钢/铝异种金属电阻点焊的焊接性及实用化基础研究

The temperature distribution, nugget formation process, joint microstructure, atom diffusion behaviour across steel/aluminum interface, mechanisms of interface reaction and intermetallic compound layer growth, and crack feature and formation mechanism of resistance spot welded aluminum alloy to steel are studied systematically for revealing its weldability. In this investagation, the nugget modification idea is put forward and effects of modifier composition and added method on the interface compounds, nugget microstructure, cracking sensitivity and mechanical properties are evaluated. Based on above results, the modification mechanism is revealed, the optimal modifier composition is determined and modification technique is improved. Effects of welding parametres, electrode shape and heat treatment on the temperature distribution, nugget diameter, microstructure, intermetallic compound layer thickness, cracking sensitivity and mechanical properties of joints are studied, and their affecting mechanisms are revealed. The mathematics relation between joint properties and welding parameters is established, which can obtain the optimal welding parameters and control welding quality. These results not only enrich welding theory but also promote welding technique development,having important theory significance and application worth.

系统地研究钢/铝异种金属点焊温度场特点、熔核形成过程及微观结构、钢/铝界面原子互扩散行为、界面反应机理及金属间化合物层生长机制、接头裂纹特征及形成机理、接头力学性能特点，从本质上揭示钢/铝点焊的焊接性特点。提出点焊熔核变质处理思想，研究变质剂成分和添加方法对钢/铝界面金属间化合物、熔核微观结构、裂纹敏感性及接头力学性能的影响规律，揭示变质机理，优化变质剂成分，评价变质剂添加方法的实用性，完善熔核变质处理点焊技术。研究点焊参数、电极形状及焊后热处理对钢/铝点焊温度场、熔核直径、微观结构、界面金属间化合物层厚度、裂纹敏感性及接头力学性能的影响规律，揭示其影响机理。建立接头力学性能与点焊参数关系数学模型，实现电阻点焊参数优化和接头质量控制。本项目研究成果不仅可丰富材料焊接基本理论，而且有利于促进钢/铝异种金属焊接技术和汽车轻量化技术的发展，具有重要的理论意义和实用价值。

本项目系统地研究了高强钢-铝合金异种金属电阻点焊的焊接性及焊接技术基础。结果表明，钢-铝点焊温度场及接头微观组织分布是不均匀的。铝熔核由胞状晶、胞状树枝晶和树枝晶组成。点焊过程中，钢/铝界面区发生Fe、Al原子的互扩散，形成具有双层结构特征（Fe2Al5和Fe4Al13）的金属间化合物（IMC）层。基于IMC生长热力学、动力学分析，揭示了钢/铝界面反应机理，提出了界面IMC生长模型。钢-铝点焊接头具有二种断裂模式（界面断裂和纽扣断裂），界面脆硬的IMC层和铝合金HAZ是影响接头性能的主要因素。钢-铝接头裂纹易在界面IMC层中萌生、扩展，主要归因于高的焊接拉应力和界面区脆化。点焊参数、电极形状及熔核变质处理对钢-铝电阻点焊质量具有明显的影响。在F型电极条件下，随着焊接电流（时间）增加，界面温度、熔核直径、IMC层厚度及接头拉剪力（3.3kN）增加，但过大的焊接电流（＞9kA）或过长的焊接时间（＞250ms）导致拉剪力减小。这主要归因于提高界面温度促进Fe、Al原子的互扩散和IMC层生长。研究揭示了电极形状对温度场、熔核直径、界面IMC层厚度、接头微观结构及力学性能的影响规律及影响机理，获得的优化电极为：高强钢侧为圆形平面电极，电极直径10mm；铝合金侧为球面电极，球面半径35mm。在优化电极条件下，钢-铝接头拉剪力增至5.4kN。研究结果表明，采用Zn、Ti、Ni、Cu、Si粉末和Cu、Al-12%Si中间层实现熔核变质处理有利于抑制IMC层生长，改善钢-铝接头的力学性能，主要归因于变质剂元素偏聚于IMC晶体表面，阻隔了Fe、Al原子的互扩散及降低IMC的脆性。使用300μm厚的Al-12%Si中间层进行熔核变质处理，点焊接头拉剪力可达6.2kN。合适的焊后热处理也有利于改善钢-铝接头的力学性能。基于以上研究结果，建立了接头力学性能与点焊参数关系模型，实现了点焊参数优化。