6061鋁合金/DP600鋼電阻點焊接頭特征及力學性能

趙紅光，翁福娟，張勇

6061鋁合金/DP600鋼電阻點焊接頭特征及力學性能

趙紅光1，翁福娟2，張勇2

（1.中通客車股份有限公司 客車研究院，山東 聊城 252000；2.西北工業大學 材料學院 陜西省摩擦焊接工程技術重點實驗室，西安 710072）

提升6061-T6鋁合金/DP600雙相鋼電阻點焊接頭的力學性能，以滿足該焊接結構在汽車工業中的應用。對6061-T6鋁合金與DP600雙相鋼分別進行了直接電阻點焊試驗及添加Ni中間層的電阻點焊試驗，采用光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡及能譜儀分析了接頭界面宏微觀組織、化學成分、元素分布等，此外還采用接頭拉剪試驗進行了2種接頭的力學性能測試，并對接頭的斷口形貌及斷裂模式進行了分析。直接點焊接頭熔核界面形成了厚度約為2.5 μm的金屬間化合物層，主要金屬間化合物為靠近鋁合金側的Fe2Al5及靠近高強鋼側的Fe4Al13。直接點焊接頭的拉剪載荷為3.1 kN，失效形式為界面斷裂，斷口呈以脆性為主的混合斷裂特征。添加Ni中間層的點焊接頭界面形成了Ni4Al13、Ni2Al5金屬間化合物，抑制了焊接過程中Al-Fe互擴散并降低了Al-Fe金屬間化合物的形成以及硬脆性Al-Fe金屬間化合物對接頭力學性能的影響，使接頭拉剪載荷提高了67.7%，達到了5.2 kN，斷口呈以韌性為主的混合斷裂特征。添加Ni中間層可顯著提升6061-T6鋁合金/DP600雙相鋼電阻點焊接頭的力學性能。

6061-T6鋁合金；DP600雙相鋼；電阻點焊；組織特征；力學性能

鋁合金/鋼異種金屬連接結構結合了鋁合金的比強度高、耐蝕性強與鋼材的強度高、成本低等優點[1-3]，是汽車車身輕量化制造的關鍵技術手段之一[4-7]。電阻點焊因其高效、經濟、易于自動化的特點[8-10]而廣泛應用于汽車工業制造領域[11-12]，尤其在薄板金屬構件的連接中具有顯著優勢[13-15]。然而，鋁合金與高強鋼的熔點、熱膨脹系數、導熱系數等物理性能差異較大，且Fe在Al中的固溶度極低，2種材料的焊接接頭界面易生成硬脆的金屬間化合物，使鋁/鋼電阻點焊具有較大的難度。王楠楠等[16]進行了A6061/Q235鋼電阻點焊，研究表明，接頭結合界面形成了金屬間化合物層，鋁合金側的金屬間化合物為FeAl3，鋼側的金屬間化合物為Fe2Al5。邱然鋒等[17]進行了A5052/SPCC鋼電阻點焊，研究發現，接頭結合界面形成了與文獻[16]相同的金屬間化合物層，分析認為鋁側FeAl3的生成與其生成自由能較低有關，鋼側Fe2Al5的生成主要是因為其結構在軸方向存在大量Al原子空位，進而造成了各向異性擴散。因此，開展鋁/鋼異種金屬的電阻點焊研究具有十分重要的意義。

6061-T6鋁合金是Al-Mg-Si系可熱處理強化鋁合金，具有密度低、比強度高、導電和導熱好等優點[18-19]，DP600雙相鋼具有良好的強塑性匹配[20]，2種材料均在汽車制造業具有廣泛應用，二者電阻點焊的可靠連接對汽車薄板結構的高強化發展具有重要意義。本文針對6061-T6鋁合金及DP600雙相鋼分別進行了直接電阻點焊試驗以及添加Ni中間層的電阻點焊試驗，主要研究了接頭成形、組織與界面特征以及接頭的拉剪性能，以期為6061-T6鋁合金/DP600雙相鋼電阻點焊結構件在汽車工業中的應用提供理論基礎。

1 試驗

試驗采用的6061-T6鋁合金和DP600高強鋼試件尺寸分別為100 mm×25 mm×1.5 mm及100 mm×25 mm× 1.2 mm。2種材料的化學成分如表1所示。分別針對2種板材進行直接點焊和添加Ni中間層的點焊試驗。其中后者是對6061鋁合金試件采用Ni粉通過冷噴涂工藝在焊接區局部制備10～20 μm的中間層。采用NA-200-4型單相交流點焊機進行焊接試驗，為改善鋁/鋼接頭熱平衡，在6061試件與電極間放置了1 mm厚的低碳鋼工藝墊片。比較多組焊接試驗焊后效果，選定焊接參數如下：焊接電流為11 kA，通電時間為240 ms，電極壓力為6 kN。這樣既可滿足6061/DP600接頭焊接，又易于揭除工藝墊片。

點焊試驗后沿焊點中心切割金相試樣，使用光學顯微鏡（OM）、Helios G4 CX型聚焦離子/電子雙束電鏡（SEM）進行接頭組織觀察，采用X射線能譜儀分析接頭界面元素及各物相的成分配比。采用SHIMADZU AG-X型立式萬能材料試驗機進行焊后接頭拉剪試驗，拉伸剪切速率為1 mm/min，取5個試樣拉剪力平均值評定接頭的力學性能。拉剪試驗后，使用SEM對斷口進行形貌分析。

2 結果與分析

2.1 直接點焊接頭特征及拉剪性能

無中間層直接點焊的6061/DP600接頭的宏微觀組織如圖1所示。由接頭剖面低倍光鏡照片（見圖1a）可以看出，DP600鋼側形成了橢圓形熔核，在6061鋁合金側難以觀察到明顯的規則形狀熔核。這是由于鋼板的電阻率較高，導致焊接過程中的焦耳熱大部分產生于DP600鋼側，在電極和6061鋁合金強烈冷卻作用下，在DP600鋼板內部形成了獨立熔核。在焊接過程中，6061/DP600界面的接觸電阻也將產生較大熱量，而DP600鋼的熱導率低很多，使界面處6061鋁合金迅速升溫且發生熔化。在6061鋁合金熔核中可見明顯的氣孔，這可能是因為在液化過程中溶入了氣體，而氣體在凝固過程中未能逸出。顯然，在6061/DP600接頭中起主導連接作用的并非DP600鋼板內部橢圓形熔核和6061鋁合金側不規則熔核，而是2種材料的界面反應層，如圖1b所示。

表1 6061-T6鋁合金和DP600高強鋼的化學成分

Tab.1 Chemical compositions of 6061-T6 aluminum alloy and DP600 high strength steel wt.%

由圖1b中界面SEM微觀組織可以看出，在6061/DP600接頭界面處形成了厚度約為2.5 μm的雙層結構反應層，EDS線掃分析結果表明，它是由Fe、Al 2種元素互擴散且反應而形成的。圖1b中、兩處的EDS點掃描結果如表2所示。分析可知，靠近鋼側的處的Al原子數分數為74.1%，Fe原子數分數為25.9%，對應Fe-Al二元相圖[21]中的Fe4Al13區間，因此，推測處主要形成了Fe4Al13金屬間化合物?？拷X側的處的Al原子數分數為71.3%，Fe原子數分數為28.7%，對應Fe-Al二元相圖[21]中的Fe2Al5區間，因此，推測處主要形成了Fe2Al5金屬間化合物。

6061/DP600直接點焊接頭的拉剪試驗結果如圖2所示。在本文焊接工藝參數條件下，接頭的最大拉剪載荷為3.1 kN。在拉剪過程中，接頭均沿結合面發生斷裂，斷后試樣如圖2b所示。

圖1 6061-T6/DP600點焊接頭組織

表2 6061/DP600直接點焊接頭界面EDS掃描結果

Tab.2 EDS test results of interface of resistance spot welded 6061-T6/DP600 joint at.%

圖2 拉剪試驗結果

拉剪斷口SEM照片如圖3所示。由圖3a宏觀斷口形貌可以看出，斷口主要由I、Ⅱ、Ⅲ3個形貌特征區域組成，其放大圖分別對應圖3b、圖3c和圖3d。在圖3b中可見大小不等的韌窩，同時存在一定比例的解理面，表明I區具有韌性與脆性混合斷裂特征。由圖3c可以看出，Ⅱ區同樣為混合斷裂特征，韌窩數量較I區的有所減少。由圖3d可以看出，Ⅲ區域斷裂表面表現為灰色的平坦區，韌窩很少，即Ⅲ區域呈現出典型的脆性斷裂特征。利用X射線衍射儀分析斷口界面，由獲得的XRD結果可知，斷口主要為Fe4Al13及Fe2Al52種金屬間化合物，說明Al-Fe脆性金屬間化合物是影響接頭力學性能的主要因素。

2.2 Ni中間層對接頭特征及拉剪性能的影響

添加Ni中間層的6061/DP600點焊接頭宏微觀組織如圖4所示。由圖4a可看出，接頭宏觀形貌特征與直接點焊接頭的特征接近，主要差異在于在其界面處可見明顯縮孔。這是因為在電阻點焊過程中，鋁/鋼接頭溫度場分布特征使界面處的高強鋼保持固態，Ni中間層及附近鋁合金在接觸電阻強烈的加熱作用下快速熔化并在電極壓力的作用下擠出試件貼合面，冷卻收縮時鋼側金屬不能產生相應塑性變形，使凝固過程中的金屬內部體積減小并產生縮孔[17]。當縮孔尺度較小時，對結合面的靜載強度影響不大，但對接頭動載性能影響較大。

圖3 接頭拉剪試樣斷口的SEM圖

圖4 添加Ni中間層的6061/DP600點焊接頭組織

基于冷噴Ni涂層的6061/DP600點焊接頭界面微觀組織如圖4b所示?？芍?，在接頭界面處，鋁合金側的冷噴Ni涂層已完全消失；6061鋁合金與DP600高強鋼界面形成了厚度小于2 μm的結合層。對圖4b中方框部分進行了接頭界面EDS面掃描，結果如圖5所示。Ni元素在6061鋁合金和DP600雙相鋼兩側均發生了擴散，且在雙相鋼側的擴散程度略大于鋁合金側的。

對添加Ni中間層的6061/DP600點焊接頭進行了拉剪試驗，結果如圖6所示。接頭的平均拉剪力為5.2 kN，與無中間層的點焊接頭的平均拉剪力（3.1 kN）相比，提高了67.7%。這說明冷噴涂Ni作為鋁/鋼點焊的中間層可以顯著提高接頭的拉剪性能。

Ni中間層6061/DP600點焊接頭拉剪斷口SEM照片如圖7所示。在圖7a的宏觀斷口SEM中，明顯可見焊點中心區域存在約0.5 μm大小的孔洞，由孔壁清晰完整的鋁合金枝晶形貌特征（見圖7b）可判斷該孔洞為焊合面縮孔缺陷；此外，根據宏觀斷口形貌特征，可將斷面大體分為I、Ⅱ2個區域，分別對應圖7c及圖7d。圖7c主要呈現為片狀小刻面，僅有少許韌窩，說明I區發生了以解理特征為主的脆性斷裂。圖7d顯示Ⅱ區內存在大量韌窩，表明該區域具備較為顯著的韌性斷裂特征[22]。觀察圖7a的宏觀拉剪斷口還可發現，韌性斷裂特征的Ⅱ區面積明顯大于脆性斷裂特征的I區面積。因此，與直接點焊接頭相比，該接頭的拉剪強度獲得了顯著提升。

圖5 添加Ni中間層的6061/DP600點焊接頭界面EDS分析

圖6 添加Ni中間層接頭的拉剪載荷-位移曲線

對比圖1b和圖4b可以發現，添加Ni中間層接頭與直接點焊6061/DP600接頭的界面結構相似，但接頭力學性能明顯提高，這可能是因為界面結構物相組成發生了變化。圖4b中的、兩處EDS點掃描結果如表3所示?？梢钥闯?，和區域Al與Fe、Ni之和的原子比分別約為3︰1、2.5︰1，由Al-Fe-Ni三元合金相圖可確定、兩處分別為(Fe,Ni)4Al13、(Fe,Ni)2Al5金屬間化合物。分析認為，冷噴Ni涂層對鋁合金/高強鋼界面區的主要影響如下：在焊接過程中，Ni原子向鋁合金及高強鋼兩側均發生了自由擴散，從而影響了Al-Fe互擴散及Al-Fe金屬間化合物的形成。

在制備以鋁合金為基體的冷噴涂工藝過程中，基體與冷噴涂層之間基本未發生擴散，但對于鋁合金與高強鋼的焊接，隨界面處的溫度升高，6061基體與涂層之間發生擴散，同時Ni、Fe之間也發生擴散，冷噴涂層在消失之前作為一個阻礙層限制了Al、Fe之間的相互擴散[23]。另外，Ni元素能夠降低Al原子在Fe中的活度系數[24]，因此，冷噴Ni涂層的存在在一定程度上抑制了Al-Fe金屬間化合物的形成及生長。此外，由于Ni原子的晶體結構與Fe原子的晶體結構相近，在Al-Fe金屬間化合物相形成的過程中，Ni原子能夠部分置換Fe原子形成Al-Ni金屬間化合物，且Al—Ni化學鍵比Al—Fe鍵具有更高的鍵合力，有利于降低Al-Fe金屬間化合物產生的接頭硬脆性，從而提高了接頭力學性能[25]。

圖7 添加Ni圖層接頭拉剪試樣口的SEM圖

表3 基于冷噴Ni涂層6061/DP600接頭界面EDS掃描結果

Tab.3 EDS results of 6061-T6/DP600 joint interface with Ni coating at.%

吉林大學張月瑩等[26]在鋁合金/鍍鋅高強鋼點焊接頭界面添加了50 μm、100 μm銅箔，結果表明，Cu對鋁/鋼界面區的影響主要歸因于影響Al、Fe原子的互擴散和形成Al-Fe金屬間化合物，當銅箔厚度為100 μm時，形成的金屬間化合物為(Fe,Cu)4Al13，寬度為1.1 μm，接頭強度由4.5 kN增至5.2 kN，接頭的力學性能得到了明顯提高。相比之下，Ni中間層的電阻率高而熱導率低，更有利于接頭界面產熱從而改善了6061/DP600接頭電阻點焊過程的熱平衡，這也是接頭拉剪強度提升的另一重要原因。

3 結論

1）在直接點焊接頭界面形成了厚度約為2.5 μm的雙層結構金屬間化合物層，由靠近鋁合金側的Fe2Al5及靠近高強鋼側的Fe4Al13組成。

2）直接點焊接頭的平均拉剪載荷為3.1 kN，失效形式為界面斷裂。熔核中心區域呈現韌性及脆性混合型斷裂特征；熔核邊緣韌窩很少，表現為典型的脆性斷裂特征。

3）冷噴涂Ni中間層的添加使接頭焊接過程中的Al-Fe互擴散及Al-Fe金屬間化合物相的形成受到抑制，界面金屬間化合物層厚度不足2 μm。此外，Ni原子能夠部分置換Fe原子形成Al-Ni金屬間化合物，因此，界面金屬間化合物相為(Fe,Ni)4Al13、(Fe,Ni)2Al5。

4）Al-Ni金屬間化合物的形成可降低因Al-Fe金屬間化合物的形成而導致的接頭硬脆性，此外，添加Ni中間層可改善鋁/鋼點焊過程中的熱平衡，因此，與直接點焊接頭相比，添加Ni中間層接頭的拉剪載荷提高了67.7%，且斷口主要呈韌性斷裂特征。

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Interfacial Characteristics and Mechanical Property of Resistance Spot Welded 6061-T6/DP600 Joint

ZHAO Hongguang1, WENG Fujuan2, ZHANG Yong2

(1. Bus Research Institute, Zhongtong Bus Co., Ltd., Shandong Liaocheng 252000, China; 2. Key Laboratory of Friction Welding Engineering Technology of Shaanxi Province, School of Materials Science and Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710072, China)

The work aims to improve the improve the mechanical property of resistance spot welded joints of 6061-T6 aluminum alloy/DP600 duplex steel to meet its engineering application requirements in automobile industry. The resistance spot welding experiments of 6061-T6 aluminum alloy and DP600 duplex steel with Ni interlayer and without interlayer were conducted. The interfacial microstructure evolution, chemical component and elements distribution of joints were investigated with a scanning electron microscope combined with an energy disperse spectroscopy. In addition, the interfacial tensile shear properties of joints were also measured. The fracture morphology and fracture mode of the joints were analyzed. Results showed that an intermetallic compound layer with a thickness of about 2.5 μm was formed at the interface of the joint without interlayer, which was composed of Fe2Al5bear the Al alloy side and Fe4Al13near the high strength steel side. The tensile shear strength of the joint without interlayer was 3.1 kN, and its failure mode was mainly interfacial fracture. The fracture was characterized by brittle mixed fracture. However, an intermetallic compound layer composed of Ni4Al13and Ni2Al5was formed at the interface of the joint with Ni interlayer, which limited the diffusion of Al-Fe and the formation of brittle Al-Fe intermetallic compounds during welding, resulting in tensile shear strength of this joint increasing 67.7% (5.2 kN). The fracture was characterized by tough mixed fracture. It can be concluded that Ni interlayer is able to increase the mechanical properties of resistance spot welded 6061-T6 aluminum alloy/DP600 steel joints.

6061-T6 alloy; DP600 duplex steel; resistance spot welding; microstructure; mechanical properties

10.3969/j.issn.1674-6457.2024.02.016

TG456.9

A

1674-6457(2024)02-0130-07

2023-11-20

2023-11-20

國家自然科學基金（51275418）

The National Natural Science Foundation of China(51275418)

趙紅光, 翁福娟, 張勇. 6061鋁合金/DP600鋼電阻點焊接頭特征及力學性能[J]. 精密成形工程, 2024, 16(2): 130-136.

ZHAO Hongguang, WENG Fujuan, ZHANG Yong. Interfacial Characteristics and Mechanical Property of Resistance Spot Welded 6061-T6/DP600 Joint[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2024, 16(2): 130-136.