張?jiān)卢摚?孫大千， 李洪梅， 谷曉燕

(吉林大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130025)

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Cu對(duì)鋁/鋼異種金屬電阻點(diǎn)焊接頭組織及性能的影響

張?jiān)卢摚?孫大千， 李洪梅*， 谷曉燕

(吉林大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130025)

研究了Cu對(duì)鋁/鋼異種金屬電阻點(diǎn)焊的影響。結(jié)果表明，鋁/鋼接頭具有熔-釬焊的特點(diǎn)，主要由熔核區(qū)和鋁/鋼界面區(qū)組成。熔核區(qū)主要為α-Al固溶體；界面區(qū)主要由Fe2Al5層和Fe4Al13層組成，是接頭最薄弱的區(qū)域。Cu對(duì)界面區(qū)微觀組織及接頭力學(xué)性能具有明顯的影響。隨著純Cu中間層厚度(0、50、100 μm)增加，界面區(qū)寬度減小，接頭拉剪力提高。這主要?dú)w因于Cu抑制了Al-Fe金屬間化合物生長(zhǎng)，改善鋁/鋼界面區(qū)的綜合力學(xué)性能。因此，采用純Cu中間層是提高鋁/鋼電阻點(diǎn)焊接頭力學(xué)性能的有效途徑。

鋁合金； 高強(qiáng)鋼； 電阻點(diǎn)焊； 微觀組織； 力學(xué)性能

0 引 言

隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題的不斷加劇，汽車(chē)輕量化已成為當(dāng)今發(fā)展的必然趨勢(shì)[1]。增加鋁合金等輕量化材料的使用量是實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化的有效方法[2]。隨之而來(lái)的鋁/鋼異種金屬的連接成為亟待解決的問(wèn)題。固相焊方法有利于實(shí)現(xiàn)鋁/鋼的連接，但其柔性相對(duì)較差，在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用有一定的局限性。近年來(lái)，鋁/鋼熔-釬焊引起人們的普遍關(guān)注。目前有代表性的鋁/鋼熔-釬焊方法主要包括：TIG電弧熔-釬焊[3]、MIG電弧熔-釬焊[4]、激光熔-釬焊[5]、冷金屬過(guò)渡熔-釬焊[6]、激光-MIG復(fù)合熔-釬焊[7]、脈沖旁路耦合電弧MIG熔-釬焊[8]等。電阻點(diǎn)焊是汽車(chē)工業(yè)廣泛應(yīng)用的焊接方法。研究結(jié)果表明，鋁/鋼界面的Al-Fe金屬間化合物是影響鋁/鋼電阻點(diǎn)焊接頭性能的主要因素[9]。文中研究了Cu對(duì)鋁/鋼異種金屬電阻點(diǎn)焊接頭組織及性能的影響，其目的旨在為改善鋁/鋼接頭的力學(xué)性能提供必要的理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料、方法及設(shè)備

試驗(yàn)選用一汽-大眾公司使用的EN AW 6008-T66鋁合金板和H220YD-Z100鍍鋅高強(qiáng)鋼板作為母材，其板厚分別為1.5 mm 和1.0 mm。將鋁合金、高強(qiáng)鋼板加工成尺寸為100 mm × 25 mm的試件，點(diǎn)焊接頭為搭接形式,如圖1所示。

圖1 鋁/鋼電阻點(diǎn)焊示意圖

采用Nimak公司生產(chǎn)的中頻電阻點(diǎn)焊設(shè)備進(jìn)行鋁/鋼異種金屬電阻點(diǎn)焊試驗(yàn)，主要焊接參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 鋁/鋼電阻點(diǎn)焊工藝參數(shù)

試驗(yàn)選用厚度為50、100 μm的純銅箔作為中間層，將其置于鋁合金與高強(qiáng)鋼之間，研究銅對(duì)鋁/鋼點(diǎn)焊接頭組織及性能的影響。

試驗(yàn)采用OLYMPUS SZ61型體式顯微鏡、Hitachi S-3400N型掃描電子顯微鏡(SEM)、EDAX型能譜儀(EDS)和D/Max 2500PC型X射線衍射儀(XRD)研究鋁/鋼接頭的微觀組織。采用MTS810型電液伺服力學(xué)性能測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試鋁/鋼點(diǎn)焊接頭的拉剪力。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 鋁/鋼接頭組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

不加純Cu中間層條件下鋁/鋼電阻點(diǎn)焊接頭的截面形貌、XRD分析及斷裂位置如圖2所示。

(a) 接頭截面

(b) XRD分析

(c) 斷裂位置

圖2 鋁/鋼點(diǎn)焊接頭截面形貌、XRD分析及斷裂位置

由圖2(a)可知，在焊接過(guò)程中，鋁合金熔化形成液態(tài)熔核，而鋼保持固態(tài)，鋁和鋼的連接主要通過(guò)液態(tài)鋁在固態(tài)鋼表面的潤(rùn)濕、鋪展和界面反應(yīng)。 因此，該接頭具有熔-釬焊的特點(diǎn)，主要由熔核區(qū)和鋁/鋼界面區(qū)組成。試驗(yàn)結(jié)果表明，熔核直徑約9.6 mm，主要為α-Al固溶體(圖2(b))，在拉-剪載荷作用下接頭斷裂主要發(fā)生在鋁/鋼界面區(qū)(圖2(c))，這意味著界面區(qū)是影響鋁/鋼接頭力學(xué)性能的主要因素。

鋁/鋼界面區(qū)的微觀組織及EDS線掃描分析結(jié)果如圖3所示。

(a) 微觀組織

(b) EDS分析

圖3 鋁/鋼界面區(qū)微觀組織及EDS線掃描分析結(jié)果

根據(jù)SEM、EDS及XRD分析結(jié)果，不加Cu中間層條件下，界面區(qū)的平均寬度為4.3 mm(圖3(a))；焊接過(guò)程中，在濃度梯度作用下主要發(fā)生Al、Fe原子的互擴(kuò)散(圖3(b))；界面反應(yīng)形成的界面區(qū)具有雙層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：靠近鋼母材側(cè)為舌形的Fe2Al5層，靠近鋁熔核側(cè)為細(xì)小針狀的Fe4Al13層[9]。由于脆硬的Al-Fe金屬間化合物促進(jìn)裂紋的萌生與擴(kuò)展，因此，它是惡化鋁/鋼電阻點(diǎn)焊接頭力學(xué)性能的本質(zhì)原因。

2.2 Cu對(duì)鋁/鋼接頭微觀組織的影響

研究結(jié)果表明，Cu對(duì)熔核直徑無(wú)明顯的影響，但對(duì)鋁/鋼界面區(qū)具有較明顯的影響。Cu中間層厚度50、100 μm條件下界面區(qū)的微觀組織及EDS分析結(jié)果分別如圖4～圖6所示。

(a) 50 μm

(b) 100 μm

由圖4可見(jiàn)，與圖3(a)相比Cu對(duì)界面區(qū)寬度具有明顯的影響。Cu中間層厚度由50 μm增至100 μm，界面區(qū)寬度由2.0 μm降至1.1 μm。這一結(jié)果證明，Cu具有抑制Al-Fe金屬間化合物生長(zhǎng)的作用。根據(jù)EDS線掃描分析結(jié)果，焊接過(guò)程中主要發(fā)生Al、Fe原子的互擴(kuò)散(見(jiàn)圖5)。EDS面掃描結(jié)果表明，隨著Cu中間層厚度增加，熔核區(qū)和界面區(qū)的Cu濃度有增加的趨勢(shì)(見(jiàn)圖6)。

(a) 50 μm

(b) 100 μm

(a) 50 μm

(b) 100 μm

界面區(qū)及相鄰熔核區(qū)的化學(xué)成分EDS分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 界面區(qū)及相鄰熔核區(qū)的化學(xué)成分EDS分析結(jié)果

隨著Cu中間層厚度增加，界面區(qū)Cu含量增加。Cu中間層厚度為50 μm時(shí)，圖4(a)中微區(qū)A、B、C的主要化學(xué)成分分別為51.55wt.%Al+46.24wt.%Fe+1.22wt.%Cu；57.92wt.%Al+37.88wt.%Fe+2.90wt.%Cu；61.72wt.%Al+35.69wt.%Cu。根據(jù)它們的原子百分比及Al-Fe-Cu三元合金相圖，界面區(qū)靠近鋼母材側(cè)的A區(qū)主要為(Fe,Cu)2Al5相，靠近鋁熔核側(cè)的B區(qū)主要為(Fe,Cu)4Al13相；靠近界面的C區(qū)應(yīng)主要由α-Al+CuAl2組成。Cu中間層為100 μm時(shí)，界面區(qū)D的主要化學(xué)成分為61.39wt.%Al+32.33wt.% Fe+5.36wt.%Cu，因此，應(yīng)主要為(Fe,Cu)4Al13金屬間化合物。

Cu對(duì)鋁/鋼界面區(qū)的影響主要?dú)w因于影響Al、Fe原子的互擴(kuò)散和形成Al-Fe金屬間化合物固溶體。在焊接過(guò)程中，Cu原子不斷向Fe4Al13晶面沉積，一定程度上阻隔了Al、Fe原子的互擴(kuò)散，抑制了Al-Fe金屬間化合物的生長(zhǎng)。隨著Cu中間厚度增加，界面區(qū)Cu含量增加，抑制金屬間化合物生長(zhǎng)的作用增強(qiáng)，因此導(dǎo)致界面區(qū)寬度減小。Cu原子的晶體結(jié)構(gòu)與Fe原子相近，在Al-Fe金屬間化合物形成過(guò)程中Cu原子可部分置換Fe原子形成(Fe,Cu)2Al5、(Fe,Cu)4Al13相。由于Al-Cu鍵相對(duì)于Al-Fe鍵具有相對(duì)更高的金屬性，因此，有利于降低Al-Fe金屬間化合物的脆硬性，改善其綜合力學(xué)性能[10]。

2.3 銅對(duì)鋁/鋼接頭力學(xué)性能的影響

試驗(yàn)結(jié)果表明， Cu對(duì)鋁/鋼異種金屬電阻點(diǎn)焊接頭的力學(xué)性能具有明顯的影響。Cu對(duì)接頭拉剪力影響的試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 Cu對(duì)鋁/鋼接頭拉剪力的影響

由圖可見(jiàn)，不加Cu中間層時(shí)鋁/鋼接頭的拉剪力為4.5 kN，Cu中間層厚度由50 μm增至100 μm，接頭拉剪力由4.7 kN增至5.2 kN。這主要?dú)w因于Cu的溶入形成(Fe,Cu)2Al5、(Fe,Cu)4Al13金屬間化合物， 降低界面區(qū)的脆硬性，改善其綜合力學(xué)性能。研究結(jié)果表明，在拉剪力作用下鋁/鋼電阻點(diǎn)焊接頭斷裂主要發(fā)生在鋁/鋼界面區(qū)。Cu對(duì)鋁/鋼接頭斷口形貌的影響如圖8所示。

(a) 不加Cu中間層

(b) Cu中間層厚度100 μm

不加Cu中間層時(shí)，斷口表面較為平坦，具有脆性斷裂特征(圖8(a))；Cu中間層厚度100 μm時(shí)，在斷口表面可看到一定的塑性特點(diǎn)(圖8(b))，這進(jìn)一步證明Cu有利于改善界面區(qū)的綜合力學(xué)性能?；谝陨涎芯拷Y(jié)果，加純Cu中間層是改善鋁/鋼異種金屬電阻點(diǎn)焊接頭組織及性能的有效途徑。

3 結(jié) 語(yǔ)

1)鋁/鋼異種金屬電阻點(diǎn)焊接頭具有熔-釬焊的特點(diǎn)，主要由熔核區(qū)和鋁/鋼界面區(qū)組成。熔核區(qū)主要為α-Al固溶體；界面區(qū)具有雙層結(jié)構(gòu)，主要由Fe2Al5層和Fe4Al13層組成，它是鋁/鋼接頭最薄弱的區(qū)域。

2)Cu對(duì)鋁/鋼界面區(qū)具有明顯的影響。隨著Cu中間層厚度增加，界面區(qū)寬度減小。中間層厚度50 μm時(shí)，界面區(qū)主要有(Fe,Cu)2Al5層和(Fe,Cu)4Al13層；中間層厚度100 μm時(shí)，界面區(qū)主要為(Fe,Cu)4Al13金屬間化合物。

3)Cu對(duì)鋁/鋼接頭的力學(xué)性能具有明顯的影響。隨著Cu中間層厚度增加，接頭拉剪力提高，主要?dú)w因于Cu能抑制Al-Fe金屬間化合物生長(zhǎng)，改善其綜合力學(xué)性能。因此，采用純Cu中間層是提高鋁/鋼電阻點(diǎn)焊接頭力學(xué)性能的有效途徑。

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Effects of Cu on microstructures and properties of resistance spot welded joints of aluminium and steel

ZHANG Yueying， SUN Daqian， LI Hongmei*， GU Xiaoyan

(School of Materials Science and Engineering, Jilin University, Changchun 130025, China)

Effects of Cu on the dissimilar resistance spot welding of aluminium and steel have been investigated in this paper. The results show that the Al-steel joint have welding-brazing characteristics and included the nugget zone and Al/steel interface zone. The nugget zone contains of α-Al solid solution, and the interface zone containes the Fe2Al5layer and Fe4Al13layer，which is the weakest region in the joint. The Cu has significant effects on the interface zone microstructures and joint properties. With increasing of pure Cu interlayer thickness(0,50 and 100 μm), the interface zone width dcreased and joint tensile shear force enhanced, which is mainly attributed to Cu restraining the growth of Al-Fe intermetallic compounds and improving properties of Al/steel interface zone. It is an effective way to use the Cu interlayer for enhancing mechanical properties of resistance spot welded joints of aluminium and steel.

aluminium alloy; high strength steel; resistance spot welding; microstructures; mechanical properties.

10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2017.1.02

2016-10-13

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (51275204)

張?jiān)卢?1988-)，女，漢族，內(nèi)蒙古通遼人，吉林大學(xué)博士研究生，主要從事異種金屬連接方向研究,E-mail:zhangyy12@mails.jlu.edu.cn. *通訊作者：李洪梅(1982-)，女，漢族，吉林農(nóng)安人，吉林大學(xué)高級(jí)工程師，主要從事先進(jìn)材料連接方向研究,E-mail:lihongmei@jlu.edu.cn.

TG 457.1

A

1674-1374(2017)01-0008-06