鋁鋼異種金屬鉚扣電極下電阻點焊方法研究

黃志偉，衛(wèi) 官，董光耀，曹生亮，劉 力

(濟源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，河南 濟源 459000)

隨著世界能源危機的加劇和汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，無論對于傳統(tǒng)燃油車還是新能源汽車，汽車輕量化都成為人們在研究節(jié)能減排和環(huán)境保護方面必須長期研究的領(lǐng)域和方向。然而，輕量化材料的引入也對整個車身構(gòu)造中異種金屬的高強度連接提出了更高的要求，因此鋁鋼等異種金屬材料的高強度連接就成為了人們必須攻克的技術(shù)難題[1]。由于鋁鋼兩種金屬的理化性質(zhì)有顯著差異，點焊過程中易在界面處形成脆硬的金屬間化合物等情況，制約了鋁鋼一體化車身的應(yīng)用。因此，研究鋁鋼異種金屬電阻點焊連接、探索提高其焊接質(zhì)量的方法具有重要價值[2]。

鉚扣式電極電阻點焊法同時具有點焊和鉚接的連接優(yōu)點，鉚扣式電極電阻點焊連接在提高連接接頭強度和力學(xué)性能的同時，也有效地改善了點焊接頭的表面質(zhì)量。此外，鉚扣式電極電阻點焊連接進一步擴大了點焊在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用范圍，在保證點焊氣密性的同時，也可以有效地提高連接強度、提高生產(chǎn)效率、降低勞動成本、滿足點焊的可靠性要求，為解決鋁鋼異種金屬的高強度連接提供了新思路，符合汽車輕量化發(fā)展的要求和理念[3]。因此，對在鉚扣電極條件下1 mm等厚度的鋁合金6061和鍍鋅鋼進行了電阻點焊工藝參數(shù)的研究。

一、試驗原料及方案

(一)試驗設(shè)備及原料

試驗焊接設(shè)備采用DTMZ-160中頻伺服三相逆變點焊機，焊接次級頻率可達(dá)1000 Hz，變壓器次級回路中的整流二極管能將電能二次利用為點焊機供電，有效降低點焊能量損失和成本，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 焊接設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)

電極選用鉻鋯銅電極，鉚扣式電極是在尺寸為16 mm×23 mm圓頭鉻鋯銅電極結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上加工而成的，其尺寸結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鉚扣式電極結(jié)構(gòu)尺寸

選用厚度均為1 mm的鋁合金6061和鍍鋅鋼作為工件試驗材料，鋁合金6061中各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表2所示[4]。

表2 鋁合金6061中各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%

鍍鋅鋼中各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表3所示。

表3 鍍鋅鋼中各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%

鋁合金和鍍鋅鋼在機械物理性能方面存在很大差異，這也是導(dǎo)致鋁鋼異種金屬點焊抗拉強度較低的主要原因，常溫(20℃)下鍍鋅鋼與鋁合金6061的具體參數(shù)如表4所示[5]。

表4 鋁合金與鍍鋅鋼機械物理性能參數(shù)對比

(二)試件尺寸和搭接方式

通過裁板機將其裁剪成長100 mm，寬25 mm，厚1 mm的均勻矩形試件，然后通過如圖2所示的方式在搭接狀態(tài)下進行鉚扣式電極電阻點焊正交試驗，其中鍍鋅鋼板在上，6061鋁合金板在下，搭接尺寸為25 mm，搭接區(qū)域為邊長25 mm的正方形，在不同焊接時間、焊接電流和電極壓力組合參數(shù)下進行正交試驗，每組參數(shù)下進行三次試驗。試驗前，對試件表面進行預(yù)處理，鋁合金6061表面的氧化膜通過研磨機或者砂紙打磨處理，然后用丙酮試劑清除鍍鋅鋼和鋁合金表面的雜質(zhì)以及油漬，盡量消除客觀因素的影響以減小試驗誤差[6]。

圖2 試件尺寸和搭接方式

(三)正交試驗方案

本試驗中對點焊接頭力學(xué)性能的影響因素考慮三因素焊接工藝參數(shù)，即焊接時間t、焊接電流I和電極壓力F；每個因素下設(shè)置三水平數(shù)據(jù)進行，正交試驗影響因素水平表如表5所示。

表5 正交試驗影響因素和水平

設(shè)計三因素三水平正交試驗，正交表采用L9(34)形式，鉚扣式電極下鋁鋼異種金屬電阻點焊正交表如表6所示[7]。

表6 正交試驗方案

按照正交表分9組參數(shù)組合，每組參數(shù)組合下進行6次獨立重復(fù)試驗，取其中3個焊接試件在點焊后寫上組別和序號，方便后續(xù)進行力學(xué)性能測試。

二、試驗結(jié)果及討論

(一)力學(xué)性能測試

取正交試驗所得9組參數(shù)組合下的27個已編號的試驗樣件，通過UTM5105X 型電子萬能實驗機將樣件進行拉伸實驗，拉伸速度設(shè)置為0.6 mm/min，每組參數(shù)組合下進行三次抗拉強度測試，取其最大抗拉力的平均值作為該參數(shù)組合下點焊接頭力學(xué)性能評價標(biāo)準(zhǔn)[9]。拉伸實驗試樣如圖3所示，為了保證拉伸實驗中兩側(cè)力的同軸性，在鋼件和鋁件端部內(nèi)側(cè)加裝1 mm厚度墊片，進而減小實驗誤差，保證實驗數(shù)據(jù)的可靠性。

圖3 拉伸實驗示意圖

鉚扣電極下點焊試樣在拉伸實驗中主要表現(xiàn)出界面斷裂和拉拔斷裂兩種斷裂方式。當(dāng)焊接電流、焊接時間和電極壓力較小，即電阻點焊過程熱電能量輸入較小時，焊件在拉伸實驗中常表現(xiàn)為界面斷裂形式，界面斷裂外觀結(jié)構(gòu)如圖4所示[10]。

圖4 界面斷裂外觀結(jié)構(gòu)圖

而當(dāng)焊接電流、焊接時間和電極壓力較大時，即電阻點焊過程熱電能量輸入較大時焊件在拉伸實驗中常表現(xiàn)為拉拔斷裂形式，拉拔斷裂外觀結(jié)構(gòu)如圖5所示。拉拔斷裂的點焊試樣接頭，其抗拉強度一般遠(yuǎn)高于正常界面斷裂點焊試樣接頭，如果在最佳工藝參數(shù)所形成拉拔斷裂的基礎(chǔ)上繼續(xù)加大熱電能量輸入，則會破壞熔核形成，導(dǎo)致焊點抗拉強度的降低。

圖5 拉拔斷裂外觀結(jié)構(gòu)圖

進行如表6三因素三水平9組正交試驗后，將每組參數(shù)組合下3個獨立焊件進行拉伸實驗，測量記錄其最大抗拉力和斷裂形式，其余3個進行金相實驗，測量記錄其熔核直徑以及鋼側(cè)和鋁側(cè)熔核深度，測量數(shù)據(jù)結(jié)果如表7所示。

表7 試驗測量數(shù)據(jù)結(jié)果

續(xù)表

(二)金相實驗

采用線切割的方式將每組參數(shù)組合下另外的3組焊接試樣沿熔核中心線橫向切開，之后通過拋光機用不同粒度砂紙打磨，最后試劑腐蝕制成金相試樣，通過電子顯微鏡獲取點焊接頭金相照片，測量每組試樣的熔核直徑以及鋼側(cè)和鋁側(cè)熔核深度，并分析點焊接頭宏觀形貌和微觀形貌特點[11]。

1.宏觀形貌

試樣編號1、4、3和5不同焊接參數(shù)下的點焊接頭金相照片如圖6所示。鋁鋼異種金屬在鉚扣電極下，由于最先在電極邊緣處產(chǎn)生較大的接觸應(yīng)力和接觸電阻，因此熔核是從鋁鋼異種金屬界面的電極邊緣位置產(chǎn)生，并不斷向點焊中心區(qū)域延伸形成的；從圖中可以分析，鋁側(cè)熔核深度相較于鋼側(cè)熔核深度更大；不同焊接參數(shù)條件下，隨著焊接能量輸入的不斷提高，熔核直徑和熔核深度也不斷增大，抗拉強度也會不斷提高；但隨著點焊能量密度的進一步增大，在電極邊緣位置鋁側(cè)熔核深度也不斷增加，抗拉強度則會逐漸降低；當(dāng)鋁側(cè)熔核深度達(dá)到鋁板厚度極限時，鋁板就會被擊穿，點焊會造成噴射和飛濺等現(xiàn)象，焊點抗拉強度也會急劇降低。

圖6 不同焊接參數(shù)下點焊接頭金相照片

2.微觀形貌

在點焊熔核形成的過程中，熔核下端部分的組織在銅電極循環(huán)水冷作用下熱量散出，溫度急劇降低，晶粒組織會明顯細(xì)化，呈現(xiàn)出由胞狀晶向胞狀樹枝晶過渡的結(jié)構(gòu)，如圖7所示。

圖7 熔核下端部分微觀組織形貌

熔核上端部分和中間部分的組織由于溫度較高且熱量不易散去，存在較大的溫度梯度，晶粒向多個方向進行分支生長，在此區(qū)域微觀組織形式大多呈現(xiàn)胞狀樹枝晶，如圖8所示。

在此區(qū)域熔核中間部分胞狀樹枝晶的分支生長方向與鋁鋼界面區(qū)域的方向相互垂直，且向熔核中心生長延伸；熔核中心區(qū)域鋁鋼界面處溫度最高且熱量不易擴散，容易在熔核上端部分形成裂紋等缺陷。

圖8 熔核上端部分和中間部分微觀組織形貌

熔核邊緣部分的組織在熱輸入狀態(tài)下沒有完全融化，熔核內(nèi)部的液態(tài)鋁合金與外部母材間由于較高的熱傳導(dǎo)率而產(chǎn)生較大的溫度梯度，此區(qū)域以胞狀晶形式向熔核內(nèi)部不斷延伸生長[12]，在接近熔核中心區(qū)域隨著溫度梯度逐漸降低，且由于鎂和硅等溶質(zhì)元素擴散的不均勻性，胞狀晶會延伸出很多短小的晶粒分支，呈現(xiàn)胞狀樹枝晶的結(jié)構(gòu)，如圖9所示。

圖9 熔核邊緣部分微觀組織形貌

從正交試驗測量數(shù)據(jù)結(jié)果分析可知，改變點焊工藝參數(shù)，隨著焊接過程中熱電能量輸入的不斷提高，熔核直徑不斷擴大，鋁側(cè)和鋼側(cè)熔核深度不斷加深，試樣焊點抗拉強度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，焊點斷裂方式從界面斷裂向拉拔斷裂不斷過渡，最終鋁側(cè)熔核深度過大導(dǎo)致鋁側(cè)飛濺，抗拉強度也隨之降低[12]。

(三)實驗數(shù)據(jù)極差分析

根據(jù)拉伸實驗數(shù)據(jù)的極差分析如表8所示。

其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分別表示對應(yīng)因子相應(yīng)水平下最大抗拉力的總和，K1、K2、K3分別為其對應(yīng)的平均值，R為各因子下不同水平間的極差，S表示顯著性，從實驗數(shù)據(jù)結(jié)果計算分析可知焊接電流I大于電極壓力F大于焊接時間t。

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)計算分析可知，相同條件下對點焊接頭力學(xué)性能顯著性影響，焊接電流大于電極壓力大于焊接時間；隨著逐漸增大電焊工藝參數(shù)，電阻點焊過程熱電能量輸入不斷提高，焊件接頭力學(xué)性能也逐漸得到優(yōu)化，熔核直徑逐漸變大，鋁側(cè)和鋼側(cè)的熔核深度也隨之變大，斷裂形式也從普通的界面斷裂向拉拔斷裂過渡，但隨著熱電能量的進一步提高，熔核直徑逐漸增大的同時，鋁側(cè)的熔核深度也逐漸達(dá)到了鋁板的厚度極限，在點焊過程中會造成噴射和飛濺等現(xiàn)象，導(dǎo)致點焊接頭力學(xué)性能急劇惡化，甚至導(dǎo)致鋁板擊穿脫落等情況，大大降低了焊件的抗拉強度；根據(jù)正交試驗9組焊接參數(shù)組合下抗拉強度和顯著性分析，當(dāng)焊接電流為16 kA，電極壓力為2.6 kN，焊接時間為140 ms時，點焊接頭力學(xué)性能最優(yōu)，如果保持電流輸入不變，繼續(xù)增大電極壓力或焊接時間，其抗拉強度會逐漸降低。

三、結(jié)語

對1 mm等厚度鋁鋼異種金屬鉚扣電極下電阻點焊工藝參數(shù)和方法進行了研究分析，對每組參數(shù)組合下的點焊試樣分別進行拉伸實驗和金相實驗，分析了熔核的形成過程以及點焊接頭力學(xué)性能急劇下降的內(nèi)在機理。通過極差分析，發(fā)現(xiàn)在焊點抗拉強度影響的顯著性上，焊接電流I大于電極壓力F大于焊接時間t。同時，測得同等條件下最佳焊接參數(shù)為焊接電流16 kA、電極壓力2.6 kN、焊接時間140 ms，此時，最大抗拉力可達(dá)4.365 kN。