摘要：用电阻点焊方法实现了铝合金+铝合金薄板､铝合金+镀锌钢薄板在同种工艺参数下的有效连焊。 通过对焊接接头进行力学性能､显微硬度､金相组织､界面成分的观察和测试，分析点焊接头形成机理和存在的各种质量问题，同种工艺下铝-铝接头与铝-镀锌钢接头相比，熔核尺寸较小，强度却大很多，从铝-铝点焊接头金相组织的观察可以看出焊缝和热影响区存在裂纹､未熔合､未完全融合､未焊透､夹渣和气孔等缺陷，而铝-镀锌钢接头中存在的缺陷较少。
关键词：铝合金； 镀锌钢； 电阻点焊
0 引言
节能减排逐渐成为当今社会关注的话题，汽车工业中为了减少尾气排放量要求不断减轻自身重量，以铝代钢可以降低汽车自身车重的1 /3左右，铝合金不仅强度高､密度低，而且抗腐蚀性和散热性也非常好，因此，铝合金在汽车车身方面的应用已是大势所趋。 镀锌钢具有良好的耐蚀性，在建筑､车辆､家电､日用品等行业有着广泛的应用。 镀锌钢板的镀锌工艺方法主要有电镀､热浸锌､真空蒸发镀､热喷镀､机械滚镀等，目前汽车行业中常用的镀锌钢板主要是电镀锌钢板､热浸镀锌钢板和热喷涂锌钢板，涂镀层钢板的最大优点是优异的耐蚀性､装饰性､涂漆性以及良好的成形性。 近年来涂镀层钢板在汽车行业中的用量一直呈上升趋势，并成为汽车车身用薄板的主体。 因此，在现代汽车制造节能减排的要求下镀锌钢板和铝合金之间的焊接具有很高的研究价值。但是，由于铝和钢物理化学性能等有很大差异，所以铝钢异种金属间的电阻点焊一直是焊接领域的难点问题。
1 试验方法和材料
1.1 试验材料
本试验中所有用的铝板和镀锌钢板都是珠海市科盈焊接器材有限公司提供的标准6061 铝板材，该材料属于Al-Si-Mg 的6000系铝合金。6000系铝合金具有强度高､耐蚀性好､耐高温､可塑性强等优点(表1和2)，厚度均为0.9mm，其焊接接头采用搭接的方式进行焊接。其中试验所用的上下电极均是碳钢镀铜的凸电极，其中电极端面R+=70mm。
1.2 试验设备
试验用焊机是2005年著名焊机制造商奥地利fronius公司推出的一款新型的电阻点焊机，这种新型的电阻焊机原理非常简单，在工件和电极之间增加一条电极带，焊接时电极压住电极带，每焊完一个点，电极带自动转到下一个位置，每个焊点都是“全新的”电极焊接，这样可以保证电极和工件的接触表面总是干净的。
1.3 试验方法
试验选取的焊接参数为焊接电流15kA､电极压力4kN，焊接时间500ms，此组焊接参数的选取是经过多次的焊接尝试､分析､总结而定的，一开始先初步选定焊接时间和电极压力，然后调节焊接电流，在选定焊接电流大小的5%上下调节，试验初期由于选取的焊接压力较小，焊接的过程中导致飞溅较大，当电极压力增大到一定程度时电极带和电极之间出现黏连，甚至出现电极､电极带､焊件三者黏连在一起，于是需要适当降低电极压力，对焊后的焊接接头采用手撕的方式来感受其强度，用游标卡尺对撕开的焊接接头进行熔核尺寸测定，直到焊接熔核达到5。5mm时，焊接强度较高。
2 试验结果与分析
在选取的焊接参数下分别对铝板和铝板；铝板与镀锌钢板焊接3组所得点焊接头性能如表3所示。为了方便记录将铝-铝接头编号为1，2，3； 铝-镀锌钢焊接接头编号为镀1，镀2，镀3。
在上述焊接参数下所得到的铝-铝､铝-镀锌钢的熔核直径的平均尺寸分别为5.17，6.63mm；焊接接头的平均拉剪力分别为2.07，1.51kN。根据我国对电阻点焊在焊接铝合金时质量检验标准HB5276—1984，所得的试验数据平均值完全符合要求，其中铝合金在室温状态下，1mm的铝合金点焊接头抗剪力最小值为1.235kN。本试验采用的铝合金板为0.9mm，其强度仍大于国标1mm铝合金板的点焊抗剪强度，所以铝-铝焊接接头的质量较好。其中铝-镀锌钢的熔核直径､抗剪强度完全符合东风汽车股份有限公司提出的强度标准(表4)。大量的试验研究表明，点焊接头的焊接强度与焊接熔核的尺寸有密切的关系，为了保证焊接接头的质量，在一定范围内必须适当增大接头的熔核尺寸，这些都可以通过对焊接参数的调节实现。
注：板厚指铝板厚度；拉剪力是母材强度为100MPa时焊点的拉剪力，当母材强度大于100MPa时，拉剪力参数应为表中数值×母材强度/100。
从表3和图1中还可以看出，同种工艺下焊接好的铝-铝接头与铝-镀锌钢接头相比，熔核尺寸较小，强度却大很多，所以铝-铝接头质量要更好｡
2.1 焊接接头金相组织分析
焊接过程中两侧金属快速加热和冷却，使得焊接接头各区域(熔合区､热影响区､母材)的组织性能变化很大，每个区域都有自己独特的金相特点，焊接接头金相主要是用来研究焊接接头的组织性能。
由图2可以看出，在铝-铝点焊接头中焊缝和热影响区存在的缺陷有大量的裂纹､未熔合､未完全融合､未焊透､少量的夹渣和气孔。其中裂纹主要存在的形式有横向裂纹､纵向裂纹和弧坑裂纹，很明显这些裂纹都属于热裂纹，由于在点焊的过程中急速加热､然后又瞬间冷却，导致局部组织产生偏析､晶粒变大､组织长粗等，并且在焊接的过程中，晶界处的低熔点共晶物容易熔化，进而导致偏析物聚集､晶界液化等，所以这才引起大量的裂纹的产生。其中未熔合､未完全融合､未焊透是由于焊接参数的选取不当而引起，电流过小和焊接时间过短等都能引起这些缺陷的产生；夹渣和气孔有可能是由于焊前焊件表面清理不彻底､电流大小不合适等引起的。在铝-镀锌钢点焊接头可以看出来，铁原子向铝侧扩散比较少，而铝侧原子向铁侧发生的偏移较大，这主要是镀锌层的存在和钢处于半熔化状态造成的，由于镀锌层的存在，可以抑制铁向铝中的扩散，这样就降低了金属间化合物的产生，提高了焊接接头的性能；锌作为过渡层，增加了铝在铁上的润湿性有利于铝原子的铺展，降低了金属间化合物的厚度，提高了焊接接头的质量。其机理是由于锌的熔点比较低，在一定程度上锌可以与铝形成化合物，这样就可以降低熔池金属的熔点；另一方面，锌的加入导致熔池金属的表面张力降低，加大了熔池金属的流动性。当然锌的加入也有不利的一面，首先焊接参数的选择范围降低，由于锌的熔点､硬度､电阻率等都比较低，使得焊接过程中接触电阻降低，电流分布不均匀，影响接头熔核的形成和尺寸。其次在焊接的过程中，锌原子极易向电极扩散与电极形成表面化合金，影响电极的寿命。再次锌原子的加入加大了熔池金属的流动性，使得焊接裂纹和气孔的敏感性增大，降低了焊接接头质量。但是在本试验焊接参数下焊接的铝-镀锌钢的点焊接头中产生的裂纹和气孔还是比较少的｡
2.2 焊接接头硬度分析
从表5不难看出，铝-铝焊缝的硬度变化是从焊缝到热影响区再到母材依次降低的，焊缝硬度最高，这是由于焊接过程中，焊缝组织峰值温度较高，然后在冷却过程中过热区会发生淬硬及晶粒粗化所以硬度比母材略高，但相差不大。铝-镀锌钢焊缝的显微硬度为126.1HV，铝侧母材部分为73.4HV，钢侧母材部分为169.3HV，铝侧部分热影响区为84.3HV，钢侧部分热影响区的显微硬度为130HV。铝侧部分从母材到热影响区再到焊缝位置硬度一次增加，其分析原因和铝-铝焊缝一样；钢侧部分从母材到热影响区再到焊缝位置显微硬度变化不是很明显，其原因有可能是焊接的过程中钢侧部分熔化不完全的结果。
2.3 焊接接头的界面成分分析
由于钢和铝的熔点､热导率､密度､线膨胀系数､电阻率等物理性能相差很大，并且两者的固溶度也非常低，因此，在铝-镀锌钢的电阻点焊过程中极易产生界面能引发焊接应力；在界面处生成脆性的金属间化合物，这些都将影响点焊接头的质量。为了确定焊接接头内部的成分，利用JSM-6390∕LV型扫描电镜(带有能谱仪EDAX)对待观测焊接接头进行元素线扫描和点扫描。从图3可以看出，铝是熔化的，而钢是处于半熔化状态的，这样就利于铝原子在钢表面的铺展。随着铝元素向钢种扩散，当原子分数比达到一定程度时生成了极脆金属间化合物，由于金属间化合物的存在严重影响焊接接头质量，所以应尽可能降低其含量，从图3中可看出生成金属间化合物的厚度不超过2μm，图3中各元素分部曲线中并没有锌原子，这有可能是钢表面锌镀层的厚度极低，并且在点焊时焊接区域温度骤然升高，而锌的熔点较低被蒸发的缘故。
3 结论
(1)通过对点焊接头熔核尺寸的测量､剪切强度的测定，铝-铝､铝-镀锌钢的熔核直径的平均尺寸分别为5.17，6.63mm；焊接接头的平均拉剪力分别为2.07，1.51kN，所得的各试验数据平均值完全符合国家和东风汽车股份有限公司的要求，同种工艺下焊接好的铝-铝接头与铝-镀锌钢接头相比，熔核尺寸较小，强度却大很多，所以铝-铝接头质量更好。
(2)焊缝和热影响区存在的缺陷有大量的裂纹､未熔合､未完全融合､未焊透､少量的夹渣和气孔。其中裂纹主要存在的形式有横向裂纹､纵向裂纹和弧坑裂纹，这些裂纹都属于热裂纹；铁原子向铝侧扩散比较少，而铝侧原子向铁侧发生的偏移较大，这主要是镀锌层的存在和钢处于半熔化状态的缘故。
(3)铝-铝焊缝的硬度变化是从焊缝到热影响区再到母材依次降低的，焊缝硬度最高，这是由于焊接过程中，焊缝组织峰值温度较高，然后在冷却过程中过热区会发生淬硬及晶粒粗化所以硬度比母材略高，但相差不大。对于铝-镀锌钢焊缝，铝侧部分从母材到热影响区再到焊缝位置硬度一次增加，钢侧部分从母材到热影响区再到焊缝位置显微硬度变化不是很明显。
(4)铝是熔化的，而钢处于半熔化状态，随着铝元素向钢种扩散，当原子分数比达到一定程度时生成了极脆的金属间化合物，生成金属间化合物的厚度不超过2μm，由于金属间化合物的存在严重影响焊接接头质量，所以应尽可能降低其含量。
来源：中国汽车材料网编辑整理
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