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汽車車身用鋁合金與鋼材料電阻點焊技術研究
摘要：綜述了鋁合金與鋼的電阻點焊技術的研究現(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。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度的接頭；采用過渡層法能獲得具有較高抗拉強度的接頭，但焊接時需要較高的焊接電流。并就此指出了今后鋁鋼的電阻點焊的研究方向。
1、 緒論
隨著整個汽車工業(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，作為汽車輕量化材料中最主要的兩類材料，由高強度鋼板和鋁合金鋼組成的鋼-鋁一體化車身結構是實現(xiàn)車身框架結構輕量化和高強度的重要途徑。在汽車工業(yè)中，由于鋼和鋁之間的導電、導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，使得難以形成質優(yōu)、穩(wěn)定的點焊接頭。因此，開展高強度鋼板與鋁合金異種材料點焊工藝機理研究，具有重大的工程應用價值。
為了既能實現(xiàn)車身輕量化又能保證其安全性系數(shù)，多元材料結構型車身越來越受到汽車工業(yè)的青睞。在這種車身結構里，承重部位和加強零件使用傳統(tǒng)的鋼材或超高強度鋼以確保安全性，其余部位則采用鋁合金、鎂合金等輕材料以實現(xiàn)車身整體輕量化[1]。因此，在焊裝這種車身結構時，將必然涉及到鋁合金和鋼之間的異種材料連接。而電阻點焊因具有生產(chǎn)效率高、操作簡便、不需填充材料、易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，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、熱導率、熔點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，許多學者對鋁鋼之間的連接進行了詳細的研究。在此綜述鋁合金與鋼之間的電阻點焊技術研究現(xiàn)狀，分析了各方法的特點，探討了界面反應層對接頭性能的影響，并展望了今后鋁鋼的電阻點焊的研究方向。
2、 主體
1 現(xiàn)代汽車車身金屬用材
目前，汽車用材的研發(fā)動向主要有兩點：1)車身材料的混合設計，即根據(jù)對車輛性能的不同要求采用復合材料車身概念，如增加低密度的鋁合金、鎂合金、塑料和復合材料等的使用量。2)使用高強度材料降低鋼板厚度規(guī)格，這主要表現(xiàn)在高強鋼或超高強鋼的使用，車用鋼板在較長時間內(nèi)仍為車身的主要用材。由高強度鋼板和鋁合金鋼組成的鋼-鋁一體化車身結構是在傳統(tǒng)的鋼車身基礎上，通過優(yōu)化設計，以高強鋼減少車身鋼板的質量，以鋁合金材料替代某些構件或組件，由多種材質的薄壁梁結構經(jīng)可靠連接，實現(xiàn)車身框架結構的輕量化和高強度，鋼-鋁一體化車身結構已成為今后車身輕量化的發(fā)展技術路線[8，9]。
1.1 鋁合金
在輕質材料中，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，鎂合金材料的價格和安全性也限制了它的廣泛應用，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，使鋁的產(chǎn)量迅速增加，成本相應下降。此外，鋁合金具有一系列優(yōu)良特性，如密度小、比強度和比剛度高、彈性好、抗沖擊性能良好、高導熱、高導電、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)中逐漸廣泛應用成了不可阻擋的趨勢。
鋁合金在汽車工業(yè)中呈現(xiàn)出快速增長的勢頭。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)動機上的部分零部件（活塞、缸蓋等）以及變速箱、制動器、轉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，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)質鋼材、鋼管等，其中以薄板和優(yōu)質鋼材為主，薄板主要用于車身，要求鋼板成型性能良好、表面質量好、厚度公差小。按鋼板特點分，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構零件(如前后縱梁、轉向器橫梁、車身 B 立柱及各零件加強板等)。隨著對車身輕量化、高剛度等要求的進一步提高，高強度鋼板、涂層鋼板在車身的使用比率逐年提高。在汽車用高強度鋼板中，雙相鋼(DP)、復相鋼(CP)、相變誘發(fā)塑性鋼(TRIP)和馬氏體鋼(MART)等的強度范圍為 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，在汽車上得到了廣泛應用[11]。
目前在車身材料中還大量應用著涂層鋼板，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層狀復合板，其中以鍍鋅鋼板的應用最廣，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 鋼等高強度鋼板為基板。高強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。
2 鋁鋼電阻點焊工藝方法
目前，關于鋁合金與鋼的異種材料電阻點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，采用工藝墊片法對鋁鋼異種材料材進行電阻點焊[4，7]。即在點焊時，在鋁合金板與電極之間夾一材質為鋼的工藝墊片(Cover Plate)用來改善鋁側的析熱。強度試驗結果顯示，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度和較低的抗拉強度，表明界面反應層將使接頭抗拉強度降低而對接頭的抗剪強度沒有影響[7]。所以，在實際應用中，應盡量避免焊接界面與受力方向垂直的接頭結構，而選擇界面平行于受力方向的工藝設計。
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)生界面反應而影響接頭抗拉強度。因而，中間過渡層法被諸多學者所采用。即焊接鋁鋼異種材料時，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。一般與兩母材有較高固溶度且具有一定強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?？墒菍嶋H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焊
3.1鋁合金的電阻點焊
由于鋁合金在其物理性能上的特殊性,使它在電阻點焊可焊性方面與常用冷軋低碳鋼相比有其一定的特點,其中存在的最嚴重的問題是電極的燒損及壽命問題對于一般低碳鋼的點焊,電極壽命可以達到幾千點,而鋁合金的點焊一般僅能達到幾十點[12]。鋁合金電阻點焊技術還存在著飛濺問題、焊點表面成型質量問題及點焊接頭的焊接質量不穩(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系。因此,電極磨損及壽命問題是鋁合金電阻點焊技術的關鍵問題。
國內(nèi)的天津大學在鋁合金點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電極壽命的影響;研究了鋁合金連續(xù)點焊焊點表面質量及電極端面狀態(tài)變化情況;研究了點焊過程電極燒損的形式;進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焊電極壽命吳志生等人從電極端而銅鋁合金化的角度進行了研究,認為點焊電極/工件接觸面的銅鋁合金化是鋁合金點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鍍鋅鋼板的電阻點焊
近年來,為防止銹蝕,國外汽車生產(chǎn)中大量采用鍍鋅板,其結果是導致可焊性惡化,每輛轎車中大致有3000一4000個點焊焊點,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注,開始進行比較深入的研究,雖然已取得一些進展,但迄今為止仍沒有得到比較圓滿的解決。
與無鍍層碳鋼板點焊相比,鍍鋅鋼板的點焊主要有兩點不同,一是在通電加熱時,由于鋅的熔點低(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,以及適當增大壓力和延長通電時間。二是在通電時熔化的鋅與電極相互作用,在電極表面形成一合金層,同時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,如一對電極焊無鍍層鋼板時,可焊數(shù)千個焊點,而鍍鋅板則可能只焊20個焊點就需更換或修理。這對于大批量生產(chǎn)的汽車工業(yè)來說是一個非常嚴重的問題,特別是在采用點焊機器人的情況下更是如此。目前對于鍍鋅板點焊的研究主要從三個方面著手一是鍍鋅板的性能對可焊性的影響.如鍍鋅層的厚度、成分、形態(tài)、表面狀態(tài)等;二是對鍍鋅板點焊工藝及設備的要求;三是對鍍鋅點焊電極材料的研究[16]。
3、 總結
鋼-鋁一體化車身結構是高性能輕質材料的應用及發(fā)展方向。目前，鋼-鋁連接機理及技術的研究仍處于起步階段，尚未形成成熟理論和技術工藝?，F(xiàn)有的低碳鋼-鋁合金點焊連接研究對抑制和控制界面化合物的生成、提高接頭強度等內(nèi)容進行了研究，但在提高電阻點焊效率方面有待進一步完善；在鋼-鋁電阻點焊的界面反應機理等方面仍需進一步深入研究。已有的研究內(nèi)容未涉及高強鋼-鋁合金點焊條件下焊接熱循環(huán)以及焊接接頭熔核形成機理。因此，進行鋼-鋁一體化車身結構的電阻點焊機理的基礎理論研究，為解決鋼-鋁一體化車身結構的優(yōu)質高效連接技術的瓶頸,擴大鋁-鋼異種金屬復合結構在工程中應用提供新的研究方向，對提升自主創(chuàng)新技術能力、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，但尚未達到實用化層面。所以，為推動汽車輕量化的進展，今后在對鋁鋼界面反應動力學、合金元素對界面反應的影響、界面反應生成物類型、形貌和厚度對接頭性能的影響等現(xiàn)象解明的同時，研究開發(fā)一些新工藝、新技術也是非常重要的。
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