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铝与钢异种材料的混合电阻激光点焊

来源:国际工业激光商情 发布时间:2022-10-11 430
工业金属加工工业激光激光设备零部件光学材料与元件其他 技术前沿
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凭借效率高和成本低的特点,让电阻点焊(RSW)成为白车身制造的主流连接方法之一。

铝钢异种材料车身结构的应用是汽车行业减轻车重、提高燃油经济性的关键解决方案之一。过去,业界已经进行了许多研究工作以实现铝与钢异种材料的高质量接头。然而,铝与钢异种材料的焊接存在两个主要挑战障碍。


一是铁在铝中的极低溶解度(~0.03 %)导致在焊接过程中容易在焊缝中形成脆性金属间化合物(IMC)(例如FeAl3和Fe2Al5)而不是固溶相;另一个是由于铝和钢之间的热物理特性(例如热膨胀系数)不同,在焊缝中产生大的热应力和残余应力,导致金属间化合物层和焊缝形成裂纹,降低塑性变形焊缝的承载能力和疲劳性能。


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图1:电阻点焊的焊接工艺、电极形态和电流密度分布:(a) 典型工艺示
意图;(b) 和(c) 分别是钢侧和铝侧设计电极的表面和横截面形貌;(d)
和(e) 分别是焊接过程初始阶段和稳定阶段的电流密度分布示意图;(f)
和(g) 分别是钢和铝侧焊缝的表面形态


过去,大部分工作主要集中在减少热输入和优化热源,以尽可能地限制IMC的形成和生长。严格控制热输入,通过优化焊接参数降低焊缝中的热输入,可以减缓铝和钢元素之间的相互扩散,从而降低IMC层厚。此外,优化热源可以在焊接区产生更均匀的热分布(例如双激光束焊接),提高液态金属的润湿性和工艺稳定性,从而更精确地控制IMC层厚度的增长并获得良好的焊缝。


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图2:焊接进度示意图:(a) 电阻点焊工艺;(b) 激光焊接工艺


凭借效率高和成本低的特点,让电阻点焊(RSW)成为白车身制造的主流连接方法之一。一般来说,RSW在白车身上产生大约2000-5000个焊点。目前,通过优化焊接工艺参数,RSW技术可以很好地实现焊接性能低于传统钢的先进高强度钢焊接,甚至可以处理钢表面镀锌层引起的液态金属脆化。尽管连接同质材料具有优势,但传统电阻点焊工艺仍然难以直接连接铝钢异种金属。


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图3:激光焊接系统及焊接路径设计:(a) 激光焊接示意图;(b) 详细焊接路径示意图。


近年来,激光焊接显示出生产效率高、热输入低等诸多优点,在汽车行业的应用逐渐增多。特别是对于远程激光焊接,它具有长焦距(300mm-1600mm),可以用作飞行焊接,其中激光束可以通过扫描仪在焊接点之间高速移动,以最大限度地减少非生产时间。但无论是电阻点焊还是激光焊接,在对铝钢异种金属焊接时仍然存在不小的障碍。


本文的研究团队基于电阻点焊和激光焊接的各自优势,提出了一种混合电阻激光点焊工艺,以创新的方式将专门设计的电阻点焊工艺与激光焊接相结合。首选,使用电阻点焊将铝与钢连接起来,其中电极形态经过优化,与传统接头相比,获得了相对薄且均匀的 IMC层。然后,使用激光焊接焊接电阻点焊接头的外围,以提高接头强度和降低应力集中。


此外,研究人员通过对焊缝的显微组织和力学性能进行系统研究,并对断裂机理进行了系统研究。得出的结论是,与单一电阻点焊相比,混合焊接接头强度显著提高,该方法为铝和钢异种材料的连接提供了潜在的解决方案。


电阻点焊


电阻点焊实验是在中频直流焊接系统上进行的。典型的电阻点焊工艺、设计的电极尺寸和电流分布如图1所示。过程中,电流从电极流入工件,产生电阻热,促进形成熔核以连接工件。当使用传统电极焊接铝钢异种金属时,铝焊核容易在焊缝表面过度生长,导致电极快速磨损和焊接质量不稳定(见图1a)。在这项工作中,一对创新的焊接电极被指定来解决上述问题,其形态如图1b和图1c所示。


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图4:拉伸剪切和交叉拉伸试验的样品尺寸:(a) TST 样品;(b) CTT样品。


如图1b和图1c所示,环形槽将钢电极分为内凸结构和外环形表面,而铝电极具有凹中心,被凸环包围。在焊接初始阶段(图1d),钢电极的凸结构首先与工件接触并集中电流密度。在夹紧力的作用下,钢焊条迅速产生较大的塑性变形(约15ms)在钢板上形成一个钢凸起,该凸起嵌入铝中,形成独特的波浪形接合界面。


随后,钢电极周围的环形表面与工件接触,将部分电流分配到焊缝外围,避免焊缝中心过热集中。铝电极的中心有一个凹陷,这也使得电流倾向于分布在焊缝的外围。此外,铝电极上的凸环结构可以刺破铝表面坚韧的氧化铝膜,降低电极与铝表面的接触电阻(图1d和图1e)。最后,可以获得钢侧面有压痕而铝侧面没有严重粘附的焊缝(图1f和图1g)。


所有焊缝均使用与图2a所示相同的焊接顺序进行处理,这是在初步实验中获得的最佳参数。在施加预热脉冲(6kA-200ms)后,立即跟随3个焊接脉冲,焊接电流为19kA,焊接时间为190ms,每个脉冲之间的冷却时间为20ms。此外在焊接过程中,夹持力始终保持在5600N。

激光焊接


混合电阻激光点焊的激光焊接阶段是在集成了IPG YLS-10000光纤激光器和BLACKBIRD激光头(intelliWELD II FT)的焊接系统上进行的(图3a),激光波长为1070nm。激光焊接路径由两个同心环组成,内径和外径分别为8mm和9mm。


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图5:电阻点焊接头的显微组织表征:(a) 电阻点焊焊缝的横截面显
微组织;(b) 和(c) 分别是(a) 中框1 和框2 接合界面附近的微观结构;
(d) 是(a) 中框3 区域的IPF 图像(CGZ 为柱状晶粒区);(e) 为(a)
中框3 区域的维氏硬度图


首先进行内环(称为第1焊缝)焊接工艺,然后进行外环(称为第2焊缝)的焊接,激光功率分别为1114W和1053W。为了在铝与钢的界面形成闭环焊缝,每个环道有10%的搭接,焊接速度从2m/min线性增加到3m/min,其余部分保持在2m/min(图2b)。内外路径的起始焊接位置错开90°(图3b)。在激光焊接过程中,压缩空气被供应到焊缝表面上方,以抑制激光引起的羽流(图3a)。


微观结构分析和力学测试


研究人员对样品尺寸进行的拉伸剪切试验(TST)和交叉拉伸试验(CTT)如图4所示。使用万能试验机(UTM5015)以1mm/min的十字头速度对5个样品进行测试,得到焊缝的载荷-位移曲线,并采用Arghavani的方法对载荷曲线进行积分计算能量吸收。应用VIC-3D数字图像相关(DIC)确定TST过程中接头的应变分布和断裂过程。使用显微硬度计(VICKERS 402MVD)在10秒的保持时间和100gf和200gf的测试负载下,分别测量铝和钢侧的显微硬度。

焊缝结构分析


图5显示了由创新电极产生的电阻点焊焊缝的典型横截面微观结构。在钢板中产生大的凸起并深深嵌入铝块中并产生球形凸/凹互换界面(图5a),与传统的球头电极不同,产生相对均匀和平坦的接合界面(参见图1a)。钢凸焊缝的深度比钢顶表面的压痕深度0.5mm大0.9 mm(图6),除了特殊设计的电极的挤压效应外,还由钢核的热膨胀引起。


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图6:使用指定电极生产的电阻点焊接头的结构特征


铝焊核呈“碗”形包围钢制凸起,这与传统电阻点焊生产的铝焊核有明显区别,传统电阻点焊铝焊核的最大厚度位于焊缝中心(见图1a)。然而在目前的工作中,它不是位于焊缝中心,而是靠近钢凸起的侧面。这种现象可以通过设计的电极将电流密度吸引到焊缝的外围来解释(图1d和图1e)。通过这种新设计的电极,不仅优化了电流密度分布,而且避免了焊缝中心铝核的过度生长,促进了铝核直径增加至9.5mm(图6)。


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图7:激光焊接的结构特征(误差线显示5 个测试样品的标准偏差)


激光焊缝的显微组织表征


为了避免在激光焊缝中由于熔深过大而形成空隙和裂纹,研究中采用了较低的热输入来控制焊缝熔深,最终产生了约0.3mm的熔深和宽度约为1.0mm的铝侧焊缝(图7)。第一个焊缝和第二个焊缝之间存在部分重叠区域(图8a)。


然而在两个激光焊缝穿透接合界面之前,两个焊缝已经分开(图8e),使接合界面上形成的两个相邻凸结构嵌入铝工件表面,从而形成起伏的铝钢界面,以增强接头。此外,激光焊缝的外径(9.4mm)小于电阻点焊铝块的外径(图7),表明激光焊缝恰好位于铝与钢结合界面的弱结合区域。


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图8:激光焊缝的显微组织和元素分布:(a) 激光焊缝的横截面显微
组织;(b) 铁和铝元素表面分布的EPMA 映射;(c) 熔池内对流示意图;
(d) 和(e) 分别是(a) 选定位置的放大视图和IPF 图像


图9a表明,在激光焊缝附近的不同区域,硬度分布变化很大。激光焊缝外围的红色区域是具有高显微硬度值的热影响区。该区域的温度超过Ac3(铁素体转变为奥氏体的临界温度),这促进了母材的完全奥氏体化和后续冷却过程中完全马氏体的形成(图9c)。此外,激光焊缝右侧热影响区的高显微硬度区域明显小于左侧,这是由于第1焊缝的余热导致第2焊缝的热损失减少,从而增加左侧热影响区域延伸到铝钢界面附近。

结论


在这项工作中,研究人员提出了一种创新的混合电阻点焊激光焊接工艺,该工艺首先对铝和钢异种材料进行电阻点焊,然后进行激光点焊,以将铝与钢连接起来。通过对电极结构的创新设计,优化了焊接电流分布和焊缝结构,形成了厚度小于1.2μm的薄而均匀的金属间化合物层。


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图9:激光焊缝的显微硬度和显微组织:(a) 激光焊缝的显微硬度分布;
(b) 激光焊缝的IPF 图像,黑色区域为异常小晶粒导致分辨率失败;(c)
至(g) 是对应于(a) 中选定区域的焊缝显微组织的放大图,并且(g) 还

表示用于TEM 观察的FIB 铣削样品位置;(h) 是(g) 中选定区域的相位分布图


在实验中,激光焊缝由粗晶马氏体和铁素体组成。第一个焊缝受到第二个焊缝的热影响,形成更多的马氏体并具有更大的硬度值。在激光焊缝与铝片的界面存在由Fe2Al5和FeAl3两相组成的过渡层。新颖的混合焊接工艺为铝/钢焊接提供了新思路。但是,未来还有进一步的工作要做,例如进一步优化激光焊接路径,避免激光焊接中过量铁素体的形成以及焊接设备的集成。

(由于篇幅有限,未对拉伸剪切试验和交叉拉伸试验内容做翻译,请读者自行查阅。)
Hybrid resistance-laser spot welding of aluminum to steel dissimilar materials: Microstructure and mechanical properties


来源:荣格-《国际工业激光商情》

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