陳 燦 ，孔 諒 ，2，程軒挺 ，王 敏 ，2

（1.上海市激光制造及材料表面改性重點實驗室（上海交通大學(xué)），上海 200240；2.高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240；3.蘇州和健機(jī)器人科技有限公司，江蘇常熟 215505）

0 前言

為了滿足降低排放和提高汽車?yán)m(xù)航里程的需要，汽車生產(chǎn)商們正努力研發(fā)更輕的車輛。將強(qiáng)度高、價格低廉但密度較大的鋼材和價格昂貴但密度較低的鋁合金混合在一起制作車身結(jié)構(gòu)，能在保證車體強(qiáng)度要求的同時大大減輕汽車質(zhì)量，從而實現(xiàn)汽車輕量化的目的。通過在汽車恰當(dāng)部位使用恰當(dāng)?shù)牟牧?，工程師可以在滿足車體強(qiáng)度的需求下降低車身的重量和成本[1]。

由于異種金屬之間顯著的熱力學(xué)、冶金學(xué)和機(jī)械性能差異，異種金屬的連接十分困難[2]。馬丁森等人[3]總結(jié)了幾種主要的異種金屬連接技術(shù)，根據(jù)連接原理，分類為機(jī)械方法、膠結(jié)和熱力學(xué)方法。機(jī)械方法采用物理的方式連接異種材料，通常使用螺紋緊固件、鉚釘、流動鉆孔螺釘、自沖鉚、攪拌摩擦鉚、針線或者纖維纏繞的方式進(jìn)行連接。膠結(jié)方法通過使用高強(qiáng)度的化學(xué)黏合劑連接異種材料。熱力學(xué)方法通過各種方式產(chǎn)生大量的熱，熔化零件或者加工件的表面，在異種金屬之間形成金屬間化合物從而完成異種金屬的連接。常見的熱力學(xué)連接方式有電弧焊、超聲波焊、高能粒子束焊、釬焊、電阻點焊和攪拌摩擦焊等。岐山等人認(rèn)為，好的異種金屬連接方式應(yīng)該能夠提高連接效率、減少接頭變形、最小化熱膨脹差異和降低成本[4]。

電阻點焊具有高效率、低成本、穩(wěn)定性和靈活性等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)零部件的連接中。電阻點焊連接異種金屬的原理是在電極處施加壓力，使板材緊靠，再給需要連接的板材通強(qiáng)電流，在板材接觸的界面處，根據(jù)焦耳定律產(chǎn)生大量的熱熔化需要連接的板材表面附近的金屬，使界面處形成金屬間化合物，從而將異種金屬連接在一起，如圖1a所示。根據(jù)鋁板受熱情況的不同，鋁板上的組織可分為熔核、熱影響區(qū)和母材，如圖1b所示。

圖1 鋼鋁點焊過程及接頭示意

但是，獲得高質(zhì)量的鋼鋁點焊接頭需要克服大量的困難。原因是：（1）鋼材和鋁合金熔點差異明顯（純鋁的熔點為933 K，純鐵的熔點為1 808 K），焊接過程中僅有鋁材熔化，而鋼材保持固體狀態(tài)。液態(tài)的鋁潤濕固態(tài)的鋼材表面，形成一層金屬間化合物層，將鋼板和鋁板連接在一起。界面處金屬間化合物層屬脆硬相，對剪力和拉力的抵抗較弱，實驗顯示，當(dāng)金屬間化合物層較厚時，鋼鋁點焊接頭的強(qiáng)度顯著降低。（2）鋁板表面存在頑固的氧化層，在焊接過程中會提高鋼板和鋁板界面處以及鋁板和電極界面處的接觸電阻，從而限制接觸界面處的熱效率[5]。同時，在焊接完成后，鋁板表面固有的氧化層會成為點焊接頭界面處的氧化層缺陷，為裂紋的萌生和擴(kuò)展提供便利，從而極大地影響鋼鋁點焊接頭的力學(xué)性能。（3）影響鋼鋁點焊技術(shù)在實際生產(chǎn)過程中的投入使用的另一個問題是電極磨損。在鋼鋁點焊的過程中，由電流傳導(dǎo)產(chǎn)生的熱量會導(dǎo)致鋁板和鋁側(cè)的銅電極發(fā)生反應(yīng)。該反應(yīng)使鋁粘連在銅電極頭上，形成Al2Cu，降低電極表面的導(dǎo)電及導(dǎo)熱性，從而降低電極頭的壽命，增加生產(chǎn)成本[6]。研究表明，高質(zhì)量的鋼鋁點焊接頭金屬間化合物層的厚度應(yīng)小于2 μm；界面處無縮松、氣孔或氧化層缺陷；熔核由晶粒直徑在500 nm以下的等軸晶組成[5]。

1 鋼鋁點焊接頭界面處金屬間化合物的研究

金屬間化合物層是鋼鋁點焊過程中鋼和鋁相互擴(kuò)散的產(chǎn)物，界面處溫度越高，越有利于金屬間化合物層的生長。針對鋼鋁點焊界面處的金屬間化合物層的形成機(jī)理、形貌、組成以及焊接過程中因素的影響方式，均已有較為細(xì)致的研究，這些研究成果被廣泛地應(yīng)用于實際生產(chǎn)中，幫助工廠得到金屬間化合物層厚度小的鋼鋁點焊接頭。

謝里夫科技大學(xué)的Arghavani等人使用電阻點焊技術(shù)將厚度2 mm的5054鋁合金板和厚度1 mm的鍍鋅鋼板焊接在一起[7]，獲得的焊接接頭界面處的金屬間化合物層厚度小于5.5 μm。研究人員制備金相試樣，在SEM下觀測金屬間化合物的形貌，并利用EDS研究金屬間化合物的具體成分。結(jié)果表明，鋼鋁界面處的金屬間化合物層可分為兩個部分，分別是靠近鋁側(cè)的針狀FeAl3和靠近鋼側(cè)的牙齒狀Fe2Al5，如圖2所示。

圖2 金屬間化合物形貌

上海交大的萬子軒等人針對鋼鋁點焊接頭中金屬間化合物層的形貌和種類進(jìn)行了細(xì)致的觀測和研究[8]。使用1.2mm厚度的6022-T4鋁合金和2mm厚度的熱鍍鋅鋼板進(jìn)行焊接，將得到的點焊接頭制成金相試樣置于SEM下觀測，并利用EDS判斷其成分，觀測到兩種不同類型的金屬間化合物——靠近鋁側(cè)的針狀FeAl3以及靠近鋼側(cè)的齒狀Fe2Al5。其中，靠近鋁側(cè)的針狀FeAl3厚度較小且數(shù)量較少；靠近鋼側(cè)的齒狀Fe2Al5為金屬間化合物的主要組成部分（厚度大、數(shù)量多）。對點焊接頭進(jìn)行力學(xué)性能測試并追蹤其裂紋擴(kuò)展路徑發(fā)現(xiàn)，當(dāng)金屬間化合物層較厚時，裂紋傾向于在靠近鋼側(cè)的齒狀Fe2Al5中擴(kuò)展。Fe2Al5為裂紋的擴(kuò)展提供了適合的環(huán)境，從而降低了接頭的力學(xué)性能。

萬子軒等人研究了焊接時間對金屬間化合物層厚度分布的影響。當(dāng)鋼鋁點焊的焊接時間較長時，獲得的點焊接頭的金屬間化合物層的厚度呈雙駝峰狀分布[8]，即焊接接頭中心位置的金屬間化合物厚度小于四周的金屬間化合物厚度；當(dāng)焊接時間相對較短時，焊接接頭中心位置的金屬間化合物的厚度大于四周的金屬間化合物厚度。金屬間化合物層的厚度與界面處的溫度有關(guān)。研究人員認(rèn)為，當(dāng)焊接時間較長時，電極頭中心位置的冷卻效果好于四周，限制了焊接接頭中心位置的金屬間化合物的增長，從而導(dǎo)致較長焊接時間條件下雙駝峰狀的金屬間化合物的厚度分布。當(dāng)焊接時間較短時，冷卻效果尚不明顯，無法觀測到雙駝峰狀的金屬間化合物厚度分布。

上海交通大學(xué)的陳楠楠等人研究了焊接時間和焊接電流對鋼鋁點焊接頭力學(xué)性能的影響[9-10]。使用1.2 mm的鋁板和2 mm的鋼板，利用電阻點焊技術(shù)分別制備撕裂測試、拉伸測試、十字拉伸測試和金相試樣。實驗結(jié)果表明，焊接電流和焊接時間的增加均能增加鋁熔核的尺寸。但是，當(dāng)焊接時間增長時，鋁熔核直徑和金屬間化合物層厚度共同增長。雖然鋁熔核直徑的提升對接頭的力學(xué)性能有促進(jìn)作用，但金屬間化合物層厚度的增加使裂紋的萌生和擴(kuò)展更加容易，嚴(yán)重降低了點焊接頭的力學(xué)性能。焊接電流的增長僅促進(jìn)了鋁熔核的增長，對金屬間化合物層的厚度影響并不顯著。力學(xué)性能測試的結(jié)果表明，當(dāng)金屬間化合物層的厚度小于2μm時，鋼鋁點焊接頭的力學(xué)性能較好。實驗測得的十字拉伸測試、撕裂測試、拉剪測試的受力峰值均值分別為1.6 kN、0.6 kN和5 kN。

2 消除鋁合金表面氧化層的研究

日產(chǎn)汽車的Miyamoto等人嘗試?yán)缅冧\鋼板表面的鍍鋅層消除鋁板表面的氧化層[5]。實驗材料為1 mm厚的6系鋁合金，0.55 mm厚的合金化熱鍍鋅鋼板（galvannealed steel，簡稱GA）和0.55mm厚的熱鍍純鋅鋼板（galvanized steel，簡稱GI）。實驗表明，GA和GI表面的鍍鋅層能與鋁板表面的氧化層發(fā)生共晶反應(yīng)，從而清除鋁表面的氧化層。該反應(yīng)對溫度的要求相對較低。研究人員將獲得的鋼鋁點焊接頭進(jìn)行拉剪實驗，結(jié)果表明，優(yōu)質(zhì)的鋼鋁點焊接頭的金屬間化合物層厚度應(yīng)小于2 μm，而且鋁熔核的組織形貌應(yīng)為晶粒小于500 nm的柱狀晶。實際生產(chǎn)中焊接往往會受到外界因素的干擾，例如由裝配誤差導(dǎo)致的焊接件之間存在間隙、焊接件與電極之間存在傾角等。

為了驗證鍍鋅鋼板和鋁板焊接的穩(wěn)定性，宮本等人在鋼鋁點焊過程中引入了焊接傾角（電極和板材的傾角）和焊接間距（鋼板與鋁板的距離）兩個因素，如圖3所示。實驗結(jié)果表明，在加入了2.5°焊接傾角或2 mm焊接間距的情況下，得到的鋼鋁點焊接頭仍具有良好的力學(xué)性能。在拉伸實驗中，沒有焊接傾角和焊接間距的實驗組得到的接頭平均受力峰值為2.1 kN；當(dāng)引入2 mm的焊接間距時，平均受力峰值為2.4 kN；當(dāng)引入2.5°的焊接傾角時，平均受力峰值為2.0 kN[5]。

圖3 焊接間距和焊接傾角對鋼鋁點焊過程的影響示意

大阪大學(xué)的Ueda等人研究了鋼材表面不同的鋅鍍層對鋼鋁點焊的影響。實驗中使用的鋼材厚度為1.2 mm，鋁材厚度為1.0 mm，共進(jìn)行了4組實驗，鋼材表面的涂層分別為無涂層、純鋅鍍層、鋁鋅鍍層和鋁鎂鋅鍍層。實驗結(jié)果表明，純鋅鍍層和鋁鎂鋅鍍層能在鋼鋁點焊的過程中通過共晶反應(yīng)清除鋁板表面的氧化層。該實驗中，鋼板表面使用純鋅鍍層和鋁鎂鋅合金鍍層的實驗組得到的十字拉伸試樣的受力峰值均達(dá)到1.3 kN[11]。

Ibrahim等人在鋼板和鋁板之間添加了一層鋁鎂合金墊層進(jìn)行電阻點焊。使用的鋁板為A6061-T6鋁合金，鋼板為394奧氏體不銹鋼，鋼板和鋁板的厚度均為2 mm。實驗結(jié)果表明，加入鋁鎂合金的中間墊層抑制了金屬間化合物的生成和成長，從而提升了點焊接頭的力學(xué)性能。通過使用中間墊層，研究人員得到了金屬間化合物厚度僅為2 μm的點焊接頭。將獲得的鋼鋁點焊接頭置于不同級別的拉伸疲勞應(yīng)力條件下，研究人員觀察到了不同的疲勞斷裂模式。拔出斷裂、界面斷裂和鋁板方向的厚度斷裂分別對應(yīng)高級別疲勞應(yīng)力、中級別疲勞應(yīng)力和低級別疲勞應(yīng)力條件下的主要斷裂模式，如圖4所示。研究人員認(rèn)為斷裂模式的轉(zhuǎn)變和應(yīng)力下熔核的旋轉(zhuǎn)有關(guān)，如圖5所示。在較低應(yīng)力的條件下，熔核基本無旋轉(zhuǎn)，因此接頭的斷裂模式主要為鋁板方向的厚度斷裂。當(dāng)應(yīng)力條件提升，熔核旋轉(zhuǎn)加劇，斷裂模式就轉(zhuǎn)變?yōu)榻缑鏀嗔押桶纬鰯嗔裑12]。

圖4 不同的疲勞斷裂模式

圖5 不同疲勞應(yīng)力下點焊接頭的旋轉(zhuǎn)情況

3 電極形貌對鋼鋁點焊的影響

通用汽車公司的Sigler等人嘗試改變電極頭的形貌，從而降低電極磨損，提升點焊過程中電極頭的使用壽命[13]。GM專利的多環(huán)形電極（見圖6）能有效地?fù)舸╀X板表面的氧化層，極大地降低鋁板和電極之間的接觸電阻[14-15]。從而降低了電極和鋁板接觸處的產(chǎn)熱，抑制鋁板和銅電極的反應(yīng)，提升了電極壽命。此外，該電極進(jìn)一步集中了鋁板和鋁板接觸表面的能量輸入。多環(huán)形電極同樣能夠提升鋁點焊過程的穩(wěn)定性：使用多環(huán)形電極進(jìn)行焊接，即使在電極與板材之間出現(xiàn)焊接傾角或者鋁板材之間出現(xiàn)間隙的情況下，也能得到相對穩(wěn)定的鋁點焊接頭。西格萊爾等人的實驗表明，多環(huán)形電極同樣可應(yīng)用于鋼鋁點焊和鋼鋼點焊，這表明可以在同一生產(chǎn)線上進(jìn)行鋼鋼點焊、鋁鋁點焊和鋼鋁點焊，避免了因焊接材料的不同對生產(chǎn)線進(jìn)行頻繁調(diào)整。多環(huán)形電極的投入使用提高了實際生產(chǎn)線的效率和靈活性[16-19]。

圖6 多環(huán)形電極示意

上海交通大學(xué)的張敏等人使用球面環(huán)裝電極進(jìn)行鋼鋁點焊的研究，如圖7所示。球面環(huán)形電極的使用顯著提高了焊接接頭的熔核直徑，降低了金屬間化合物層的厚度，所得到的接頭金屬間化合物層厚度均在2μm以下。使用球形環(huán)形電極所制得的接頭在拉剪實驗中斷裂模式多為鈕扣斷裂，且最大拉剪力顯著提升[20]。

4 結(jié)論

鋼和鋁的焊接技術(shù)是汽車輕量化戰(zhàn)略中的關(guān)鍵技術(shù)，對鋼鋁點焊的研究也一直吸引著人們的眼球。如今鋼鋁點焊的研究取得了顯著成果，困擾鋼鋁點焊的一些問題已經(jīng)得到初步解決。

（1）金屬間化合物層形成的機(jī)理、金屬間化合物的組成和形貌以及焊接條件對金屬間化合物層的影響和影響機(jī)理逐漸明晰，汽車生產(chǎn)商們能通過控制焊接電流和焊接時間、使用有特殊鍍層的鋼板等方式控制金屬間化合物層的厚度，限制其對點焊接頭力學(xué)性能的影響。

（2）通過使用鍍鋅鋼板、在鋼板和鋁板之間添加特殊成分的合金墊板等方式，能在一定程度上清除鋁表面的氧化層。

（3）通用汽車公司專利的多環(huán)形電極能有效降低電極與鋁板的接觸電阻，抑制電極與鋁板之間的反應(yīng)，從而減少電極磨損，提升電極壽命。

圖7 鋁側(cè)RSE型電極端面尺寸示意

但是鋼鋁電阻點焊技術(shù)仍存在尚未解決的難題。目前使用的方法無法完全清除鋁板表面的頑固氧化層，殘留在鋼鋁接頭界面處的氧化層缺陷會成為裂紋萌生的源頭和裂紋擴(kuò)展的路徑，從而嚴(yán)重降低接頭的力學(xué)性能。對鋼鋁點焊接頭的斷裂機(jī)理尚無清晰全面的解釋，限制了汽車生產(chǎn)商們對點焊接頭性能的充分利用。同時，研究人員們正嘗試使用更新穎的方式進(jìn)行鋼鋁點焊，例如調(diào)整焊接電流的周期和波形，在電極和板材之間、板材和板材之間添加特殊合金的墊片等。隨著鋼鋁點焊研究的進(jìn)一步深入，在汽車生產(chǎn)中大規(guī)模應(yīng)用鋼鋁點焊即將成為現(xiàn)實。