CN105269137A - 一种铝合金与镀锌高强钢异种材料中频点焊的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铝合金与镀锌高强钢异种材料中频点焊的方法，属于金属材料焊接技术领域。该方法采用点焊电极对铝合金与镀锌高强钢施焊，其中铝合金侧为直径30-100mm的球面电极，镀锌高强钢侧为直径8-15mm的平端面电极。该方法可减小点焊过程中喷溅的产生，防止工件与电极的粘连及合金化反应；同时提高铝合金侧点焊熔核的尺寸，控制铝合金/镀锌高强钢界面金属间化合物的生长行为，减小脆性Fe_xAl_y金属间化合物的产生。经过对电阻点焊工艺参数优化得到的铝合金与镀锌高强钢异种材料中频点焊接头性能得到显著提升，点焊接头的拉剪力最高可达5400N，铝合金/镀锌高强钢界面金属间化合物厚度控制在5.0μm以下。

Description

一种铝合金与镀锌高强钢异种材料中频点焊的方法

技术领域

本发明涉及金属材料焊接技术领域，具体涉及一种铝合金与镀锌高强钢异种材料中频点焊的方法。

背景技术

在资源紧缺和环境污染的迫切形势下，汽车轻量化是汽车工业领域实现节能减排的对策之一。实现汽车轻量化的途径主要包括轻量化材料的使用、汽车结构的优化设计、先进制造技术的应用。增加汽车车身中铝合金与高强钢等轻质材料的使用比例是实现汽车轻量化最直接有效的方法。在高强钢结构车身中加入铝合金部件的钢/铝复合车身框架结构是当前汽车工业领域实现轻量化的主要设计思路和技术途径。因此，铝合金与高强钢异种材料的连接(焊接)是汽车制造过程中亟需解决的问题。

汽车工业中铝与钢的连接方法仍然采用传统机械连接方式，如胶接、铆接(包括自冲铆)、螺栓连接等。这些连接方法不仅工艺复杂、效率低、表面质量不美观，而且机械连接接头未能形成牢固的冶金结合，其腐蚀、疲劳等性能往往低于同质材料焊接接头，难以实现优质高效的连接。

由于铝与钢异种材料之间的热物理性能如熔点、比热容、导热系数、电阻率和线膨胀系数等存在较大的差异，并且Fe在Al中的固溶度低，导致铝与钢异种材料之间的焊接性差。若采用传统熔化焊如TIG电弧焊、MIG/MAG电弧焊、CO₂气体保护焊等，电阻焊诸如工频交流点焊等，接头中容易产生硬脆的金属间化合物、缩孔、裂纹等缺陷，严重恶化了焊接接头的性能，难以达到使役要求。因此，深入研究铝合金与高强钢异种材料焊接性特点，开发实用高效的焊接技术成为铝合金和高强钢在汽车制造工业中规模化应用的关键问题和技术难点之一。

目前，国内外学者与工程技术人员尝试采用固相焊、电弧熔—钎焊、激光熔—钎焊和搅拌摩擦焊等方法实现铝与钢异种材料的焊接，具体方法及特点如下：

(1)固相焊

固相焊方法诸如***焊、磁脉冲焊、超声波焊、摩擦焊等用于铝与钢异种材料焊接时，主要是利用外加强磁场力(磁脉冲焊)、机械振动导致的静压力(超声波焊)、摩擦力(摩擦焊)等诱发待焊的铝与钢异种材料工件在接触面处产生高速塑性流变，挤出接触面上的氧化膜，同时带来温度的骤升促进了界面反应行为，从而实现铝与钢异种材料的冶金结合。固相焊热输入较低，可有效减小铝与钢界面金属间化合物层的厚度，提高焊接接头的力学性能。但是固相焊焊接设备往往对待焊工件或结构的形状与尺寸要求较高，难以满足汽车工业批量化生产的需求。

(2)熔—钎焊

熔—钎焊是采用TIG电弧、MIG电弧或激光作为热源，填加铝基或锌基焊丝对铝与钢异种材料工件进行焊接的方法。为抑制焊接接头中金属间化合物的生长，减小缩孔和裂纹等缺陷，需严格控制焊接工艺以保证钢母材不熔化，铝母材及焊丝熔化并铺展在钢的表面，从而形成熔—钎焊接头。熔—钎焊目前尚处于实验室研究阶段，并且熔—钎焊接头容易在铝/钢界面处断裂，限制了焊接质量的提升。

(3)搅拌摩擦焊

搅拌摩擦焊通过搅拌针高速旋转以及搅拌头肩部与待焊铝与钢工件摩擦产热作为热源，在铝与钢界面形成牢固冶金结合的方法。由于搅拌摩擦焊热输入较小，铝/钢界面的金属间化合物生长受到抑制，一定程度上改善了焊接质量。但是铝与钢搅拌摩擦焊尚处于研究探索中，且成本较高，尚未在汽车制造领域中得到应用。

作为汽车制造过程中使用最广的焊接方法之一，若能通过电阻点焊方法实现铝合金与高强钢优质高效的连接，将极大提升铝合金和高强钢在汽车中的使用量，从而为实现汽车轻量化提供必要的技术基础。

发明内容

本发明的目的是提供一种铝合金与镀锌高强钢异种材料中频点焊的方法，该方法实现方式简单，可对汽车用铝合金与镀锌高强钢异种材料进行焊接。该方法可避免焊接过程中喷溅的产生，同时还可有效控制铝合金/镀锌高强钢界面金属间化合物的生长行为，减小脆性Fe_xAl_y金属间化合物的产生，提升铝合金与镀锌高强钢异种材料中频点焊接头性能。

本发明的技术方案是：

一种铝合金与镀锌高强钢异种材料中频点焊的方法，该方法是采用点焊电极对铝合金与镀锌高强钢施焊，从而获得铝合金与镀锌高强钢异种材料的中频点焊接头。所述点焊电极具有经过优化的特殊端面形貌，铝合金侧为直径30-100mm的球面电极，镀锌高强钢侧为直径8-15mm的平端面电极。所述铝合金为6000系铝合金板，所述镀锌高强钢为热镀锌高强IF钢板。所述点焊电极材质为CuCr合金。所述球面电极和平端面电极表面粗糙度Ra值应低于0.8μm。

通过采用具有优化的特殊端面形貌的点焊电极以精确调整所述铝合金与所述高强钢结合面、所述电极与所述铝合金接触面、所述电极与所述镀锌高强钢接触面、所述铝合金板和所述高强钢板内的电流密度分布状态，从而减小中频电阻点焊过程中的喷溅的产生，防止工件与电极的粘连及合金化反应；同时还可提高所述铝合金侧点焊熔核的尺寸，有效控制所述铝合金/镀锌高强钢界面金属间化合物的生长行为，减小脆性Fe_xAl_y金属间化合物的产生。

所述中频点焊过程为：所述铝合金表面经过机械打磨以除去致密的Al₂O₃氧化膜，所述镀锌高强钢表面经过丙酮清洗以去除油污；所述优化的特殊端面形貌的点焊电极分别安装于中频直流电阻点焊设备的焊钳上，其中，所述平端面电极置于焊钳的固定端，所述球面电极置于焊钳的运动端；将所述6000系铝合金板与所述热镀锌高强IF钢板搭接在一起放置于所述平端面电极上，所述平端面电极位于所述热镀锌高强IF钢板表面搭接区域中心位置；按照设定的中频点焊参数进行施焊，得到铝合金与镀锌高强钢异种材料中频点焊接头。

所述中频直流电阻点焊设备的初级电压为380V，初级频率为50Hz，次级频率为1kHz，次级短路电流最大为30kA，电极压力最大为9kN。所述中频点焊优化的工艺参数为：点焊电流为10-26kA，焊接时间为0.05-0.4s，电极压力为1.0-5.0kN，预压时间为0.2-0.4s，维持时间为0.3-0.4s。

所述中频点焊中未发生点焊喷溅，采用优化的工艺参数施焊后，所述铝合金与镀锌高强钢异种材料中频点焊接头表面未出现工件与电极的粘连及合金化反应，点焊接头中铝合金侧熔核的尺寸最大为10.1mm；所述铝合金与镀锌高强钢界面金属间化合物相组成为Fe₂Al₅和Fe₄Al₁₃，厚度小于4.0μm；铝合金侧表面压痕深度为铝合金板厚的17％，点焊接头的拉剪力最高可达5400N。

铝合金与镀锌高强钢异种材料中频点焊接头在拉剪试验过程中的破坏方式为纽扣断裂，裂纹沿点焊接头周边铝合金母材处扩展，未出现结合面断裂方式。

本发明方法主要用于汽车用6000系铝合金板与汽车覆盖件用热镀锌高强IF钢板的焊接。

本发明与现有的铝合金与高强钢异种材料电阻点焊的方法相比有以下优点：

1.实现形式简单，成本较低，便于操作，容易规模化生产应用。该中频点焊方法所选用的焊接设备为中频直流电阻点焊机，配套的焊钳为悬挂式，电极采用CuCr合金材质。利用普通数控车床或专用电极帽修整设备即可加工出经过优化的端面形状及尺寸的电极，并且电极端面在批量点焊过程中易于修整，有助于生产效率的提升。

2.与传统工频交流点焊相比，本发明的铝合金与镀锌高强钢异种材料中频电阻点焊具有焊接电流输出精确稳定、功率因数高、对称电网负载、对网压冲击较小、节约电能等特点，因此工艺过程稳定性高，抑制了点焊喷溅的产生，减小了电极与工件的合金化反应，降低了电极的烧损，并提升了点焊的表面质量。

3.通过采用优化的端面形貌的电极，可有效调整铝合金与高强钢结合面、电极与铝合金接触面、电极与镀锌高强钢接触面、铝合金板和高强钢板内的电流密度分布状态，从而减小中频电阻点焊过程中的喷溅的产生，防止工件与电极的粘连及合金化反应，减小铝合金侧焊点表面压痕深度；同时还可提高铝合金侧点焊熔核的尺寸，有效控制铝合金/镀锌高强钢界面金属间化合物的生长行为，减小脆性Fe_xAl_y金属间化合物的产生。在此基础上，通过点焊工艺参数的优化可以进一步抑制点焊缺陷的产生，提高点焊接头的强度。因此，本发明获得的铝合金与镀锌高强钢点焊接头质量优于采用传统的F型电极电阻点焊得到的点焊接头。

4.本发明的焊接过程中既不需要额外加入电极板以防止电极与工件的粘连，又不必填加铝/钢包覆板作为中间层辅助铝合金与镀锌高强钢的点焊以降低铝/钢界面金属间化合物层的厚度，因此本发明与这些相关研究报道相比具有工艺简单、生产效率高、成本低且点焊接头质量高等优点。

附图说明

图1铝合金与镀锌高强钢异种材料中频点焊过程示意图；其中：图(b)为图(a)中工件搭接结构的俯视图。

图中：1-镀锌高强钢板；2-铝合金板；3-铝合金熔核；4-铝合金侧球面电极；5-镀锌高强钢侧平端面电极；6-搭接区域。

图2铝合金/镀锌高强钢异种材料中频点焊接头表面成形照片；其中：(a)铝合金侧；(b)镀锌高强钢侧。

图3铝合金/镀锌高强钢异种材料中频点焊接头横断面宏观组织照片。

图4铝合金/镀锌高强钢异种材料中频点焊接头中部Al/Fe界面金属间化合物的扫描电镜照片。

图5铝合金/镀锌高强钢异种材料中频点焊接头中部Al/Fe界面区域微区X射线衍射分析结果。

图6铝合金/镀锌高强钢异种材料中频点焊接头的拉伸曲线。

图7铝合金/镀锌高强钢异种材料中频点焊接头的纽扣断裂后的形貌。

图8铝合金/镀锌高强钢异种材料中频点焊接头表面成形照片；其中：(a)铝合金侧；(b)镀锌高强钢侧。

图9铝合金/镀锌高强钢异种材料中频点焊接头横断面宏观组织照片。

图10铝合金/镀锌高强钢异种材料中频点焊接头中部Al/Fe界面金属间化合物的扫描电镜照片。

图11铝合金/镀锌高强钢异种材料中频点焊接头表面成形照片；其中：(a)铝合金侧；(b)镀锌高强钢侧。

图12铝合金/镀锌高强钢异种材料中频点焊接头横断面宏观组织照片。

图13铝合金/镀锌高强钢异种材料传统F型电极中频点焊接头表面成形照片；其中：(a)铝合金侧；(b)镀锌高强钢侧。

图14铝合金/镀锌高强钢异种材料传统F型电极中频点焊接头横断面宏观组织照片。

图15铝合金/镀锌高强钢异种材料传统F型电极中频点焊接头中部Al/Fe界面金属间化合物的扫描电镜照片。

图16铝合金/镀锌高强钢异种材料传统F型电极中频点焊接头中部Al/Fe界面区域微区X射线衍射分析结果。

图17铝合金/镀锌高强钢异种材料传统F型电极中频点焊接头的结合面断裂后的形貌。

具体实施方式

本发明采用经过优化的特殊端面形貌的点焊电极进行中频点焊，从而获得铝合金与镀锌高强钢异种材料的高质量中频点焊接头。所述铝合金与镀锌高强钢异种材料中频点焊过程如图1所示。本发明的具体实施过程如下：

首先将待焊镀锌高强钢板1表面经过丙酮清洗以去除油污，然后风干；然后利用机械打磨的方式(采用800号SiC砂纸手动研磨或利用附有砂轮磨头的打磨机打磨)以去除待焊铝合金板2表面致密的Al₂O₃氧化膜。电极材质选用CuCr合金，利用数控车床或专用电极帽修整机加工出优化的端面形状及尺寸的电极，即直径D2为30-100mm的球面电极4以及直径D1为8-15mm的平端面电极5，电极端面的粗糙度Ra值应低于0.8μm。焊接设备选用中频直流电阻点焊设备，其技术指标如下：初级电压为380V，初级频率为50Hz，次级频率为1kHz，次级短路电流最大为30kA，电极压力最大为9kN。将球面电极4和平端面电极5安装固定于中频直流电阻点焊设备的焊钳上，其中，平端面电极置于焊钳的固定端，球面电极置于焊钳的运动端，这种布置方式可保证待焊工件与电极作用时搭接结构的平稳性。将镀锌高强钢板1与铝合金板2搭接在一起放置于平端面电极上，平端面电极5位于所述镀锌高强钢板1表面搭接区域6的中心位置。根据所设定的中频点焊优化的工艺参数(点焊电流为10-26kA，焊接时间为0.05-0.4s，电极压力为1.0-5.0kN，预压时间为0.2-0.4s，维持时间为0.3-0.4s)在中频点焊设备的人机交互界面上进行相应的程序编程。对镀锌高强钢板1与铝合金板2搭接接头进行中频点焊，焊接过程参数通过预先编好的程序指令自动控制，即先后经过预压、焊接、维持三个阶段。焊接过程中，镀锌高强钢板1/铝合金板2界面处的铝合金熔化形成点焊熔核3，而镀锌高强钢侧未发生熔化；熔融的铝合金在镀锌高强钢表面快速铺展及润湿，在原子互扩散及界面反应的作用下形成冶金结合，最终得到镀锌高强钢板1与铝合金板2异种材料中频点焊接头。

下面结合具体实施例及对比例详细说明本发明。

实施例1

待焊镀锌高强钢板的化学成分为(wt.％)：C0.01％，Si0.09％，Mn0.51％，S0.01％，P0.05％，Nb0.02％，Ti0.01％，Fe余量；镀锌工艺采用双面热镀锌，镀锌层厚度为8μm；主要相结构为α-Fe，屈服强度为260MPa，抗拉强度为410MPa，延伸率为32％；镀锌高强钢板利用线切割加工成100mm×25mm×1mm。待焊铝合金板的化学成分为(wt.％)：Mg0.45％，Si0.56％，Cu0.15％，Mn0.45％，Zn0.01％，Fe0.19％，V0.08％，Ti0.02％，Al余量；初始供货态为T6态；主要相结构为α-Al，屈服强度为270MPa，抗拉强度为310MPa，延伸率为15％；铝合金板利用线切割加工成100mm×25mm×1.5mm。采用本发明的中频点焊方法进行焊接，其中，点焊电极材质为CuCr合金，铝合金侧电极为直径70mm的球面电极，镀锌高强钢侧电极为直径10mm的平端面电极，两种电极表面粗糙度Ra值均为0.8μm。中频点焊工艺参数选择如下：点焊电流为22kA，焊接时间为0.3s，电极压力为3.5kN，预压时间为0.4s，维持时间为0.4s。

试验结果表明，铝合金/镀锌高强钢异种材料中频点焊接头表面成形良好(如图2所示)，镀锌高强钢侧表面未发生与平端面电极的合金化反应，同时，铝合金侧表面出现圆形压痕，焊点中心未出现与球面电极的粘连。铝合金/镀锌高强钢异种材料中频点焊接头是通过熔化的铝合金在固态高强钢表面润湿铺展作用并伴随着原子的互扩散及界面反应而形成的，因此它属于熔—钎焊接头(图3)。如图3所示，点焊接头铝/钢界面处未出现缩孔、裂纹等缺陷，点焊接头铝合金熔核直径为10.1mm，铝合金侧表面压痕深度为铝合金板厚的17％。点焊接头中铝合金/镀锌高强钢界面产生了金属间化合物层，其厚度在接头中心处最高(4.0μm)(图4)。微区X射线衍射分析结果表明，金属间化合物由Fe₂Al₅和Fe₄Al₁₃组成(图5)。点焊接头拉剪力达到5400N(图6)，拉剪过程中接头以纽扣断裂形式破坏(图7)。

实施例2

待焊镀锌高强钢板及铝合金板的材质及工件尺寸均与实施例1相同。采用本发明的中频点焊方法进行焊接，其中，点焊电极材质为CuCr合金，铝合金侧电极为直径70mm的球面电极，镀锌高强钢侧电极为直径12mm的平端面电极，两种电极表面粗糙度Ra值均为0.8μm。中频点焊工艺参数选择如下：点焊电流为24kA，焊接时间为0.35s，电极压力为3.5kN，预压时间为0.4s，维持时间为0.4s。

试验结果表明，铝合金/镀锌高强钢异种材料中频点焊接头表面成形良好(如图8所示)，镀锌高强钢侧表面与铝合金侧表面均未出现与球面电极的粘连。点焊接头铝/钢界面处未出现缩孔与裂纹等缺陷，铝合金熔核直径为9.5mm，铝合金侧表面压痕深度为铝合金板厚的16％(图9)。点焊接头中铝合金/镀锌高强钢界面产生了金属间化合物层(Fe₂Al₅和Fe₄Al₁₃)，其厚度在接头中心处最高(3.8μm)(图10)。点焊接头拉剪力达到5000N，拉剪过程中接头以纽扣断裂形式破坏。

实施例3

待焊镀锌高强钢板及铝合金板的材质及工件尺寸均与实施例1相同。采用本发明的中频点焊方法进行焊接，其中，点焊电极材质为CuCr合金，铝合金侧电极为直径100mm的球面电极，镀锌高强钢侧电极为直径10mm的平端面电极，两种电极表面粗糙度Ra值均为0.8μm。中频点焊工艺参数选择如下：点焊电流为25kA，焊接时间为0.4s，电极压力为4kN，预压时间为0.4s，维持时间为0.4s。

试验结果表明，铝合金/镀锌高强钢异种材料中频点焊接头表面成形良好(如图11所示)，镀锌高强钢侧表面与铝合金侧表面均未出现与球面电极的粘连。点焊接头铝/钢界面处未出现缺陷，铝合金熔核直径为9.2mm，铝合金侧表面压痕深度为铝合金板厚的13.6％(图12)。点焊接头拉剪力达到5100N，拉剪过程中接头以纽扣断裂形式破坏。

对比例

待焊镀锌高强钢板及铝合金板的材质及工件尺寸均与实施例1相同。采用传统F型电极中频点焊方法进行焊接。优化的点焊工艺参数选择如下：点焊电流为9kA，焊接时间为0.3s，电极压力为3kN，预压时间为0.4s，维持时间为0.4s。

试验结果表明，铝合金/镀锌高强钢异种材料中频点焊接头表面成形较差(如图13所示)，镀锌高强钢侧表面出现与电极的合金化反应，铝合金侧表面出现与电极的粘连。点焊接头中铝合金熔核的直径为5.8mm(图14)，点焊接头铝/钢界面处产生厚度达13μm的金属间化合物层(如图15所示)。微区X射线衍射分析结果表明，金属间化合物由Fe₂Al₅和Fe₄Al₁₃组成(图16)。点焊接头拉剪力为3200N，拉剪过程中接头以结合面断裂形式破坏(图17)。因此采用本发明的中频点焊方法进行铝合金与镀锌高强钢板的焊接质量显著优于采用传统F型电极中频点焊方法。

Claims (10)

1.一种铝合金与镀锌高强钢异种材料中频点焊的方法，该方法是采用点焊电极对铝合金与镀锌高强钢施焊，从而获得铝合金与镀锌高强钢异种材料的中频点焊接头；其特征在于：所述点焊电极中：所述铝合金侧为直径30-100mm的球面电极，所述镀锌高强钢侧为直径8-15mm的平端面电极。

2.根据权利要求1所述的铝合金与镀锌高强钢异种材料中频点焊的方法，其特征在于：所述铝合金为6000系铝合金板，所述镀锌高强钢为热镀锌高强IF钢板。

3.根据权利要求1所述的铝合金与镀锌高强钢异种材料中频点焊的方法，其特征在于：所述点焊电极材质为CuCr合金。

4.根据权利要求1所述的铝合金与镀锌高强钢异种材料中频点焊的方法，其特征在于：所述球面电极和平端面电极表面粗糙度Ra值应低于0.8μm。

5.根据权利要求2所述的铝合金与镀锌高强钢异种材料中频点焊的方法，其特征在于：所述中频点焊过程为：所述铝合金表面经过机械打磨以除去致密的Al₂O₃氧化膜，所述镀锌高强钢表面经过丙酮清洗以去除油污；所述点焊电极安装于中频直流电阻点焊设备的焊钳上，其中，所述平端面电极置于焊钳的固定端，所述球面电极置于焊钳的运动端；将所述6000系铝合金板与所述热镀锌高强IF钢板搭接在一起放置于所述平端面电极上，所述平端面电极位于所述热镀锌高强IF钢板表面搭接区域中心位置；按照设定的中频点焊参数进行施焊，得到所述铝合金与镀锌高强钢异种材料中频点焊接头。

6.根据权利要求5所述的铝合金与镀锌高强钢异种材料中频点焊的方法，其特征在于：所述中频直流电阻点焊设备的初级电压为380V，初级频率为50Hz，次级频率为1kHz，次级短路电流为30kA，电极压力为9kN。

7.根据权利要求5所述的铝合金与镀锌高强钢异种材料中频点焊的方法，其特征在于：所述中频点焊的工艺参数为：点焊电流为10-26kA，焊接时间为0.05-0.4s，电极压力为1.0-5.0kN，预压时间为0.2-0.4s，维持时间为0.3-0.4s。

8.根据权利要求7所述的铝合金与镀锌高强钢异种材料中频点焊的方法，其特征在于：所述中频点焊过程中未发生点焊喷溅，所述铝合金与镀锌高强钢异种材料中频点焊接头表面未出现工件与电极的粘连及合金化反应，点焊接头中铝合金侧熔核的尺寸最大为10.1mm；所述铝合金与镀锌高强钢界面金属间化合物相组成为Fe₂Al₅和Fe₄Al₁₃，厚度小于4.0μm；所述铝合金侧表面压痕深度为铝合金板厚的17％，点焊接头的拉剪力最高可达5400N。

9.根据权利要求8所述的铝合金与镀锌高强钢异种材料中频点焊的方法，其特征在于：所述铝合金与镀锌高强钢异种材料中频点焊接头在拉剪试验过程中的破坏方式为纽扣断裂，裂纹沿点焊接头周边铝合金母材处扩展，未出现结合面断裂方式。

10.根据权利要求1所述的铝合金与镀锌高强钢异种材料中频点焊的方法，其特征在于：该方法用于汽车用6000系铝合金板与汽车覆盖件用热镀锌高强IF钢板的焊接。