吳賽楠，賈志宏，GHAFFARI Bita，劉 慶

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AA5754鋁合金電阻點(diǎn)焊接頭的微觀組織和力學(xué)性能

吳賽楠1，賈志宏1，GHAFFARI Bita2，劉 慶1

(1. 重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400044； 2. Ford Research and Advanced Engineering, Ford Motor Company, Dearborn, MI 48124, USA)

以汽車車身用AA5754鋁合金板材制備的電阻點(diǎn)焊接頭為研究對(duì)象，通過(guò)金相觀察、顯微硬度矩陣測(cè)試和拉伸試驗(yàn)對(duì)焊接接頭的微觀組織、工藝缺陷與力學(xué)性能進(jìn)行表征與分析。結(jié)果表明：根據(jù)組織和性能的差異，接頭可分為3個(gè)典型區(qū)域：焊核區(qū)、熱機(jī)械影響區(qū)和母材區(qū)。接頭焊核心部為等軸枝晶組織，焊核邊部為柱狀枝晶組織，焊核周邊的熱機(jī)械影響區(qū)內(nèi)的材料發(fā)生部分熔化，產(chǎn)生了晶內(nèi)及晶界枝晶。接頭中主要缺陷為噴濺、焊核區(qū)氣孔、縮孔和沿晶裂紋、液化裂紋。母材區(qū)硬度沿厚度方向漸變，邊部呈現(xiàn)最大值，心部呈現(xiàn)最小值；焊核硬度與母材硬度相近；焊核兩側(cè)的熱機(jī)械影響區(qū)中，在接頭的壓痕邊緣和板材接觸面縫隙尖端處存在1~2 mm寬的硬化區(qū)。接頭的強(qiáng)度與焊點(diǎn)直徑呈正相關(guān)關(guān)系，拉剪試驗(yàn)的失效模式為焊點(diǎn)熔核界面斷裂，剝離試驗(yàn)的失效模式為紐扣剝離斷裂。

AA5754鋁合金；電阻點(diǎn)焊；微觀組織；缺陷；顯微硬度；力學(xué)性能

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，環(huán)境污染與能源消耗兩大問(wèn)題日益突出，實(shí)現(xiàn)汽車的輕量化是節(jié)能減排的重要手段。鋁合金是一種優(yōu)良的輕合金材料，被逐漸應(yīng)用于汽車車身的設(shè)計(jì)和開發(fā)中[1?3]。AA5754鋁合金板材強(qiáng)度適中，具有良好的成形性和耐腐蝕性，常被用于車身內(nèi)板等變形量大、形狀復(fù)雜的部位[4?5]，是白車身結(jié)構(gòu)的重要組成部分。

目前，可用于鋁合金車身連接的工藝主要有電阻點(diǎn)焊[6?8]、激光焊[9?10]、攪拌摩擦焊[11?12]、膠結(jié)連接[13?14]和自沖鉚接[15?16]等，其中，電阻點(diǎn)焊是車身制造中使用最廣泛的裝配連接工藝。鋁合金具有較高的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率，焊接過(guò)程中所需焊接電流和電極壓力分別是傳統(tǒng)鋼板點(diǎn)焊的3倍和2倍，導(dǎo)致電極壽命銳減至傳統(tǒng)點(diǎn)焊的1/4甚至1/5[17]。電阻點(diǎn)焊過(guò)程中，受電極與工件表面狀態(tài)、電極壓力、焊接電流及焊接時(shí)間等因素的影響，加之鋁合金本身的物理化學(xué)特性，接頭中經(jīng)常出現(xiàn)焊點(diǎn)熔核尺寸波動(dòng)、飛濺、縮孔等缺陷、電極燒損等現(xiàn)象[18]，這對(duì)鋁合金電阻點(diǎn)焊的廣泛應(yīng)用提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。盡管電阻點(diǎn)焊工藝已被廣泛應(yīng)用于鋼材的連接，但對(duì)于鋁合金電阻點(diǎn)焊的微觀組織、力學(xué)性能的研究，國(guó)內(nèi)外均還處于起步階段。對(duì)接頭開展微觀組織和力學(xué)性能的研究是車身連接件安全性評(píng)定和強(qiáng)度設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，而進(jìn)行高可靠性鋁合金電阻點(diǎn)焊連接，是汽車工業(yè)迫切需要解決的問(wèn)題。

本文作者以AA5754-O鋁合金電阻點(diǎn)焊接頭為研究對(duì)象，系統(tǒng)地研究點(diǎn)焊接頭宏觀結(jié)構(gòu)、微觀組織、工藝缺陷、顯微硬度分布和力學(xué)性能。對(duì)接頭的組織性能特點(diǎn)有了更全面的認(rèn)識(shí)和理解，為解決鋁合金的焊接性問(wèn)題、保證高可靠性接頭提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

表1 AA5754-O鋁合金的化學(xué)成分

表2 AA5754-O鋁合金的力學(xué)性能

圖1 電阻點(diǎn)焊試樣幾何尺寸

圖2 AA5754-O鋁合金板材微觀組織

為方便進(jìn)行微觀組織觀察，使用Keller試劑(190 mL H2O、5 mL HNO3、3 mL HCl和2 mL HF)和Barker試劑(5 mL HBF4+200 mL H2O)分別對(duì)焊接接頭剖面進(jìn)行化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。采用Olympus SZX12體式顯微鏡和Nikon Microphot-FXA金相顯微鏡觀察焊接接頭的組織形貌。維氏顯微硬度矩陣測(cè)試在LECO AMH43硬度測(cè)試系統(tǒng)上進(jìn)行，加載載荷200 g，加載時(shí)間13 s，硬度點(diǎn)間距為100 μm，測(cè)試方法如圖3所示。每個(gè)接頭剖面的測(cè)試矩陣包含約7000個(gè)硬度點(diǎn)，在滿足分辨率的情況下保證覆蓋接頭所有的典型區(qū)域。電阻點(diǎn)焊試樣的拉剪和剝離試驗(yàn)在MTS液壓伺服試驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行，加載速度10 mm/min，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，結(jié)果取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 宏觀結(jié)構(gòu)

圖3 維氏顯微硬度矩陣測(cè)試示意圖

圖4 AA5754-O鋁合金電阻點(diǎn)焊接頭的宏觀結(jié)構(gòu)和特征尺寸示意圖

2.2 微觀組織

由于鋁合金板材在電阻點(diǎn)焊過(guò)程中各區(qū)域受到的電阻熱和發(fā)生的變形量不同，使得焊后接頭的3個(gè)典型區(qū)域呈現(xiàn)出不同的微觀組織，如圖6所示。

圖5 AA5754-O鋁合金電阻點(diǎn)焊接頭宏觀組織照片

表3 AA5754-O鋁合金電阻點(diǎn)焊接頭尺寸

2.2.1 焊核區(qū)

焊核區(qū)位于接頭中部。在焊接過(guò)程中電阻熱的作用下，焊核區(qū)金屬達(dá)到液相線溫度并完全熔化，經(jīng)過(guò)后續(xù)鍛壓冷卻階段迅速冷卻凝固，在心部和邊部呈現(xiàn)出兩種不同的鑄態(tài)微觀組織。其中，焊核邊部為沿凝固過(guò)程中熱流方向排布的柱狀枝晶組織，如圖6(b)、(e)和(h)所示；焊核心部為等軸枝晶組織，如圖6(c)、(f)和(i)所示。焊核中微觀組織的轉(zhuǎn)變是由于冷卻過(guò)程中不同部位凝固條件的改變引起的。此外，從圖6(a)中還可看出，焊核晶粒尺寸遠(yuǎn)大于母材，焊核心部與焊核邊部晶粒尺寸相當(dāng)。

2.2.2 熱機(jī)械影響區(qū)

熱機(jī)械影響區(qū)位于焊核周邊部位。該區(qū)金屬在焊接過(guò)程中同時(shí)受到了電極壓力和電阻熱的影響，并在兩者的共同作用下板材發(fā)生局部變形和組織改變。在宏觀上，形成了板材與電極接觸面處的壓痕，以及板材間接觸面的缺口空隙，如圖4所示。微觀上，在焊核周邊3~4個(gè)晶粒范圍內(nèi)，金屬經(jīng)歷的最高溫度高于固相線低于液相線，發(fā)生部分熔化，沿晶界分布的低熔點(diǎn)共晶相或雜質(zhì)相發(fā)生部分液化，冷卻凝固后產(chǎn)生晶內(nèi)及晶界枝晶，如圖6(d)和(g)所示。在距離焊核區(qū)稍遠(yuǎn)的熱機(jī)械影響區(qū)，若焊接過(guò)程中經(jīng)歷的最高溫度大于再結(jié)晶溫度，加之一定的冷作加工量，可使其發(fā)生回復(fù)再結(jié)晶或晶粒長(zhǎng)大，最終在焊核周邊生成大尺寸等軸晶。但在本研究中的AA5754電阻點(diǎn)焊接頭熱機(jī)械影響區(qū)中未發(fā)現(xiàn)大尺寸等軸晶，晶粒尺寸與母材晶粒尺寸相近。

圖6 AA5754-O鋁合金電阻點(diǎn)焊接頭微觀組織

2.2.3 母材區(qū)

母材區(qū)距離焊核區(qū)較遠(yuǎn)，在焊接過(guò)程中未受到電阻熱和變形的影響，微觀組織與初始板材一致，主要由沿軋制方向的拉長(zhǎng)晶粒和部分等軸晶組成，如圖2所示。

2.3 接頭缺陷

AA5754鋁合金具有較低的熔點(diǎn)、較高的熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率，在短焊接時(shí)間、大焊接電流和高電極壓力的特殊焊接工藝下，焊接過(guò)程中溫度梯度大，加熱及冷卻速度快，接頭中容易產(chǎn)生缺陷。通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察，AA5754-O鋁合金電阻點(diǎn)焊接頭的主要缺陷包括噴濺、孔洞和裂紋。

如圖7(a)和(b)所示，接頭試樣板材結(jié)合面間均有熔化金屬噴出，即為噴濺。當(dāng)焊接過(guò)程中輸入熱量較大時(shí)，液態(tài)熔核區(qū)的擴(kuò)展速度將大于周圍固態(tài)金屬塑性環(huán)的擴(kuò)展速度，此時(shí)熔核中液態(tài)金屬在電極壓力及自身熱膨脹力的作用下沖破塑性環(huán)的束縛飛出而形成噴濺，如圖7(c)所示。板材結(jié)合面上的金屬噴濺來(lái)自于焊核中的液態(tài)金屬，液態(tài)金屬的缺失會(huì)在焊核內(nèi)引入縮孔，進(jìn)而影響接頭的強(qiáng)度。

此外，AA5754-O鋁合金電阻點(diǎn)焊接頭中存在大量孔洞，如圖5所示。這些孔洞在形狀、尺寸和分布上具有一定特點(diǎn)：焊核邊緣區(qū)域幾乎沒(méi)有或者有很少量的小孔洞存在；越靠近焊核心部孔洞越多，尺寸越大。這是由于在凝固過(guò)程中焊核邊緣部位最先冷卻凝固，越靠近焊核心部金屬液態(tài)熔核的總能量越少。接頭焊核中的孔洞主要有氣孔和縮孔兩種。氣孔尺寸較小，有光滑的表面，由液態(tài)金屬中的氣泡形成。部分不穩(wěn)定的合金元素如Mg、Zn和板材表面的有機(jī)油脂，在焊核熔化的過(guò)熱狀態(tài)下會(huì)蒸發(fā)成氣態(tài)，這些氣體在冷卻凝固過(guò)程中以氣孔形式存留于焊核中?？s孔存在于焊核的中心部位，尺寸較大，表面不光滑，形狀不規(guī)則，主要來(lái)自于冷卻凝固過(guò)程中液態(tài)金屬、固態(tài)金屬的體積收縮和結(jié)合面上噴濺導(dǎo)致的熔核金屬大量流失。

圖7 AA5754-O鋁合金電阻點(diǎn)焊接頭缺陷紋

圖7(d)中接頭試樣的裂紋由焊核區(qū)延伸至板材表面，裂紋的方向近似垂直于板材結(jié)合面，屬于沿晶裂紋。點(diǎn)焊過(guò)程中，熔核在上下電極壓力和周圍母材的共同限制下受壓應(yīng)力，靠近電極的母材金屬被擠壓至周邊形成壓痕。在冷卻過(guò)程中，液態(tài)熔核凝固產(chǎn)生收縮變形，母材金屬迅速降溫并硬化，被擠壓至電極周邊的金屬不能回到原位，焊核受到拉應(yīng)力的作用，形成微裂紋。這些微裂紋多存在于焊核中，在后續(xù)拉力的作用下加寬并沿垂直于結(jié)合面方向的枝晶界面擴(kuò)展，甚至到達(dá)板材表面。

圖7(c)中接頭試樣的裂紋位于熱機(jī)械影響區(qū)噴濺周圍，屬于液化裂紋。液化裂紋在靠近焊核邊界的部位形成，沿晶界向遠(yuǎn)離焊核的母材區(qū)擴(kuò)展。裂紋根部較寬，越遠(yuǎn)離焊核裂紋越窄，裂紋內(nèi)部充滿了枝晶狀組織，如圖7(e)和(f)所示。焊接過(guò)程中熱機(jī)械影響區(qū)的金屬發(fā)生部分熔化，在晶界上形成了幾乎連續(xù)的低熔點(diǎn)液化膜。在后續(xù)的冷卻過(guò)程中，液態(tài)金屬存留于裂紋中形成枝晶狀凝固組織。液化裂紋的存在會(huì)影響熱機(jī)械影響區(qū)的性能。

2.4 顯微硬度

圖8 AA5754-O鋁合金電阻點(diǎn)焊接頭顯微硬度矩陣分析結(jié)果

焊核區(qū)微觀組織與母材區(qū)有顯著區(qū)別，但硬度卻與母材區(qū)相近，沒(méi)有明顯的硬度梯度。對(duì)比接頭剖面的硬度圖和金相，可對(duì)焊核邊界進(jìn)行識(shí)別，如圖8中黑色虛線所示。其中，焊核心部為等軸枝晶組織，硬度值約為58~65 HV。這個(gè)區(qū)域孔洞缺陷較多，試驗(yàn)中應(yīng)盡量避開，因此在硬度圖中存在大量黑色無(wú)值區(qū)域。焊核邊部為柱狀枝晶組織，根據(jù)硬度分布可細(xì)分為個(gè)兩個(gè)區(qū)域，即焊核上下區(qū)域(68~70 HV)和焊核左右區(qū)域(70~74 HV)，硬度均高于焊核心部和母材。這兩個(gè)區(qū)域的材料性能差異主要是由板材形變引入位錯(cuò)量的不均勻性導(dǎo)致的，焊核上下區(qū)域相比左右區(qū)域應(yīng)變量少，引入位錯(cuò)量少，硬化程度小。

此外，在兩種不同焊點(diǎn)直徑接頭的熱機(jī)械影響區(qū)中均發(fā)現(xiàn)1~2 mm寬的硬化區(qū)。該區(qū)硬度遠(yuǎn)高于母材，是接頭最硬的區(qū)域，主要集中于接頭的壓痕邊緣和板材接觸面縫隙尖端。AA5754是不可熱處理強(qiáng)化鋁合金，焊接過(guò)程中的熱影響不能起到強(qiáng)化作用，其硬化區(qū)的形成是由電極壓力作用下板材形變帶來(lái)的應(yīng)變強(qiáng)化機(jī)制導(dǎo)致的。

2.5 力學(xué)性能

拉剪試驗(yàn)和剝離試驗(yàn)典型載荷?位移曲線如圖10所示。對(duì)于拉剪試驗(yàn)，初始加載端載荷和位移呈線性，此時(shí)主要為彈性變形。隨著載荷增大，靠近板材接觸面縫隙尖端附近的材料發(fā)生屈服，產(chǎn)生劇烈塑性變形，使得載荷的增長(zhǎng)速度逐漸放緩。當(dāng)載荷達(dá)到焊點(diǎn)承載極限時(shí)，焊點(diǎn)熔核界面發(fā)生橫貫韌性斷裂，載荷迅速降低至0。對(duì)于剝離試驗(yàn)，試驗(yàn)開始時(shí)載荷的增長(zhǎng)趨勢(shì)與拉剪試驗(yàn)類似；當(dāng)焊點(diǎn)近載荷軸線一側(cè)產(chǎn)生裂紋時(shí)，載荷開始下降，此時(shí)焊點(diǎn)仍具備一定的承載能力，直至裂紋擴(kuò)展過(guò)整個(gè)焊點(diǎn)圓柱面而發(fā)生紐扣剝離斷裂，載荷迅速降至零點(diǎn)。剝離試樣的特殊形狀導(dǎo)致其接頭除受到剝離力外還受到偏軸彎矩作用，其接頭局部材料的變形量較大，最終總位移量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于拉剪試樣。

表4 AA5754-O鋁合金電阻點(diǎn)焊接頭峰值載荷與失效模式

圖9 AA5754-O鋁合金電阻點(diǎn)焊試驗(yàn)失效模式

圖10 AA5754-O鋁合金電阻點(diǎn)焊試驗(yàn)載荷?位移曲線

3 結(jié)論

1) 接頭由3個(gè)典型區(qū)域組成：母材區(qū)、焊核區(qū)和熱機(jī)械影響區(qū)。其中，焊核邊部至焊核心部依次為柱狀枝晶和等軸枝晶組織；熱機(jī)械影響區(qū)中距離焊核周邊3~4個(gè)晶粒范圍內(nèi)，材料發(fā)生部分熔化產(chǎn)生晶內(nèi)及晶界枝晶。

2) 接頭的主要缺陷為噴濺、焊核區(qū)氣孔、縮孔和沿晶裂紋、液化裂紋。

3) 接頭各區(qū)硬度排序?yàn)楹负诵牟颗c母材區(qū)硬度最小且相近，焊核邊部居中，熱機(jī)械影響區(qū)硬度最大。母材區(qū)的硬度沿厚度方向漸變，邊部呈現(xiàn)最大值，心部呈現(xiàn)最小值。熱機(jī)械影響區(qū)中存在1~2 mm寬的硬化區(qū)，它們集中分布于接頭的壓痕邊緣和板材接觸面縫隙尖端處。

4) 接頭的強(qiáng)度與焊點(diǎn)直徑呈正相關(guān)關(guān)系，拉剪試樣的強(qiáng)度遠(yuǎn)大于剝離試樣。拉剪和剝離試驗(yàn)的失效模式分別為焊點(diǎn)熔核界面斷裂和紐扣剝離斷裂。

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Microstructure and mechanical property of AA5754 aluminum alloy resistance spot welds

WU Sai-nan1, JIA Zhi-hong1, GHAFFARI B2, LIU Qing1

(1. College of Materials Science and Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China; 2. Ford Research and Advanced Engineering, Ford Motor Company, Dearborn, MI 48124, USA)

AA5754 aluminum alloy sheets used for automotive body were joined by resistance spot welding. The microstructure, discontinuities and mechanical properties of the welds were characterized and analyzed by optical microscope observation, Vickers microhardness grid measurement and tensile tests. The results show that, according to the differences of microstructure and properties, the weld joint can be divided into three regions, i.e. nugget, thermo-mechanically affected zone (TMAZ) and base metal (BM). An equiaxed dendritic structure exists in the nugget center while a columnar structure is observed at the nugget perimeter. Minor amounts of inner and inter-grain dendritic structures, resulting from partial melting, is found in TMAZ. Discontinuities in the welds are expulsion, gas bubbles, shrinkage cavity, shrinkage cracks and liquation cracks. The thru-thickness hardness of the BM sheet displays a distinct variation. A 1?2 mm wide hardened zone was observed around the indentation perimeter and crack tip on the faying surface in the TMAZ. The positive correlation is found between the weld strength and weld button diameter. The fracture mode for tensile-shear tests is interfacial fracture while button pull-out fracture for coach-peel tests.

AA5754 aluminum alloy; resistance spot welding; microstructure; discontinuity; microhardness; mechanical property

Project(2014DFA51270) supported by International Science and Technology Cooperation Program of China

2017-03-03;

2017-07-20

JIA Zhi-hong; Tel: +86-23-65102029; E-mail: zhihongjia@cqu.edu.cn

1004-0609(2018)-04-0645-09

TG146.2

A

10.19476/j.ysxb.1004.0609.2018.04.01

國(guó)家國(guó)際科技合作專項(xiàng)(2014DFA51270)

2017-03-03；

2017-07-20

賈志宏，教授，博士；電話：023-65102029；E-mail: zhihongjia@cqu.edu.cn

(編輯 李艷紅)