焊接工藝參數對鋁鋼異種金屬焊接接頭性能和顯微組織影響研究

黃志偉,董光耀,曹生亮

(濟源職業技術學院 汽車工程學院,河南 濟源 459000)

低碳化、信息化、智能化是全球汽車技術產業發展的主要趨勢。汽車輕量化是人們在節能減排和環境保護研究中必須長期研究的領域和方向。近年來,汽車研發工程師不斷探索各種技術和方法,在提高汽車安全性的同時實現汽車輕量化。提高鋁合金、鎂合金、鈦合金等輕量化材料在車身材料中的比例是實現汽車輕量化的有效途徑[1-2]。然而,輕量化材料的引入也對整個車身結構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成為人們必須克服的技術難題[3-4]。

車身輕量化已成為汽車工業發展的趨勢之一,而鋁鋼一體化車身結構的發展是實現這一目標的有效途徑。鋁合金因為具有良好的導電性和導熱性、高比強度、低密度、良好的耐腐蝕性和二次加工性能而在眾多輕量化材料中脫穎而出。鋁鋼一體化車身結構已逐漸成為當前汽車生產制造領域的主流車身結構。然而,由于鋁鋼兩種金屬的物理化學性能存在顯著差異,點焊時易在界面處形成脆性金屬間化合物,制約了鋁鋼一體化的應用[5-6]。因此,研究鋁鋼異種金屬的電阻點焊連接,探索提高其焊接質量的方法具有重要的價值。

本文基于鋁鋼異種金屬在鉚扣電極下電阻點焊工藝方法的研究,對三因素三水平條件下正交實驗數據進行分析,采用極差分析研究不同焊接參數對點焊接頭性能的影響程度,進行多因素方差分析研究不同工藝參數對點焊接頭抗拉強度的顯著性影響。

一、實驗方案

研究改變焊接時間t、焊接電流I和電極壓力P對鋁鋼異種金屬鉚扣式電極電阻點焊接頭性能的影響,焊接設備采用DTMZ-160中頻伺服三相逆變點焊機,實驗材料為1 mm等厚度的鋁合金6061和鍍鋅鋼,實驗示意圖如圖1所示,單位為mm。

圖1 試件搭接方式

正交表采用L9(33)形式,實驗方案如表1所示。

表1 多因素多水平焊接實驗方案

二、實驗結果

(一)拉伸實驗

每組參數下進行6次獨立重復實驗,然后將每組參數下的3個試件在UTM5105X型電子萬能實驗拉伸機上進行拉伸實驗,每組參數下取其最大拉拔力平均值記錄數據,該值大小可反映其接頭抗拉強度的變化情況;每組參數下其余3個焊件采用線切割的方式沿熔核中心線切開,通過LDW200-4XB型金相電子顯微鏡獲取接頭金相照片,測量每組試件的熔核直徑以及鋼側和鋁側熔核深度,并判斷其斷裂方式[7-8]。正交實驗結果如表2所示。由表2可知,試樣5的抗拉效果最好,焊接工藝參數為焊接電流16 kA、電極壓力2.6 kN、焊接時間140 ms,此時拉拔力可達4.365 kN。

表2 拉伸實驗結果

(二)顯微組織觀察與分析

1.宏觀特征及分析

當焊接電流為16 kA、電極壓力為2.6 kN、焊接時間為140 ms時,1mm厚鋁鋼異種金屬鉚接電極下的點焊接頭金相照片如圖2所示,其中上部為鋼,下部為鋁。

圖2 鉚扣電極點焊接頭金相照片

不同焊接參數下的點焊接頭金相比對照片如圖3所示,從上到下依次為試樣1、4、3、5。在鉚接電極下,鋁鋼異種金屬在電極邊緣產生顯著的接觸應力和接觸電阻。因此,熔核在鋁鋼異種金屬界面的電極邊緣產生,并不斷向點焊中心區延伸。由圖3可知,鋁側熔體深度大于鋼側熔體深度;在不同焊接參數下,隨著焊接能量輸入的不斷增加,熔核直徑和深度也隨之增加,力學性能方面的抗拉強度也將不斷提高。但隨著點焊能量密度的進一步增加,電極邊緣鋁側熔體深度也增加,接口抗拉強度將逐漸降低。當鋁側熔體深度達到鋁板的厚度極限時,鋁板就會被擊穿,點焊會產生噴淋、飛濺等缺陷,焊接接頭的抗拉強度也會急劇下降。

圖3 不同焊接參數下點焊接頭金相照片

2.微觀特征及分析

在金相電子顯微鏡放大1000倍條件下觀察,點焊熔核形成過程中,熔核下端結構在銅電極循環水冷卻作用下散熱,導致溫度急劇下降[9-10],晶粒結構將顯著細化,呈現出從胞狀晶體到胞狀樹突的過渡結構,如圖4所示。

圖4 熔核下端部分微觀組織形貌

熔核上部和中部的顯微組織由于溫度高、散熱困難而表現出較大的溫度梯度。晶粒向多個方向分支生長,該區域的微觀結構以胞狀枝晶為主。熔核中部胞狀枝晶在該區域的分支生長方向垂直于鋁-鋼界面區方向,并向熔核中心延伸[11-12]。熔核中心區鋁鋼界面處溫度最高,熱量不易擴散,容易在熔體上部形成裂紋等缺陷。

圖5 熔核上端部分和中間部分微觀組織形貌

熔核邊緣沒有完全熔化,由于高導熱性,熔核內部的液態鋁合金與外部基材之間產生較大的溫度梯度,該區域以胞狀晶體的形式向熔核內部不斷延伸和生長[13]。在熔核中心附近區域,溫度梯度逐漸減小,由于鎂、硅等溶質元素擴散不均勻,胞狀晶體會延伸出許多短晶粒分支,呈現胞狀枝晶結構,如圖6所示。

圖6 熔核邊緣部分微觀組織形貌

從正交實驗測量數據結果分析可見,改變點焊工藝參數,隨著焊接過程中熱電能量輸入的不斷增加,熔核直徑不斷擴大,熔核的鋁側和鋼側深度不斷加深。試樣焊接接頭的抗拉強度先升高后降低,焊縫斷裂方式由界面斷裂向拉拔斷裂轉變。最后,鋁側熔核深度過大導致鋁側飛濺,抗拉強度也相應降低。

三、實驗數據分析

(一)極差分析

通過對拉伸實驗和金相實驗測量數據的分析計算,拉拔力實驗數據的極差分析如表3所示。

表3 拉拔力實驗數據極差分析

其中K1、K2、K3分別表示對應因子相應水平下拉拔力的總和,k1、k2、k3分別為其對應的平均值,R為各因子下不同水平間的極差,S表示顯著性[14-15]。從實驗數據結果計算分析可知,RI為1.477,RP為1.008,Rt為0.868,不同工藝參數對焊點抗拉強度顯著性影響為I>P>t。

(二)方差分析

正交實驗點焊接頭拉拔力方差分析結果如表4所示。

表4 拉拔力方差分析

設顯著性水平α=0.05,查表Fα(2,8)=4.459,Fα(4,8)=3.838。根據表4拉拔力方差分析結果可知,焊接電流的FI值為11.983、電極壓力的FP值為6.409、焊接時間的Ft值為5.088,均大于表值Fα(2,8)=4.459,因此焊接電流I、電極壓力P和焊接時間t均對點焊接頭抗拉強度有顯著性影響,其影響程度為焊接電流I大于電極壓力P大于焊接時間t,與極差分析結論保持一致;多因子交互作用的方差分析顯示,P與t交互作用的F值0.588和t與I交互作用的F值0.703均小于Fα(4,8)=3.838,因此電極壓力與焊接時間的交互作用和焊接時間與焊接電流的交互作用,對點焊接頭抗拉強度無顯著性影響;而P與I交互作用的F值9.453大于Fα(4,8)=3.838,因此電極壓力與焊接電流的交互作用對點焊接頭抗拉強度有顯著性影響。

四、結論

(1)對1 mm厚鋁鋼異種金屬鉚接電極下電阻點焊最佳焊接工藝參數為焊接電流16 kA、電極壓力2.6 kN、焊接時間140 ms,此時接頭最大拉拔力可達4.365 kN。

(2)焊接電流I、電極壓力P和焊接時間t均對點焊接頭抗拉強度有顯著性影響,其影響程度為焊接電流I大于電極壓力P大于焊接時間t。

(3)電極壓力P與焊接時間t的交互作用、焊接時間t與焊接電流I的交互作用,對點焊接頭抗拉強度無顯著性影響,而電極壓力P與焊接電流I的交互作用對點焊接頭抗拉強度有顯著性影響。