資源緊缺和環(huán)境危機是當前全球制造業(yè)共同面對的兩大嚴峻問題,汽車制造業(yè)作為作為世界上規(guī)模最大、最重要的產(chǎn)業(yè)之一,已經(jīng)在往“輕量化制造”和“新能源”的方向發(fā)展。在汽車輕量化的進程中,鋼鋁一體化車身結構不失為一個首選方案,而電阻點焊由于其高效率、高自動化程度、適應性好、成本低等優(yōu)點,仍作為汽車白車身制造中不可或缺的關鍵技術之一。然而,鋼和鋁的熱物理性能相差較大,在焊接時極易產(chǎn)生脆硬的界面反應物(intermetallic compound,IMC)而發(fā)生失效,阻礙鋼鋁一體化車身結構的發(fā)展。由此,實現(xiàn)鋼鋁異種金屬的電阻點焊連接、獲得穩(wěn)定可靠的點焊接頭,對推進汽車輕量化的進程有著重大的意義。本文以1.2mm厚DP590高強鍍鋅鋼板材和1.2mm厚6061-T6鋁合金板材作為研究對象,采用自主設計的不同端面形狀電極——環(huán)形電極(ring-spherical electrode,RSE)和球形電極(spherical electrode,SE),采用鋁板在上接正極、鋼板在下接負極的疊放次序在不同的焊接條件下進行多組點焊實驗,并提出用去量綱化的變異系數(shù)(coefficient of variation,C.V)作為判斷鋼鋁異種金屬電阻點焊接頭穩(wěn)定性的指標,結合電阻點焊專業(yè)模擬軟件SORPAS的結果,綜合分析不同焊接條件下異種金屬點焊性能和界面行為的差異機理。在電極端面形狀影響的研究中發(fā)現(xiàn),自主設計的RSE型電極在單脈沖條件下獲得的點焊接頭相比SE型電極在熔核直徑、接頭強度及其變異系數(shù)、斷裂模式等方面具有更為優(yōu)良的性能,且在兩種電流模式下的點焊接頭裂紋風險因子(cracking risk factor,CRF)值均比SE型電極點焊接頭的CRF值低,這意味著電極端面的環(huán)狀設計對降低點焊接頭開裂傾向性有積極作用。本文研究了不同電流模式對鋼鋁點焊的界面行為及接頭強度的影響規(guī)律。采用單脈沖時RSE型電極點焊接頭IMC厚度小于2μm且分布均勻;SE型電極點焊接頭IMC厚度大于2μm、呈鋸齒狀分布,其接頭強度和穩(wěn)定性均較低。相比于單脈沖,多脈沖模式下增加了RSE型電極點焊接頭拉剪強度變異系數(shù),不利于接頭強度穩(wěn)定性;多脈沖下界面溫度曲線呈“脈沖性”變化,對形成較厚的IMC層有促進作用,其點焊接頭界面IMC厚度分布較為均勻,厚度比單脈沖模式下厚約1.9~5.7μm,不利于接頭強度升高。在附加鍛壓力影響研究中發(fā)現(xiàn),附加鍛壓力后鋼鋁點焊接頭的最大拉剪載荷提高63.8%,在電流較小時,一定范圍內合適的高鍛壓力可以提升接頭的抗拉剪能力,而鍛壓力過大會造成焊點表面的壓痕率增加,對焊點的合格不利;因此,合適的附加鍛壓力對點焊接頭強度有積極影響。相同熔核直徑范圍內,鋼表面不同狀態(tài)下的點焊接頭拉剪載荷高低排序為:有鍍鋅無鍍層噴丸,這主要與界面反應物有關。噴丸處理對改善鋼鋁點焊接頭性能沒有積極作用,是因為噴丸處理使得鋼鋁界面產(chǎn)生了較厚的IMC;無鍍鋅層的鋼鋁點焊接頭拉剪載荷和熔核直徑均降低;有鍍層狀態(tài)下點焊接頭強度較高,其點焊性能更優(yōu)。針對1.2mm厚的DP590鍍鋅鋼與6061-T6鋁合金電阻點焊,采用自主設計的氧化鋁-銅RSE型電極,在單脈沖(焊接時間300ms,焊接電流12.0~13.0kA,電極壓力3500N)的情況下可獲得較高的點焊接頭拉剪載荷和較薄的界面IMC,且接頭的裂紋風險因子較小;附加鍛壓力(0.26~0.28MPa)后可顯著提高接頭的拉剪強度。
【學位單位】：上海交通大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TG453.9
【部分圖文】：

圖 1-1 激光搭接與對接焊接示意圖Fig.1-1 Schematic diagram of laser lap and butt weldingSun JunHao[24]等人采用激光焊研究AA6013鋁合金和Q235低碳鋼的連接時，通過合理調整焊接參數(shù)獲得了性能可觀的焊接接頭，即激光功率為 3.05kW、送絲速度為 6m/min和 0.5mm 的偏距時。此外，鋼鋁界面的“釬焊區(qū)”是焊接接頭的薄弱部分，界面生成的 IMC 包括靠近鋼基體的均勻 Fe2Al5 和靠近鋁熔核的針狀 FeAl3，總厚度范圍 1.8~6.2μm。裂紋從靠近鋁熔核的 IMC 處萌生擴展，斷口最終呈典型的解理斷裂。A. Kouadri-David[25]等在激光焊接 DP600 鍍鋅鋼和 6082鋁合金時通過控制熔深和參數(shù)獲得了剪切強度為 140MPa 的焊接接頭，并使用額外的夾具裝置控制板件間隙后，接頭強度增加到 200MPa。但是激光焊接也有一定的局限性，例如設備配件價格昂貴，經(jīng)濟效益低；熔深限制材料的厚度；工件精度要求高，如果光束有偏移，容易造成焊接缺陷等，因此阻礙了激光焊接在汽車生產(chǎn)工藝中的大規(guī)模應用。(2). 超聲波點焊

鋁側金屬溫度增長至其熔點并發(fā)生金屬熔融化，此刻鋼側金屬溫度仍未達到熔點，保持固態(tài)，此時的焊接狀態(tài)是熔融的鋁在固態(tài)鋼表面的鋪展和潤濕并從鋼側吸收了大量熱能；c.焊接后期，隨著熱源的撤銷，鋼側金屬內部開始內而外發(fā)生凝固，鋁側金屬則以鋼-鋁界面為中心向外發(fā)生凝固。萬子軒[48]使用ANSYS 軟件更為精確地模擬鋼鋁點焊過程的溫度場變化，很好的解釋了靠近鋼鋁界面的鋁熔核和鋼板內部的鋼側熔核的雙熔核現(xiàn)象：他指出鋼板在整個點焊程中提供了約 75%的熱量，鋁板在焊接時升溫、熔化所需要的能量都主要依靠鋼板得散熱，而非本身電阻的產(chǎn)熱。(4). 失效形式的研究日本 I. Ibrahim等學者[38]研究鋼鋁異種金屬點焊接頭斷裂行為時指出焊點的疲勞斷裂模式跟載荷高低有關，且有三種典型的斷裂方式，即紐扣斷裂模式（載荷大于 3000N），剪切斷裂模式（載荷在 2250N~3000N 之間）及鋁板厚度斷裂式（載荷小于 2250N），且斷裂模式的轉變與熔核在載荷下的扭矩大小有關，如圖 1-2 所示。此外，他們還發(fā)現(xiàn)與 FSSW 的相同焊點相比，電阻點焊的斷裂強更高。

種金屬連接界面反應研究現(xiàn)狀可知，鋼鋁點焊在界面處產(chǎn)生的脆性化合物是制約其接重要因素之一，為了獲得良好可靠的接頭，對其界面反也是必不可少的，國內外也有大量學者在這方面做了很面反應產(chǎn)物的研究兩種元素的固溶度很低，主要以金屬間化合物（鐵鋁化-3 為 Fe-Al 的二元相圖，由圖可知，當鋁元素的原子，鋼鋁之間容易產(chǎn)生以 FeAl2，F(xiàn)e2Al5，F(xiàn)eAl3 為主要成C）。相關的文獻表明[52]，IMC 的性能與其中 Fe 原子的量增加時，其 IMC 的抗拉強度和塑性有所提高，對焊；當 Fe 原子含量減小而 Al原子含量增加時，IMC 層則化焊接接頭的力學性能。

【參考文獻】

相關期刊論文 前10條

1 冀春濤;陶云;周曦文;;鍍鋅鋼-2024鋁合金異種金屬的電阻點焊[J];熱加工工藝;2015年07期

2 江大志;鞠蘇;張鑒煒;肖加余;;復合材料結構輕量化方法及技術[J];玻璃鋼/復合材料;2014年09期

3 陳益平;曾敏;程東海;胡德安;;鋁/鋼異種材料點焊接頭的力學性能分析[J];熱加工工藝;2014年05期

4 石s

本文編號：2807953