铝_钢异种材料电阻点焊研究进展_陈亚军.pdf

2023，Vol.37，No.13wwwmater-repcom21080153-1基金项目:国家自然科学基金(11972364);中国博士后科学基金(2021M693472)This work was financially supported by the National Natural Science Foundation of China(11972364)and China Postdoctoral Science Foundation(2021M693472)yjchencauceducnDOI:10.11896/cldb.21080153铝/钢异种材料电阻点焊研究进展陈亚军1，李思伟2，孟宪明3，史丽婷3，肖泽文21中国民航大学中欧航空工程师学院，天津 3003002中国民航大学航空工程学院，天津 3003003中汽研(天津)汽车工程研究院有限公司，天津 300300铝/钢电阻点焊技术是促进铝/钢混合轻量化技术在汽车产业应用的关键技术之一，但铝合金与钢材的传热性、导电性和热膨胀性的差异较大，且电阻点焊接头界面会生成脆性的金属间化合物(IMC)层，因此难以形成良好焊接。近年来，改进设计后的电极提高了铝/钢电阻点焊的焊接性能，并且由于焊接工艺的优化，实现了铝/钢电阻点焊的高质量连接。学者们探究了铝/钢接头界面 IMC 的生长机理和接头的断裂失效机理，也研究了IMC 厚度、熔核直径、钢涂层类型、焊接工况和腐蚀对点焊接头性能的影响，并通过优化焊接参数、引入垫片或中间层及复合焊接等方式来提高焊接质量，以最终指导铝/钢电阻点焊焊接工艺设计并推动其工程应用。本文主要从 IMC 的生长机理、接头断裂失效行为、焊接质量的影响因素、工艺优化方法和焊接仿真分析等方面综述铝/钢异种材料电阻点焊的研究进展。关键词铝/钢异种材料电阻点焊金属间化合物失效机理力学性能中图分类号:TG453文献标识码:Aesearch Progress of esistance Spot Welding of Aluminum/Steel Dissimilar MetalsCHEN Yajun1，LI Siwei2，MENG Xianming3，SHI Liting3，XIAO Zewen21Sino-European Institute of Aviation Engineering，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China2College of Aeronautical Engineering，Civil Aviation University of China，Tianjin 300300，China3CATAC(Tianjin)Automotive Engineering esearch Institute Co，Ltd，Tianjin 300300，ChinaAluminum/steel resistance spot welding(SW)is an important technology to promote the application of lightweight materials in automotive in-dustries However，aluminum alloys and steels are significantly different with each other in thermal conductivity，electrical conductivity andthermal expansion Moreover，a brittle layer of Al-Fe intermetallic compound(IMC)is prone to form at the Al/steel faying interface These disad-vantages make it quite challenging to obtain sound welding joints between aluminum alloys and steels In recent years，the improved design ofelectrodes have enhanced the welding performance of Al/steel SW，which combined with the process optimization leads to achieving acceptablequality of Al/steel SW esearchers revealed the growth mechanism of IMC and the fracture failure mechanism of aluminum/steel SW jointsThe influence of IMC thickness，weld nugget diameter，the steel coating types，welding production conditions and corrosion on the quality of alu-minum/steel SW joints were studied in detail Various methods have also been proposed to improve the welding quality，such as optimizing thewelding parameters，employing the cover plate or interlayer and hybrid welding，which ultimately guide the design of welding process and promotethe application of aluminum/steel SW in automotive industries This contribution gives a review of the global research in Al/steel dissimilar SWIt mainly focuses on the micro-level causal occurrences of IMC growth，fracture behavior of welded joints，factors influencing welding quality，process optimization methods，and simulation analysis of weldingKey wordsaluminum/steel dissimilar materials，resistance spot welding，intermetallic compound，failure mechanism，mechanical property0引言为应对全球能源和环境问题，各国推出严格的 CO2排放和燃油经济性法规，同时我国承诺“CO2排放力争于 2030 年达峰，于 2060 年实现碳中和”，并将其列为 2021 年重点工作之一。汽车行业将是实现这一目标的重要一环，作为汽车行业“五化”之一，汽车轻量化是实现碳达峰和碳中和的有效途径。在行业轻量化趋势下，汽车制造商越来越多地在不损失车身安全性能的前提下尝试新的方法来减轻车身质量。在汽车轻量化方面的一个突出的发展方向是使用轻质材料代替传统软钢，如采用 800 MPa 以上的高强钢(双相钢、热成型钢等)，以及 5000 系列和 6000 系列铝合金。铝的密度约为钢的 1/3，通过使用铝合金代替钢，零件质量可减少约 50%，因此采用低密度的铝合金使得汽车轻量化成为可能1。汽车车身大多由 0815 mm 厚的钢板制成，此外，一些轻型汽车使用 13 mm 厚的铝合金板2。铝合金和钢的连接方式目前包括自冲铆接(Self-piercing riveting，SP)、冲压连接(Clinching)、热熔自攻丝(Flow drill screws，FDS)、激光钎焊等，这些方式的连接效果有待进一步提高，且设备成本高。因为电阻点焊技术(esistance spot welding，SW)具有生产效率高、操作简单和易于实现自动化等优点，所以至今仍是汽车车身生产的主要焊接方法3。据统计，一辆钢制车身上面有 4 0007 000 个焊点4。若能采用电阻点焊技术焊接铝合金和钢，则无需汽车制造商更改已有连接生产线，能节省大量人力物力投资。因此，研究铝/钢异种材料电阻点焊具有十分重要的意义。铝合金与钢在熔点、导电性、导热性和热膨胀系数等物理性能参数方面存在很大的差异，二者形成良好焊接十分困21080153-2难，且焊接时在铝/钢界面会产生脆性的金属间化合物层(In-termetallic compound，IMC)，其会对铝/钢电阻点焊接头的力学性能产生不利影响5，因此需对铝/钢电阻点焊技术进行广泛研究以获得满足实际应用强度的接头。本文综述了铝/钢电阻点焊技术的发展和近几年在此领域内的相关研究，最后提出了未来的相关研究方向。1铝/钢异种材料电阻点焊的历史沿革电阻点焊技术由 Thomson E 于 1877 年发明，并逐渐在汽车、轨道交通、航空航天、电器等领域得到了广泛的应用6。电阻点焊方法是将焊接件压紧于两电极之间，利用通电后产生的电阻热熔化母材金属，断电后，熔化的母材金属冷却凝固，从而形成电阻点焊接头，点焊过程如图 1 所示。这种方法操作简单，生产效率高，易于实现自动化生产。图 1电阻点焊过程Fig1esistance spot welding process铝合金表面极易生成氧化铝薄膜，焊接时因其熔点高(约 2 050)而难以熔化，导致焊后接头质量下降，如熔核内部产生气孔、高电阻热导致 IMC 厚度增厚、熔融铝合金飞溅等。为保证焊接质量，焊前通常采用化学清洗或机械清洗去除铝合金表面氧化膜。而清洗后的铝合金表面氧化迅速，因此对清洗后的铝合金在空气中的保持时间也有严格要求7。此外，铝合金的清洗工作也会耗费大量人力和物力。直到 20 世纪 70 年代，Dewey 等8 考虑到化学清洗等方法存在较多缺点，提出了从焊接电极入手的方法，即通过电极头的压力与焊接电流的平衡作用以期获得具有大熔核尺寸、高强度的点焊接头。2005 年，Fronius 公司设计了 Delta Spot 电极带式电阻点焊机，其能通过可转动的电极带来确保电极不受污染并提高焊接精度，还可调整电极两端电极带的材料或厚度，使焊接不同电阻率的异种材料时达到电阻热平衡，获得上下对称的熔核4。2010 年，通 用 公 司 选 择 冷 弯 型C15000 高铜合金作为电极头的材料，设计了两种电极头:喷砂处理的平顶电极和 多 环 圆 顶 电 极(Multi-ring domed，MD)9。这两种电极头都能穿透铝板表面的氧化层，具有良好的焊接性能，焊接后的电极表面可能磨损或与熔融铝合金反应生成合金化合物，而 MD 电极表面具有规则圆环，因此其比喷砂处理的平顶电极更容易修磨。除了对电极头的设计，在焊接工艺方面，通用公司设计了焊接薄板铝合金的三步骤焊接工艺，即调节阶段(Conditioning)、熔核成形阶段(Shaping)和熔核尺寸确定阶段(Sizing)10。且在 2015 至 2018 年间，通用汽车公司也为铝/钢电阻点焊在汽车制造中的应用设计了三种混合点焊方法。第一种方法是在铝合金和钢侧采用不同的电极，Yang 等11 在铝合金侧使用环形电极，增加钢侧电流密度，使钢侧热量集中且提高焊接件中的温度梯度，以使熔融铝合金发生定向凝固，从而使得缺陷出现在熔核中心，降低其对接头性能的损害。Haselhuhn等12 通过将铝合金侧与 MD 电极接触、钢侧与圆头电极接触，使接头熔核直径更大且 IMC 层更薄