盧晶晶，邢彥鋒

（上海工程技術(shù)大學(xué)汽車工程學(xué)院，上海201620）

6061-T6鋁合金和鋼電阻點(diǎn)焊變形

盧晶晶，邢彥鋒

（上海工程技術(shù)大學(xué)汽車工程學(xué)院，上海201620）

針對(duì)鋼和鋁合金三層金屬薄板電阻點(diǎn)焊變形問(wèn)題，采用四因素（焊接時(shí)間、焊接電流、焊件厚度和電極壓力）三水平（“高”、“中”和“低”）的正交試驗(yàn)，篩選出最優(yōu)工藝參數(shù)組合，并通過(guò)拉伸試驗(yàn)機(jī)和金相試驗(yàn)檢驗(yàn)其焊接質(zhì)量，通過(guò)反變形論證了焊后變形量的正確性。結(jié)果表明：焊件厚度對(duì)焊接變形的影響最大；正交試驗(yàn)篩選出的最優(yōu)組合方案不僅有較小的焊接變形量，而且焊后質(zhì)量達(dá)到車身強(qiáng)度要求；反變形法能夠有效地減少焊后變形量，且試驗(yàn)后的焊件與未施加反變形的焊件具有一致的焊接質(zhì)量。

鋁合金；電阻點(diǎn)焊；焊接熱變形

0　前言

為了緩解能源短缺和保護(hù)環(huán)境，以及滿足某些結(jié)構(gòu)的特殊要求，三層異種金屬材料點(diǎn)焊在車身中的應(yīng)用越來(lái)越多。例如上海某汽車公司在新車型開(kāi)發(fā)中，三層異種材料電阻點(diǎn)焊達(dá)到車身焊接的1/3。因此，三層異種金屬電阻點(diǎn)焊質(zhì)量已成為車身制造中普遍關(guān)注的問(wèn)題[1]。

以鋼和鋁合金為代表的異種金屬焊接是實(shí)現(xiàn)車身框架結(jié)構(gòu)輕量化和高強(qiáng)度的重要途徑。然而，由于鋼和鋁合金之間的導(dǎo)電、導(dǎo)熱等物理性能存在著較大差異以及它們之間易形成脆性的反應(yīng)層[2]，因此要想得到較好的焊接接頭還存在很多問(wèn)題。當(dāng)前，異種金屬的連接方式有很多，如激光焊[3-5]，TIG焊[6-8]，摩擦攪拌焊[9-11]等。但是激光焊投入較大，難于試驗(yàn)；TIG相對(duì)比較落后；摩擦攪拌焊需要的金屬板較厚，不適合車身薄板件的焊接，而電阻焊以其生產(chǎn)效率高、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化及不需要任何填充材料廣泛應(yīng)用于汽車車身焊接中。

以往異種金屬點(diǎn)接主要關(guān)注焊件結(jié)合面的化學(xué)成分和性能以及剪切應(yīng)力，但焊接變形研究較少。焊接變形的存在，不僅會(huì)影響構(gòu)件尺寸的準(zhǔn)確性和外形美觀，而且會(huì)誘發(fā)多種焊接裂紋的形成，影響構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效，甚至引發(fā)重大事故[12]。本研究選用廣泛用于汽車工業(yè)的6061-T6鋁合金和1045中碳鋼，通過(guò)正交試驗(yàn)篩選出變形的主要因素和最佳工藝參數(shù)組合，揭示焊接工藝參數(shù)與焊接變形的關(guān)系。之后通過(guò)電子顯微鏡和拉伸試驗(yàn)機(jī)并結(jié)合宏觀的金相組織，分析焊件的質(zhì)量。最后，通過(guò)反變形法驗(yàn)證焊接變形量的正確性。

1　材料和試驗(yàn)分析

焊接材料為1045中碳鋼和6061-T6鋁合金。其化學(xué)成分和機(jī)械性能如表1、表2所示。6061-T6鋁合金的電阻熱為3.99×10-6Ω·cm，比熱容為0.896 J/g·℃，導(dǎo)熱系數(shù)為167 W/m·K。

表1　試驗(yàn)金屬的化學(xué)成分[13]Tab.1Chemical composition of the experimental metals％

表2　試驗(yàn)金屬的機(jī)械性能[13]Tab.2Mechanical properties of the experimental metals

焊接試樣尺寸為120 mm×40 mm，采用兩層鋼板和單層鋁搭接，搭接部分為40mm×40mm。由于焊件的厚度不同，這種組合包括三種：1mm鋼+1.5mm鋁+1 mm鋼，1 mm鋼+1.5 mm鋁+1.5 mm鋼，1.5 mm鋼+1.5 mm鋁+1.5 mm鋼。鋼/鋁焊接試樣模型如圖1所示。P為搭接部分的中心點(diǎn)，即焊點(diǎn)。焊接試驗(yàn)前，鋁板表面通過(guò)砂紙打磨去除氧化膜。

圖1　鋼/鋁焊接試樣模型Fig.1Steel/aluminum welding sample model

通過(guò)3D激光掃描儀對(duì)焊后試件進(jìn)行掃描（見(jiàn)圖2a），將采集到的數(shù)模導(dǎo)入Geomagic軟件（見(jiàn)圖2b），計(jì)算出焊后薄板z方向的變形量。本研究基于控制力和技術(shù)性篩選，判定焊接工藝參數(shù)和焊件厚度對(duì)三層異種金屬板電阻點(diǎn)焊變形有重大影響。因此，選用4因素（焊接時(shí)間、焊接電流、電極壓力、焊件厚度）3水平（“高”“中”“低”）正交設(shè)計(jì)，共記9組試驗(yàn)。銅電極直徑6 mm，冷卻水速度8 L/min。焊接試驗(yàn)臺(tái)和試驗(yàn)樣本如圖3所示。

圖2　3D激光掃描圖和Geomagic軟件處理Fig.23D laser scan and Geomagic software

典型的L9（34）正交表如3所示。

通過(guò)正交試驗(yàn)確定影響變形因素的順序，并篩選出變形量最小的參數(shù)組合。之后通過(guò)拉伸試驗(yàn)機(jī)（見(jiàn)圖4a）和電子顯微鏡（SEM）（見(jiàn)圖4b）檢驗(yàn)焊件拉伸強(qiáng)度和焊核截面質(zhì)量，確定焊接的可靠性。

圖3　焊接試驗(yàn)臺(tái)和試驗(yàn)樣本Fig.3Welding test and the test sample

圖4　拉伸試驗(yàn)機(jī)和電子顯微鏡Fig.4Tensile machine and scanning electron microscope

表3　L9（34）組合正交表Tab.3L9（34）Combination of orthogonal table

2　試驗(yàn)結(jié)果和討論

通過(guò)對(duì)L9（34）組合正交表的分析，篩選出變形量最小的方案。典型的極差分析如表4所示。

表4　極差分析Tab.4Range analysis

由表4可知：焊件厚度的極差是0.368，焊接電流的極差是0.156，焊接時(shí)間的極差是0.143，電極壓力的極差是0.135。因此，影響焊接變形從大到小的順序是焊件厚度、焊接電流、焊接時(shí)間和電極壓力，故最優(yōu)方案為A3B1C2D1。

由于9組試驗(yàn)中沒(méi)有此最優(yōu)組合方案，故依據(jù)正交試驗(yàn)得出最優(yōu)方案變形量如下：

對(duì)最優(yōu)方案進(jìn)行試驗(yàn)，并通過(guò)SEM對(duì)焊核表面和截面進(jìn)行觀察，分析焊核質(zhì)量。焊核表面和截面如圖5所示?？梢钥闯?，最佳試驗(yàn)方案下，焊核尺寸較大且焊核截面沒(méi)有明顯的裂紋和大的氣孔，說(shuō)明點(diǎn)焊過(guò)程穩(wěn)定，焊核質(zhì)量可靠。

圖5　三層薄板焊核表面和截面圖（金相試驗(yàn)）Fig.5Three layer thin plate surface and cross-section of nugget sizes by metallurgical examination

通過(guò)拉伸試驗(yàn)檢測(cè)焊件所能承受的最大拉伸強(qiáng)度，判定焊件質(zhì)量，拉伸速度1 mm/min。載荷力、拉伸變形和位移與時(shí)間的關(guān)系如圖6所示。由圖6可知，載荷力隨著拉伸位移、時(shí)間的增加而增大，當(dāng)載荷達(dá)到4 246.5 N時(shí)，焊件結(jié)合面斷裂，載荷力急劇下降，但由于拉伸試驗(yàn)機(jī)夾頭和慣性力的作用，產(chǎn)生了反方向的載荷力，并趨于穩(wěn)定。

圖6　載荷力、拉伸變形和位移與時(shí)間的關(guān)系Fig.6Relationship between load，tensile displacement and time

將拉伸后的鋼和鋁合金材料放在高倍顯微鏡下觀察材料的表面形狀，如圖7所示。由圖7可知，上下鋼板表面沒(méi)有出現(xiàn)較大的裂紋，焊核較大，且表面都粘黏著鋁材，中間層的鋁板基本被拉穿，這是由于鋁的熔點(diǎn)比鋼低1 000℃。綜上所述，三層鋼/鋁焊接具有可靠的焊接質(zhì)量，不僅可以滿足車身焊接強(qiáng)度要求，也達(dá)到了車身輕量化要求。

3　反變形試驗(yàn)

焊接變形是影響焊接質(zhì)量的重大因素，而減小焊接變形量對(duì)提高整車裝配質(zhì)量都具有重大意義。就三層薄板件進(jìn)行案例分析，采用簡(jiǎn)單有效的反變形法。反變形法是焊接前使零件預(yù)先向焊接變形的相反方向彎曲或傾斜放置，抵消焊接應(yīng)力的一種簡(jiǎn)單方法[14]。利用正交試驗(yàn)得出最優(yōu)組合方案的變形量為0.17 mm，則對(duì)鋼板z方向設(shè)置0.17 mm的反變形量，之后進(jìn)行點(diǎn)焊試驗(yàn)，并將焊核截面放在電子顯微鏡下觀察，如圖8所示。

從金相圖可以看出，焊后質(zhì)量與沒(méi)有預(yù)變形焊接質(zhì)量基本一致，且焊接前施加z方向的反變形量在焊后變形趨于零。因此，焊接前對(duì)結(jié)構(gòu)施加反變形，能夠有效地減小焊接變形，提高了車身裝配質(zhì)量。

4　結(jié)論

（1）對(duì)于1045中碳鋼和6061-T6鋁合金搭接電阻點(diǎn)焊，得出影響焊接變形的因素由高到低依次是焊件厚度、焊接電流、焊接時(shí)間和電極壓力。

圖7　顯微鏡下拉伸后的試驗(yàn)材料Fig.7Test materials were stretched under the microscope

圖8　預(yù)變形后三層薄板焊核截面尺寸圖（金相試驗(yàn)）Fig.8Three layer of thin plate welding section size chart after pre-deformation by metallurgical examination

（2）在最優(yōu)參數(shù)組合方案下，1045中碳鋼和6061-T6鋁合金接頭界面之間熔合良好，不僅能滿足車身焊接強(qiáng)度要求，也有利于實(shí)現(xiàn)車身輕量化。

（3）正交試驗(yàn)確定了最優(yōu)組合方案的焊接變形量，將變形量通過(guò)反變形法施加給z軸方向的鋼板，焊后變形量趨于零，且焊后質(zhì)量與沒(méi)有施加預(yù)變形的焊接質(zhì)量基本一致。因此，焊接前對(duì)結(jié)構(gòu)施加反變形,能夠有效地減小焊接變形，提高車身裝配質(zhì)量。

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Deformation analysis of resistance spot welding of 6061-T6 aluminum alloy to steel

LU Jingjing，XING Yanfeng
（Automotive EngineeringCollege，Shanghai UniversityofEngineeringScience，Shanghai 201620，China）

Considering the resistance spot welding deformation problems of three layers metal sheet combined with steel and aluminum alloys，the orthogonal experiment method，which consists of four factors(welding time，welding current，welding pieces thickness and electrode pressure)and three levels("high"，"medium"and"low")，was adopted to screen out the optimal process parameters combination.Then tensile testing and metallurgical examination were used to test its post-weld quality and the antideformation method was used to prove the correctness of the amount of deformation.The results show that the welding thickness has the greatest impact on the welding deformation.The optimal parameters combination scheme selected by orthogonal experiment not only has a relatively small amount of welding deformation but also its welding quality complies with the requirements of the bus body strength.The amount of post-weld deformation can be effectively decreased by anti-deformation method.The post-weld quality is consistent with its quality of applying anti-deformation.

aluminum alloy；resistance spot welding；welding thermal deformation

TG453+.9

A

1001－2303（2015）11－0117-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.11.24

2015-04-18

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51105241）；上海工程技術(shù)大學(xué)研究生科研創(chuàng)新基金項(xiàng)目（EI-0903-14-01139）

盧晶晶（1989—)，女，江蘇揚(yáng)州人，碩士，主要從事焊接熱變形的研究。