焊接工艺参数对铝钢异种金属焊接接头性能和显微组织影响研究

黄志伟,董光耀,曹生亮

(济源职业技术学院 汽车工程学院,河南 济源 459000)

低碳化、信息化、智能化是全球汽车技术产业发展的主要趋势。汽车轻量化是人们在节能减排和环境保护研究中必须长期研究的领域和方向。近年来,汽车研发工程师不断探索各种技术和方法,在提高汽车安全性的同时实现汽车轻量化。提高铝合金、镁合金、钛合金等轻量化材料在车身材料中的比例是实现汽车轻量化的有效途径[1-2]。然而,轻量化材料的引入也对整个车身结构中异种金属的高强度连接提出了更高的要求。因此,铝、钢等异种金属材料的高强度连接成为人们必须克服的技术难题[3-4]。

车身轻量化已成为汽车工业发展的趋势之一,而铝钢一体化车身结构的发展是实现这一目标的有效途径。铝合金因为具有良好的导电性和导热性、高比强度、低密度、良好的耐腐蚀性和二次加工性能而在众多轻量化材料中脱颖而出。铝钢一体化车身结构已逐渐成为当前汽车生产制造领域的主流车身结构。然而,由于铝钢两种金属的物理化学性能存在显著差异,点焊时易在界面处形成脆性金属间化合物,制约了铝钢一体化的应用[5-6]。因此,研究铝钢异种金属的电阻点焊连接,探索提高其焊接质量的方法具有重要的价值。

本文基于铝钢异种金属在铆扣电极下电阻点焊工艺方法的研究,对三因素三水平条件下正交实验数据进行分析,采用极差分析研究不同焊接参数对点焊接头性能的影响程度,进行多因素方差分析研究不同工艺参数对点焊接头抗拉强度的显著性影响。

一、实验方案

研究改变焊接时间t、焊接电流I和电极压力P对铝钢异种金属铆扣式电极电阻点焊接头性能的影响,焊接设备采用DTMZ-160中频伺服三相逆变点焊机,实验材料为1 mm等厚度的铝合金6061和镀锌钢,实验示意图如图1所示,单位为mm。

图1 试件搭接方式

正交表采用L9(33)形式,实验方案如表1所示。

表1 多因素多水平焊接实验方案

二、实验结果

(一)拉伸实验

每组参数下进行6次独立重复实验,然后将每组参数下的3个试件在UTM5105X型电子万能实验拉伸机上进行拉伸实验,每组参数下取其最大拉拔力平均值记录数据,该值大小可反映其接头抗拉强度的变化情况;每组参数下其余3个焊件采用线切割的方式沿熔核中心线切开,通过LDW200-4XB型金相电子显微镜获取接头金相照片,测量每组试件的熔核直径以及钢侧和铝侧熔核深度,并判断其断裂方式[7-8]。正交实验结果如表2所示。由表2可知,试样5的抗拉效果最好,焊接工艺参数为焊接电流16 kA、电极压力2.6 kN、焊接时间140 ms,此时拉拔力可达4.365 kN。

表2 拉伸实验结果

(二)显微组织观察与分析

1.宏观特征及分析

当焊接电流为16 kA、电极压力为2.6 kN、焊接时间为140 ms时,1mm厚铝钢异种金属铆接电极下的点焊接头金相照片如图2所示,其中上部为钢,下部为铝。

图2 铆扣电极点焊接头金相照片

不同焊接参数下的点焊接头金相比对照片如图3所示,从上到下依次为试样1、4、3、5。在铆接电极下,铝钢异种金属在电极边缘产生显著的接触应力和接触电阻。因此,熔核在铝钢异种金属界面的电极边缘产生,并不断向点焊中心区延伸。由图3可知,铝侧熔体深度大于钢侧熔体深度;在不同焊接参数下,随着焊接能量输入的不断增加,熔核直径和深度也随之增加,力学性能方面的抗拉强度也将不断提高。但随着点焊能量密度的进一步增加,电极边缘铝侧熔体深度也增加,接口抗拉强度将逐渐降低。当铝侧熔体深度达到铝板的厚度极限时,铝板就会被击穿,点焊会产生喷淋、飞溅等缺陷,焊接接头的抗拉强度也会急剧下降。

图3 不同焊接参数下点焊接头金相照片

2.微观特征及分析

在金相电子显微镜放大1000倍条件下观察,点焊熔核形成过程中,熔核下端结构在铜电极循环水冷却作用下散热,导致温度急剧下降[9-10],晶粒结构将显著细化,呈现出从胞状晶体到胞状树突的过渡结构,如图4所示。

图4 熔核下端部分微观组织形貌

熔核上部和中部的显微组织由于温度高、散热困难而表现出较大的温度梯度。晶粒向多个方向分支生长,该区域的微观结构以胞状枝晶为主。熔核中部胞状枝晶在该区域的分支生长方向垂直于铝-钢界面区方向,并向熔核中心延伸[11-12]。熔核中心区铝钢界面处温度最高,热量不易扩散,容易在熔体上部形成裂纹等缺陷。

图5 熔核上端部分和中间部分微观组织形貌

熔核边缘没有完全熔化,由于高导热性,熔核内部的液态铝合金与外部基材之间产生较大的温度梯度,该区域以胞状晶体的形式向熔核内部不断延伸和生长[13]。在熔核中心附近区域,温度梯度逐渐减小,由于镁、硅等溶质元素扩散不均匀,胞状晶体会延伸出许多短晶粒分支,呈现胞状枝晶结构,如图6所示。

图6 熔核边缘部分微观组织形貌

从正交实验测量数据结果分析可见,改变点焊工艺参数,随着焊接过程中热电能量输入的不断增加,熔核直径不断扩大,熔核的铝侧和钢侧深度不断加深。试样焊接接头的抗拉强度先升高后降低,焊缝断裂方式由界面断裂向拉拔断裂转变。最后,铝侧熔核深度过大导致铝侧飞溅,抗拉强度也相应降低。

三、实验数据分析

(一)极差分析

通过对拉伸实验和金相实验测量数据的分析计算,拉拔力实验数据的极差分析如表3所示。

表3 拉拔力实验数据极差分析

其中K1、K2、K3分别表示对应因子相应水平下拉拔力的总和,k1、k2、k3分别为其对应的平均值,R为各因子下不同水平间的极差,S表示显著性[14-15]。从实验数据结果计算分析可知,RI为1.477,RP为1.008,Rt为0.868,不同工艺参数对焊点抗拉强度显著性影响为I>P>t。

(二)方差分析

正交实验点焊接头拉拔力方差分析结果如表4所示。

表4 拉拔力方差分析

设显著性水平α=0.05,查表Fα(2,8)=4.459,Fα(4,8)=3.838。根据表4拉拔力方差分析结果可知,焊接电流的FI值为11.983、电极压力的FP值为6.409、焊接时间的Ft值为5.088,均大于表值Fα(2,8)=4.459,因此焊接电流I、电极压力P和焊接时间t均对点焊接头抗拉强度有显著性影响,其影响程度为焊接电流I大于电极压力P大于焊接时间t,与极差分析结论保持一致;多因子交互作用的方差分析显示,P与t交互作用的F值0.588和t与I交互作用的F值0.703均小于Fα(4,8)=3.838,因此电极压力与焊接时间的交互作用和焊接时间与焊接电流的交互作用,对点焊接头抗拉强度无显著性影响;而P与I交互作用的F值9.453大于Fα(4,8)=3.838,因此电极压力与焊接电流的交互作用对点焊接头抗拉强度有显著性影响。

四、结论

(1)对1 mm厚铝钢异种金属铆接电极下电阻点焊最佳焊接工艺参数为焊接电流16 kA、电极压力2.6 kN、焊接时间140 ms,此时接头最大拉拔力可达4.365 kN。

(2)焊接电流I、电极压力P和焊接时间t均对点焊接头抗拉强度有显著性影响,其影响程度为焊接电流I大于电极压力P大于焊接时间t。

(3)电极压力P与焊接时间t的交互作用、焊接时间t与焊接电流I的交互作用,对点焊接头抗拉强度无显著性影响,而电极压力P与焊接电流I的交互作用对点焊接头抗拉强度有显著性影响。