钢铝异种金属电阻点焊接头性能与界面行为的研究

发布时间：2020-08-28 18:07

　　资源紧缺和环境危机是当前全球制造业共同面对的两大严峻问题,汽车制造业作为作为世界上规模最大、最重要的产业之一,已经在往“轻量化制造”和“新能源”的方向发展。在汽车轻量化的进程中,钢铝一体化车身结构不失为一个首选方案,而电阻点焊由于其高效率、高自动化程度、适应性好、成本低等优点,仍作为汽车白车身制造中不可或缺的关键技术之一。然而,钢和铝的热物理性能相差较大,在焊接时极易产生脆硬的界面反应物(intermetallic compound,IMC)而发生失效,阻碍钢铝一体化车身结构的发展。由此,实现钢铝异种金属的电阻点焊连接、获得稳定可靠的点焊接头,对推进汽车轻量化的进程有着重大的意义。本文以1.2mm厚DP590高强镀锌钢板材和1.2mm厚6061-T6铝合金板材作为研究对象,采用自主设计的不同端面形状电极——环形电极(ring-spherical electrode,RSE)和球形电极(spherical electrode,SE),采用铝板在上接正极、钢板在下接负极的叠放次序在不同的焊接条件下进行多组点焊实验,并提出用去量纲化的变异系数(coefficient of variation,C.V)作为判断钢铝异种金属电阻点焊接头稳定性的指标,结合电阻点焊专业模拟软件SORPAS的结果,综合分析不同焊接条件下异种金属点焊性能和界面行为的差异机理。在电极端面形状影响的研究中发现,自主设计的RSE型电极在单脉冲条件下获得的点焊接头相比SE型电极在熔核直径、接头强度及其变异系数、断裂模式等方面具有更为优良的性能,且在两种电流模式下的点焊接头裂纹风险因子(cracking risk factor,CRF)值均比SE型电极点焊接头的CRF值低,这意味着电极端面的环状设计对降低点焊接头开裂倾向性有积极作用。本文研究了不同电流模式对钢铝点焊的界面行为及接头强度的影响规律。采用单脉冲时RSE型电极点焊接头IMC厚度小于2μm且分布均匀;SE型电极点焊接头IMC厚度大于2μm、呈锯齿状分布,其接头强度和稳定性均较低。相比于单脉冲,多脉冲模式下增加了RSE型电极点焊接头拉剪强度变异系数,不利于接头强度稳定性;多脉冲下界面温度曲线呈“脉冲性”变化,对形成较厚的IMC层有促进作用,其点焊接头界面IMC厚度分布较为均匀,厚度比单脉冲模式下厚约1.9~5.7μm,不利于接头强度升高。在附加锻压力影响研究中发现,附加锻压力后钢铝点焊接头的最大拉剪载荷提高63.8%,在电流较小时,一定范围内合适的高锻压力可以提升接头的抗拉剪能力,而锻压力过大会造成焊点表面的压痕率增加,对焊点的合格不利;因此,合适的附加锻压力对点焊接头强度有积极影响。相同熔核直径范围内,钢表面不同状态下的点焊接头拉剪载荷高低排序为:有镀锌无镀层喷丸,这主要与界面反应物有关。喷丸处理对改善钢铝点焊接头性能没有积极作用,是因为喷丸处理使得钢铝界面产生了较厚的IMC;无镀锌层的钢铝点焊接头拉剪载荷和熔核直径均降低;有镀层状态下点焊接头强度较高,其点焊性能更优。针对1.2mm厚的DP590镀锌钢与6061-T6铝合金电阻点焊,采用自主设计的氧化铝-铜RSE型电极,在单脉冲(焊接时间300ms,焊接电流12.0~13.0kA,电极压力3500N)的情况下可获得较高的点焊接头拉剪载荷和较薄的界面IMC,且接头的裂纹风险因子较小;附加锻压力(0.26~0.28MPa)后可显著提高接头的拉剪强度。
【学位单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG453.9
【部分图文】：

示意图,对接焊,搭接,激光

图 1-1 激光搭接与对接焊接示意图Fig.1-1 Schematic diagram of laser lap and butt weldingSun JunHao[24]等人采用激光焊研究AA6013铝合金和Q235低碳钢的连接时，通过合理调整焊接参数获得了性能可观的焊接接头，即激光功率为 3.05kW、送丝速度为 6m/min和 0.5mm 的偏距时。此外，钢铝界面的“钎焊区”是焊接接头的薄弱部分，界面生成的 IMC 包括靠近钢基体的均匀 Fe2Al5 和靠近铝熔核的针状 FeAl3，总厚度范围 1.8~6.2μm。裂纹从靠近铝熔核的 IMC 处萌生扩展，断口最终呈典型的解理断裂。A. Kouadri-David[25]等在激光焊接 DP600 镀锌钢和 6082铝合金时通过控制熔深和参数获得了剪切强度为 140MPa 的焊接接头，并使用额外的夹具装置控制板件间隙后，接头强度增加到 200MPa。但是激光焊接也有一定的局限性，例如设备配件价格昂贵，经济效益低；熔深限制材料的厚度；工件精度要求高，如果光束有偏移，容易造成焊接缺陷等，因此阻碍了激光焊接在汽车生产工艺中的大规模应用。(2). 超声波点焊

熔核,载荷,情况

铝侧金属温度增长至其熔点并发生金属熔融化，此刻钢侧金属温度仍未达到熔点，保持固态，此时的焊接状态是熔融的铝在固态钢表面的铺展和润湿并从钢侧吸收了大量热能；c.焊接后期，随着热源的撤销，钢侧金属内部开始内而外发生凝固，铝侧金属则以钢-铝界面为中心向外发生凝固。万子轩[48]使用ANSYS 软件更为精确地模拟钢铝点焊过程的温度场变化，很好的解释了靠近钢铝界面的铝熔核和钢板内部的钢侧熔核的双熔核现象：他指出钢板在整个点焊程中提供了约 75%的热量，铝板在焊接时升温、熔化所需要的能量都主要依靠钢板得散热，而非本身电阻的产热。(4). 失效形式的研究日本 I. Ibrahim等学者[38]研究钢铝异种金属点焊接头断裂行为时指出焊点的疲劳断裂模式跟载荷高低有关，且有三种典型的断裂方式，即纽扣断裂模式（载荷大于 3000N），剪切断裂模式（载荷在 2250N~3000N 之间）及铝板厚度断裂式（载荷小于 2250N），且断裂模式的转变与熔核在载荷下的扭矩大小有关，如图 1-2 所示。此外，他们还发现与 FSSW 的相同焊点相比，电阻点焊的断裂强更高。

二元相图,二元相图

种金属连接界面反应研究现状可知，钢铝点焊在界面处产生的脆性化合物是制约其接重要因素之一，为了获得良好可靠的接头，对其界面反也是必不可少的，国内外也有大量学者在这方面做了很面反应产物的研究两种元素的固溶度很低，主要以金属间化合物（铁铝化-3 为 Fe-Al 的二元相图，由图可知，当铝元素的原子，钢铝之间容易产生以 FeAl2，Fe2Al5，FeAl3 为主要成C）。相关的文献表明[52]，IMC 的性能与其中 Fe 原子的量增加时，其 IMC 的抗拉强度和塑性有所提高，对焊；当 Fe 原子含量减小而 Al原子含量增加时，IMC 层则化焊接接头的力学性能。

【参考文献】