单位文秘网 2021-07-23 08:09:49 点击: 次
组织与性能的影响。 结果表明:采用厚度为50 μm铜中间层,点焊接头主要由两部分组成,分别为熔核区与界面区,实质为熔-钎焊特征。当预热电流为8 kA、预热时间为20 cycle、焊接电流为16 kA、焊接时间为15 cycle、电极压力2.7 kN时,接头拉伸力达到最大值为4.32 kN,为纽扣断裂,较之未加铜片拉伸力提高约14%,且塑韧性提高。
关键词:熔-钎焊;高强钢;纽扣断裂;塑韧性
中图分类号:TG 453
Abstract: The effects of a copper foil with thickness of 50 μm on microstructures and properties of dissimilar metal resistance spot welding of 6061-T6 aluminum alloy and TRIP980 high-strength steel are studied. The results show that the spot welded joint with the thickness of 50 μm copper intermediate layer is mainly composed of two parts, namely the nugget zone and the interface zone. The spot welding is characterized by fusion-brazing. When the preheating current is 8 kA, the preheating time is 20 cycle, the welding current is 16 kA,the welding time is 15 cycle and electrode pressure is 2.7 kN, the drawing force of the joint reaches a maximum of 4.32 kN, indicating button fracture, which is about 14% higher in drawing force than that without copper sheet. The ductility and toughness of the spot welded joint is improved.
Key words: fusion-brazing; high strength steel; button fracture; ductility and toughness
0 前言
近些年由于能源危机与汽车尾气排放量等问题日益严峻,汽车轻量化受到人们越来越多的关注[1-2]。 其中,铝合金与高强钢连接是汽车轻量化发展的重要研究方向。 然而对于两者来说,由于冶金相容性差导致界面易生成厚而脆的Fe-Al金属间化合物[3],从而恶化接头的力学性能。 对此,研究学者探讨了激光钎焊[4-5]、爆炸焊[6]、搅拌摩擦焊[7-8]等适合于铝/钢异种连接方法,但是由于成本和技术的适用性方面,限制了这些技术的广泛应用。
电阻点焊具有成本低、自动化程度高等优点,是当前汽车车身薄板的主要焊接方法[9]。为了实现节能减排,崇玉良等人[10]对DP590高强双相钢与6061铝合金进行了电阻点焊试验,接头最大拉伸力达到3 kN,断裂于铝母材一侧。 石红信等人[11]对铝合金与不锈钢进行了异种焊接,表明界面反应层能减弱接头抗拉强度。 但是,如果铝/钢直接进行异种焊接,工艺窗口范围小,焊接质量不易控制,且接头脆性大。 而采用中间夹层,可以对铝/钢异种接头性能有一定的改善。 H.Oikawa等人[12]使用0.77 mm的铝包钢板作为夹层,采用复合板的拉伸性能远远优于无夹层的拉伸性能。 I. Ibrahim等人[13]在奥氏体不锈钢与6061铝合金之间采用80 μm的Al-Mg中间层进行连接,接头实现了良好的连接。
采用汽车广泛使用的6061-T6铝合金与TRIP980高强钢,研究了中间层铜对铝/钢异种金属点焊接头性能的影响,分析点焊接头断裂机理,改善铝合金与高强钢异种金属点焊接头脆性大等问题,为汽车轻量化应用提供了理论与试验依据。
1 试验材料与方法
试验材料分别选用2.0 mm厚的6061-T6铝合金与1.5 mm厚的TRIP980高强钢,纯铜中间层厚度为50 μm,主要化学成分见表1。 试验采用军宏机械公司生产的DN-50B型工频电阻点焊机,额定功率50 kVA,额定电压380 V。选用Cu-Cr电极头,端面直径为8 mm。 铝/钢试样尺寸选用100 mm×30 mm,搭接长度为30 mm,纯铜中间层尺寸为30 mm×30 mm。 焊前采用角磨机去除铝/钢边上的毛刺,且用砂纸去除表面氧化膜,然后用无水乙醇及丙酮擦拭试样表面杂质与油污。 试样搭接方式如图1所示。
焊接试验分别对预热电流、预热时间、焊接电流、焊接时间、电极压力进行参数优化,对焊后试样在室温条件下以2 mm/min的速率进行拉伸试验,拉伸结果取相同参数下3组数据平均值作为标准。 垂直于接头界面,沿焊点中心切取试样,进行研磨、抛光,对铝/钢两侧分别采用Keller试剂与4%的硝酸酒精进行腐蚀,采用金相显微镜、S-400型扫描电镜观察熔核区、界面区微观组织形貌,并对界面成分进行分析。
为了研究对比对未添加铜片和添加铜片后的铝合金/高强鋼异种金属电阻点焊进行了硬度测试与力学性能试验,未加铜的焊接电流为9.5 kA、焊接时间为35 cycle、电极压力为1.5 kN,观察有无添加铜片对点焊接头性能的影响。
2 试验结果与分析
2.1 点焊接头组织结构与特点
图2为纯铜中间层下铝/钢点焊接头横截面形貌。 由图观察可知,铝/钢界面间存在明显的分界线,由液态的铝合金在固态钢表面通过润湿铺展反应而成,实质为熔-钎焊。
图3对应于图2中C区域,为添加铜片后铝合金界面区域显微组织。 由图3观察可知,铝合金界面中心处为密集分布的树枝晶,一方面是因为热输入的提高 导致实际冷却过程中的温度梯度增大;另一方面在实际冷却过程中,铜片的加入易于产生溶质富集区,导致成分过冷,从而为枝状晶的生成提供有利的条件。
图4对应于图2中D区域,为高强钢一侧界面区域显微组织。 该区域温度处于Ac3线以下,相对于原始母材组织,奥氏体晶粒明显减少,此现象是由于该区域温度梯度大,奥氏体在冷却过程中不稳定所致。
图5为界面中心与界面边缘区域SEM图像,对应于图2中A,B区域。 由图5观察可知,界面呈不规则状,靠近铝合金一侧呈针状凸起结构,靠近高强钢一侧呈扁平舌状结构,为典型的双层结构形貌。 界面中心平均厚度为3 μm,界面边缘平均厚度为2.5 μm,这主要是由于中心区域温度集中,温度高于界面边缘区域[14],且在高温阶段界面层反应时间大于界面边缘区域,导致界面层呈中心高边缘低“丘陵状”分布。
为了进一步说明加铜后对铝/钢点焊接头界面的影响机理,分别对界面进行点、线、面扫描分析。 图6为加铜后铝/钢点焊接头界面线扫描示意图。由图6可知,铜片的加入促进了Cu元素与Al元素的结合,而与Fe元素发生结合的几率较小,根据Al-Cu二元相图,在482 ℃左右发生共晶反应,一方面降低了Al-Cu界面实际温度,增加了在铝/钢界面反应初期在钢侧表面的润湿率;另一方面,Al,Cu元素在较低温度下发生冶金结合,极大地促进了Cu元素与Al元素扩散结合的机率。 相关文献[15]表明,在Fe,Al元素相互擴散过程中,Cu元素的加入置换了一部分Fe-Al电子对中的Fe元素,形成Fe-Al-Cu三元化合物。
为了说明界面金属间化合物的具体成分,分别对图6中G1,G2处进行点能谱测试,结果见表2。
根据表2所示,铜片的加入对Al元素含量几乎没有影响,而Fe元素的含量较未加铜片显著降低,尤其是G1点处的Fe元素含量下降至3.46%,下降趋势较为明显。 主要是由于Cu元素在Fe-Al界面进行原子扩散的过程中,一部分抑制了Fe元素向铝合金一侧的扩散,而另一部分在Fe-Al金属间化合物生成的过程中,与Fe元素发生置换,从而降低了Fe元素的含量,形成Fe-Al-Cu三元化合物。 根据表中所示元素含量之间的比例,认为G1处为(Fe,Cu)Al3,G2处为(Fe,Cu)2Al5。
图7为加铜后铝/钢点焊接头界面面扫描示意图。 由图可知,大部分Cu元素聚集于铝合金一侧和铝/钢界面处,而在高强钢界面一侧Cu元素含量显示非常少,与上述所示结果一致。
2.2 力学性能
基于前期研究结果,在预热电流为8 kA、预热时间为20 cycle、焊接电流为16 kA、焊接时间为15 cycle的条件基础上,研究了电极压力对铝/钢点焊接头力学性能的影响。
图8为有无加铜对铝/钢点焊接头距界面区对比曲线。由图8可以看出,铝合金一侧平均硬度值维持在120 HV左右,硬度值随距界面中心越近呈急剧增加的趋势。 但与未加铜片所不同的是,靠近高强钢一侧界面的平均硬度值在400 HV左右,小于未加铜片的界面硬度值600 HV,铝合金界面一侧变化不明显。 产生此种现象的主要原因是由于铜片的加入改变了界面金属间化合物的成分,在降低Fe元素含量的同时形成Fe-Al-Cu三元化合物,较之前者具有更好的金属性,而且Cu元素的加入降低了接头脆性。
图9为不同电极压力对铝/钢点焊接头拉伸力与熔核直径的影响。 由图9可知,随着电极压力的增加,拉伸力呈先增后降的趋势,当电极压力为2.7 kN时,拉伸力增至4.32 kN,形成纽扣断裂,同时满足点焊要求的熔核直径大于4t[16](t为板厚);熔核直径随着电极压力的增加熔核直径呈减小趋势,但变化幅度比较小。 电极压力增加,实际接触电阻的降低导致焊接热输入减少,一方面降低了焊后的冷却速度;另一方面在焊接过程中,电极压力的增加有效地减少焊接飞溅现象,提高了焊接质量,并且有效的降低焊后结晶应力,拉伸力进一步提高,增至为4.32 kN,较之未添加铜片提高14%(3.79 kN),实现纽扣断裂。 图10为对应参数下点焊接头界面形貌。
2.3 断口形貌
为了进一步分析点焊接头断裂机制,对其进行断口形貌观察。 图11为钢一侧界面断口形貌。 由图11a可知,高强钢一侧断口表明有两个区域组成,分别为内部凸起的A区域,以及边缘呈撕裂状的B区域。 由图11b A区域的断口形貌放大图可知,整个A区域呈撕裂状,并伴有韧窝出现。 而B区域断口形貌放大图,如图11c所示,可以明显的看见撕裂纹周围分布着较为密集的韧窝,但是深度较小,呈韧脆混合断裂。 较之未加铜片点焊接头的断裂机制,塑韧性已经有了较为明显的改善。
图12 铝合金一侧断口形貌一侧宏观断口形貌图可知,这个断裂区域分为两个部分,分别为呈黑色块状的A区域,以及呈白色条纹状的B区域。 对A区域进一步放大可知,如图12b所示,整个断裂面呈密集分布的韧窝状分布,但是深度较浅。 B区域的断口放大形貌如图12c所示,属于典型的沿晶断裂,该区域所能承受的载荷强度较低,属于接头软化区,呈韧脆混合断裂。 由以上关于添加铜片优化参数后的断口形貌分析可知,说明铝/钢界面添加铜片在拉伸力提高的同时改善了接头的塑韧性。
3 结论
(1)Cu的加入改变了金属间化合物成分,置换了一部分Fe-Al电子对中的Fe元素,形成Fe-Al-Cu三元化合物,使其具有良好的综合性能,高强钢界面硬度值降低至400 HV,改善了接头脆性使其塑韧性提高。
(2)通过优化参数,在预热电流为8 kA、预热时间为20 cycle、焊接电流为16 kA、焊接时间为15 cycle、电极压力为2.7 kN条件下拉伸力达到最大值为4.32 kN,较之未添加铜片提高14%。
(3)Cu的加入在提高点焊接头拉伸力的条件下可以有效地改善其接头的塑韧性,断裂方式为纽扣断裂,呈韧脆混合断裂。
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