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汽車車身用鋁合金與鋼材料電阻點(diǎn)焊技術(shù)研究
摘要：綜述了鋁合金與鋼的電阻點(diǎn)焊技術(shù)的研究現(xiàn)狀。介紹了工藝墊片法和過渡層法兩類工藝方法，分析了其各自特點(diǎn)。利用工藝墊片法能夠以較低的焊接電流獲得具有很高抗剪強(qiáng)度的接頭；采用過渡層法能獲得具有較高抗拉強(qiáng)度的接頭，但焊接時(shí)需要較高的焊接電流。并就此指出了今后鋁鋼的電阻點(diǎn)焊的研究方向。
一、 緒論
隨著整個(gè)汽車工業(yè)的發(fā)展，節(jié)約資源、減少環(huán)境污染成為整個(gè)汽車工業(yè)亟待解決的兩大問題。材料輕量化成為汽車制造業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，作為汽車輕量化材料中最主要的兩類材料，由高強(qiáng)度鋼板和鋁合金鋼組成的鋼-鋁一體化車身結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)車身框架結(jié)構(gòu)輕量化和高強(qiáng)度的重要途徑。在汽車工業(yè)中，由于鋼和鋁之間的導(dǎo)電、導(dǎo)熱等物理性能存在著較大的差異以及它們之間易形成極脆金屬間化合物，使得難以形成質(zhì)優(yōu)、穩(wěn)定的點(diǎn)焊接頭。因此，開展高強(qiáng)度鋼板與鋁合金異種材料點(diǎn)焊工藝機(jī)理研究，具有重大的工程應(yīng)用價(jià)值。
為了既能實(shí)現(xiàn)車身輕量化又能保證其安全性系數(shù)，多元材料結(jié)構(gòu)型車身越來越受到汽車工業(yè)的青睞。在這種車身結(jié)構(gòu)里，承重部位和加強(qiáng)零件使用傳統(tǒng)的鋼材或超高強(qiáng)度鋼以確保安全性，其余部位則采用鋁合金、鎂合金等輕材料以實(shí)現(xiàn)車身整體輕量化[1]。因此，在焊裝這種車身結(jié)構(gòu)時(shí)，將必然涉及到鋁合金和鋼之間的異種材料連接。而電阻點(diǎn)焊因具有生產(chǎn)效率高、操作簡(jiǎn)便、不需填充材料、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，迄今仍是汽車車身生產(chǎn)的主要焊接方法[2－3]。
由于鋁合金和鋼的電阻率、熱導(dǎo)率、熔點(diǎn)等熱物理性能差異很大，且兩者之間的的固溶度較低，容易在界面生成脆性的反應(yīng)層[4－6]，這兩種材料之間的連接還存在一些問題。為此，許多學(xué)者對(duì)鋁鋼之間的連接進(jìn)行了詳細(xì)的研究。在此綜述鋁合金與鋼之間的電阻點(diǎn)焊技術(shù)研究現(xiàn)狀，分析了各方法的特點(diǎn)，探討了界面反應(yīng)層對(duì)接頭性能的影響，并展望了今后鋁鋼的電阻點(diǎn)焊的研究方向。
二、 主體
1 現(xiàn)代汽車車身金屬用材
目前，汽車用材的研發(fā)動(dòng)向主要有兩點(diǎn)：1)車身材料的混合設(shè)計(jì)，即根據(jù)對(duì)車輛性能的不同要求采用復(fù)合材料車身概念，如增加低密度的鋁合金、鎂合金、塑料和復(fù)合材料等的使用量。2)使用高強(qiáng)度材料降低鋼板厚度規(guī)格，這主要表現(xiàn)在高強(qiáng)鋼或超高強(qiáng)鋼的使用，車用鋼板在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)仍為車身的主要用材。由高強(qiáng)度鋼板和鋁合金鋼組成的鋼-鋁一體化車身結(jié)構(gòu)是在傳統(tǒng)的鋼車身基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，以高強(qiáng)鋼減少車身鋼板的質(zhì)量，以鋁合金材料替代某些構(gòu)件或組件，由多種材質(zhì)的薄壁梁結(jié)構(gòu)經(jīng)可靠連接，實(shí)現(xiàn)車身框架結(jié)構(gòu)的輕量化和高強(qiáng)度，鋼-鋁一體化車身結(jié)構(gòu)已成為今后車身輕量化的發(fā)展技術(shù)路線[8，9]。
1.1 鋁合金
在輕質(zhì)材料中，由于聚合物類的塑料制品在回收環(huán)節(jié)存在環(huán)境污染問題，鎂合金材料的價(jià)格和安全性也限制了它的廣泛應(yīng)用，而鋁合金材料由于資源豐富，并隨著電力工業(yè)的發(fā)展和鋁冶煉工藝的改進(jìn)，使鋁的產(chǎn)量迅速增加，成本相應(yīng)下降。此外，鋁合金具有一系列優(yōu)良特性，如密度小、比強(qiáng)度和比剛度高、彈性好、抗沖擊性能良好、高導(dǎo)熱、高導(dǎo)電、耐磨、耐腐蝕、表面易著色、良好的加工成型性以及高的回收再生性等，使得鋁合金在汽車工業(yè)中逐漸廣泛應(yīng)用成了不可阻擋的趨勢(shì)。
鋁合金在汽車工業(yè)中呈現(xiàn)出快速增長(zhǎng)的勢(shì)頭。所用的鋁合金基本上屬于兩大類，即鑄造鋁合金和變形鋁合金，前者主要生產(chǎn)各種鑄件如發(fā)動(dòng)機(jī)上的部分零部件（活塞、缸蓋等）以及變速箱、制動(dòng)器、轉(zhuǎn)向器等部件上的部分鋁合金鑄件；后者主要用于生產(chǎn)各種加工材（如板、帶、型、棒、線）及鍛件，各類加工材一般要經(jīng)過進(jìn)一步加工才能成為汽車零部件如汽車水箱、車用空調(diào)的蒸發(fā)器和冷凝器以及車身各部分等。其品種構(gòu)成是鑄件占 80%左右，鍛件只占 1%～3%，其余是加工材[10]。
1.2 現(xiàn)代車用鋼板
鋼材是汽車制造的主要原料，據(jù)粗略統(tǒng)計(jì)，生產(chǎn)一輛汽車的原材料中，鋼材所占的比例約為 72%～88%。用于汽車制造的鋼材品種主要有型鋼、中板、薄板、鋼帶、優(yōu)質(zhì)鋼材、鋼管等，其中以薄板和優(yōu)質(zhì)鋼材為主，薄板主要用于車身，要求鋼板成型性能良好、表面質(zhì)量好、厚度公差小。按鋼板特點(diǎn)分，車身用鋼板可分為特殊鋼板和普通低碳鋼板。其中特殊鋼板又可分為高強(qiáng)度鋼板、涂層鋼板、拼焊鋼板等；普通低碳鋼板多用于中低檔汽車車身和結(jié)構(gòu)零件(如前后縱梁、轉(zhuǎn)向器橫梁、車身 B 立柱及各零件加強(qiáng)板等)。隨著對(duì)車身輕量化、高剛度等要求的進(jìn)一步提高，高強(qiáng)度鋼板、涂層鋼板在車身的使用比率逐年提高。在汽車用高強(qiáng)度鋼板中，雙相鋼(DP)、復(fù)相鋼(CP)、相變誘發(fā)塑性鋼(TRIP)和馬氏體鋼(MART)等的強(qiáng)度范圍為 500～1600MPa，均具有高的減重潛力、高的碰撞吸收能、高的成形性和低的平面各向異性等優(yōu)點(diǎn)，在汽車上得到了廣泛應(yīng)用[11]。
目前在車身材料中還大量應(yīng)用著涂層鋼板，主要有鍍鋅鋼板、鍍鋁鋼板、鍍銅鋼板、鍍鉛錫鋼板、鍍鉻鋼板及涂覆塑料或?qū)訝顝?fù)合板，其中以鍍鋅鋼板的應(yīng)用最廣，轎車用涂鍍鋼板占其鋼板總量的比例已超過 50%。隨著汽車輕量化發(fā)展，高強(qiáng)度鍍鋅鋼板的使用越來越廣泛，特別是中高檔轎車車身幾乎完全使用鍍鋅板，鍍鋅鋼板厚度從 0.5～3.0mm，其中車身覆蓋件多用 0.6～0.8mm 的鍍鋅鋼板。鍍鋅鋼板一般以 DP 鋼、TRIP 鋼、CP 鋼等高強(qiáng)度鋼板為基板。高強(qiáng)度鍍鋅鋼板在成型性能、烘烤硬化性、以及焊接性能等方面也有其獨(dú)特的優(yōu)越性能，在汽車工業(yè)中取代普通的冷軋鋼板已經(jīng)成為必然的趨勢(shì)。
2 鋁鋼電阻點(diǎn)焊工藝方法
目前，關(guān)于鋁合金與鋼的異種材料電阻點(diǎn)焊的研究主要有如下兩類工藝方法。
2.1采用工藝墊片法
由于鋁合金和鋼的電阻率、熱導(dǎo)率差異很大，致使焊接過程中析熱不平衡以及熔核(Nugget)偏析現(xiàn)象。為此，采用工藝墊片法對(duì)鋁鋼異種材料材進(jìn)行電阻點(diǎn)焊[4，7]。即在點(diǎn)焊時(shí)，在鋁合金板與電極之間夾一材質(zhì)為鋼的工藝墊片(Cover Plate)用來改善鋁側(cè)的析熱。強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果顯示，采用工藝墊片法焊接鋁鋼異種材料可在較低焊接電流條件下獲得具有較高抗剪強(qiáng)度的接頭。與鋁合金同種材料接頭相比，用這種方法焊接的鋁鋼接頭具有同等程度的抗剪強(qiáng)度和較低的抗拉強(qiáng)度，表明界面反應(yīng)層將使接頭抗拉強(qiáng)度降低而對(duì)接頭的抗剪強(qiáng)度沒有影響[7]。所以，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)盡量避免焊接界面與受力方向垂直的接頭結(jié)構(gòu)，而選擇界面平行于受力方向的工藝設(shè)計(jì)。
2.2采用中間過渡層法
如上所述，鋁鋼直接接觸焊接，兩者發(fā)生界面反應(yīng)而影響接頭抗拉強(qiáng)度。因而，中間過渡層法被諸多學(xué)者所采用。即焊接鋁鋼異種材料時(shí)，在兩者之間插入第三金屬或合金，使鋁鋼不直接接觸以避免鋁鋼界面反應(yīng)。一般與兩母材有較高固溶度且具有一定強(qiáng)度能滿足接合要求的金屬作為中間過渡層將能很好地改善接頭性能?？墒菍?shí)際上很難發(fā)現(xiàn)這樣的中間過渡層金屬。為此，一些其他材料被選為過渡層用來焊接鋁合金與鋼[6,13]。
3 鋁合金及鋼的電阻點(diǎn)焊
3.1鋁合金的電阻點(diǎn)焊
由于鋁合金在其物理性能上的特殊性,使它在電阻點(diǎn)焊可焊性方面與常用冷軋低碳鋼相比有其一定的特點(diǎn),其中存在的最嚴(yán)重的問題是電極的燒損及壽命問題對(duì)于一般低碳鋼的點(diǎn)焊,電極壽命可以達(dá)到幾千點(diǎn),而鋁合金的點(diǎn)焊一般僅能達(dá)到幾十點(diǎn)[12]。鋁合金電阻點(diǎn)焊技術(shù)還存在著飛濺問題、焊點(diǎn)表面成型質(zhì)量問題及點(diǎn)焊接頭的焊接質(zhì)量不穩(wěn)定等問題,這些問題皆與電極的磨損及其工作壽命存在著密切的關(guān)系。因此,電極磨損及壽命問題是鋁合金電阻點(diǎn)焊技術(shù)的關(guān)鍵問題。
國(guó)內(nèi)的天津大學(xué)在鋁合金點(diǎn)焊電極壽命研究方面做了較多的工作[12]:研究了工件表面清理工藝對(duì)電極壽命的影響;研究了鋁合金連續(xù)點(diǎn)焊焊點(diǎn)表面質(zhì)量及電極端面狀態(tài)變化情況;研究了點(diǎn)焊過程電極燒損的形式;進(jìn)行了電刷鍍鉆的電極表面改性及電流波形控制以提高鋁合金點(diǎn)焊電極壽命吳志生等人從電極端而銅鋁合金化的角度進(jìn)行了研究,認(rèn)為點(diǎn)焊電極/工件接觸面的銅鋁合金化是鋁合金點(diǎn)焊電極壽命顯著降低的根本原因,并提出了采用深冷處理電極的方法來提高電極壽命。
3.2鍍鋅鋼板的電阻點(diǎn)焊
近年來,為防止銹蝕,國(guó)外汽車生產(chǎn)中大量采用鍍鋅板,其結(jié)果是導(dǎo)致可焊性惡化,每輛轎車中大致有3000一4000個(gè)點(diǎn)焊焊點(diǎn),大批量的生產(chǎn)帶來了一系列的問題,因而引起焊接界的廣泛關(guān)注,開始進(jìn)行比較深入的研究,雖然已取得一些進(jìn)展,但迄今為止仍沒有得到比較圓滿的解決。
與無鍍層碳鋼板點(diǎn)焊相比,鍍鋅鋼板的點(diǎn)焊主要有兩點(diǎn)不同,一是在通電加熱時(shí),由于鋅的熔點(diǎn)低(約420℃),工件間的鋅層先于鋼板熔化,在壓力的作用下將之排擠出焊接區(qū)域,形成一個(gè)鋅的園環(huán),將焊核包在其中,由于鋅環(huán)的分流作用,故需要更大的焊接電流,以及適當(dāng)增大壓力和延長(zhǎng)通電時(shí)間。二是在通電時(shí)熔化的鋅與電極相互作用,在電極表面形成一合金層,同時(shí)一些氧化了的鋅也附在電極上,這樣就改變了電極的物理性能和形狀,使得電極迅速“磨損”,壽命大大降低,如一對(duì)電極焊無鍍層鋼板時(shí),可焊數(shù)千個(gè)焊點(diǎn),而鍍鋅板則可能只焊20個(gè)焊點(diǎn)就需更換或修理。這對(duì)于大批量生產(chǎn)的汽車工業(yè)來說是一個(gè)非常嚴(yán)重的問題,特別是在采用點(diǎn)焊機(jī)器人的情況下更是如此。目前對(duì)于鍍鋅板點(diǎn)焊的研究主要從三個(gè)方面著手一是鍍鋅板的性能對(duì)可焊性的影響.如鍍鋅層的厚度、成分、形態(tài)、表面狀態(tài)等;二是對(duì)鍍鋅板點(diǎn)焊工藝及設(shè)備的要求;三是對(duì)鍍鋅點(diǎn)焊電極材料的研究[16]。
三、 總結(jié)
鋼-鋁一體化車身結(jié)構(gòu)是高性能輕質(zhì)材料的應(yīng)用及發(fā)展方向。目前，鋼-鋁連接機(jī)理及技術(shù)的研究仍處于起步階段，尚未形成成熟理論和技術(shù)工藝?，F(xiàn)有的低碳鋼-鋁合金點(diǎn)焊連接研究對(duì)抑制和控制界面化合物的生成、提高接頭強(qiáng)度等內(nèi)容進(jìn)行了研究，但在提高電阻點(diǎn)焊效率方面有待進(jìn)一步完善；在鋼-鋁電阻點(diǎn)焊的界面反應(yīng)機(jī)理等方面仍需進(jìn)一步深入研究。已有的研究?jī)?nèi)容未涉及高強(qiáng)鋼-鋁合金點(diǎn)焊條件下焊接熱循環(huán)以及焊接接頭熔核形成機(jī)理。因此，進(jìn)行鋼-鋁一體化車身結(jié)構(gòu)的電阻點(diǎn)焊機(jī)理的基礎(chǔ)理論研究，為解決鋼-鋁一體化車身結(jié)構(gòu)的優(yōu)質(zhì)高效連接技術(shù)的瓶頸,擴(kuò)大鋁-鋼異種金屬?gòu)?fù)合結(jié)構(gòu)在工程中應(yīng)用提供新的研究方向，對(duì)提升自主創(chuàng)新技術(shù)能力、提高新型節(jié)能汽車的自主研發(fā)水平有著重要意義。
由于鋁合金與鋼的物理、冶金性能差異較大，致使它們之間的焊接難度較大?，F(xiàn)在，多種的焊接工藝方法已被嘗試，雖然較大地提高了接頭性能，但尚未達(dá)到實(shí)用化層面。所以，為推動(dòng)汽車輕量化的進(jìn)展，今后在對(duì)鋁鋼界面反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、合金元素對(duì)界面反應(yīng)的影響、界面反應(yīng)生成物類型、形貌和厚度對(duì)接頭性能的影響等現(xiàn)象解明的同時(shí)，研究開發(fā)一些新工藝、新技術(shù)也是非常重要的。
四、 參考文獻(xiàn)
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