用电阻点焊方法实现了铝合金+镀锌钢薄板在同种工艺参数下的有效连焊

摘要: 采用电阻点焊方法，实现了相同工艺参数下铝合金+铝合金板和铝合金+镀锌钢板的有效连续焊接。 通过观察和测试焊接接头的力学性能、显微硬度、金相组织、界面成分等，分析点焊接头的形成机理以及存在的各种质量问题。 与钢接头相比，熔核尺寸更小，但强度却大得多。 从铝铝点焊接头金相组织观察可以看出，焊缝及热影响区存在裂纹、未熔合、未熔合、未焊透等现象。 ､夹渣、气孔等缺陷，而铝镀锌钢接头缺陷较少。

关键词：铝合金； 镀锌钢； 电阻点焊

0 前言

节能减排逐渐成为当今社会关注的话题。 为了减少废气排放，汽车工业需要不断减轻自身重量。 用铝代替钢可减轻汽车本身重量约1/3。 铝合金不仅强度高、密度低，而且耐腐蚀性和散热性也很好。 因此，铝合金在汽车车身上的应用已成为大势所趋。 镀锌钢板具有良好的耐腐蚀性能，广泛应用于建筑、车辆、家电、日用品等行业。 镀锌钢板的主要镀锌工艺方法有电镀、热镀锌、真空蒸发镀、热喷镀、机械滚镀等。目前汽车行业常用的镀锌钢板有电镀锌钢板、热镀锌钢板和热喷锌钢板、涂层钢板的最大优点是优良的耐腐蚀性、装饰性、涂漆性和良好的成型性。 近年来，涂层钢板在汽车工业中的使用量呈上升趋势，已成为汽车车身薄板的主体。 因此，在现代汽车制造节能减排的要求下，镀锌钢板与铝合金的焊接具有很高的研究价值。 然而，由于铝与钢物理化学性能的巨大差异，铝与钢异种金属之间的电阻点焊一直是焊接领域的难题。

1 试验方法和材料

1.1 试验材料

本次试验使用的所有铝板和镀锌钢板均为珠海科盈焊接设备有限公司提供的标准6061铝板，该材料属于铝硅镁6000系列铝合金。 6000系铝合金具有强度高、耐蚀性好、耐高温、塑性强等优点（表1、表2）。 厚度为0.9mm，其焊接接头采用搭接焊接。 试验所用上下电极均为碳钢镀铜凸极电极，电极端面R+=70mm。

1.2 测试设备

该试焊机是著名焊机制造商奥地利伏能士公司于2005年推出的新型电阻点焊机。 这种新型电阻焊机的原理非常简单。 在工件和电极之间添加电极条。 焊接时电极压住电极条，每焊接一个点，电极条自动移动到下一个位置。 每个焊点都是“全新”的电极焊接，保证了电极与工件的接触面始终清洁。

1.3 测试方法

试验选取的焊接参数为焊接电流15kA、电极压力4kN、焊接时间500ms。 本套焊接参数的选择是经过多次焊接尝试、分析、总结后确定的。 一开始就初步选定了焊接时间和电极压力。 ，然后调整焊接电流，向上或向下选择焊接电流的5%。 试验初期，选择的焊接压力较小，导致焊接过程中飞溅较大。 当电极压力增大到一定程度时，焊条与焊条、焊条、焊件之间可能会发生粘连，甚至可能导致焊条、焊条、焊件粘在一起。 因此，需要适当降低电极压力。 焊接后的焊缝可用手撕开感受其强度，可用游标卡尺将焊缝撕开。 测量焊接接头的熔核尺寸，直到焊接熔核达到5.5mm时，焊接强度较高。

2 测试结果与分析

三组铝板及铝板焊接得到的点焊接头性能； 所选焊接参数下的铝板和镀锌钢板如表3所示。为了记录方便，铝铝接头编号为1、2、3； 铝镀锌钢焊接接头编号为镀1、镀2、镀3。

在上述焊接参数下得到的铝-铝和铝-镀锌钢熔核直径的平均尺寸分​​别为5.17和6.63mm； 焊接接头的平均拉力和剪力分别为2.07和1.51kN。 根据我国铝合金电阻点焊质量检验标准HB5276-1984，检测数据平均值完全符合要求。 其中，1mm铝合金点焊接头在室温下的最小剪切力为1.235 kN。 本次试验采用的铝合金板为0.9mm，其强度仍大于国标1mm铝合金板的点焊剪切强度，因此铝铝焊接接头质量较好。 其中，铝镀锌钢的熔核直径和剪切强度完全符合东风汽车有限公司提出的强度标准（表4）。 大量实验研究表明，点焊接头的焊接强度与焊核尺寸密切相关。 为了保证焊接接头的质量，必须在一定范围内适当增大接头的熔核尺寸。 这些都可以通过对焊参数的调整来实现。

注：板厚是指铝板的厚度； 拉剪力是母材强度为100MPa时焊点的拉剪力。 当母材强度大于100MPa时，拉剪力参数应为表中值×母材强度/100。

从表3和图1还可以看出，与相同工艺焊接的铝-镀锌钢接头相比，铝-铝接头熔核尺寸较小，但强度却大得多，因此铝的质量较好。 -铝接头更好。

2.1 焊接接头金相组织分析

焊接过程中，两侧金属迅速加热和冷却，导致焊接接头各区域（熔合区、热影响区、母材）的结构性能发生较大变化。 每个区域都有其独特的金相特征。 焊接接头金相性能主要用于研究焊接接头的结构性能。

从图2可以看出，铝铝点焊接头焊缝及热影响区的缺陷包括大量裂纹、未熔合、未熔合、未焊透、少量夹渣和气孔等。 。 裂纹的主要形式有横向裂纹、纵向裂纹和火山口裂纹。 很明显，这些裂纹是热裂纹。 由于点焊过程中快速加热然后瞬间冷却，局部组织会发生偏析和晶粒变形。 大、长、厚的组织等，且在焊接过程中，晶界处的低熔点共晶容易熔化，进而导致偏析聚集、晶界液化等，所以这导致大量裂纹。 其中未熔合、未熔合、未焊透等是由于焊接参数选择不当造成的。 电流太小、焊接时间太短都会造成这些缺陷； 夹渣和气孔可能是焊件在焊接前造成的。 是由于表面清理不彻底、电流大小不合适等原因造成的。从铝镀锌钢点焊接头可以看出，铁原子向铝侧的扩散比较少，而铝侧的原子则发生了偏移铁侧较大。 这主要是由于镀锌层的存在和钢材的半熔融状态造成的。 由于锌层的存在，可以抑制铁向铝的扩散，从而减少金属间化合物的生成，改善焊接接头的性能； 锌作为过渡层，增加了铝对铁的润湿性能，有利于铝原子的扩散，减少金属间化合物的厚度，提高焊接接头的质量。 其机理是锌的熔点相对较低。 在一定程度上，锌可以与铝形成化合物，可以降低熔池金属的熔点。 另一方面，锌的添加使熔池金属的表面张力降低，增加了熔池金属的流动性。 当然，添加锌也有不利的一面。 首先，焊接参数的选择范围缩小。 由于锌的熔点、硬度和电阻率较低，焊接过程中接触电阻降低，电流分布不均匀，影响接头熔核的形成。 和尺寸。 其次，焊接过程中，锌原子容易扩散到焊条上，形成表面合金，影响焊条的寿命。 再次，锌原子的添加增加了熔池金属的流动性，增加了焊接裂纹和气孔的敏感性，降低了焊接接头的质量。 但在本次试验的焊接参数下焊接的铝镀锌钢点焊接头产生的裂纹和气孔仍然较小。

2.2 焊接接头硬度分析

从表5不难看出，铝铝焊缝的硬度从焊缝到热影响区再到母材依次降低。 焊缝的硬度最高。 这是由于焊接过程中焊缝结构的峰值温度较高。 ，则在冷却过程中过热区会发生硬化和晶粒粗化，因此硬度略高于母材，但相差不大。 铝镀锌钢焊缝的显微硬度为126.1HV，铝侧母材部分为73.4HV，钢侧母材部分为169.3HV，铝侧热影响区为84.3HV，钢侧热影响区为84.3HV。 显微硬度为130HV。 铝侧件的硬度从母材到热影响区再到焊缝位置逐渐增加。 分析原因与铝铝焊缝相同； 钢侧部分从母材到热影响区再到焊缝位置的显微硬度变化不明显，原因可能是焊接过程中钢侧熔化不完全。

2.3 焊接接头界面成分分析

由于钢和铝的熔点、导热系数、密度、线膨胀系数、电阻率等物理性能有很大差异，且两者的固溶度也很低，因此，在铝的电阻点焊过程中——镀锌钢中间易产生界面能，造成焊接应力； 界面处生成脆性金属间化合物，影响点焊接头质量。 为了确定焊接接头的内部成分，采用JSM-6390/LV扫描电子显微镜（配有能量色散仪EDAX）对待观察焊接接头进行元素线扫描和点扫描。 从图3可以看出，铝处于熔融状态，而钢处于半熔融状态，这有利于铝原子在钢表面的铺展。 随着铝元素向钢中扩散，当原子分数比达到一定水平时，会生成极其脆的金属间化合物。 由于金属间化合物的存在严重影响焊接接头质量，因此应尽可能降低其含量。 从图3可以看出，生成的金属间化合物的厚度不超过2μm。 图3中各元素的局部曲线中没有锌原子。这可能是因为钢材表面锌层厚度极低，点焊时焊接区温度突然升高。 ，并且锌的熔点较低，因为它被蒸发了。

3 结论

(1)通过测量点焊接头熔核尺寸和剪切强度，铝-铝和铝-镀锌钢的平均熔核直径分别为5.17和6.63mm； 焊接接头的平均拉力和剪力分别为2.07和1.51kN。 获得的各项测试数据的平均值完全符合国家和东风汽车有限公司的要求。与相同工艺焊接的铝-镀锌钢接头相比，铝-铝接头的熔核尺寸更小，但更坚固，因此铝铝接头的质量更好。

(2)焊缝及热影响区的缺陷包括大量裂纹、未熔合、未熔合、未焊透以及少量夹渣和气孔。 其中，裂纹的主要形式有横向裂纹、纵向裂纹和火山口裂纹。 这些裂纹都是热裂纹。 铁原子向铝侧的扩散相对较小，而铝侧的原子向铁侧的移动较大。 这主要是因为镀锌层的存在是由于钢材处于半熔融状态。

(3)铝铝焊缝的硬度从焊缝到热影响区再到母材依次降低。 焊缝的硬度最高。 这是由于焊接过程中焊缝结构的峰值温度较高，然后冷却所致。 加工过程中，过热区会发生硬化和晶粒粗化，因此硬度略高于母材，但相差不大。 对于铝镀锌钢焊缝，铝侧部硬度从母材到热影响区再到焊缝位置逐渐增大，而钢侧部从母材到热影响区再到焊缝处显微硬度变化位置不是很明显。 。

(4)铝处于熔融状态，而钢处于半熔融状态。 随着铝元素向钢中扩散，当原子分数比达到一定水平时，形成极脆的金属间化合物，金属间化合物的厚度不超过2μm。 由于金属间化合物的存在严重影响焊接接头质量，因此应尽可能减少其含量。