鑄鋁與擠壓鋁合金的電阻點焊工藝試驗研究

張可，程哲聞，張賢昆，李勝利，石磊

1.華人運通（山東）科技有限公司 上海 201100

2.山東大學材料液固結構演變與加工教育部重點實驗室 山東濟南 250061

1 序言

由于鋁合金密度低，約為鋼的1/3，且強度和比強度高，因此具有巨大的減重潛力[1]。與傳統材料相比，采用鋁合金可以減輕高達50%的重量，且不會影響強度和安全性。隨著對結構輕量化的要求日益提高，汽車行業中越來越多的部件材質開始采用鋁合金替代，這必然需要實現鋁合金的可靠連接[2]。

為了適應更多的類似鋁合金的材料連接需求，雖然目前已經開發出更多新的連接技術，但是電阻點焊仍然是汽車生產中應用最為廣泛的連接技術[3]。最主要的原因就是電阻點焊具有低成本、可靠、高速、易操作、自動化程度高和適合大批量生產的優點[4]。同時，車輛的質量、結構性能、壽命、安全設計、強度、剛度和完整性不僅取決于板材的力學性能，還取決于點焊的質量[5]。這對于點焊質量的提升提出了更高的要求。

近幾年，越來越多研究者針對鋁合金大批量電阻點焊進行了深入研究[6-8]。但是，與鋼的電阻點焊不同，鋁合金的電阻點焊存在一些困難。例如，鋁合金比鋼具有更小的電阻率和更高的熱導率、導電性，因此焊接時需要更高的焊接電流，通常是鋼電阻點焊的2～3倍[9，10]。在鋁合金電阻點焊過程中，接頭內部容易出現孔洞、裂紋、濺射等缺陷[11]。此外，鋁合金表面致密的氧化膜會導致更高的接觸電阻和發熱，這會導致電極與鋁合金板之間的溫度迅速升高，加速電極的損耗，從而直接影響到接頭性能穩定性[5]。焊接電流是電阻點焊中最主要的參數之一，其對鋁合金電阻點焊接頭性能、微觀結構的影響，目前少有研究。因此，有必要針對焊接電流對電阻點焊接頭性能、微觀結構、斷裂行為的影響進行分析和深入研究。

本文對鑄鋁和5系擠壓鋁合金異種材料電阻點焊開展試驗研究，通過改變焊接電流，對接頭宏觀和微觀結構、力學性能、斷裂行為進行了分析表征，分析了焊接電流對焊核區晶粒微觀結構演變的影響。為鑄鋁和5系擠壓鋁合金電阻點焊工藝在工業生產中的應用奠定了一定的理論基礎。

2 試驗過程

本試驗采用鑄鋁和5系擠壓鋁合金作為母材。焊前需要將原始板材進行切割，鑄鋁板材切割尺寸為100mm×20mm×3mm，5系擠壓鋁合金切割尺寸為100mm×25mm×2mm。焊前對板材表面進行打磨，去除表面氧化膜。

電阻點焊過程中，焊接試件在兩端電極壓力作用下，接通焊接電流后產生電阻熱，使金屬熔化產生焊核，電阻點焊原理如圖1所示。在焊接試驗中，將鑄鋁置于電阻負極，5系擠壓鋁合金置于電阻正極。由于本研究采用的材料板厚不同，極易產生焊點偏移的問題[5，12]，因此為了減小焊核偏移的影響，將薄板置于電阻正極一側[13]。焊接預熱電流10kA，預熱時間100ms，預熱完成后焊接時間為200ms。本研究中，壓力不改變，均為6kN，僅改變焊接電流，從36kA均勻增加至42kA，相關參數和試樣編號見表 1。

表1 電阻點焊焊接參數

圖1 電阻點焊原理

對焊后接頭進行剪切試驗，試樣尺寸如圖2所示。進行剪切試驗前，需要在母材處增加墊塊，以消除扭矩對剪切試驗帶來的影響。采用萬能試驗機進行剪切試驗，試驗過程中拉伸速度為5mm/min，每個焊接參數選取3個試樣進行試驗，并取平均值。

圖2 接頭剪切強度試樣尺寸

3 結果與討論

3.1 接頭宏觀形貌

不同參數下電阻點焊接頭橫截面宏觀形貌如圖3所示。從圖3可明顯看到，焊核偏向于鑄鋁一側，由于板厚不一致，因此上下板電流場分布不對稱，結合面與兩電極之間的距離不同，散熱條件也不同，致使溫度場分布也不對稱[12，13]。偏移會導致結合面上焊核尺寸小于焊核最大直徑，降低焊點強度。焊核內部均存在少量縮孔，同時能夠在兩塊板材中間看到少量的金屬飛濺。在焊接完成后，首先冷卻凝固的是靠近母材周圍的柱狀晶區，內部的等軸晶區還未完全凝固。同時在電極壓力和熱膨脹的作用下，液態金屬會被擠出而形成飛濺，導致了等軸晶區繼續凝固時，因缺乏液態金屬而產生縮孔[8]。隨著焊接電流的增大，可以看到焊核最大直徑在不斷增大，36kA焊接電流下，焊核最大直徑為10.7mm，當焊接電流增加到42kA時，焊核最大直徑達到了12.7mm。隨著焊接電流的增大，焊接熱輸入也增大，從而導致更多的區域出現熔化，增大了焊核的區域。同時也能夠看到，隨著焊接電流的增大，5系擠壓鋁合金的焊核邊界更接近焊點底部，熱輸入的增加同時也造成了更多的5系擠壓鋁合金的熔化。

圖3 電阻點焊接頭橫截面宏觀形貌

3.2 接頭微觀組織

（1）焊核區中心區域微觀組織 在焊核中心區域（見圖4）取樣進行微觀組織觀察，微觀組織與晶粒尺寸如圖5～圖8所示。從圖5～圖8可看出，焊核區中心區微觀組織均為細小等軸晶。對平均晶粒尺寸統計后發現，在改變焊接電流后，對中心焊核區平均晶粒尺寸的影響不大，并未出現晶粒異常長大的現象。在試樣ZL-3中（即焊接電流40kA），其平均晶粒尺寸最小，為（5.47±1.95）mm。隨著焊接電流的增大，晶粒尺寸出現了先減小后增大的趨勢。分析認為，隨著焊接電流的增大，熱輸入增大，焊接完成后冷卻速度也會增大，增加等軸晶形核率，細化晶粒。但是，當焊接電流達到42kA（試樣ZL-4）后，由于熱輸入過大，焊接完成后高溫持續時間增長，反而導致了等軸晶的長大。

圖4 焊核區中心區域取樣位置示意

圖5 試樣ZL-1焊核區中心區域微觀組織和晶粒尺寸

圖6 試樣ZL-2焊核區中心區域微觀組織和晶粒尺寸

圖7 試樣ZL-3焊核區中心區域微觀組織和晶粒尺寸

圖8 試樣ZL-4焊核區中心區域微觀組織和晶粒尺寸

（2）鑄鋁焊核區邊緣微觀組織 在鑄鋁焊核區邊緣（見圖9）取樣進行微觀組織觀察，微觀組織形貌如圖10所示。邊緣處根據微觀形貌可分為4個區域，分別為母材（Base Metal，BM），熱影響區（Heat Affected Zone，HAZ），柱狀晶區（Columnar Grain Zone，CGZ），等軸晶區（Equiaxed Grain Zone，EGZ）。從圖10可看出，鑄鋁母材區域晶粒較為粗大，熱影響區附近存在少量的晶粒異常長大現象，柱狀晶區和等軸晶區后晶粒組織明顯減小。柱狀晶區內的枝晶從熱影響區邊緣向等軸晶區垂直長大。改變焊接電流并不會明顯影響到鑄鋁焊核區邊緣的微觀組織結構，所有試樣中均存在這4個區域。

圖9 鑄鋁焊核區邊緣取樣位置

圖10 鑄鋁焊核邊緣微觀組織

（3）5系擠壓鋁合金焊核區邊緣微觀組織 在5系擠壓鋁合金焊核區邊緣（見圖11）取樣進行微觀組織觀察，微觀組織如圖12所示。從圖12可看到，與鑄鋁側的微觀組織相似，5系擠壓鋁合金焊核區邊緣同樣能夠區分為4個區域。柱狀晶依附在熱影響區邊界附近并垂直向內生長，焊核區內部則主要為等軸晶。在熱影響區附近能夠看到明顯的粗大晶粒，且晶界十分明顯。分析其原因：首先，受熱后的晶粒出現了局部的長大，相比于母材區域晶粒更明顯；其次，電阻點焊過程中既有液態金屬，同時也有較大的壓力。因此，焊核凝固過程中，在電極壓力作用下，焊核中部分低熔點金屬會被壓進熱影響區的晶界中，其在腐蝕劑的作用下十分明顯[13]。

圖11 5系擠壓鋁合金焊核區邊緣取樣位置

3.3 接頭力學性能

不同焊接參數下接頭平均失效載荷如圖13所示。從圖13可看到，隨著試樣編號的增大（即焊接電流的增大），接頭平均失效載荷出現了先上升后降低的趨勢。其中，以ZL-3試樣接頭平均失效載荷最高，達到了（7.09±0.33）kN，該試樣參數為焊接壓力6kN、焊接電流40kA。結合宏觀組織和微觀組織分析認為，隨著焊接電流的增大，焊點的最大直徑也在增大，有利于增加界面的結合強度。但是，當焊接電流達到42kA后，雖然焊點直徑仍然在加大，但其較高熱輸入導致了焊核區內的晶粒組織長大，反而不利于接頭性能的提升。同時也能在5系擠壓鋁合金焊核邊緣柱狀晶區和等軸晶區邊緣看到少量的熱裂紋（見圖12d），惡化了接頭性能。

圖13 不同焊接參數下接頭平均失效載荷

3.4 接頭斷裂行為分析

（1）斷裂位置分析 接頭的力學性能與斷裂位置是密不可分的，圖14所示為4個參數下3個試樣的斷裂位置。從圖14可看到，大部分試樣均斷裂在焊核靠近鑄鋁處。在較小焊接電流下（即試樣ZL-1），焊點直徑較小，同時焊點還出現了偏移（見圖3a），這會導致焊點附近的熱影響區和柱狀晶區被完全暴露在焊點外側，成為了裂紋源和擴展區，因此性能較低。隨著焊接電流的增大，當達到40kA時，能夠看到焊點直徑增大，同時焊點偏移現象相比于其他參數來說稍有改善（見圖3c）。因此，在剪切試驗過程中，可承載區域增大，接頭性能得到了提升。當焊接電流達到42kA時，焊點偏移現象再次加劇，導致了有效剪切長度減小，接頭性能出現了削弱。

圖14 接頭斷裂位置

（2）斷裂模式分析 提取了典型的斷裂于鑄鋁母材和斷裂于焊點處的力-位移曲線進行分析，結果如圖15所示。不同斷裂模式如圖16所示。分析圖15后發現，當剪切試驗剛開始時，斷裂于焊點的試樣在相同位移下其拉力明顯低于斷裂于鑄鋁母材的試樣。這表明，在剪切試驗開始后，焊點內部極有可能已經產生了裂紋，導致其最后出現了焊點拉脫斷裂。而斷裂于鑄鋁的試樣，在剪切試驗過程中，直到即將斷裂時，焊點附近才產生裂紋，再進一步拉伸后最終斷裂。

圖15 不同斷裂模式力-位移曲線

圖16 不同斷裂模式

（3）斷口形貌分析 斷裂位置為焊點處的斷口形貌及能譜結果如圖17所示。從圖17可看到，斷裂處存在大量的解理面，僅在圖17a左下角處出現了少量韌窩，屬于典型的脆性斷裂，少量區域內為韌性斷裂。能譜結果顯示，該區域內存在Si元素，證明該斷裂位置主要成分為鑄鋁，且Si元素分布雜亂，斷裂方式主要為穿晶斷裂。

圖17 斷裂位置為焊點處的斷口形貌及能譜結果

斷裂位置為鑄鋁處的斷口形貌及能譜結果如圖18所示。從18圖可看到，在該斷口附近存在大量細小且深的韌窩，是典型的韌性斷裂。對能譜結果進行分析后發現，該區域內的Si元素分布與韌窩邊緣相對應，Si元素會在冷卻過程中與鋁合金形成共晶化合物，在晶界附近析出，因此分析認為在該位置主要為沿晶界斷裂，晶界成為了薄弱區。

圖18 斷裂位置為鑄鋁處的斷口形貌及能譜結果

4 結束語

1）基于控制變量法，在相同的壓力條件下，改變焊接電流，開展了鑄鋁和5系擠壓鋁合金的電阻點焊試驗。焊后對接頭剪切性能進行測試，結果表明，在壓力6kN和焊接電流40kA的條件下，接頭平均失效載荷達到最高，為（7.09±0.33）kN。

2）合適的焊接電流能夠減小不等厚板電阻點焊過程中的焊點偏移問題，在本研究中40kA焊接電流能夠改善焊點偏移，提高接頭性能。

3）大部分接頭均斷裂在焊點附近的鑄鋁一側，試驗發現斷裂在焊點處的接頭性能相對較低，結合力-位移曲線分析認為，斷裂在焊點處的接頭在剪切試驗剛開始時焊點內部已經產生裂紋，導致接頭性能降低。