SiCp／6061鋁基復合材料電阻點焊接頭中的缺陷分析

李杏瑞，牛濟泰，2，楊順成

（1.鄭州大學材料科學與工程學院，鄭州 450001；2.哈爾濱工業大學先進焊接與連接國家重點實驗室，哈爾濱 150001；3.正機協合能源裝備科技有限公司，鄭州 450001）

0 引言

碳化硅顆粒增強鋁（SiCp／Al）基復合材料是目前應用最廣、發展最快、價格最便宜、且能實現較大規模生產的金屬基復合材料之一，在很多領域具有良好的應用前景。但此類材料的焊接要比其它金屬材料復雜得多，較難形成高強度的焊接接頭。

目前國內外學者對SiCp／Al基復合材料焊接方法的 研 究 主 要 集 中 在TIG 焊［1］、MIG 焊［2］、激 光焊［3，4］、等離子弧焊［5］、TLP焊［6］、攪拌摩擦焊［7］等，但有關采用電阻焊來連接SiCp／Al復合材料的報道較少。

電阻點焊是一種效率較高、工藝簡單、焊接成本低的焊接方法。作者前期對SiCp／Al基復合材料的電阻點焊做了初步研究，結果發現其焊接接頭的拉剪強度較低，焊后熔核直徑較小；在SiCp／Al基復合材料的電阻點焊接頭區存在SiC顆粒偏聚現象。為克服以上問題，作者對SiCp／Al基復合材料的電阻點焊連接工藝做如下改進：在電極與復合材料之間添加不銹鋼墊片，增加電阻點焊中的產熱量，使電極壓力均勻。

工藝改進后，SiCp／Al基復合材料電阻點焊對焊接熱輸入和電極壓力等工藝參數的變化較敏感，若焊接工藝參數控制不當，焊接過程中易產生氣孔、裂紋、焊接噴濺等缺陷，這些缺陷的存在將顯著降低SiCp／Al基復合材料點焊接頭的力學性能［8－9］。鑒于此，作者對SiCp／6061鋁基復合材料電阻點焊中出現的缺陷及其形態和產生機理進行了較深入的分析，以期獲得性能良好的SiCp／Al復合材料點焊接頭。

1 試樣制備與試驗方法

采用粉末冶金法制備的SiCp／6061鋁基復合材料為母材。基體6061Al 的化學成分（質量分數／%）為0.40Si，0.7Fe，0.15Cu，0.15Mn，0.8Mg，0.04～0.35Cr，0.25Zn，0.15Ti，余Al。增強相SiC顆粒的平均直徑為10μm，SiC 顆粒的體積分數為15%。將材料在線切割機上加工成為50 mm×20mm×1 mm 的試樣。然后進行搭接焊接，焊接時搭接長度為20mm，焊接試樣尺寸見圖1。

圖1 電阻點焊試樣及其搭接接頭示意Fig.1 Sketch map of sample and lap joint of resistance spot welding

試樣待焊表面用砂紙仔細打磨，去除表面氧化膜，再用丙酮清洗并風干，然后在YS－500SA2型點焊機上進行焊接，焊接電極為直徑20mm 的紫銅電極，工作端面為球面形狀，冷卻水流量為3 L·min－1。為了增加焊接區域的產熱及熔核中增強相的均勻分布，在電極與復合材料間放置厚度為0.12mm的1Cr18Ni9Ti不銹鋼片，如圖2所示。焊接時的焊接電流為14.6～16.5kA，焊接時間為0.2～0.4s，焊接壓力為1 500～2 500 N。焊后試驗在PMG 型光學顯微鏡和QUANT200型掃描電鏡（SEM）上觀察氣孔、裂紋、噴濺等缺陷形貌。

2 試驗結果與討論

2.1 氣 孔

圖2 加不銹鋼薄片時的搭接接頭示意Fig.2 Sketch map of lap joint using stainless steel sheets

采用焊接電流為14.6kA、焊接時間為0.2～0.4s、焊接壓力為2 500N 進行點焊試驗時，在復合材料的電阻點焊接頭區出現了如圖3 所示的氣孔。氣孔出現在熔核斷面上，其形狀規則、尺寸小、內壁光滑、呈圓喇叭口形，根據形態可以判斷此氣孔為氫氣孔。這些氣孔減小了焊縫的有效工作截面，降低了焊縫的強度和塑性。

圖3 SiCp／6061鋁基復合材料電阻點焊接頭中的氣孔Fig.3 Gas holes in the joint of SiCp／6061Al composite RSW

在復合材料的電阻點焊中，焊接時間過長是接頭區形成氣孔缺陷的主要原因。焊接時，在點焊溫度場高溫區，氫大量溶解在液態鋁中，當焊接時間較長，如0.3s時（最優焊接時間為0.2s），溶解在點焊熔核中的氫增多；而在熔核凝固時，液態鋁中氫的溶解度突然下降，造成氫以原子形態從液態金屬中向外逸出，形成氣泡［10］。由于電阻點焊熔核凝固速度很快，加上鋁液中SiC 顆粒增強相增大了熔池的黏度，熔核冷卻時形成的氫來不及逸出而導致在熔核中形成氣孔缺陷。可采用焊前仔細清理材料表面，以減少氫的來源，或采用大電流、短點焊時間等方法來防止氫氣孔的產生。

2.2 熱裂紋

在焊接電流為14.6～16.5kA、焊接時間為0.2s、電極壓力為2 500N 下施焊，在接頭區產生了橫穿熔核中心的熱裂紋，其形貌如圖4所示。

圖4 SiCp／6061鋁基復合材料電阻點焊接頭中的裂紋Fig.4 Cracks in the joint of SiCp／6061Al composite RSW

對于SiCp／6061 鋁基復合材料的電阻點焊接頭，焊接電流過大是產生熱裂紋的主要原因。當焊接電流過大，如16kA（最佳焊接電流為14.6kA）時，點焊時快速加熱會使焊接區產生不均勻的塑性變形和不均勻的應力、應變場；在熔池結晶后期，電極對熔核所施加的壓力大部分被結晶的晶粒所吸收，而液態金屬自由流動的阻力卻在增加，同時增強相SiC顆粒的存在使得接頭區更滯粘，不能及時彌補凝固收縮產生的空隙，造成了橫穿熔核中心的熱裂紋。

2.3 噴 濺

在焊接電流為14.6～16.5kA，焊接時間為0.2s、電極壓力為1 500～2 500N 下施焊，在接頭處出現內噴濺，其形貌如圖5所示。從圖中可以看出，形成的噴濺呈整體擠出型，屬后期噴濺。

圖5 SiCp／6061鋁基復合材料電阻點焊接頭間的飛濺物及其成分Fig.5 Spatters（a）and EDS spectrum（b）of the joint of SiCp／6061Al composite RSW

在復合材料的電阻點焊中，焊接電流過大和焊接壓力過小是形成噴濺的主要原因。在點焊加熱過程中，由于金屬受熱膨脹，熔化區的壓力逐漸加大，如果外加焊接壓力過小，塑性環不能抑制熔化金屬的快速膨脹，熔核區域及塑性環逐步向外擴展。當焊接電流過大，如16 kA 時（最佳焊接電流為14.6kA），焊接壓力較小，如2 000N 時（最佳焊接壓力為2 500N），加熱過程過于劇烈時，熔核區的擴展速度大于塑性環的擴展速度，最終液態鋁在電極壓力及自身膨脹力的作用下沖破塑性環的束縛，沿徑向大量飛出形成后期噴濺［11］。

由EDS譜可知噴濺物中鋁的含量明顯高于母材中鋁的含量，而硅的含量明顯低于母材的。這也進一步證明噴濺現象影響了焊縫中的化學成分，增加了焊縫區域SiC 顆粒偏聚的程度。因此，在焊接過程中應盡量抑制噴濺的產生。

2.4 復合材料在最佳點焊工藝參數下的接頭形貌

對于復合材料的電阻點焊，通過大量的試驗和缺陷分析，優化出一組最佳的工藝參數：焊接電流為14.6kA、焊接時間為0.2s、焊接壓力為2 500N。采用最佳工藝參數進行焊接時，產生的熱量適中，能形成具有保護作用的塑性環，點焊接頭成型好。從圖6和圖7可以看出，接頭區成型致密，增強相SiC顆粒分布較均勻，無氣孔、裂紋、噴濺等缺陷。

3 結論

（1）SiCp／6061鋁基復合材料電阻點焊前工件表面清理不徹底、焊接時間過長（0.3s）時，會在點焊接頭中會出現氫氣孔缺陷。

（2）SiCp／6061鋁基復合材料電阻點焊時焊接電流過大（16kA），會產生橫穿熔核中心的熱裂紋。

（3）當焊接電流過大（16kA）、電極壓力過小（2 000N）時會造成接頭區出現噴濺。

（4）電阻點焊的焊接電流為14.6kA、焊接時間為0.2s、焊接壓力為2 500N 時得到的復合材料焊接接頭區成型致密，增強相SiC顆粒分布較均勻，無氣孔、裂紋、噴濺等缺陷。

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