合金元素對鋁合金點焊銅電極壽命的控制機理研究

《合金元素對鋁合金點焊銅電極壽命的控制機理研究》是依託上海交通大學，由張超群擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：合金元素對鋁合金點焊銅電極壽命的控制機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：張超群
• 依託單位：上海交通大學

項目摘要

鋁合金是汽車車身輕量化的重要手段。自沖鉚接是現階段鋁合金連線的主要工藝，但是成本很高，無法大規模套用，使得傳統的電阻點焊工藝成為鋁車身焊接的新選擇。然而鋁合金點焊時鋁與銅電極之間的快速化學反應會在銅電極表面生成一層脆性大、電阻率高、導熱性差的鋁銅金屬間化合物，這層化合物會導致焊接過程中銅電極表面溫度過高，進而導致銅電極迅速磨損失效、壽命極短，同時對焊接質量產生不良影響。針對鋁合金點焊時銅電極帽壽命極短、電極表面鋁銅脆性金屬間化合物快速生長的問題，本項目提出向銅電極材料中添加特定合金元素抑制金屬間化合物層生長，通過使用透射電子顯微鏡等先進分析手段，在微納尺度上揭示不同合金元素對鋁銅金屬間化合物生長的抑制機理，建立考慮合金元素影響的化合物層生長動力學方程。通過合金成分綜合最佳化，形成電導率和強度滿足使用要求同時壽命顯著提高的銅電極合金設計方案。本項目將為鋁合金電阻點焊工藝的工業套用奠定理論基礎。

結題摘要

在汽車車身結構輕量化趨勢的主導下，鋁合金因其較高的比強度，以及優異的耐蝕性能正在逐步套用於汽車白車身的製造。電阻點焊因為其低成本、高效率、容易實現自動化及較好的適應性等特性被廣泛套用於鋼材的焊接中。然而鋁合金的特有物理化學性質卻給汽車工業套用最廣泛的連線技術，電阻點焊，帶來了極大的挑戰。自沖鉚接是現階段鋁合金連線的主要工藝，但是成本很高，無法大規模套用，使得傳統的電阻點焊工藝成為鋁車身焊接的新選擇。然而鋁合金點焊時鋁與銅電極之間的快速化學反應會在銅電極表面生成一層脆性大、電阻率高、導熱性差的鋁銅金屬間化合物，這層化合物會導致焊接過程中銅電極表面溫度過高，進而導致銅電極迅速磨損失效、壽命極短，同時對焊接質量產生不良影響。本項目主要針對鋁合金電阻點焊傳統電極極易合金化和點蝕的問題，開發了一種由新型高導碲鉻銅合金製備的電阻點焊銅電極。通過對比研究新型碲鉻銅電極與現有銅電極經過焊接得到焊點的熔核直徑、拉剪強度、接觸電阻以及通過雷射共聚焦CLSM掃描得到的點蝕體積等數據隨著焊接次數的變化規律，分析證明了新開發的碲鉻銅電極相較於傳統鉻鋯銅電極具有更長的電極壽命和更穩定的焊點強度。最終通過鋁銅界面金屬間化合物的生長規律揭示了電極壽命延長的原因。本項目通過EDS、XRD、EBSD和TEM等手段鑑定了鋁銅界面IMC層的物相組成為：Al4Cu9 (γ2)，Al2Cu3 (δ)和Al2Cu (θ)。通過不同溫度和擴散時間下的IMC層厚度計算了鋁銅IMC擴散激活能，為研究鋁銅界面IMC層的生長奠定了幾次。通過IMC厚度、材料的導電性和硬度等數據的對比，確定了碲Te和鉻Cr元素作為銅合金的添加元素，並設計出了適宜的合金元素添加方案。本項目通過上述的合金成分綜合最佳化，形成了電導率和強度滿足使用要求同時壽命顯著提高的銅電極合金設計方案。項目研究成果將為鋁合金電阻點焊工藝的工業套用奠定理論基礎。