張可，程哲聞，張賢昆，李勝利，石磊

1.華人運(yùn)通（山東）科技有限公司 上海 201100

2.山東大學(xué)材料液固結(jié)構(gòu)演變與加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山東濟(jì)南 250061

1 序言

由于鋁合金密度低，約為鋼的1/3，且強(qiáng)度和比強(qiáng)度高，因此具有巨大的減重潛力[1]。與傳統(tǒng)材料相比，采用鋁合金可以減輕高達(dá)50%的重量，且不會(huì)影響強(qiáng)度和安全性。隨著對(duì)結(jié)構(gòu)輕量化的要求日益提高，汽車行業(yè)中越來(lái)越多的部件材質(zhì)開(kāi)始采用鋁合金替代，這必然需要實(shí)現(xiàn)鋁合金的可靠連接[2]。

為了適應(yīng)更多的類似鋁合金的材料連接需求，雖然目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出更多新的連接技術(shù)，但是電阻點(diǎn)焊仍然是汽車生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的連接技術(shù)[3]。最主要的原因就是電阻點(diǎn)焊具有低成本、可靠、高速、易操作、自動(dòng)化程度高和適合大批量生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)[4]。同時(shí)，車輛的質(zhì)量、結(jié)構(gòu)性能、壽命、安全設(shè)計(jì)、強(qiáng)度、剛度和完整性不僅取決于板材的力學(xué)性能，還取決于點(diǎn)焊的質(zhì)量[5]。這對(duì)于點(diǎn)焊質(zhì)量的提升提出了更高的要求。

近幾年，越來(lái)越多研究者針對(duì)鋁合金大批量電阻點(diǎn)焊進(jìn)行了深入研究[6-8]。但是，與鋼的電阻點(diǎn)焊不同，鋁合金的電阻點(diǎn)焊存在一些困難。例如，鋁合金比鋼具有更小的電阻率和更高的熱導(dǎo)率、導(dǎo)電性，因此焊接時(shí)需要更高的焊接電流，通常是鋼電阻點(diǎn)焊的2～3倍[9，10]。在鋁合金電阻點(diǎn)焊過(guò)程中，接頭內(nèi)部容易出現(xiàn)孔洞、裂紋、濺射等缺陷[11]。此外，鋁合金表面致密的氧化膜會(huì)導(dǎo)致更高的接觸電阻和發(fā)熱，這會(huì)導(dǎo)致電極與鋁合金板之間的溫度迅速升高，加速電極的損耗，從而直接影響到接頭性能穩(wěn)定性[5]。焊接電流是電阻點(diǎn)焊中最主要的參數(shù)之一，其對(duì)鋁合金電阻點(diǎn)焊接頭性能、微觀結(jié)構(gòu)的影響，目前少有研究。因此，有必要針對(duì)焊接電流對(duì)電阻點(diǎn)焊接頭性能、微觀結(jié)構(gòu)、斷裂行為的影響進(jìn)行分析和深入研究。

本文對(duì)鑄鋁和5系擠壓鋁合金異種材料電阻點(diǎn)焊開(kāi)展試驗(yàn)研究，通過(guò)改變焊接電流，對(duì)接頭宏觀和微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、斷裂行為進(jìn)行了分析表征，分析了焊接電流對(duì)焊核區(qū)晶粒微觀結(jié)構(gòu)演變的影響。為鑄鋁和5系擠壓鋁合金電阻點(diǎn)焊工藝在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用奠定了一定的理論基礎(chǔ)。

2 試驗(yàn)過(guò)程

本試驗(yàn)采用鑄鋁和5系擠壓鋁合金作為母材。焊前需要將原始板材進(jìn)行切割，鑄鋁板材切割尺寸為100mm×20mm×3mm，5系擠壓鋁合金切割尺寸為100mm×25mm×2mm。焊前對(duì)板材表面進(jìn)行打磨，去除表面氧化膜。

電阻點(diǎn)焊過(guò)程中，焊接試件在兩端電極壓力作用下，接通焊接電流后產(chǎn)生電阻熱，使金屬熔化產(chǎn)生焊核，電阻點(diǎn)焊原理如圖1所示。在焊接試驗(yàn)中，將鑄鋁置于電阻負(fù)極，5系擠壓鋁合金置于電阻正極。由于本研究采用的材料板厚不同，極易產(chǎn)生焊點(diǎn)偏移的問(wèn)題[5，12]，因此為了減小焊核偏移的影響，將薄板置于電阻正極一側(cè)[13]。焊接預(yù)熱電流10kA，預(yù)熱時(shí)間100ms，預(yù)熱完成后焊接時(shí)間為200ms。本研究中，壓力不改變，均為6kN，僅改變焊接電流，從36kA均勻增加至42kA，相關(guān)參數(shù)和試樣編號(hào)見(jiàn)表 1。

表1 電阻點(diǎn)焊焊接參數(shù)

圖1 電阻點(diǎn)焊原理

對(duì)焊后接頭進(jìn)行剪切試驗(yàn)，試樣尺寸如圖2所示。進(jìn)行剪切試驗(yàn)前，需要在母材處增加墊塊，以消除扭矩對(duì)剪切試驗(yàn)帶來(lái)的影響。采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中拉伸速度為5mm/min，每個(gè)焊接參數(shù)選取3個(gè)試樣進(jìn)行試驗(yàn)，并取平均值。

圖2 接頭剪切強(qiáng)度試樣尺寸

3 結(jié)果與討論

3.1 接頭宏觀形貌

不同參數(shù)下電阻點(diǎn)焊接頭橫截面宏觀形貌如圖3所示。從圖3可明顯看到，焊核偏向于鑄鋁一側(cè)，由于板厚不一致，因此上下板電流場(chǎng)分布不對(duì)稱，結(jié)合面與兩電極之間的距離不同，散熱條件也不同，致使溫度場(chǎng)分布也不對(duì)稱[12，13]。偏移會(huì)導(dǎo)致結(jié)合面上焊核尺寸小于焊核最大直徑，降低焊點(diǎn)強(qiáng)度。焊核內(nèi)部均存在少量縮孔，同時(shí)能夠在兩塊板材中間看到少量的金屬飛濺。在焊接完成后，首先冷卻凝固的是靠近母材周圍的柱狀晶區(qū)，內(nèi)部的等軸晶區(qū)還未完全凝固。同時(shí)在電極壓力和熱膨脹的作用下，液態(tài)金屬會(huì)被擠出而形成飛濺，導(dǎo)致了等軸晶區(qū)繼續(xù)凝固時(shí)，因缺乏液態(tài)金屬而產(chǎn)生縮孔[8]。隨著焊接電流的增大，可以看到焊核最大直徑在不斷增大，36kA焊接電流下，焊核最大直徑為10.7mm，當(dāng)焊接電流增加到42kA時(shí)，焊核最大直徑達(dá)到了12.7mm。隨著焊接電流的增大，焊接熱輸入也增大，從而導(dǎo)致更多的區(qū)域出現(xiàn)熔化，增大了焊核的區(qū)域。同時(shí)也能夠看到，隨著焊接電流的增大，5系擠壓鋁合金的焊核邊界更接近焊點(diǎn)底部，熱輸入的增加同時(shí)也造成了更多的5系擠壓鋁合金的熔化。

圖3 電阻點(diǎn)焊接頭橫截面宏觀形貌

3.2 接頭微觀組織

（1）焊核區(qū)中心區(qū)域微觀組織 在焊核中心區(qū)域（見(jiàn)圖4）取樣進(jìn)行微觀組織觀察，微觀組織與晶粒尺寸如圖5～圖8所示。從圖5～圖8可看出，焊核區(qū)中心區(qū)微觀組織均為細(xì)小等軸晶。對(duì)平均晶粒尺寸統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn)，在改變焊接電流后，對(duì)中心焊核區(qū)平均晶粒尺寸的影響不大，并未出現(xiàn)晶粒異常長(zhǎng)大的現(xiàn)象。在試樣ZL-3中（即焊接電流40kA），其平均晶粒尺寸最小，為（5.47±1.95）mm。隨著焊接電流的增大，晶粒尺寸出現(xiàn)了先減小后增大的趨勢(shì)。分析認(rèn)為，隨著焊接電流的增大，熱輸入增大，焊接完成后冷卻速度也會(huì)增大，增加等軸晶形核率，細(xì)化晶粒。但是，當(dāng)焊接電流達(dá)到42kA（試樣ZL-4）后，由于熱輸入過(guò)大，焊接完成后高溫持續(xù)時(shí)間增長(zhǎng)，反而導(dǎo)致了等軸晶的長(zhǎng)大。

圖4 焊核區(qū)中心區(qū)域取樣位置示意

圖5 試樣ZL-1焊核區(qū)中心區(qū)域微觀組織和晶粒尺寸

圖6 試樣ZL-2焊核區(qū)中心區(qū)域微觀組織和晶粒尺寸

圖7 試樣ZL-3焊核區(qū)中心區(qū)域微觀組織和晶粒尺寸

圖8 試樣ZL-4焊核區(qū)中心區(qū)域微觀組織和晶粒尺寸

（2）鑄鋁焊核區(qū)邊緣微觀組織 在鑄鋁焊核區(qū)邊緣（見(jiàn)圖9）取樣進(jìn)行微觀組織觀察，微觀組織形貌如圖10所示。邊緣處根據(jù)微觀形貌可分為4個(gè)區(qū)域，分別為母材（Base Metal，BM），熱影響區(qū)（Heat Affected Zone，HAZ），柱狀晶區(qū)（Columnar Grain Zone，CGZ），等軸晶區(qū)（Equiaxed Grain Zone，EGZ）。從圖10可看出，鑄鋁母材區(qū)域晶粒較為粗大，熱影響區(qū)附近存在少量的晶粒異常長(zhǎng)大現(xiàn)象，柱狀晶區(qū)和等軸晶區(qū)后晶粒組織明顯減小。柱狀晶區(qū)內(nèi)的枝晶從熱影響區(qū)邊緣向等軸晶區(qū)垂直長(zhǎng)大。改變焊接電流并不會(huì)明顯影響到鑄鋁焊核區(qū)邊緣的微觀組織結(jié)構(gòu)，所有試樣中均存在這4個(gè)區(qū)域。

圖9 鑄鋁焊核區(qū)邊緣取樣位置

圖10 鑄鋁焊核邊緣微觀組織

（3）5系擠壓鋁合金焊核區(qū)邊緣微觀組織 在5系擠壓鋁合金焊核區(qū)邊緣（見(jiàn)圖11）取樣進(jìn)行微觀組織觀察，微觀組織如圖12所示。從圖12可看到，與鑄鋁側(cè)的微觀組織相似，5系擠壓鋁合金焊核區(qū)邊緣同樣能夠區(qū)分為4個(gè)區(qū)域。柱狀晶依附在熱影響區(qū)邊界附近并垂直向內(nèi)生長(zhǎng)，焊核區(qū)內(nèi)部則主要為等軸晶。在熱影響區(qū)附近能夠看到明顯的粗大晶粒，且晶界十分明顯。分析其原因：首先，受熱后的晶粒出現(xiàn)了局部的長(zhǎng)大，相比于母材區(qū)域晶粒更明顯；其次，電阻點(diǎn)焊過(guò)程中既有液態(tài)金屬，同時(shí)也有較大的壓力。因此，焊核凝固過(guò)程中，在電極壓力作用下，焊核中部分低熔點(diǎn)金屬會(huì)被壓進(jìn)熱影響區(qū)的晶界中，其在腐蝕劑的作用下十分明顯[13]。

圖11 5系擠壓鋁合金焊核區(qū)邊緣取樣位置

3.3 接頭力學(xué)性能

不同焊接參數(shù)下接頭平均失效載荷如圖13所示。從圖13可看到，隨著試樣編號(hào)的增大（即焊接電流的增大），接頭平均失效載荷出現(xiàn)了先上升后降低的趨勢(shì)。其中，以ZL-3試樣接頭平均失效載荷最高，達(dá)到了（7.09±0.33）kN，該試樣參數(shù)為焊接壓力6kN、焊接電流40kA。結(jié)合宏觀組織和微觀組織分析認(rèn)為，隨著焊接電流的增大，焊點(diǎn)的最大直徑也在增大，有利于增加界面的結(jié)合強(qiáng)度。但是，當(dāng)焊接電流達(dá)到42kA后，雖然焊點(diǎn)直徑仍然在加大，但其較高熱輸入導(dǎo)致了焊核區(qū)內(nèi)的晶粒組織長(zhǎng)大，反而不利于接頭性能的提升。同時(shí)也能在5系擠壓鋁合金焊核邊緣柱狀晶區(qū)和等軸晶區(qū)邊緣看到少量的熱裂紋（見(jiàn)圖12d），惡化了接頭性能。

圖13 不同焊接參數(shù)下接頭平均失效載荷

3.4 接頭斷裂行為分析

（1）斷裂位置分析 接頭的力學(xué)性能與斷裂位置是密不可分的，圖14所示為4個(gè)參數(shù)下3個(gè)試樣的斷裂位置。從圖14可看到，大部分試樣均斷裂在焊核靠近鑄鋁處。在較小焊接電流下（即試樣ZL-1），焊點(diǎn)直徑較小，同時(shí)焊點(diǎn)還出現(xiàn)了偏移（見(jiàn)圖3a），這會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)附近的熱影響區(qū)和柱狀晶區(qū)被完全暴露在焊點(diǎn)外側(cè)，成為了裂紋源和擴(kuò)展區(qū)，因此性能較低。隨著焊接電流的增大，當(dāng)達(dá)到40kA時(shí)，能夠看到焊點(diǎn)直徑增大，同時(shí)焊點(diǎn)偏移現(xiàn)象相比于其他參數(shù)來(lái)說(shuō)稍有改善（見(jiàn)圖3c）。因此，在剪切試驗(yàn)過(guò)程中，可承載區(qū)域增大，接頭性能得到了提升。當(dāng)焊接電流達(dá)到42kA時(shí)，焊點(diǎn)偏移現(xiàn)象再次加劇，導(dǎo)致了有效剪切長(zhǎng)度減小，接頭性能出現(xiàn)了削弱。

圖14 接頭斷裂位置

（2）斷裂模式分析 提取了典型的斷裂于鑄鋁母材和斷裂于焊點(diǎn)處的力-位移曲線進(jìn)行分析，結(jié)果如圖15所示。不同斷裂模式如圖16所示。分析圖15后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)剪切試驗(yàn)剛開(kāi)始時(shí)，斷裂于焊點(diǎn)的試樣在相同位移下其拉力明顯低于斷裂于鑄鋁母材的試樣。這表明，在剪切試驗(yàn)開(kāi)始后，焊點(diǎn)內(nèi)部極有可能已經(jīng)產(chǎn)生了裂紋，導(dǎo)致其最后出現(xiàn)了焊點(diǎn)拉脫斷裂。而斷裂于鑄鋁的試樣，在剪切試驗(yàn)過(guò)程中，直到即將斷裂時(shí)，焊點(diǎn)附近才產(chǎn)生裂紋，再進(jìn)一步拉伸后最終斷裂。

圖15 不同斷裂模式力-位移曲線

圖16 不同斷裂模式

（3）斷口形貌分析 斷裂位置為焊點(diǎn)處的斷口形貌及能譜結(jié)果如圖17所示。從圖17可看到，斷裂處存在大量的解理面，僅在圖17a左下角處出現(xiàn)了少量韌窩，屬于典型的脆性斷裂，少量區(qū)域內(nèi)為韌性斷裂。能譜結(jié)果顯示，該區(qū)域內(nèi)存在Si元素，證明該斷裂位置主要成分為鑄鋁，且Si元素分布雜亂，斷裂方式主要為穿晶斷裂。

圖17 斷裂位置為焊點(diǎn)處的斷口形貌及能譜結(jié)果

斷裂位置為鑄鋁處的斷口形貌及能譜結(jié)果如圖18所示。從18圖可看到，在該斷口附近存在大量細(xì)小且深的韌窩，是典型的韌性斷裂。對(duì)能譜結(jié)果進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域內(nèi)的Si元素分布與韌窩邊緣相對(duì)應(yīng)，Si元素會(huì)在冷卻過(guò)程中與鋁合金形成共晶化合物，在晶界附近析出，因此分析認(rèn)為在該位置主要為沿晶界斷裂，晶界成為了薄弱區(qū)。

圖18 斷裂位置為鑄鋁處的斷口形貌及能譜結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

1）基于控制變量法，在相同的壓力條件下，改變焊接電流，開(kāi)展了鑄鋁和5系擠壓鋁合金的電阻點(diǎn)焊試驗(yàn)。焊后對(duì)接頭剪切性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明，在壓力6kN和焊接電流40kA的條件下，接頭平均失效載荷達(dá)到最高，為（7.09±0.33）kN。

2）合適的焊接電流能夠減小不等厚板電阻點(diǎn)焊過(guò)程中的焊點(diǎn)偏移問(wèn)題，在本研究中40kA焊接電流能夠改善焊點(diǎn)偏移，提高接頭性能。

3）大部分接頭均斷裂在焊點(diǎn)附近的鑄鋁一側(cè)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)斷裂在焊點(diǎn)處的接頭性能相對(duì)較低，結(jié)合力-位移曲線分析認(rèn)為，斷裂在焊點(diǎn)處的接頭在剪切試驗(yàn)剛開(kāi)始時(shí)焊點(diǎn)內(nèi)部已經(jīng)產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致接頭性能降低。