鋼/鋁異種金屬電阻點焊的焊接性及實用化基礎研究

《鋼/鋁異種金屬電阻點焊的焊接性及實用化基礎研究》是依託吉林大學，由孫大千擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：鋼/鋁異種金屬電阻點焊的焊接性及實用化基礎研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：孫大千
• 依託單位：吉林大學

項目摘要

系統地研究鋼/鋁異種金屬點焊溫度場特點、熔核形成過程及微觀結構、鋼/鋁界面原子互擴散行為、界面反應機理及金屬間化合物層生長機制、接頭裂紋特徵及形成機理、接頭力學性能特點，從本質上揭示鋼/鋁點焊的焊接性特點。提出點焊熔核變質處理思想，研究變質劑成分和添加方法對鋼/鋁界面金屬間化合物、熔核微觀結構、裂紋敏感性及接頭力學性能的影響規律，揭示變質機理，最佳化變質劑成分，評價變質劑添加方法的實用性，完善熔核變質處理點焊技術。研究點焊參數、電極形狀及焊後熱處理對鋼/鋁點焊溫度場、熔核直徑、微觀結構、界面金屬間化合物層厚度、裂紋敏感性及接頭力學性能的影響規律，揭示其影響機理。建立接頭力學性能與點焊參數關係數學模型，實現電阻點焊參數最佳化和接頭質量控制。本項目研究成果不僅可豐富材料焊接基本理論，而且有利於促進鋼/鋁異種金屬焊接技術和汽車輕量化技術的發展，具有重要的理論意義和實用價值。

結題摘要

本項目系統地研究了高強鋼-鋁合金異種金屬電阻點焊的焊接性及焊接技術基礎。結果表明，鋼-鋁點焊溫度場及接頭微觀組織分布是不均勻的。鋁熔核由胞狀晶、胞狀樹枝晶和樹枝晶組成。點焊過程中，鋼/鋁界面區發生Fe、Al原子的互擴散，形成具有雙層結構特徵（Fe2Al5和Fe4Al13）的金屬間化合物（IMC）層。基於IMC生長熱力學、動力學分析，揭示了鋼/鋁界面反應機理，提出了界面IMC生長模型。鋼-鋁點焊接頭具有二種斷裂模式（界面斷裂和紐扣斷裂），界面脆硬的IMC層和鋁合金HAZ是影響接頭性能的主要因素。鋼-鋁接頭裂紋易在界面IMC層中萌生、擴展，主要歸因於高的焊接拉應力和界面區脆化。點焊參數、電極形狀及熔核變質處理對鋼-鋁電阻點焊質量具有明顯的影響。在F型電極條件下，隨著焊接電流（時間）增加，界面溫度、熔核直徑、IMC層厚度及接頭拉剪力（3.3kN）增加，但過大的焊接電流（＞9kA）或過長的焊接時間（＞250ms）導致拉剪力減小。這主要歸因於提高界面溫度促進Fe、Al原子的互擴散和IMC層生長。研究揭示了電極形狀對溫度場、熔核直徑、界面IMC層厚度、接頭微觀結構及力學性能的影響規律及影響機理，獲得的最佳化電極為：高強鋼側為圓形平面電極，電極直徑10mm；鋁合金側為球面電極，球面半徑35mm。在最佳化電極條件下，鋼-鋁接頭拉剪力增至5.4kN。研究結果表明，採用Zn、Ti、Ni、Cu、Si粉末和Cu、Al-12%Si中間層實現熔核變質處理有利於抑制IMC層生長，改善鋼-鋁接頭的力學性能，主要歸因於變質劑元素偏聚於IMC晶體表面，阻隔了Fe、Al原子的互擴散及降低IMC的脆性。使用300μm厚的Al-12%Si中間層進行熔核變質處理，點焊接頭拉剪力可達6.2kN。合適的焊後熱處理也有利於改善鋼-鋁接頭的力學性能。基於以上研究結果，建立了接頭力學性能與點焊參數關係模型，實現了點焊參數最佳化。