鋁鋼點焊鉚接複合連接技術

凌展翔1,2， 羅 震1,2， 馮悅嶠1,2， 李 洋1,2， 敖三三1,2

(1. 天津大學 材料科學與工程學院，天津 300072; 2. 天津大學 天津市現代連接技術重點試驗室，天津 300072)

摘 要：提出了一種點焊與鉚接複合進行鋁鋼連接的技術，即在待焊試樣區域預製工藝孔，將鉚釘鉚入孔中，利用鉚接力實現試樣的預連接. 然後使用點焊機在鉚接位置進行點焊，實現鉚接與點焊的複合連接，稱為「點鉚焊」. 文中分析了該方法的力學性能、微觀組織、斷裂模式，並同純點焊與純鉚接進行了比較. 結果表明，點鉚焊的抗拉強度比純點焊提高了23.8%，比純鉚接提高了28.7%，失效前吸收功比純點焊提高211%，比純鉚接提高67%. 雖然在點鉚焊過程中也會產生脆性金屬間化合物，但這些區域並不是主要的承載部位，點鉚焊為塑性斷裂模式.

關鍵詞：點鉚焊；力學性能；微觀組織；斷裂

0 序 言

隨著人們生活水平的普遍提高，汽車的保有量逐年增加，汽車產業飛速發展. 然而汽車的能源消耗與尾氣排放問題與環境之間的矛盾也日益突出. 汽車輕量化作為一個能夠較好實現節能減排目的的課題已為研究人員所關注[1,2]. 為了在保證汽車質量與車身強度與安全性的同時降低車身質量，一種較好的方法就是使用輕金屬材料，比如鋁和鎂及其合金. 雖然目前已有一些汽車公司成功完成了純鋁車身的研製，但鋼仍是大部分車身中最基礎的材料，所以鋁/鋼異種金屬之間的連接就成為了車身製造中的重要工藝之一.

由於點焊具有生產效率高，能耗低，易於實現自動化等優點，因此成為了汽車生產中的主要連接手段. 點焊的優點在鋼與鋼的連接上得到較好體現，然而鋁和鋼的物理性能如熔點、熱導率和線膨脹係數差異較大，點焊過程中容易在界面產生硬脆的金屬間化合物，無法得到性能滿意的接頭. 為瞭解決車身中鋁和鋼的連接問題，國內外的學者研究過很多種工藝方法，如工藝墊板法[3]、攪拌摩擦點焊法[4]、冷金屬過渡點塞焊法[5]等. 文中基於鋁鋼點焊存在的缺陷，提出了一種鉚接與點焊複合進行鋁鋼連接的方法，該方法綜合了鉚接與點焊的優點，稱為「點鉚焊」.

1 試驗方法

點鉚焊就是在待焊試樣區域預製工藝孔，然後將鉚釘鉚入孔中，利用鉚接力實現試樣的預連接. 然後使用點焊機在鉚接位置進行點焊，實現鉚接與點焊的複合連接. 圖1為點鉚焊過程示意圖，試驗材料選用1.25 mm鍍鋅Q235低碳鋼鋼板和2 mm A6061鋁合金板，試板尺寸均為100 mm×25 mm(圖2)，其化學成分見表1. 鉚釘選用常見的鍍鋅鐵鉚釘，鉚釘直徑為4 mm，鉚接時，鉚釘從鋁板處鉚入. 由於使用電阻點焊直接焊接鋁和鋼時，鋁鋼界面處形成的硬脆金屬間化合物層會成為接頭的承載部位，這是接頭性能惡化的根本原因. 而引入鉚接步驟後，鉚釘將成為接頭主要的承載部位，因此可以預計接頭性能會得到提升.

圖1 點鉚焊示意圖

Fig.1 Schematic of spot riveting welding

圖2 點鉚焊試件尺寸(mm)

Fig.2 Specimen of spot riveting welding

基於比較的目的，除了點鉚焊試樣外，使用相同材料製備了純點焊試樣以及純鉚接試樣. 完成焊(鉚)接後，用線切割切取金相試樣，採用體視顯微鏡、金相顯微鏡研究了各試樣的宏觀形貌和微觀組織特徵. 使用拉伸機在室溫下測試了各試樣的拉伸載荷，拉伸速率為1 mm/min. 拉伸結束後，採用掃描電鏡觀察了斷口形貌. 為了保證初始試驗條件一致，鋼板和鋁板均未進行預處理.

表1 A6061鋁合金和Q235鋼的化學成分(質量分數，%)

Table 1 Chemical compositions of A6061 aluminum alloy and Q235 steel

材料CrCuTiMgVCPSSiMnFeAlA60610.040.30.151.0————0.60.15—餘量Q235————0.060.140.040.020.41.0餘量—

2 試驗結果與分析

2.1 接頭力學性能

對於純點焊試樣及點鉚焊試樣，進行電阻點焊試驗時取電極頭端面直徑為8 mm，電極力為3 000 N，焊接時間為300 ms. 選取不同的焊接電流進行試驗，以確定二者的最佳焊接電流進行比較. 表2給出了不同焊接電流下純點焊及點鉚焊拉伸試樣的最大拉伸載荷.

表2 不同焊接電流下接頭的拉剪力

Table 2 Tensile shear loads under different welding currents

焊接電流I1/kA純點焊拉剪力F1/N焊接電流I2/kA點鉚焊拉剪力F2/N153384.554782.0163018.565352.5173608.075253.5184453.085542.5194145.595120.5203086.0104906.0

由表2中數據可以看出，純點焊接頭拉剪力隨電流變化波動較明顯，而點鉚焊接頭拉剪力對焊接電流敏感程度相對較低，且普遍高於純點焊接頭. 依據表2的數據，選取純點焊18 kA，點鉚焊8 kA為最佳焊接電流，分別在該電流下焊接了5組拉伸試樣進行了拉伸試驗，同時選取了5組純鉚接接頭進行拉伸試驗以進行比較. 拉伸試驗結果如表3所示. 從試驗結果可以看出，純點焊接頭的拉剪力均值與純鉚接接頭相近，而點鉚焊接頭的拉剪力均值比純點焊接頭提高了23.8%，比純鉚接接頭提高了28.7%.

表3 最佳焊接電流下接頭的拉剪力

Table 3 Tensile shear loads under optimal welding current

編號純點焊拉剪力F1/N點鉚焊拉剪力F2/N純鉚接拉剪力F3/N14348.55338.54198.524059.05024.54054.034285.05431.54156.544467.05514.03989.554244.55191.54187.5均值4280.85300.04117.5

圖3是純點焊、點鉚焊、純鉚接接頭獲得最大拉剪力的試樣對應的拉伸曲線. 其中曲線從初始到峯值部分與橫軸所包圍面積對應接頭破壞前吸收能的大小，可表徵試樣韌性. 最大位移對應試樣斷後伸長率，可表徵試樣塑性. 由曲線可以直觀地看出點鉚焊接頭的塑性和韌性均遠遠優於純點焊接頭和純鉚接接頭. 點鉚焊接頭最大位移為8.655 mm，比純點焊接頭提高了307%，比純鉚接接頭提高了118%. 失效破壞前吸收能為15.60 J，比純點焊接頭提高了211%，比純鉚接接頭提高了67%.

圖3 三種接頭的典型拉伸曲線

Fig.3 Typical tensile curves of three joints

2.2 接頭組織特徵

圖4為純點焊、純鉚接、點鉚焊試樣接頭橫斷面宏觀形貌，其中純點焊和點鉚焊均為最佳焊接電流下的試樣. 從圖4a中可以看出，純點焊試樣主要是鋁側發生熔化，在鋁鋼界面處可以看到很明顯的未熔合，這是因為在大的焊接電流和電極電極力下，鋼的鍍鋅層以及鋁蒸發在熔核中形成氣孔. 從圖4b中可以看出，鉚接後鉚釘和試板緊密結合在一起，鉚接效果較好. 從圖4c中可以看出，點鉚焊過程中，在焊接電流和電極力作用下，鉚釘頭壓入鋁板一定深度，部分熔化的鋁從鉚釘頭周圍濺出，由於鉚釘體電阻產熱，鉚釘底部熔化並被壓平，可以觀察到熔核產生(由圓圈勾勒出)，釘身與試板之間依然保持緊密結合.

圖4 三種接頭宏觀形貌

Fig.4 Macroscopic morphologies of three joints

圖5是點鉚焊宏觀形貌中A-F區域的顯微組織. 在鋁板和鉚釘以及鋼板直接接觸的A,B,C區均可觀察到一個過渡層(箭頭標出)，在鋼側為舌狀形貌，在鋁側為針須狀形貌，此過渡層為Al-Fe金屬間化合物[6]. 其中B區產生過渡層的原因是鉚釘對試板存在徑向壓力，相當於提供了點焊中的電極力. 點鉚焊的鉚釘下部有熔核產生，這是因為鉚釘下部與鋼接觸，產熱較高. 在圖5d中可以觀察到D區的組織由淬火組織過渡到粗大的柱狀晶再過渡到細晶，圓圈部分是鉚釘與鋼板結合處，可以看出鉚釘與鋼板在電阻熱的作用下發生了冶金結合. 在鋼板鄰近鉚釘的部位存在一個熱影響區E，可以看到組織(圖5e),左下方的晶粒較右上方的晶粒大，實線劃出了粗晶區和細晶區的界面. 而鉚釘中部與鋁板接觸，未發生熔化，如圖5f所示.

圖5 點鉚焊接頭不同區域顯微組織

Fig.5 Microstructures of different areas of spot riveting welding joint

2.3 拉伸斷口

圖6分別給出了純點焊、純鉚接以及點鉚焊接頭拉伸斷口宏觀形貌. 可以看出，純點焊接頭是典型的界面斷裂形式，部分熔化的鋁粘連在鋼板上並且從四周飛濺. 純鉚接接頭沒有嚴格意義上的拉伸斷口，其失效形式為鉚釘脫扣. 而點鉚焊接頭失效形式是在鉚釘底部的中心處，鉚釘沿著與預製工藝孔直徑一致的內圈被拉斷，然後從鋼板處被拉出，在鉚釘被拉出的部位可以觀察到斷口，這說明鉚釘下部與鋼板焊接得較好，不會出現鉚釘直接被拉出的現象. 雖然鋁板和鉚釘之間在點焊過程中產生了脆性的金屬間化合物，但產生金屬間化合物的部位並不是主要的承載部位.

圖6 三種接頭斷口宏觀形貌

Fig.6 Fracture macroscopic photographs of three joints

圖7分別給出了掃描電鏡下純點焊接頭及點鉚焊接頭拉伸斷口形貌. 在純點焊的斷口中存在類解理的小平面、微孔及撕裂棱，可以認為是準解理斷裂. 而點鉚焊的斷口則主要由韌窩組成，韌窩斷裂是一種典型的塑性斷裂模式，在斷裂過程中能吸收較多能量.

圖7 純點焊及點鉚焊斷口形貌

Fig.7 SEM fracture morphologies of resistance spot welding and spot riveting welding joints

3 結 論

(1) 點鉚焊接頭的抗拉強度高於純點焊接頭和純鉚接接頭，並且塑性顯著提高. 點鉚焊達到最佳性能所需的焊接電流遠低於純點焊，比較節能.

(2) 點鉚焊接頭中，鋁板和鋼板及鉚釘結合處均有過渡層產生，鉚釘底部熔化並與鋼板發生冶金結合，鋼板與鉚釘結合部位附近有熱影響區存在，而鉚釘頭與鉚釘中上部由於與鋁板接觸，大部分保持原始組織.

(3) 點鉚焊接頭失效形式是鉚釘沿著與預製工藝孔直徑一致的內圈被拉斷，然後從鋼板處被拉出，點鉚焊中形成的過渡層並不是主要承載部位. 鉚釘被拉出的部位為韌窩狀斷口，是典型的塑性斷裂.

參考文獻：

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收稿日期：2015-02-12

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51275342，51405334);高等學校博士學科點專項科研基金(20130032110004)

作者簡介：凌展翔，男，1992年出生，碩士研究生. 主要從事異種金屬連接方面的科研工作. 發表論文2篇. Email: [email protected]

通訊作者：羅 震，男，教授，博士研究生導師. Email: [email protected]

中圖分類號：TG 453.9

文獻標識碼：A

文章編號：0253-360X(2017)02-0101-04

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