石紅信，王亞潔，2，牛景銳，邱然鋒

（1.河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南洛陽(yáng)471003；2.山東大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東濟(jì)南250100）

純鈦/鋁合金A6061電阻點(diǎn)焊接頭性能

石紅信1，王亞潔1，2，牛景銳1，邱然鋒1

（1.河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南洛陽(yáng)471003；2.山東大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東濟(jì)南250100）

采用電阻點(diǎn)焊焊接純鈦與鋁合金A6061，探討焊接電流、焊接時(shí)間與電極壓力對(duì)熔核尺寸和接頭抗剪力的影響，觀察分析接合界面微觀組織特征。接頭熔核直徑隨焊接電流增大而增大，而抗剪載荷隨焊接電流的增加先上升后下降趨勢(shì)變化；而接頭隨焊接時(shí)間的延長(zhǎng)、電極壓力的減小，熔核直徑和抗剪載荷而增加。焊接時(shí)間為25 cyc時(shí)所得接頭的抗剪載荷最大，約為7.6 kN。結(jié)果顯示母材鋁合金中Si能抑制界面金屬間化合物的生成，改善接頭性能。

鋁合金；純鈦；電阻點(diǎn)焊

0 前言

鈦合金和鋁合金這兩種金屬在比強(qiáng)度和耐蝕性等方面都具有各自優(yōu)點(diǎn)，成為現(xiàn)代工業(yè)的主要結(jié)構(gòu)材料，這使得Ti/Al復(fù)合構(gòu)件在工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛潛在的應(yīng)用前景。由于鈦合金與鋁合金的熔點(diǎn)、熱導(dǎo)率等物理性能相差懸殊，兩者的焊接仍然存在很多問(wèn)題。因此現(xiàn)在已有很多焊接方法被嘗試連接鈦合金與鋁合金，如摩擦焊[1]、真空滾壓焊[2]、擴(kuò)散焊[3]、攪拌摩擦焊[4]、釬焊[5]和熔釬焊[6]等。

另一方面，電阻點(diǎn)焊（RSW）是一種應(yīng)用廣泛并在薄板產(chǎn)品的焊接過(guò)程中具有重要意義的焊接方式。然而，有關(guān)鈦和鋁合金電阻點(diǎn)焊的報(bào)道至今仍不多見(jiàn)。

鑒于此，本研究采用電阻點(diǎn)焊方法對(duì)鈦與鋁合金進(jìn)行直接點(diǎn)焊，分析焊接參數(shù)對(duì)接頭熔核尺度及性能的影響，探討界面組織特性，為實(shí)現(xiàn)鋁合金與鈦異種材料的有效連接提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)，以拓寬鈦及其合金在工業(yè)中的應(yīng)用范圍。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)所用材料為2 mm厚的A6061鋁合金板和

1 mm厚的純鈦板，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 A6061和Ti的化學(xué)成分％

將鋁合金板和純鈦板分別裁成100 mm×30 mm的矩形試樣。焊前，經(jīng)鋼刷清理表面氧化物后，利用無(wú)水乙醇將其洗凈并烘干，按如圖1所示進(jìn)行搭接裝配。為了平衡鈦與鋁合金兩側(cè)的析出熱量，在鋁合金側(cè)施加工藝墊片。有關(guān)采用工藝墊片的電阻點(diǎn)焊方法詳見(jiàn)文獻(xiàn)[7]。

圖1 焊接式樣搭接裝配

采用DM-200中頻逆變式電阻點(diǎn)焊機(jī)進(jìn)行焊接。焊接時(shí)在其他焊接參數(shù)不變的情況下分別變化焊接電流、焊接時(shí)間和電極壓力，焊接工藝參數(shù)如表2所示（其中，PSI為磅/平方英寸）。

表2 焊接參數(shù)

焊后，利用AG-1250 kN拉伸實(shí)驗(yàn)機(jī)在室溫條件下以1.7×10-5m/s的速率對(duì)焊接接頭進(jìn)行抗剪試驗(yàn)。在鋁合金側(cè)斷口上測(cè)量焊點(diǎn)熔核直徑，并對(duì)部分接頭進(jìn)行斷面觀察。

垂直于接合界面沿焊點(diǎn)直徑橫切焊接接頭，研磨、拋光其斷面。用掃描電子顯微鏡（SEM，JEOL JSM-6300）沿接合面觀察界面區(qū)微觀形貌，并對(duì)界面反應(yīng)層進(jìn)行成分分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

純鈦/A6061點(diǎn)焊的界面區(qū)的SEM圖像如圖2所示。由圖2可知，在接合界面處未能觀察到反應(yīng)層生成。對(duì)A、B、C、D四處進(jìn)行成分分析，其結(jié)果如表3所示。

圖2 純鈦/A6061點(diǎn)焊界面區(qū)電子掃描（SEM）

表3 界面區(qū)域EDS分析結(jié)果（原子數(shù)百分含量，at％）

檢測(cè)結(jié)果顯示在界面處Al、Ti元素進(jìn)行了充分?jǐn)U散。在A處主要檢測(cè)到Al和少量的Ti，這被認(rèn)為鈦原子固溶到了鋁合金基體中。同樣可以判斷D處為Al在Ti中的固溶體。但是B處的Ti含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其在Al中固溶度。根據(jù)Al-Ti二元相圖[8]，可以推測(cè)此處有TiAl3金屬間化合物生成。而在C處檢測(cè)到Al含量也超過(guò)了其在Ti中固溶極限，同樣可以推測(cè)此處有Ti3Al和TiAl化合物生成。

在前期有關(guān)純鈦與鋁合金A5052鋁合金點(diǎn)焊的研究中，在接合界面觀察到了厚度約600 nm的反應(yīng)層[9]。而本研究在界面處未能觀察到反應(yīng)層，僅在鋁合金、鈦兩母材側(cè)檢測(cè)到了Ti-Al金屬間化合物成分。這主要是由于A6061和A5052兩種鋁合金的成分存在區(qū)別，在A6061中即Si含量比A5052中的高得多。而Si與Al的親和力較大，在界面冶金反應(yīng)中能夠抑制Ti-Al金屬間化合物的生成[10]。

焊接電流對(duì)熔核直徑與接頭抗剪力的影響如圖3所示，接頭是在條件系列1下（見(jiàn)表2）焊接的。如圖3所示，隨焊接電流的增大，熔核直徑呈單調(diào)增加，而接頭的抗剪力卻并非呈單調(diào)變化。在6～12 kA焊接電流區(qū)間，接頭的拉剪力隨焊接電流增大而增大；當(dāng)焊接電流為12 kA時(shí)，拉剪力達(dá)到最大值約6.4 kN，然后焊接電流增大而呈緩降趨勢(shì)。根據(jù)焦耳

定律可知，焊接電流是影響電阻熱的主要因素。隨焊接電流的增大，析出的電阻熱增大，能夠生成較大的熔核，接頭抗剪強(qiáng)度得以提高。但是，當(dāng)焊接電流過(guò)大時(shí)接頭表面電極壓痕過(guò)深，焊點(diǎn)厚度變薄而影響接頭力學(xué)性能，這是高焊接電流區(qū)接頭抗剪力呈緩降趨勢(shì)的原因。

圖3 焊接電流對(duì)接頭熔核直徑和抗剪載荷的影響

焊接時(shí)間對(duì)熔核尺寸與接頭抗剪力的影響如圖4所示，接頭是在焊接工藝參數(shù)系列2（見(jiàn)表2）的條件下焊接的。在本研究選擇的焊接時(shí)間區(qū)間內(nèi)，熔核直徑和接頭的抗剪力均隨焊接時(shí)間的延長(zhǎng)呈增加趨勢(shì)，這是因?yàn)楫?dāng)焊接電流和電極壓力固定不變時(shí)，延長(zhǎng)焊接時(shí)間相當(dāng)于增加了熱輸入量，熔核獲得充分生長(zhǎng)。

圖4 焊接時(shí)間對(duì)接頭熔核直徑和抗剪載荷的影響

在本研究中，具有7.6 kN最大抗剪力的接頭是在焊接電流為10 kA、焊接時(shí)間25 cyc、電極壓力為10 PSI條件下獲得的。這時(shí)熔核直徑9.43mm，完全滿足鋁合金點(diǎn)焊相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求[11]。在文獻(xiàn)[9]中，純鈦與A5052點(diǎn)焊獲得的接頭最大抗剪力為6.4 kN。與之相比，本研究所得最大接頭抗剪力比較大，這主要?dú)w功于鋁合金中Si元素對(duì)界面反應(yīng)層的抑制作用，減少了金屬間化合物的生成，近而改善了接頭性能。

電極壓力對(duì)接頭抗剪力及熔核尺寸的影響如圖5所示，接頭是在焊接工藝參數(shù)系列3（見(jiàn)表2）的條件下焊接的。接頭熔核直徑與抗剪載荷隨著電極壓力的增加而呈減小趨勢(shì)。分析認(rèn)為主要有兩個(gè)原因：（1）電極壓力增大導(dǎo)致兩母材間翹離加大，阻止了熔核的進(jìn)一步生長(zhǎng)。（2）當(dāng)電極壓力較小時(shí)，由于被焊工件表面凸凹不平，因此在工件之間一般為點(diǎn)接觸，接觸電阻較大。當(dāng)電極壓力逐漸增大時(shí)，電極壓力使得電極壓頭與被焊工件和被焊工件之間的接觸充分，接觸電阻逐漸減少，析出的電阻熱較少。同時(shí)，壓力增大使經(jīng)銅電極的熱量散失增加，從而造成焊接區(qū)的能量密度減小，熱量的不足致使熔核過(guò)小。接頭的抗剪力也相應(yīng)地隨電極壓力增大而減小。

注：1 MPa=145 PSI圖5 電極壓力對(duì)接頭熔核直徑和抗剪載荷的影響

在抗剪實(shí)驗(yàn)中，所得接頭的破壞形式主要有紐扣式斷裂和界面撕裂兩種。在試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)撕裂方式與熔核直接、抗剪載荷存在一定關(guān)系：當(dāng)熔核直徑小于7.522 mm，且剪切力小于5.768 kN時(shí)，此時(shí)接頭拉伸斷口的撕裂方式為界面撕裂；當(dāng)熔核直徑大于7.522 mm，且剪切力大于5.768 kN時(shí)，此時(shí)接頭拉伸斷口的撕裂方式為紐扣式撕裂。

接頭的斷口形貌如圖6所示。由圖6a可知，紐扣式斷裂時(shí)斷裂發(fā)生在鋁合金側(cè)。接頭呈界面撕裂破壞，對(duì)其斷口進(jìn)行了XRD衍射試驗(yàn)，其結(jié)果如圖7所示。在鈦側(cè)檢測(cè)到大量的Al、少許的Ti與TiAl3；而在鋁合金側(cè)只檢測(cè)到了Al。結(jié)果顯示在鈦側(cè)斷口表面上存有Al，這說(shuō)明接頭呈界面撕裂破壞時(shí)，斷裂

主要發(fā)生在鋁合金側(cè)。在Ti側(cè)檢測(cè)到了含量約為9％的Al3Ti金屬間化合物的存在，這與前文有關(guān)界面成分分析結(jié)果相一致。但是，在兩斷口上均為檢測(cè)到AlTi3和AlTi，這是因?yàn)榻宇^斷裂發(fā)生在鋁合金側(cè)，而AlTi3和AlTi主要形成于靠近界面的Ti側(cè)，所以未能檢測(cè)到。

圖6 接頭拉伸斷口撕裂方式

圖7 斷口XRD檢測(cè)結(jié)果

3 結(jié)論

對(duì)鋁合金A6061與純鈦進(jìn)行電阻點(diǎn)焊，探討焊接參數(shù)對(duì)接頭熔核大小及抗剪載荷的影響，分析界面組織，得到主要結(jié)論如下：

（1）純鈦與鋁合金A6061接頭熔核直徑隨焊接電流增大而增大，而抗剪切載荷隨焊接電流的增加呈先上升后下降趨勢(shì)變化。

（2）接頭熔核直徑和抗剪載荷隨焊接時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，隨電極壓力的增大而減小。焊接時(shí)間為25 cyc時(shí)所得接頭的抗剪載荷最大，約為7.6 kN。

（3）在靠近界面的鋁合金內(nèi)有Al3Ti生成，而在Ti側(cè)內(nèi)有AlTi3與AlTi金屬間化合物生成。

（4）母材鋁合金中Si能抑制界面金屬間化合物的生成，進(jìn)而改善接頭性能。

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Property of joint between pure titanium and aluminum A6061 welded by resistance spot welding

SHI Hongxin1，WANG Yajie1，2，NIU Jingrui1，QIU Ranfeng1
（1.School of Materials Science and Engineering，He′nan University of Science and Technology，Luoyang 471003，China；2.School of Materials Science and Engineering，Shandong University，Ji′nan 250100，China）

Pure titaniumand aluminum alloyA6061 sheets were welded byresistance spot welding.The effects ofweldingcurrent，welding time and electrode force on the nugget size and tensile shear strength of the joint were investigated.The interfacial characterization was observed and analyzed.With increase of welding current，the nugget diameter increased，while the tensile shear load of joint increased and then declined.The nugget diameter and tensile shear load increased with extendingofweldingtime or decrease ofelectrode force.The joint with the maximum tensile shear load of 7.6 kN was obtained at the condition of 25 cycles welding time.The results reveal that the Si in aluminumalloyA6061 can restrain growingofintermetallic compound at the weldinginterface soas toimprove the joint property.

aluminum alloy；titanium；resistance spot welding

TG453+.9

A

1001－2303（2016）09－0073-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.09.17

2016-06-11

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（U1204520）；河南省高等學(xué)校青年骨干教師資助項(xiàng)目（2013GGJS-064）；河南省高校創(chuàng)新人才支持計(jì)劃（16HASTIT050）；河南省國(guó)際科技合作項(xiàng)目（162102410023）

石紅信（1973—），男，河南偃師人，副教授，碩士，主要從事先進(jìn)材料連接及特種電源方面的科研與教學(xué)工作。