zhàn)。此外,由于鋼/鋁之間的電化學(xué)性能相差較大,鋼/鋁異種金屬的點(diǎn)焊接頭的腐蝕傾向也較為嚴(yán)重。因此,鋼/鋁異種金屬的點(diǎn)焊受到了國內(nèi)外研究學(xué)者的大量關(guān)注。除了在傳統(tǒng)電阻點(diǎn)焊的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)之外,電阻鉚焊、攪拌摩擦點(diǎn)焊、CMT(Cold Metal Transfer)電弧點(diǎn)焊、超聲波點(diǎn)焊和摩擦塞-鉚復(fù)合點(diǎn)焊技術(shù)相繼被提出。雖然某些點(diǎn)焊技術(shù)已經(jīng)得到了一定程度的應(yīng)用,但大規(guī)模應(yīng)用還相距甚遠(yuǎn)。本文對國內(nèi)外鋼/鋁異種金屬點(diǎn)焊技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行了廣泛調(diào)研,總結(jié)了相關(guān)技術(shù)的研究進(jìn)展,并對未來的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

1 電阻點(diǎn)焊

1.1 主要問題

電阻點(diǎn)焊具有高效率、高自動化程度和低成本等優(yōu)勢已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用,是汽車車身制造最普遍的焊接方式,在航天與航空結(jié)構(gòu)制造中也有一定的應(yīng)用。鋼/鋁異種金屬的電阻點(diǎn)焊主要存在著如下問題：

1)鋼材和鋁合金熔點(diǎn)差異明顯。在電阻點(diǎn)焊過程中,應(yīng)嚴(yán)格控制熱輸入,僅使鋁合金熔化而鋼材保持固體狀態(tài),形成類似熔釬焊形式的點(diǎn)連接接頭。

2)鋼/鋁異種金屬焊接界面會形成脆性金屬間化合物。在焊接過程中,在接頭界面處不可避免地形成FeAl和Fe Al等金屬間化合物,接頭力學(xué)性能較低。

3)鋁板表面存在致密的氧化膜AlO。氧化膜在焊接過程中會提高鋼板和鋁板界面處以及鋁板和電極界面處的接觸電阻,從而限制界面處的熱效率。同時,在焊縫中,鋁表面的氧化膜會成為低能量裂紋的擴(kuò)展路徑,造成焊接缺陷,影響接頭剝離性能。

4)電極易磨損,壽命低。在鋼/鋁點(diǎn)焊過程中,由電流傳導(dǎo)產(chǎn)生的熱量會導(dǎo)致鋁板與銅電極發(fā)生反應(yīng),該反應(yīng)使鋁粘在銅電極頭上,形成AlCu,降低電極表面的導(dǎo)電及導(dǎo)熱性,從而降低電極頭的壽命,增加生產(chǎn)成本。

5)通常情況下,鋁合金的硬度要低于鋼,在電極壓力的作用下,鋁合金的變形程度要大于鋼,容易出現(xiàn)凹坑,導(dǎo)致鋁合金抗剝離能力降低。

1.2 直接電阻點(diǎn)焊

在電阻點(diǎn)焊過程中界面脆性金屬間化合物的控制是核心問題,研究點(diǎn)焊的熔核特征、界面金屬間化合物形成機(jī)理與分布規(guī)律,對控制和改善接頭質(zhì)量具有重要意義。Hwang等嘗試用電阻點(diǎn)焊方法將低碳鋼薄板連接到1.5 mm AA1050和1.5 mm AA5052上,確認(rèn)在鋼/鋁界面處薄弱的接頭往往與厚的IMCs層相關(guān)。Wan 等對鋼/鋁接頭金屬間化合物的形貌和種類進(jìn)行了細(xì)致的觀測和研究,確認(rèn)IMCs類型與國內(nèi)外研究結(jié)果一致,均為鋁側(cè)的針狀Fe Al和鋼側(cè)的鋸齒狀FeAl,并發(fā)現(xiàn)裂紋傾向于在FeAl中擴(kuò)展。當(dāng)鋼/鋁點(diǎn)焊時間較長,IMCs層在接頭中心位置厚度小于四周厚度；當(dāng)焊接時間較短時,中心位置厚度大于四周厚度,如圖1所示。邱然鋒等探究了鋼/鋁電阻點(diǎn)焊IMCs 的生長機(jī)制,認(rèn)為Fe Al的生成歸結(jié)于其生成自由能較低,而FeAl的生長主要因其結(jié)構(gòu)上在軸方向存有大量Al原子空位而造成擴(kuò)散的各向異性。

圖1 鋼/鋁RSW 接頭及5個位置的IMCs厚度微觀形貌[7]Fig.1 Microstructure of steel/aluminum RSW joint and IMCs thickness at 5 positions[7]

崇玉良對1 mm DP590 鋼板和1.4 mm Al6061系列鋁合金電阻點(diǎn)焊用SORPAS軟件進(jìn)行模擬研究,發(fā)現(xiàn)了點(diǎn)焊接頭出現(xiàn)了雙熔核現(xiàn)象,原因是熔核發(fā)生了偏移,由于焊接區(qū)在加熱過程中的析熱和散熱不均等,導(dǎo)致熔核向析熱多、散熱慢的方向發(fā)生偏移,從而使兩板材貼合面上的尺寸小于熔核直徑,降低了點(diǎn)焊接頭的承載能力,對接頭有不利影響。更為重要的是,在連接界面處會形成鋼-鋁脆性金屬間化合物,是焊接接頭最薄弱的區(qū)域。

通過控制焊接工藝參數(shù),研究點(diǎn)焊接頭的力學(xué)性能與IMCs的控制規(guī)律是鋼/鋁異種金屬點(diǎn)焊常用的研究方法。吳松等研究了熱輸入對1 mm 6061鋁合金與1 mm DP590高強(qiáng)雙相鋼的電阻點(diǎn)焊接頭的熔核直徑與力學(xué)性能的影響,發(fā)現(xiàn)熔核直徑和焊接接頭強(qiáng)度隨焊接電流增加而不斷增加,達(dá)到一定數(shù)值后保持穩(wěn)定。Zhang等研究了1 mm H220鍍鋅高強(qiáng)鋼與1.5 mm 6008鋁合金的電阻點(diǎn)焊接頭界面金屬間化合物,發(fā)現(xiàn)焊接電流由5 k A 增至9 k A 時(焊接時間250 ms),IMCs厚度由1.5μm 增至5.6μm；焊接時間(焊接電流為9 k A)由100 ms增至300 ms時,IMCs厚度增至13μm。Chen等研究了焊接時間和焊接電流對鋼/鋁點(diǎn)焊接頭力學(xué)性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明焊接電流和焊接時間的增加均能增加鋁熔核的尺寸,如圖2所示。熔核尺寸的提升對接頭的力學(xué)性能有促進(jìn)作用,但焊接時間的增加也會導(dǎo)致IMCs會增加,嚴(yán)重降低接頭力學(xué)性能。

圖2 不同焊接時間和電流下鋁/鋼RSW 接頭的橫截面顯微照片[11]Fig.2 Cross section micrographs of aluminium/steel RSW joint at different welding time and current[11]

1.3 非直接電阻點(diǎn)焊

單純采用優(yōu)化工藝參數(shù)的方式很難獲得力學(xué)性能優(yōu)良的鋼/鋁異種金屬點(diǎn)焊焊接接頭。從控制電阻點(diǎn)焊過程冶金反應(yīng)的角度出發(fā),采用加入中間過渡層、用表面鍍層的鋼、改變電極形貌、加入工藝墊片等方法來抑制金屬間化合物進(jìn)而提高接頭力學(xué)性能受到廣泛關(guān)注。采用加入中間過渡層方法通常是在鋼/鋁之間引入過渡材料,或者在鋼的表面鍍一層鋅或銅,使鋼/鋁不直接接觸,從而起到減弱鋼/鋁界面反應(yīng)、減薄甚至消除IMCs的作用。但Arghavani等使用電阻點(diǎn)焊連接2 mm 5054鋁合金板和1 mm 鍍鋅鋼板時發(fā)現(xiàn),金屬間化合物層的厚度下降到5.5μm 以內(nèi),但并無法完全消除,因此盡可能降低IMCs層厚度成了提升點(diǎn)焊接頭性能的主要研究方向。

Ibrahim 等在鋼板和鋁板之間添加了一層鎂鋁合金墊層進(jìn)行電阻點(diǎn)焊,發(fā)現(xiàn)加入了鎂/鋁合金的中間墊層抑制了IMCs的生長,從而提高了點(diǎn)焊接頭的力學(xué)性能。Zhang 等在1 mm H220YD 高強(qiáng)度鋼與1.5 mm 6008-T66 鋁合金的電阻點(diǎn)焊中,加入了4047AlSi12中間層。隨中間層厚度的增加,IMCs的厚度也從1.8μm 減少到0.6μm,力學(xué)性能優(yōu)于無中間層的焊接接頭。王楠楠等認(rèn)為,AlSi12作為電阻點(diǎn)焊中間過渡層能有效抑制IMCs的生長,主要是因?yàn)镾i能占據(jù)FeAl中Al的晶格位置,導(dǎo)致Al擴(kuò)散速率減慢,阻礙了FeAl的生長。

Ueda等比較了無涂層、純鋅鍍層、鋁鋅鍍層和鋁鋅鎂鍍層對鋼/鋁電阻點(diǎn)焊的影響。結(jié)果表明純鋅鍍層和鋁鎂鋅鍍層能在鋼/鋁點(diǎn)焊的過程中通過共晶反應(yīng)清除鋁板表面的氧化層,得到力學(xué)性能較好的點(diǎn)焊接頭。石紅信等在低碳鋼表面鍍銅進(jìn)行電阻點(diǎn)焊,發(fā)現(xiàn)表面鍍銅也能抑制IMCs的生長,接頭出現(xiàn)界面斷裂和紐扣破壞兩種失效類型。

氧化膜導(dǎo)致鋁合金點(diǎn)焊性能不穩(wěn)定,電極磨損嚴(yán)重是鋼/鋁異種金屬另一個重要問題。通過改變電極的形狀可改善這一問題。張敏在鋁側(cè)采用環(huán)形電極和球形電極,而鋼側(cè)采用平面電極進(jìn)行電阻點(diǎn)焊,發(fā)現(xiàn)使用環(huán)型電極比球型電極能更好的得到焊接接頭,主要是因?yàn)榄h(huán)型電極產(chǎn)生了削弱殘余應(yīng)力的壓應(yīng)力,使得接頭熱影響區(qū)幾乎無殘余拉應(yīng)力,并且端面的環(huán)狀設(shè)計使得點(diǎn)焊初期電極和鋁板有更多的點(diǎn)接觸,電流密度較集中,均勻的破壞了鋁表面的氧化層,大大降低了缺陷產(chǎn)生的幾率,并且由于擴(kuò)散的作用,環(huán)型電極產(chǎn)生了較薄且連續(xù)均勻的IMCs層,而球型電極的IMCs層較厚且不連續(xù)。美國通用公司提出了一種基于多環(huán)圓頂電極(Multi-Ring Domed,MRD)的電阻點(diǎn)焊工藝。這種工藝通過多環(huán)圓頂電極帽在鋁合金表面形成拉壓交替的應(yīng)變,破碎氧化膜,減小降低工件與電極之間的接觸電阻,進(jìn)而減小飛濺,從而獲得高質(zhì)量的鋁合金本體電阻點(diǎn)焊接頭。當(dāng)鋁側(cè)采用MRD 電極而鋼側(cè)普通電極時,這種工藝可被應(yīng)用于到鋼/鋁異種金屬的點(diǎn)焊。研究發(fā)現(xiàn),MRD 電極能夠減輕銅電極與鋁板之間的反應(yīng),提高電極壽命,力學(xué)性能也有較大程度的提高。

為改善鋁-鋼電阻點(diǎn)焊時母材減薄嚴(yán)重、界面易產(chǎn)生缺陷、IMCs層難以控制和接頭強(qiáng)度弱等問題,Zhang等提出了金屬凸點(diǎn)輔助電阻點(diǎn)焊(Metallic Bump Assisted RSW,MBaRSW)工藝。該工藝主要包含兩個階段,首先借助熱源和定制成分的釬料焊絲在待焊板表面預(yù)置金屬凸點(diǎn),隨后在局部金屬凸點(diǎn)輔助下通過電阻點(diǎn)焊工藝實(shí)現(xiàn)鋁-鋼的異質(zhì)連接。研究發(fā)現(xiàn),與傳統(tǒng)的中間層電阻點(diǎn)焊相比,MBaRSW 接頭的強(qiáng)度明顯提升,是一種比較有前景的異種金屬點(diǎn)焊方法。

通過控制電阻點(diǎn)焊過程中產(chǎn)熱與散熱過程,進(jìn)而控制界面反應(yīng),也可以使接頭力學(xué)性能得到提高。張柯柯等焊接1 mm A6061 鋁合金和1 mm Q235低碳鋼時,在鋁側(cè)和電極之間增加了一層鋼質(zhì)工藝墊片,目的是增加鋁合金一側(cè)的產(chǎn)熱和降低散熱,以形成較大的熔核,在較低的焊接電流下也能形成鋼和鋁的有效連接。結(jié)果表明,在較低的焊接電流下,獲得了較大的熔核直徑和較高抗剪力的點(diǎn)焊接頭,并且由于熱輸入較低,IMCs層的厚度也較薄,點(diǎn)焊接頭質(zhì)量良好。

總的來說,電阻點(diǎn)焊因?yàn)槠涓咝?、低成本、穩(wěn)定性好和靈活性高等優(yōu)點(diǎn),被廣泛運(yùn)用于汽車工業(yè)零部件的連接中。但是,鋼/鋁異種金屬連接點(diǎn)焊時形成的IMCs嚴(yán)重惡化接頭力學(xué)性能。通過調(diào)控工藝參數(shù)、添加中間層、改善散熱條件及設(shè)計電極形貌等措施能夠減小IMCs的厚度,但是不可避免,尤其是接頭的剝離強(qiáng)度很低。

2 電阻鉚焊

為解決鋼/鋁異種金屬電阻點(diǎn)焊的問題,提出了電阻點(diǎn)焊和鉚接結(jié)合的復(fù)合點(diǎn)焊方法,稱為“電阻鉚焊”。在電阻鉚焊中,一般在鋁合金板預(yù)先制備一個圓孔,孔內(nèi)配置鋼質(zhì)鉚釘作為第三體,與母材鋼板搭接裝配后在第三體處進(jìn)行點(diǎn)焊,從而實(shí)現(xiàn)了鋁合金板、第三體的鉚釘、鋼板三者之間的結(jié)合,如圖3所示。

圖3 電阻鉚焊示意圖[28]Fig.3 Schematic diagram of resistance element welding[28]

Meschut等通過REW(Resistance Element Welding)對鋁合金AA6061-T6和熱成型鋼22MnB5進(jìn)行連接,由于REW 接頭強(qiáng)度不受熱成型鋼變形抗力大而難以形成有效機(jī)械自鎖的影響,得到的REW 接頭正拉強(qiáng)度可以達(dá)到自沖鉚接SPR(Self-Piercing Riveting)接頭的兩倍,如圖4所示。

圖4 電阻鉚焊接頭橫截面顯微照片[29]Fig.4 Cross-section topography of resistance element welding joint[29]

Lou等提出了自沖鉚接和電阻點(diǎn)焊復(fù)合技術(shù)實(shí)現(xiàn)了3 mm AA6061-T6鋁板和1.2 mm 鍍鋅DP590鋼板的點(diǎn)焊,發(fā)現(xiàn)接頭拉剪強(qiáng)度比自沖鉚接提高了12.1%,并且在接頭局部區(qū)域發(fā)現(xiàn)了IMCs的生成。張瑞英等對A6061 鋁合金與Q235低碳鋼進(jìn)行了電阻點(diǎn)焊與自沖鉚接復(fù)合焊,發(fā)現(xiàn)在鉚釘腿與鋁合金界面、鉚釘腿外側(cè)的鋁合金與下板的界面均形成了金屬間化合物。接頭橫截面如圖5所示。

圖5 電阻鉚焊橫截面形貌[31]Fig.5 Cross-section topography of resistance riveting welding[31]

電阻鉚焊接頭力學(xué)性能較高,是一種比較有前景的鋼/鋁異種金屬點(diǎn)焊技術(shù)。但是這種方法需要制備鉚釘成本較高,且焊接工藝較為復(fù)雜,在實(shí)際應(yīng)用過程中受到一定程度的限制。

3 攪拌摩擦點(diǎn)焊

攪拌摩擦點(diǎn)焊(FSSW)是在攪拌摩擦焊基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種固相點(diǎn)焊連接技術(shù),擁有高效、節(jié)能、環(huán)保和清潔等特點(diǎn)。由于攪拌摩擦點(diǎn)焊低熱輸入的特點(diǎn),在焊接過程中金屬材料轉(zhuǎn)變?yōu)闊崴苄誀顟B(tài)但并不熔化,并且焊后工件不會產(chǎn)生明顯的塑性變形,冷卻后殘余應(yīng)力小,有助于接頭力學(xué)性能的提高。攪拌摩擦點(diǎn)焊的3個過程如圖6所示。

圖6 攪拌摩擦點(diǎn)焊3階段[32]Fig.6 Three stages of friction stir spot welding[32]

胥鍇等對2 mm DP590鋼板和2 mm 6061鋁板用攪拌摩擦點(diǎn)焊進(jìn)行連接,得到焊縫成形較好的鋼/鋁異種金屬搭接接頭,在接頭攪拌區(qū)兩種材料能充分混合在一起,呈現(xiàn)出河流狀的流動特征,斷口形貌特征是一個個大小不等的圓形或橢圓形韌窩。

Sung等采用攪拌摩擦點(diǎn)焊的方法成功焊接了3 mm Al5083-O 鋁合金和2 mm DP590高強(qiáng)度鋼,最大拉伸剪切強(qiáng)度為6.5 k N,在接頭界面處形成厚度小于6μm 的IMCs層。Chen等對1.5 mm 厚6061鋁合金與1.4 mm 厚TRIP/800鋼進(jìn)行了攪拌摩擦點(diǎn)焊,研究結(jié)果表明焊接時間對焊接接頭強(qiáng)度的影響比攪拌頭插入速度更大。在焊接接頭焊縫的橫截面上出現(xiàn)了具有旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的“鉤子”形狀,如圖7所示。旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)是由薄層鋼和Al-Fe IMCs組成,并且在拉剪試驗(yàn)中,交叉熔核失效是唯一的失效模式。

圖7 焊縫橫截面局部放大圖[35]Fig.7 Partially enlarged view of weld cross section[35]

而程璋良則有不同的結(jié)果,他們對1.2 mm厚6061鋁合金和1.2 mm 厚B240VK 鋼進(jìn)行了攪拌摩擦點(diǎn)焊試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)速對力學(xué)性能的影響最大,第二是焊接深度,第三是焊接速度,最后才是停留時間,并且鋼/鋁接頭的斷裂形式是脆性解理斷裂。Piccini和Svoboda研究了不同尺寸的攪拌頭對焊接接頭的力學(xué)性能的影響,發(fā)現(xiàn)了不同的攪拌頭形狀對形成的金屬間化合物層的厚度,形狀和長度有影響。用“”工具焊接的焊縫具有連續(xù)的IMCs 層,其厚度約為5μm,且得到的點(diǎn)焊接頭的焊接連接區(qū)域的面積最大。

傳統(tǒng)的攪拌摩擦點(diǎn)焊焊接后會留下一個匙孔,導(dǎo)致應(yīng)力集中和耐腐蝕性下降,對接頭性能有著明顯的影響。德國HZG 公司研發(fā)出了一種回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊的方法,該工藝采用了攪拌針,攪拌套和壓緊套,通過控制攪拌針和攪拌套之間的相對運(yùn)動,使焊接過程的最后有一個回填下壓的過程,將焊接過程中熱塑性的材料回填到焊點(diǎn)中,解決了傳統(tǒng)FSSW 的焊后留下的匙孔問題?；靥钍綌嚢枘Σ咙c(diǎn)焊有兩種形式,一種是攪拌套下壓式回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊,如圖8中A 圖所示。另一種是攪拌針下壓式回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊,如圖8中B圖所示。

圖8 下壓式回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊示意圖[39-40]Fig.8 Schematic diagram of down pressure backfill friction stir spot welding[39-40]

回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊的出現(xiàn)引起了鋼/鋁異種金屬點(diǎn)焊研究人員的廣泛關(guān)注。王聯(lián)鳳等實(shí)現(xiàn)了2 mm 6061-T6 鋁合金和2 mm 0Cr18 Ni9Ti不銹鋼回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊的連接,其接頭最大剪切載荷可達(dá)8141 N。Qiao等研究了焊接參數(shù)對2 mm AA6061 鋁合金和2 mm 1Cr18 Ni9Ti不銹鋼回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊的影響,發(fā)現(xiàn)拉剪載荷隨下壓量、旋轉(zhuǎn)速度、下壓力和焊接時間先增大后降低,最大拉剪斷裂載荷為8650 N。陳溯用1 mm PX 鋁合金板、1.5 mm ST 鋁合金板與1.2 mm ST06Z鍍鋅鋼板進(jìn)行回填式FSSW 實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)攪拌套是否壓入鋼板對接頭力學(xué)性能有非常顯著的影響,當(dāng)攪拌套壓入下層鋼板時,能明顯提高接頭的抗剪強(qiáng)度,并且還觀察探究了鍍鋅層的流動情況,形成了兩個地方的富鋅區(qū)。在此基礎(chǔ)上,Li等也用1 mm PX鋁合金板與1 mm ST16 鋼板進(jìn)行回填式FSSW 焊接,當(dāng)攪拌套插入了下層鋼板時,經(jīng)過拉剪試驗(yàn)后,發(fā)現(xiàn)斷口可分為攪拌針影響區(qū)和攪拌套影響區(qū)。攪拌針影響區(qū)的斷口形貌主要是韌窩,而攪拌套影響區(qū)的斷口上發(fā)現(xiàn)了大量片狀或顆粒狀的金屬間化合物,呈現(xiàn)脆性斷裂的特征。

申志康等用回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊的方法焊接了1.6 mm 6022-T4鋁合金和2 mm DP600鍍鋅鋼板,發(fā)現(xiàn)點(diǎn)焊接頭的攪拌區(qū)材料獲得了充分的回填,可以得到平齊的表面,鍍鋅層有利于提高點(diǎn)焊的焊接性,與鋁合金形成致密的鋁-鋅固溶體,起到了釬料的作用,增大了結(jié)合面積,接頭形貌如圖9所示。

圖9 點(diǎn)焊接頭組織及界面連接[43]Fig.9 Spot welding joint organization and interface connection[43]

攪拌摩擦點(diǎn)焊本質(zhì)上屬固相連接技術(shù),界面金屬間化合物得到了有效的抑制,因此接頭性能較好。但是金屬間化合物仍然不可避免,在焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)給與足夠的關(guān)注。

4 摩擦塞-鉚復(fù)合點(diǎn)焊

摩擦塞-鉚復(fù)合點(diǎn)焊工藝,在國外也叫摩擦鉆頭連接FBJ(Friction Bit Joining),最初是用來連接同種金屬材料,后被發(fā)現(xiàn)在UHSS(Ultra High Strength Steel)鋼和高強(qiáng)鋁合金、鎂合金等輕質(zhì)材料都能有較好的連接。

摩擦塞-鉚復(fù)合點(diǎn)焊一共有3 個階段：①切割階段：鋁板和鋼板搭接在一起,鋁板在上,鋼板在下,高速旋轉(zhuǎn)的特制鉚釘通過向下運(yùn)動,切穿鋁板,當(dāng)鉚釘接觸到鋼板時,進(jìn)入第2階段；②連接階段：連接是第2個階段,此時,鉚釘?shù)霓D(zhuǎn)速增大,并且繼續(xù)向下運(yùn)動,由于高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生了大量的熱量,使得鋼變成熱塑性狀態(tài),從而產(chǎn)生接頭；③停車階段：停止旋轉(zhuǎn),接頭冷卻,形成冶金結(jié)合,其過程如圖10所示。

圖10 摩擦塞-鉚復(fù)合點(diǎn)焊過程示意圖[46]Fig.10 Schematic diagram of friction plug-riveting compound spot welding process[46]

Weickum研 究 了1.6 mm5754 鋁 合 金 和1.6 mmDP980鋼的FBJ工藝,探究了下壓深度、下壓速度、旋轉(zhuǎn)速度、鉚釘形狀、焊接時間和停留時間等一系列參數(shù)對接頭性能的影響,發(fā)現(xiàn)鉚釘形狀和停留時間對接頭性能影響較大,并且通過優(yōu)化參數(shù),得到了在2 s內(nèi)形成的FBJ接頭,性能良好。

Miles等率先對1.4 mm 的DP980 鋼和1.8 mm 的AA5754-O 鋁合金板開展了摩擦塞-鉚復(fù)合點(diǎn)焊研究,鉚釘材料為4140鋼,平均剪切斷裂載荷為6.3 k N,接頭形貌如圖11所示。

圖11 FBJ接頭橫截面[47]Fig.11 FBJ joint cross section[47]

后來,Miles等還證明了用FBJ連接1.4 mm DP980鋼和1.8 mm AA5754-O 鋁合金,接頭界面結(jié)合地非常好,IMCs厚度在2μm 以下。通過力學(xué)性能測試比較FBJ接頭和自沖鉚接SPR 接頭的強(qiáng)度,發(fā)現(xiàn)兩者強(qiáng)度接近,但由于SPR 無法連接強(qiáng)度較高的鋼(DP980)。因此FBJ有著更為靈活的應(yīng)用范圍。

德國帕德博恩大學(xué)Hahn和英國EJOT 公司也提出了類似的技術(shù)—摩擦單元焊(Friction Element Welding,FEW)工藝。該技術(shù)將鉚釘重新設(shè)計成錐尖形貌,在釘帽下部設(shè)計了溢出環(huán),包覆被鉚釘寄出的鋁合金,如圖12所示。Skovron等將FEW 工藝分為刺穿、清理、焊接和壓縮4個階段,并進(jìn)一步研究了FEW 過程中端部載荷、主軸轉(zhuǎn)速和鉚釘進(jìn)給量對摩擦單元焊接頭焊后釘帽高度、固相焊區(qū)直徑、釘帽下擠出金屬填充面積、溫度和顯微硬度等質(zhì)量評價指標(biāo)的影響。研究發(fā)現(xiàn)：表面清洗參數(shù)對工藝時間和能量輸入的影響最大,而摩擦焊階段參數(shù)對鉚釘所受最大扭矩、焊后釘帽高度和釘帽下填充面積的影響最大,兩個階段的軸向力均影響固相焊區(qū)域的直徑,所有參數(shù)均影響溫度。

圖12 EJOT 摩擦單元焊過程[51]Fig.12 EJOT friction element welding process[51]

摩擦塞-鉚焊工藝自動化的程度非常高,焊前處理簡單,不需要提前預(yù)制孔,工藝過程簡單,容易實(shí)現(xiàn),在異種金屬連接方面有廣泛的前景。

5 CMT 點(diǎn)焊

冷金屬過渡(Cold Metal Transfer,CMT),是在常規(guī)的MIG/MAG 焊的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研發(fā)的一種低熱輸入焊接方法。其焊接過程為：電弧點(diǎn)燃后,焊絲在送絲機(jī)的作用下向熔池移動；當(dāng)熔滴接觸到熔池時形成瞬間短路。當(dāng)送絲機(jī)接收到焊件傳遞的短路信號時,它將反向回抽焊線,并借助反向拉力將熔滴與焊絲分離,從而使熔滴過渡到熔池當(dāng)中實(shí)現(xiàn)連接。該技術(shù)的發(fā)明減少了焊接熱輸入,實(shí)現(xiàn)了無飛濺過渡以及較快的焊接速度。Lei將CMT 點(diǎn)焊方法劃分為以下3種形式：直接焊接、預(yù)制孔塞焊和預(yù)制孔動態(tài)孔邊塞焊,如圖13所示。研究發(fā)現(xiàn),采用動態(tài)孔邊塞焊模式可以有效排開鋼板表面鋅層蒸發(fā)對焊接電弧與熔滴過渡過程的影響,界面鐵鋁IMCs層厚度薄且均勻,接頭力學(xué)性能穩(wěn)定。

圖13 CMT 點(diǎn)焊原理圖[53]Fig.13 CMT spot welding principle diagram[53]

黃倩采用AlSi5 鋁合金焊絲,對1 mm 6061鋁合金分別與1 mm Q235裸鋼板和1 mm Q235鍍鋅鋼板CMT 點(diǎn)焊進(jìn)行了探究,分析了搭接次序、鋼板鍍層及打孔對接頭的成型和性能的影響,發(fā)現(xiàn)了當(dāng)裸鋼板放置在上方,鋁合金板放置在下方,配合將上方的鋼板打孔,實(shí)質(zhì)為鉚-塞焊接頭,可以使接頭成形和力學(xué)性能最好。殷傳亞等對1 mm 6061-T1鋁合金和1 mm DP590鍍鋅鋼板進(jìn)行了CMT 點(diǎn)焊試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)送絲速度對連接強(qiáng)度影響最大,弧長修正次之,焊接速度的影響最小。卞海玲等利用有限元仿真模擬了1 mm 6061鋁合金與1 mm DP590 鍍鋅鋼板的CMT 點(diǎn)焊,確定了當(dāng)搭接寬度為30～53 mm 和夾持點(diǎn)位置距離為40～63 mm 時,板材的變形程度最小。

金光燦等研究了1 mm DP590鋼和1.2 mm 6061鋁合金的CMT 點(diǎn)焊。圖14(a)～圖14(c)所示的送絲速度依次為5.0、5.6、6.2 m/min。結(jié)果表明,送絲速度越快,熱輸入量越大,IMCs層厚度也越厚,并且靠近DP590一側(cè)的IMCs界面較為平滑；而靠近6061鋁合金一側(cè)由于Al-Fe合金結(jié)晶溫度區(qū)間較大,容易形成柱狀晶。

圖14 不同送絲速度下過渡層微觀組織形貌[57]Fig.14 Microstructure morphology of transition layer at different wire feeding speeds[57]

李小龍等探究了開孔直徑的大小對鋼/鋁CMT 點(diǎn)焊鋁板變形量的影響關(guān)系,發(fā)現(xiàn)隨著開孔直徑的增大,焊后鋁板的最大變形量增大,焊后試件的最大拉伸載荷先增大后減小,當(dāng)開孔直徑為8 mm 時有最大拉伸載荷4.01 k N,如圖15所示。

圖15 不同孔徑下鋁板最大變形量及最大拉伸載荷[58]Fig.15 Maximum deformation and maximum tensile load of aluminum plate with different apertures[58]

CMT 點(diǎn)焊具有其他點(diǎn)焊方法所沒有的優(yōu)勢,如裝配簡單,飛濺小、焊接質(zhì)量高、操作方便、成本較低等,但由于CMT 點(diǎn)焊需要預(yù)先開孔才能獲得較高質(zhì)量的鋼/鋁點(diǎn)焊接頭,因此不適合應(yīng)用于大規(guī)模生產(chǎn)中。

6 超聲波點(diǎn)焊

超聲波點(diǎn)焊(Ultrasonic Spot Welding,USW)是一種固相焊接技術(shù),其熱影響區(qū)小,焊接強(qiáng)度高,能耗低、接頭導(dǎo)電性好。超聲波點(diǎn)焊機(jī)是通過高頻機(jī)械振動(20～50 k Hz)和恒定靜壓力使焊接工件的接觸面受到剪切力,并在界面產(chǎn)生高應(yīng)變塑性變形和較高溫度,將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成熱能和塑性耗散能,使焊接界面相互結(jié)合,達(dá)到材料永久性連接的目的。

異種材料超聲波點(diǎn)焊技術(shù)的缺點(diǎn)是：①當(dāng)材料厚度和硬度增加時,焊接系統(tǒng)變得不穩(wěn)定；②界面擴(kuò)散形成的金屬間化合物會影響產(chǎn)品的使用性能。近年來,研究者們主要圍繞以下方面試圖改善超聲波點(diǎn)焊技術(shù)：改進(jìn)優(yōu)化焊接工具,提高表面抓緊力；研究大功率超聲波焊接系統(tǒng)穩(wěn)定性和焊接結(jié)合機(jī)理；通過植入中間層來抑制擴(kuò)散層。

超聲波點(diǎn)焊由于是通過相互摩擦升溫來達(dá)到焊接目的,因此摩擦力的大小對焊接性能的影響至關(guān)重要,焊頭和鐵氈的形狀設(shè)計對于提高抓緊力,增大摩擦力起了很重要的決定作用。Komiyama等利用了高速攝像機(jī)和數(shù)字圖像合成技術(shù),對同種AA1050鋁合金板材進(jìn)行超聲波點(diǎn)焊時發(fā)現(xiàn),在相同靜壓力條件下,鋸齒形花紋的焊接頭的相對振幅、穿透力和焊接強(qiáng)度均優(yōu)于梯形花紋的焊接頭。

Satpathy等成功的用Cu作為中間層,以兩種搭接方式焊接了0.6 mm AA3003鋁合金和0.1 mm AISI304不銹鋼,并且發(fā)現(xiàn),當(dāng)鋁在上,鋼在下的這種搭接方式,如圖16(a)所示。在焊接時能產(chǎn)生更高的溫度和更大的剪切塑性變形量,接頭最大強(qiáng)度為95.9 MPa,高于鋼在上,鋁在下的79.8 MPa,如圖16(b)所示。并且隨著時間的增加,這兩種搭接方式的接頭斷裂形式都是從界面破壞轉(zhuǎn)為熔核拔出,斷裂方式的轉(zhuǎn)變。

圖16 帶Cu中間層的剪切強(qiáng)度及斷裂方式變化Fig.16 Change of shear strength and fracture mode of Cu interlayer

Wang等分析了1.2 mm DP600鋼與1 mm 6022-T4鋁合金USW 連接中結(jié)合鍵形成的過程,發(fā)現(xiàn)經(jīng)歷了3個階段：①鋼/鋁微凸的表面先結(jié)合形成微鍵位；②微鍵之間互相結(jié)合形成環(huán)鍵；③環(huán)鍵向內(nèi)擴(kuò)張最終形成結(jié)合面,如圖17所示,并且還改變了超聲波的振動方向,發(fā)現(xiàn)會對鍵位的排列產(chǎn)生影響,并影響焊縫強(qiáng)度。

圖17 USW 結(jié)合鍵形成方式[62]Fig.17 USW bond formation method[62]

Haddadi等研究了鍍鋅層在鋼/鋁超聲波點(diǎn)焊中的作用,材料分別為1 mm Al6111-T4鋁合 金、1 mm 硬 鍍 鋅 鋼 板DX53-ZF 和1 mm 軟 鍍鋅鋼板DX53-Z,發(fā)現(xiàn)軟鍍鋅鋼板的連接效果更好,在焊接過程中鋅涂層都能融化和分散,軟鍍鋅涂層中的Al-Zn共晶沿大角度晶界滲入鋁板。由于硬鍍鋅涂層里有較多的IMCs,所以硬鍍鋅鋼板涂層較脆,容易在鋼和涂層之間產(chǎn)生裂紋。

因此有大量的學(xué)者對鋼/鋁超聲波點(diǎn)焊界面的金屬間化合物進(jìn)行了研究。溫昌金等對0.9 mm 3003 鋁板和0.9 mm 鍍鋅鋼板進(jìn)行了USW 實(shí)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)了有效連接,在反應(yīng)界面形成了Fe Al、FeAl和Al/Fe/Zn金屬間化合物,隨著焊接時間的增加,接頭強(qiáng)度先增加后減小,在焊接壓力為0.4 MPa,焊接時間為240 ms的條件下,獲得了最大抗剪拉力為673.05 N 的點(diǎn)焊接頭。

Xu等在用1 mm DC04鋼與1 mm AA6111和1 mm AA7055 兩種鋁合金USW 時發(fā)現(xiàn),FeAl是第一個產(chǎn)生的IMCs,呈不均勻分布的島狀；然后FeAl是第2個形成的IMCs,位于接頭鋁側(cè),如圖18所示。通過優(yōu)化焊接時間,可以得到滿意的接頭強(qiáng)度,但失效模式僅是界面破壞,斷裂部位都是在IMCs層。

圖18 鐵/鋁界面IMCs的長大形貌[65]Fig.18 Growth morphology of iron/aluminum IMCs[65]

而其他人有不同的結(jié)論,Macwan等通過對1.25 mm Al6111-T4與1.2 mm 鍍鋅HSLA鋼的USW 發(fā)現(xiàn),接頭界面不僅出現(xiàn)了IMCs,還有一層以Al-Zn共晶/共析相為主的界面擴(kuò)散層,在剪切力的作用下被擠出,凝固于熔核邊緣處,形成了釬焊的效果,并且隨著焊接時間的增加觀察到了3種失效模式：界面破壞、母材失效和熔核邊緣失效。Mirza等也通過USW 方法對比1.5 mm 6061鋁合金與1.5 mm 鍍鋅HSLA 鋼和1.5 mm不鍍鋅ASTM A36 鋼試驗(yàn)證實(shí)了這一點(diǎn),在與ASTM A36鋼的界面處發(fā)現(xiàn)了FeAl相。

還有學(xué)者采用了復(fù)合點(diǎn)焊的方法,Lu 等用超聲波-電阻復(fù)合點(diǎn)焊的方法,焊接方法如圖19所示,將SS316不銹鋼作為中間層材料,先采用超聲波點(diǎn)焊將中間層不銹鋼材料與上層鋁合金板連接,再采用電阻點(diǎn)焊將鋁合金和鋁硅涂層壓淬硼鋼進(jìn)行了連接,發(fā)現(xiàn)在接頭處會形成兩個分離的熔核,一個出現(xiàn)在上層鋁合金處,對接頭整體強(qiáng)度有重要影響；另一個出現(xiàn)在中間層SS316不銹鋼與下層涂層鋼之間的界面處,對去除堅(jiān)韌的Al-Si涂層有重要作用。并且橫向?qū)Ρ攘藘H用電阻點(diǎn)焊制備的接頭,發(fā)現(xiàn)復(fù)合點(diǎn)焊的方法可以有效減少IMCs層厚度,大幅度提高接頭強(qiáng)度,為其他學(xué)者提供了思路。

圖19 超聲波-電阻復(fù)合點(diǎn)焊工藝方法[68]Fig.19 Ultrasonic-resistance composite spot welding process method[68]

超聲波點(diǎn)焊技術(shù)是快速、環(huán)保、安全的焊接方式,超聲波點(diǎn)焊在未來研究的重點(diǎn)應(yīng)該是：①接頭的無損檢測；②焊接頭的形狀優(yōu)化；③焊接工藝、組織性能的研究；④超聲振動系統(tǒng)的研究。

7 鋼/鋁異種金屬點(diǎn)焊接頭的腐蝕問題

鋼與鋁合金的電化學(xué)性能差異極大,在所有類型的鋼/鋁異種金屬點(diǎn)焊中都存在著較大的腐蝕傾向。因而,研究各種類型的鋼/鋁點(diǎn)焊接頭的腐蝕行為與機(jī)理對評價接頭的長期服役能力具有重要意義。

董建濤將1 mm 5052 鋁合金與1 mm Q235冷軋鋼進(jìn)行電阻點(diǎn)焊,在3.5%NaCl溶液中進(jìn)行了浸泡腐蝕試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)電阻點(diǎn)焊熔核表面的腐蝕形式為點(diǎn)蝕,并且在腐蝕過程中還會伴隨著剝落腐蝕的現(xiàn)象,5052鋁合金母材及點(diǎn)焊熔核的耐腐蝕性能要優(yōu)于Q235冷軋鋼,主要是因?yàn)殇X表面的鈍化膜所致,阻隔了外界腐蝕介質(zhì)與基體的物質(zhì)交換,因此減緩了腐蝕速率,并且還通過元胞自動機(jī)的方法,對熔核的腐蝕過程進(jìn)行了模擬演化,發(fā)現(xiàn)隨著時間的增加,生成蝕坑的數(shù)目越來越多,蝕坑尺寸越來越大,但腐蝕到一定的時間后,腐蝕就會變得越困難,速率也隨之減慢。

于洋研究1 mmDP600鍍鋅鋼板和2 mm AA6082-T6鋁合金的回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊腐蝕機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn),點(diǎn)焊接頭中存在腐蝕電偶對,腐蝕電偶在具有較高電極電位的Si、Fe元素和具有較低電極電位的Mg、Al元素之間形成,MgSi和含硅固溶體α(Al)中的Mg和Al元素優(yōu)先形成陽極溶解反應(yīng),造成Si元素周圍的剝離腐蝕；富鐵θ(AlFe)相作為陰極,致使周圍作為陽極的富鎂β(AlMg)相的Mg元素腐蝕,形成點(diǎn)蝕。王亞強(qiáng)對1.5 mm ST-Al與1 mm ST16 鋼、1.2 mm ST06Z鍍鋅鋼板的攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭進(jìn)行腐蝕浸泡試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)接頭各區(qū)域的耐蝕性能不一樣,優(yōu)劣順序分別是：熱機(jī)影響區(qū)＞母材＞熱影響區(qū)＞攪拌套作用區(qū)＞攪拌針作用區(qū)。并且還發(fā)現(xiàn),ST06Z鍍鋅鋼板與鋁合金的點(diǎn)焊接頭腐蝕程度比ST16鋼與鋁合金的點(diǎn)焊接頭更為嚴(yán)重,主要是因?yàn)樵诤附舆^程中,鍍鋅鋼表面的鍍鋅層會隨著攪拌針的攪動流到焊核區(qū),與塑性鋁合金發(fā)生混合,形成Al-Zn混合層,由于混合層的電位最低,形成了小陽極大陰極的劇烈腐蝕系統(tǒng),導(dǎo)致腐蝕速度加劇,因此,鍍鋅層對攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭的耐蝕性能是起了負(fù)面作用。

Lei等研究了1 mm 厚的AA6022-T4 鋁合金板與1.5 mm 厚的熱鍍鋅DC03 低碳鋼板CMT 點(diǎn)焊的腐蝕行為。研究發(fā)現(xiàn),鍍鋅鋼板基體與焊趾區(qū)域的富鋅區(qū)的開路電位最低,是最容易腐蝕的部位。鹽霧腐蝕試驗(yàn)表明,在20個腐蝕周期后焊態(tài)試樣具有相似的斷裂模式,剪切強(qiáng)度略有減??；當(dāng)經(jīng)過63次腐蝕循環(huán)后,強(qiáng)度降低接近38%,由于鐵-鋁金屬間化合物層被腐蝕,斷裂模式轉(zhuǎn)變?yōu)榻缑鏀嗔?但是焊后電脈涂漆的試樣擁有最高的耐腐蝕能力。

鋼/鋁異種金屬點(diǎn)焊接頭的腐蝕問題是不可避免的,特別是在潮濕的環(huán)境中。經(jīng)過國內(nèi)外有關(guān)學(xué)者的努力,已經(jīng)對各種類型鋼/鋁點(diǎn)焊接頭的腐蝕機(jī)理有了一定的認(rèn)識,但是仍然需要進(jìn)行大量細(xì)致的研究。

8 結(jié) 論

鋼/鋁異種金屬的點(diǎn)焊已經(jīng)取得了較大得研究進(jìn)展,已經(jīng)出現(xiàn)了很多新型的點(diǎn)焊技術(shù)。當(dāng)前,不同的工業(yè)領(lǐng)域?qū)︿?鋁混合結(jié)構(gòu)的制造效率、接頭性能與可靠性各不相同,不可能用同一種點(diǎn)焊技術(shù)解決所有領(lǐng)域與鋼/鋁焊接接頭的問題。這些新型點(diǎn)焊的技術(shù)的出現(xiàn),為各個領(lǐng)域的鋼/鋁的焊接結(jié)構(gòu)提供了更加豐富的解決方案。然而,這些點(diǎn)焊技術(shù)仍然存在一定的問題,需要進(jìn)一步深入研究。

1)鋼/鋁異種金屬的電阻點(diǎn)焊是一種高效、經(jīng)濟(jì)的點(diǎn)連接技術(shù),然而金屬間化合物的形成不可避免,這將導(dǎo)致接頭力學(xué)性能特別是剝離強(qiáng)度低下。在保證高效、經(jīng)濟(jì)的前提下,抑制界面金屬間化合物的形成,提高接頭的力學(xué)性能仍然是電阻點(diǎn)焊研究的核心問題。

2)CMT 電弧點(diǎn)焊的問題在于需要預(yù)制孔,工序較為繁瑣,其過程自動化水平有待于進(jìn)一步提高；并且金屬間化合物也不可避免,接頭可靠性仍然是一個難于解決的問題。

3)攪拌摩擦點(diǎn)焊和超聲波點(diǎn)焊等固相焊接方法雖然極大的抑制了界面金屬間化合物,力學(xué)性能也較電阻點(diǎn)焊得到較大程度的提高,但是焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性與焊接效率是這兩種方法在未來工作中需要著重解決的問題。

4)電阻鉚焊與摩擦塞-鉚復(fù)合點(diǎn)焊能夠獲得焊接接頭較為理想,但是這兩種方法需要專門的鉚釘,焊接效率與經(jīng)濟(jì)性低于電阻點(diǎn)焊。開發(fā)高效、低成本的電阻鉚焊與摩擦塞-鉚復(fù)合點(diǎn)焊是這兩種方法未來的發(fā)展方向。

5)當(dāng)前對鋼/鋁異種金屬的點(diǎn)焊接頭的腐蝕問題研究的仍然不夠充分。在未來應(yīng)著重聚焦于鋼/鋁異種金屬母體的成分、點(diǎn)焊的接頭形式、界面金屬間化合物和焊后防護(hù)對其腐蝕行為的影響。