钢铝电阻点焊工艺和机理的研究进展

陈 灿 ，孔 谅 ，2，程轩挺 ，王 敏 ，2

（1.上海市激光制造及材料表面改性重点实验室（上海交通大学），上海 200240；2.高新船舶与深海开发装备协同创新中心，上海 200240；3.苏州和健机器人科技有限公司，江苏常熟 215505）

0 前言

为了满足降低排放和提高汽车续航里程的需要，汽车生产商们正努力研发更轻的车辆。将强度高、价格低廉但密度较大的钢材和价格昂贵但密度较低的铝合金混合在一起制作车身结构，能在保证车体强度要求的同时大大减轻汽车质量，从而实现汽车轻量化的目的。通过在汽车恰当部位使用恰当的材料，工程师可以在满足车体强度的需求下降低车身的重量和成本[1]。

由于异种金属之间显著的热力学、冶金学和机械性能差异，异种金属的连接十分困难[2]。马丁森等人[3]总结了几种主要的异种金属连接技术，根据连接原理，分类为机械方法、胶结和热力学方法。机械方法采用物理的方式连接异种材料，通常使用螺纹紧固件、铆钉、流动钻孔螺钉、自冲铆、搅拌摩擦铆、针线或者纤维缠绕的方式进行连接。胶结方法通过使用高强度的化学黏合剂连接异种材料。热力学方法通过各种方式产生大量的热，熔化零件或者加工件的表面，在异种金属之间形成金属间化合物从而完成异种金属的连接。常见的热力学连接方式有电弧焊、超声波焊、高能粒子束焊、钎焊、电阻点焊和搅拌摩擦焊等。岐山等人认为，好的异种金属连接方式应该能够提高连接效率、减少接头变形、最小化热膨胀差异和降低成本[4]。

电阻点焊具有高效率、低成本、稳定性和灵活性等优点，因此被广泛应用于汽车工业零部件的连接中。电阻点焊连接异种金属的原理是在电极处施加压力，使板材紧靠，再给需要连接的板材通强电流，在板材接触的界面处，根据焦耳定律产生大量的热熔化需要连接的板材表面附近的金属，使界面处形成金属间化合物，从而将异种金属连接在一起，如图1a所示。根据铝板受热情况的不同，铝板上的组织可分为熔核、热影响区和母材，如图1b所示。

图1 钢铝点焊过程及接头示意

但是，获得高质量的钢铝点焊接头需要克服大量的困难。原因是：（1）钢材和铝合金熔点差异明显（纯铝的熔点为933 K，纯铁的熔点为1 808 K），焊接过程中仅有铝材熔化，而钢材保持固体状态。液态的铝润湿固态的钢材表面，形成一层金属间化合物层，将钢板和铝板连接在一起。界面处金属间化合物层属脆硬相，对剪力和拉力的抵抗较弱，实验显示，当金属间化合物层较厚时，钢铝点焊接头的强度显著降低。（2）铝板表面存在顽固的氧化层，在焊接过程中会提高钢板和铝板界面处以及铝板和电极界面处的接触电阻，从而限制接触界面处的热效率[5]。同时，在焊接完成后，铝板表面固有的氧化层会成为点焊接头界面处的氧化层缺陷，为裂纹的萌生和扩展提供便利，从而极大地影响钢铝点焊接头的力学性能。（3）影响钢铝点焊技术在实际生产过程中的投入使用的另一个问题是电极磨损。在钢铝点焊的过程中，由电流传导产生的热量会导致铝板和铝侧的铜电极发生反应。该反应使铝粘连在铜电极头上，形成Al2Cu，降低电极表面的导电及导热性，从而降低电极头的寿命，增加生产成本[6]。研究表明，高质量的钢铝点焊接头金属间化合物层的厚度应小于2 μm；界面处无缩松、气孔或氧化层缺陷；熔核由晶粒直径在500 nm以下的等轴晶组成[5]。

1 钢铝点焊接头界面处金属间化合物的研究

金属间化合物层是钢铝点焊过程中钢和铝相互扩散的产物，界面处温度越高，越有利于金属间化合物层的生长。针对钢铝点焊界面处的金属间化合物层的形成机理、形貌、组成以及焊接过程中因素的影响方式，均已有较为细致的研究，这些研究成果被广泛地应用于实际生产中，帮助工厂得到金属间化合物层厚度小的钢铝点焊接头。

谢里夫科技大学的Arghavani等人使用电阻点焊技术将厚度2 mm的5054铝合金板和厚度1 mm的镀锌钢板焊接在一起[7]，获得的焊接接头界面处的金属间化合物层厚度小于5.5 μm。研究人员制备金相试样，在SEM下观测金属间化合物的形貌，并利用EDS研究金属间化合物的具体成分。结果表明，钢铝界面处的金属间化合物层可分为两个部分，分别是靠近铝侧的针状FeAl3和靠近钢侧的牙齿状Fe2Al5，如图2所示。

图2 金属间化合物形貌

上海交大的万子轩等人针对钢铝点焊接头中金属间化合物层的形貌和种类进行了细致的观测和研究[8]。使用1.2mm厚度的6022-T4铝合金和2mm厚度的热镀锌钢板进行焊接，将得到的点焊接头制成金相试样置于SEM下观测，并利用EDS判断其成分，观测到两种不同类型的金属间化合物——靠近铝侧的针状FeAl3以及靠近钢侧的齿状Fe2Al5。其中，靠近铝侧的针状FeAl3厚度较小且数量较少；靠近钢侧的齿状Fe2Al5为金属间化合物的主要组成部分（厚度大、数量多）。对点焊接头进行力学性能测试并追踪其裂纹扩展路径发现，当金属间化合物层较厚时，裂纹倾向于在靠近钢侧的齿状Fe2Al5中扩展。Fe2Al5为裂纹的扩展提供了适合的环境，从而降低了接头的力学性能。

万子轩等人研究了焊接时间对金属间化合物层厚度分布的影响。当钢铝点焊的焊接时间较长时，获得的点焊接头的金属间化合物层的厚度呈双驼峰状分布[8]，即焊接接头中心位置的金属间化合物厚度小于四周的金属间化合物厚度；当焊接时间相对较短时，焊接接头中心位置的金属间化合物的厚度大于四周的金属间化合物厚度。金属间化合物层的厚度与界面处的温度有关。研究人员认为，当焊接时间较长时，电极头中心位置的冷却效果好于四周，限制了焊接接头中心位置的金属间化合物的增长，从而导致较长焊接时间条件下双驼峰状的金属间化合物的厚度分布。当焊接时间较短时，冷却效果尚不明显，无法观测到双驼峰状的金属间化合物厚度分布。

上海交通大学的陈楠楠等人研究了焊接时间和焊接电流对钢铝点焊接头力学性能的影响[9-10]。使用1.2 mm的铝板和2 mm的钢板，利用电阻点焊技术分别制备撕裂测试、拉伸测试、十字拉伸测试和金相试样。实验结果表明，焊接电流和焊接时间的增加均能增加铝熔核的尺寸。但是，当焊接时间增长时，铝熔核直径和金属间化合物层厚度共同增长。虽然铝熔核直径的提升对接头的力学性能有促进作用，但金属间化合物层厚度的增加使裂纹的萌生和扩展更加容易，严重降低了点焊接头的力学性能。焊接电流的增长仅促进了铝熔核的增长，对金属间化合物层的厚度影响并不显著。力学性能测试的结果表明，当金属间化合物层的厚度小于2μm时，钢铝点焊接头的力学性能较好。实验测得的十字拉伸测试、撕裂测试、拉剪测试的受力峰值均值分别为1.6 kN、0.6 kN和5 kN。

2 消除铝合金表面氧化层的研究

日产汽车的Miyamoto等人尝试利用镀锌钢板表面的镀锌层消除铝板表面的氧化层[5]。实验材料为1 mm厚的6系铝合金，0.55 mm厚的合金化热镀锌钢板（galvannealed steel，简称GA）和0.55mm厚的热镀纯锌钢板（galvanized steel，简称GI）。实验表明，GA和GI表面的镀锌层能与铝板表面的氧化层发生共晶反应，从而清除铝表面的氧化层。该反应对温度的要求相对较低。研究人员将获得的钢铝点焊接头进行拉剪实验，结果表明，优质的钢铝点焊接头的金属间化合物层厚度应小于2 μm，而且铝熔核的组织形貌应为晶粒小于500 nm的柱状晶。实际生产中焊接往往会受到外界因素的干扰，例如由装配误差导致的焊接件之间存在间隙、焊接件与电极之间存在倾角等。

为了验证镀锌钢板和铝板焊接的稳定性，宫本等人在钢铝点焊过程中引入了焊接倾角（电极和板材的倾角）和焊接间距（钢板与铝板的距离）两个因素，如图3所示。实验结果表明，在加入了2.5°焊接倾角或2 mm焊接间距的情况下，得到的钢铝点焊接头仍具有良好的力学性能。在拉伸实验中，没有焊接倾角和焊接间距的实验组得到的接头平均受力峰值为2.1 kN；当引入2 mm的焊接间距时，平均受力峰值为2.4 kN；当引入2.5°的焊接倾角时，平均受力峰值为2.0 kN[5]。

图3 焊接间距和焊接倾角对钢铝点焊过程的影响示意

大阪大学的Ueda等人研究了钢材表面不同的锌镀层对钢铝点焊的影响。实验中使用的钢材厚度为1.2 mm，铝材厚度为1.0 mm，共进行了4组实验，钢材表面的涂层分别为无涂层、纯锌镀层、铝锌镀层和铝镁锌镀层。实验结果表明，纯锌镀层和铝镁锌镀层能在钢铝点焊的过程中通过共晶反应清除铝板表面的氧化层。该实验中，钢板表面使用纯锌镀层和铝镁锌合金镀层的实验组得到的十字拉伸试样的受力峰值均达到1.3 kN[11]。

Ibrahim等人在钢板和铝板之间添加了一层铝镁合金垫层进行电阻点焊。使用的铝板为A6061-T6铝合金，钢板为394奥氏体不锈钢，钢板和铝板的厚度均为2 mm。实验结果表明，加入铝镁合金的中间垫层抑制了金属间化合物的生成和成长，从而提升了点焊接头的力学性能。通过使用中间垫层，研究人员得到了金属间化合物厚度仅为2 μm的点焊接头。将获得的钢铝点焊接头置于不同级别的拉伸疲劳应力条件下，研究人员观察到了不同的疲劳断裂模式。拔出断裂、界面断裂和铝板方向的厚度断裂分别对应高级别疲劳应力、中级别疲劳应力和低级别疲劳应力条件下的主要断裂模式，如图4所示。研究人员认为断裂模式的转变和应力下熔核的旋转有关，如图5所示。在较低应力的条件下，熔核基本无旋转，因此接头的断裂模式主要为铝板方向的厚度断裂。当应力条件提升，熔核旋转加剧，断裂模式就转变为界面断裂和拔出断裂[12]。

图4 不同的疲劳断裂模式

图5 不同疲劳应力下点焊接头的旋转情况

3 电极形貌对钢铝点焊的影响

通用汽车公司的Sigler等人尝试改变电极头的形貌，从而降低电极磨损，提升点焊过程中电极头的使用寿命[13]。GM专利的多环形电极（见图6）能有效地击穿铝板表面的氧化层，极大地降低铝板和电极之间的接触电阻[14-15]。从而降低了电极和铝板接触处的产热，抑制铝板和铜电极的反应，提升了电极寿命。此外，该电极进一步集中了铝板和铝板接触表面的能量输入。多环形电极同样能够提升铝点焊过程的稳定性：使用多环形电极进行焊接，即使在电极与板材之间出现焊接倾角或者铝板材之间出现间隙的情况下，也能得到相对稳定的铝点焊接头。西格莱尔等人的实验表明，多环形电极同样可应用于钢铝点焊和钢钢点焊，这表明可以在同一生产线上进行钢钢点焊、铝铝点焊和钢铝点焊，避免了因焊接材料的不同对生产线进行频繁调整。多环形电极的投入使用提高了实际生产线的效率和灵活性[16-19]。

图6 多环形电极示意

上海交通大学的张敏等人使用球面环装电极进行钢铝点焊的研究，如图7所示。球面环形电极的使用显著提高了焊接接头的熔核直径，降低了金属间化合物层的厚度，所得到的接头金属间化合物层厚度均在2μm以下。使用球形环形电极所制得的接头在拉剪实验中断裂模式多为钮扣断裂，且最大拉剪力显著提升[20]。

4 结论

钢和铝的焊接技术是汽车轻量化战略中的关键技术，对钢铝点焊的研究也一直吸引着人们的眼球。如今钢铝点焊的研究取得了显著成果，困扰钢铝点焊的一些问题已经得到初步解决。

（1）金属间化合物层形成的机理、金属间化合物的组成和形貌以及焊接条件对金属间化合物层的影响和影响机理逐渐明晰，汽车生产商们能通过控制焊接电流和焊接时间、使用有特殊镀层的钢板等方式控制金属间化合物层的厚度，限制其对点焊接头力学性能的影响。

（2）通过使用镀锌钢板、在钢板和铝板之间添加特殊成分的合金垫板等方式，能在一定程度上清除铝表面的氧化层。

（3）通用汽车公司专利的多环形电极能有效降低电极与铝板的接触电阻，抑制电极与铝板之间的反应，从而减少电极磨损，提升电极寿命。

图7 铝侧RSE型电极端面尺寸示意

但是钢铝电阻点焊技术仍存在尚未解决的难题。目前使用的方法无法完全清除铝板表面的顽固氧化层，残留在钢铝接头界面处的氧化层缺陷会成为裂纹萌生的源头和裂纹扩展的路径，从而严重降低接头的力学性能。对钢铝点焊接头的断裂机理尚无清晰全面的解释，限制了汽车生产商们对点焊接头性能的充分利用。同时，研究人员们正尝试使用更新颖的方式进行钢铝点焊，例如调整焊接电流的周期和波形，在电极和板材之间、板材和板材之间添加特殊合金的垫片等。随着钢铝点焊研究的进一步深入，在汽车生产中大规模应用钢铝点焊即将成为现实。