焊接電流對鋁合金/低碳鋼電阻點焊接頭性能的影響

涂益民 ，石紅信 ，金璐杰 ，郭興東 ，郭新新 ，雷 鳴

（1.河南科技大學，河南 洛陽 471003；2.河南省有色金屬材料科學與加工技術重點實驗室，河南 洛陽 471003）

0 前言

異種材料間的有效連接不僅能夠充分利用材料各自特性，達到“材盡其長”之效果，還可以為結構設計提供新思路。鋼與鋁合金作為最常見的兩種結構材料，它們之間的連接將是不可欠缺的。然而，由于鋁合金和鋼的熔點等物理性能差異很大，且兩者之間的固溶度較低，容易在界面生成脆性的金屬間化合物[1-2]，所以這兩材料之間的連接還存在一些問題。國內外諸多學者分別采用了摩擦焊[3]、擴散焊[4]以及攪拌摩擦焊[5]等固態連接方法對鋁合金與鋼異種材料進行焊接，并深入研究接頭組織、性能。雖然采用固態焊接可以有效控制金屬間化合物的生長，但受接頭形式、工件尺度、作業氣氛、柔性度和效率等方面的限制，這些固態焊接技術迄今尚未應用到汽車車身的實際生產中。為此，鋁/鋼異種材料的熔釬焊最近被廣泛的研究[6-8]。熔釬焊是利用鋁合金和鋼熔點的差異，通過電弧或激光加熱并精確控制焊接熱輸入，保證高熔點的鋼在不發生熔化的前提下使低熔點的鋁合金熔化，熔化的鋁合金及填充金屬與固態的鋼實現釬焊連接。這種新型連接技術提升了鋁/鋼異種金屬連接的應用空間，其在汽車車身量產制工程化應用的研究也正在展開。

電阻點焊因具有生產效率高、操作簡便、無需填充材、易于實現自動化等優點，是現代汽車車身焊裝的主要焊接方法[9-10]。然而，關于鋁合金與低碳鋼異種材料電阻點焊的研究成果尚未達到實用化程度，仍需進一步深入探討。對此，本研究采用熱補償工藝墊片電阻點焊法焊接鋁合金與低碳鋼，利用電子顯微鏡觀察分析接合界面反應物形貌特征。分析焊接電流對接頭性能的影響。

1 試驗材料與方法

試驗材料為1.0 mm厚的A6061鋁合金和低碳鋼Q235，表1、表2分別給出了其化學成分。圖1為用于抗剪試驗的焊接試樣形狀與尺度。由于鋁合金導電、導熱性能好，焊接時在鋁合金板上附加一材質為低碳鋼（厚1.0 mm）的工藝墊片對其進行熱補償以獲得對稱的熔核。關于熱補償工藝墊片電阻點焊的詳細報道見文獻[11]。

表1 鋁合金A6061的化學成分 %

表2 低碳鋼Q235的化學成分 %

圖1 焊接試樣形狀

焊前，將被焊材料和所用熱補償工藝墊片表面用無水乙醇洗凈后烘干。焊接工藝條件如表3所示。焊后，在室溫條件下以1.7×10-5m/s的速率對接頭進行拉伸試驗。對部分典型接頭進行斷面觀察試驗。垂直于接合界面沿焊點直徑橫切焊接接頭，研磨、拋光其斷面。用掃描電子顯微鏡（SEM,JEOL JSM-6300）沿接合面觀察界面區微觀形貌。

表3 焊接參數

為了方便對比，本研究也對鋁合金A6061與低碳鋼Q235的常規電阻點焊接頭進行了性能試驗。常規電阻點焊不采用熱補償工藝墊片。

2 試驗結果與分析

2.1 試驗分析

焊接電流為17.5 kA的接頭中心界面區掃描電子顯微鏡照片如圖2所示。由圖2可知，反應層和鋼之間的界面凹凸起伏很大，且凸起朝向鋼側，反應層和鋁合金間交界處較為平滑。這是因為相同溫度下，Fe在Al中的擴散系數遠大于Al在Fe中的擴散系數。界面反應層厚度約為4.5 μm。通過觀察可知：反應層厚度在界面并非穩定不變的，在焊點中心處反應層最厚，隨距焊點中心距離增加而逐漸減小。反應層厚度在界面呈這樣分布被認為與焊接過程中的溫度場有關。因為反應層厚度X是反應時間t和溫度T的函數。點焊時，由于被焊材料的傳導散熱作用，在焊接區外圍的溫度低于焊接中心區，且其處高溫反應時間也比中心區域短[12]。因此，反應層厚度呈中心高周圍低分布。

圖2 焊接界面區域掃描電鏡照片

不同焊接電流條件下接頭中心區域的界面反應層厚度如圖3所示。由圖3可知，焊接電流越大，焊點中心的反應層厚度越大。這是因為隨著焊接電流的增大，點焊接頭區域的溫度較高，且高溫反應時間也較長。

圖3 焊接電流對焊點中心反應層厚度的影響

圖4為靠近低碳鋼側、鋁合金側反應層的能譜分析結果。分析結果顯示，靠近低碳鋼一側的金屬間化合物鋁、鐵原子個數比為2.44∶1，靠近鋁合金一側的金屬間化合物鋁、鐵的原子個數比為3.18∶1。根據Fe-Al二元相圖，靠近鋼一側的鋁鐵金屬間化合物為Fe2Al5，靠近鋁合金一側的金屬間化合物是FeAl3。未檢測到其他類型鋁鐵金屬間化合物的生成，這是由于FeAl3和Fe2Al5的生成自由能較低，在焊接過程中優先生成。

2.2 接頭力學性能

A6061/Q235常規點焊、熱補償電阻點焊兩類接頭的熔核直徑與焊接電流的關系如圖5所示。這里的熔核直徑是從接頭斷口測出，圖中數據是5件試樣的平均值。對于兩類接頭，其熔核直徑都是隨焊接電流的增大而增大。根據焦耳定律可知，焊接電流是影響電阻熱的主要因素。隨焊接電流的增大，析出的電阻熱增大，因而能夠生成較大的熔核。由圖可知，在相同的焊接電流條件下，A60612/Q235熱補償電阻點焊接頭的熔核尺度比常規點焊接頭的大2.5 mm左右。這是由于材質為低碳鋼的工藝墊片的電阻較大、且導熱性也較鋁合金差，其產熱的效果較好、散熱差。所以，熱補償點焊接頭熔核尺度較大。

圖4 反應層成分分析結果

圖5 接頭熔核直徑與焊接電流的關系

常規點焊、熱補償電阻點焊兩類接頭剪載荷與焊接電流的關系如圖6所示，兩類接頭的抗剪載荷都隨焊接電流的增加而增大。這是因為隨焊接電流增大所生成的熔核尺寸較大，其承載能力也就隨之增大。熱補償電阻點焊所得焊接接頭的抗剪載荷遠高于常規點焊所得焊接接頭抗剪強度。在本研究中，具有4.52 kN的最大抗剪力的接頭是在焊接電流為20 kA時獲得的。這時的熔核直徑達10.3 mm，也完全滿足點焊標準所要求的直徑d＞4t1/2（t為板厚）。根據文獻，Oikawa等人采用采用鋁/鋼軋制復合板作為中間夾層焊接鋁合金與鋼，其結果表明焊接電流為20 kA時獲得最大接頭抗剪載荷為4 kN[13]。采用熱補償電阻點焊法獲得的接頭具有較大的熔核和較高的抗剪力。這也證明了熱補償電阻點焊法對焊接鋁合金是有效的。

圖6 抗剪載荷與焊接電流的關系

4 結論

（1）在鋁合金/低碳鋼的電阻點焊接合界面有反應層生成，其厚度隨位置的變化而變化。

（2）鋁合金/低碳鋼接頭熔核直徑、抗剪載荷隨焊接電流的增加而增大。

（3）采用熱補償電阻點焊焊接鋁合金與低碳鋼能獲得具有較大熔核、較高抗剪載荷的接頭。

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