钢/铝合金异质焊接技术研究进展综述

2018-08-27 13:40:00
陆启蒙
原创
2431

1,在汽车工业发展过程中,车体结构轻量化具有重要意义,在 汽车制造过程中使用铝材是获得更为轻便的新型汽车的一个重要方法,并将因此而提高汽车的燃料效率及改善安全和动力性能[1-4]:

(1)减少车体运行阻力;

(2)降低车体牵引功率;

(3)改善环保、减少振动、降低噪声。

在各种车体轻量化过程中,焊接是机械制造中的关键技术之一,尤其在汽车工业中,车身大量采用高比强的铝合金材料,而车机架多采用钢,钢与铝的异质材料连接对 焊接技术要求很高,目前用于车体的铝合金与钢的连接工艺中,还主要采用铆接的方法;同时由于焊接智能化程度较低,焊接质量不够稳定,在焊接工序后专门安排人工补焊工位,浪费了人力物力。因此,随着高质量汽车节能降耗的要求日益提高以及城市城际轨道交通的大发展的特定要求,钢/铝合金异质焊接指向产业化目标。探索合理的 焊接方法、焊接工装、 焊接材料以及合适的 焊接工艺成为汽车工业节能型车体焊接技术研究的重点。

2,钢/铝合金异质焊接研究现状

铝合金与钢的物理性能差异较大,以7075A 铝合金和钢为例,在铝合金/钢异质焊接过程中,由于熔点、热膨胀系数等差异较大,焊接过程中存在气孔、夹杂等多种问题。上海地铁明珠线二期采用铝合金车体焊接结构,轨道交通9 号线则进一步采用钢/铝铆接车体结构,在国内外,各大汽车厂商也在铝合金车体焊接结构、甚至是镁合金车体焊接结构进行了广泛的研究。因此,在车体焊接结构领域,铝合金/钢引起了国内外专家学者的极大关注。

2.1 目前主要的焊接方法

针对铝合金/钢连接的焊接技术主要的包括,电阻焊接、 激光焊接、储能焊接、搅拌摩擦焊接等方法[1-2]。在铝合金智能化控制的研究方面,陈善本教授等;

[3]针对箭体结构的智能化焊接进行了研究,目前已经用于上海某航空航天研究所某型火箭的箭体焊接制造。林忠钦教授等;

[4]也对轿车车身制造质量控制技术、车身轻量化技术等进行了广泛的研究。张继诚等;

[5]研究了双相钢焊接的组织性能变化,M. Geiger 等;

[6]利用搅拌摩擦焊接技术,实现DC04 钢与AA518铝合金、AA6061 铝合金的焊接。G. Sierra 等;

[7]开发了一种新的焊接镀锌钢板(DC04)和铝合金(6016T4)的技术,反应生成的界面中间层如图1 所示。

该技术利用激光和氩弧在固相钢和液相铝合金之间实现了连接。通过 激光焊实现铝合金的熔化,而后通过氩弧焊接对钢进行加热从而诱导钢铝连接。由于界面反应而形成2-40μm 的反应层,连接强度能够达250N/mm。失效测试结果表明,失效发生在铝合金一侧熔合区或者钢一侧的反应层。Y.C. Chen 等[8]针对3mmAC4C 铝合金与1mm 的镀锌钢板搭接焊接结构,利用搅拌摩擦焊方法,分析了界面的组织分布特征,分析结果发现界面形成FexAly 等金属间化合物。Mustafa 等[9]利用爆炸焊接方法,实现了铝合金与低合金高强钢或双相钢的焊接。试验发现界面的反应层较薄,双相钢焊接接头优于低合金高强钢的焊接接头。Mohamad Noh 等[10]利用搅拌摩擦焊接方法,在较低转速的条件下,实现中温钢和铝合金的焊接。在摩擦时间为6s 时,中间层厚度达到480μm,摩擦时间为20s 时,中间层厚度达到196μm。通过控制摩擦焊接时间,能够控制中间反应层的厚度。

Ranfeng Qiu 等[11]利用 电阻点焊技术对A5052 铝合金和冷轧钢、SUS304 不锈钢连接进行了研究,研究结果表明,界面反应层的分布对屈服强度影响较大。L. Tricarico 等[12]研究了Fe/Al爆炸焊接接头,针对AA1050/ASTMA516 钢的连接问题,采用爆炸焊接方法获得过渡焊接接头。S.D. Kore 等[13]利用电磁冲击焊接技术实现了对铝合金与不锈钢的焊接。4.09KJ 的能量作用下,能够实现0.25mm 厚的铝合金与1mm 厚不锈钢的焊接。针对超薄的铝钢焊接,H.T. Zhang等[14]利用冷金属过渡技术仅需要熔化金属表面的锌层即可实现超薄铝钢焊接,最小可达到0.3mm 厚度,其焊接接头断裂位置如图2 所示。M. Benachour 等[15]研究了双丝焊接条件下的焊缝失效条件下的裂纹长大现象。针对铝合金/钢焊缝界面的中间层,Kwang Lee[16]等利用透射电镜在界面中间层区域发现了100nm 大/小的铝合金微粒子以及弥散分布的金属间化合物。接近于焊缝位置的A6111 基体也表现了微细的晶粒结构。获得了SPCC/A6111 铝合金电磁压力缝焊搭接接头。

钢/铝合金异质焊接技术研究进展综述

        此外,针对激光焊接、激光钎焊、搅拌摩擦焊、冷金属过渡技术、电阻点焊铝/钢焊缝碳迁移、焊缝变形、焊接应力、疲劳等进行了模拟分析[17-26],如图3 所示。

钢/铝合金异质焊接技术研究进展综述

在工业中,铝合金/钢焊接接头已有应用。如在造船行业,铝合金/钢过渡接头已经广泛应用于豪华游轮的建造中,首先在钢甲板上焊钢质围栏,然后将铝上层建筑焊接在钢质围栏上,这就完成了铝上层建筑与钢船体的连接[2]。在汽车工业中,车身的铝合金/铝合金焊接接头已经实现了自动化焊接,但由于车体型材较薄,铝合金/钢过渡接头制备技术还不成熟,目前大部分采用铆接技术。国内某汽车公司开发了一项利用点焊焊接钢和铝异种材料的技术,并将这一技术应用于最新的马自达MX-5 跑车,这种焊接技术适用于制备形状难以改变的合金材料,如铝铸件和高强度不锈钢等。

2.2 电阻点焊技术在车身材料焊接中的应用

随着工业的迅猛发展,对汽车外壳材料的性能提出了更高的要求,并促进了产品用材的更新换代。如为了改善汽车外壳的抗腐蚀性能,提高汽车的使用寿命,在 汽车车身制造中大量采用镀锌钢板代替普通冷轧钢板;为了减轻车身总体重量,节省能源消耗,世界各大汽车公司正在开发铝合金或镁合金车身的汽车。由于在汽车车身等薄板结构的装配制造中,大量采用电阻点焊方法,为保证焊接质量,研究铝合金、镀锌钢板高强钢等新材料的电阻点焊性能已成了非常迫切的任务,近年来,各国焊接工作者就此方面做了大量的理论及实际研究工作,并取得了一定的成绩[27]。电阻焊(resistance welding)是将被焊工件压紧于两电极之间,并施以电流,利用电流流经工件接触面及邻近区域产生的电阻热效应将其加热到熔化或塑性状态,使之形成金属结合的一种方法。铝合金熔点低、屈服强度低、导电导热性能良好以及存在表面氧化膜等特点,给电阻点焊带来了很大的困难,在铝合金点焊电极寿命研究方面,美国沃特卢大学的Lum, L 研究了5182 铝合金电阻点焊电极寿命中,研究表明:从电极衰退到最终失效主要经历了铝剥离、铝与铜合金化、电极端面蚀斑及电极端面凹坑四个阶段,蚀斑和凹坑起源于铝的剥离和合金化。

电阻焊接被认为是进行铝制车身装配过程中所采用的一种最简便快捷的焊接技术。目前,汽车用高强钢板电阻焊、铝合金电阻焊已经进入工业化阶段,目前各国焊接学家对高强钢电阻焊的研究主要集中在各种高强钢的可焊性、焊接规范参数对焊点组织性能的影响、焊接程序和工艺的优化等方面。

3.钢/铝焊接技术的应用及探讨

3.1 产品背景:

随着国内汽车工业及铁路机车的迅速发展,车用铝合金零件的应用正越来越广泛。高强度铝合金零件在很多场合可替代钢制零件,为降低能耗和提高性能,以扩大铝合金在汽车上的用量实现汽车的轻量化是当前的技术发展趋势。同时也因此对传统的制造技术提出了新的要求。所涉及的内容包括,车体材料高强度铝合金与车底钢质材料的焊接技术以及基于铝合金/钢焊缝的质量保障保障系统。

车体、框架、底架通常用Al- Mg-Si 系高强度6005A 铝合金、Al- Zn-Si 系7075 高强度铝合金(抗拉强度在570Mpa 以上)等;车底为钢质材料,其工艺特点主要为:

(a) 淬火条件下强度高、塑性差、焊接性很差、裂纹敏感性强;

(b) 焊接时焊缝及近缝区晶界液化严重;

(c) 材料的焊接对气孔尤其是氢气孔的敏感性强。

3.2 存在问题:

目前国内车体铝合金/钢连接处于研发状态的主要采用电阻焊接、 电弧焊接以及 激光焊接技术,但是,在车体、框架、底架与车底材料之间的连接方面,还主要采用铆接工艺,这是因为焊接质量不稳定,焊接一次合格率低。

目前车体焊接结构连接问题可以归纳为:

(1) 铆接工艺,耗费大量材料的同时,也难以满足现场和焊接质量要求;

(2)由于焊接工艺变化范围大,焊后变形复杂,难以精确控制,由于局部焊接变形导致整体结构的严重变形,导致无法进行热加工连接产品。

3.3 发展需求:

铝合金的生产制造工艺已经成熟,目前针对汽车工业、航空工业以及造船工艺的大型铝型材已经进入工业化阶段,在国内外节能降耗大趋势的背景下,汽车、列车轻量化几乎成为必然趋势,车体钢/铝结构一体化趋势尤为明显,目前,在车体与底座的连接中,使用大量的铆接材料,车身重量大大增加。从车体焊接技术开发的发展趋势来看,有两方面的需求:

(1)新型的焊接技术,解决目前车体结构与底座的连接问题,实现整车的轻量化为高速列车耗能降低提供技术支持。

(2)迫切要求采用先进、高效的焊接自动化生产方式。车体的可靠性与
产品质量的要求不断提高,尤其是近年对焊接质量颁布的多项强制性标准,迫切要求对车体结构焊接质量建立可靠的质量保障体系,实现对焊接质量的科学、严格、系统的控制。因此,开展此项研究对推动焊接技术在车体轻量化领域中应用以及提高轨道交通、高速铁路焊接制造现代化水平具有重要意义。

结论

综合了国内外的钢/铝焊接技术研究进展现状,可见汽车车身钢铝结构一体化已经取得了非常重要的进展。但是,各种不同材料的力学性能、连接技术以及形成规律的研究还不完善,当前钢铝结构一体化的研究工作迫切需要围绕如下方面展开:

(1) 开展钢铝结构一体化汽车零部件关键技术研究,包括钢/铝焊缝成形、钢/铝焊接接头的力学性能、耐蚀性能。

(2) 深入研究钢/铝焊缝界面微观条件下的成形机理,包括元素扩散与力学性能之间的关系等。

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