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电动汽车用7075铝合金搅拌摩擦焊性能研究

2021-05-17刘美娜高博

汽车实用技术 2021年8期
关键词:晶粒形貌热处理

刘美娜,高博

(广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院,广东 广州 511434)

引言

目前,响应国家对于新能源车各项政策,电动汽车电池壳材料多选用密度较小的6系铝合金,但由于6系铝合金本身强度及电池壳结构设计限制,往往达不到能量密度要求,因此可考虑采用7075高强铝实现大幅减重。7075铝合金是一种可热处理强化的Al-Mg-Zn-Cu系高强铝合金材料,熔铸方便,成形性好,经轧制能获得比较理想的板材,通过固溶及时效处理,可获得优良的综合性能,因此在航空、航天以及军工领域得到广泛应用[1]。若7075铝合金代替钢铁材料,可在很大程度上降低工业能耗,进而缓解当前能源和环境问题,提高资源利用率。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为7075铝合金、7075-T6铝合金,板厚均为2.0mm,铝合金试片尺寸为350mm*150mm,焊缝熔深要求全焊透。

1.2 试验设备

焊接设备为赛福斯特龙门式搅拌摩擦焊设备,搅拌针长2mm。

图1 龙门式搅拌摩擦焊设备

1.3 试验方法

首先将两个试片对接放置在搅拌摩擦焊设备平台上,要求对接间隙为0,然后用工装夹具进行固定和夹紧,最后进行施焊,如图2所示。本试验主要焊接参数为:搅拌针转速和进给速度,不断调整搅拌针转速和进给速度,观察焊接过程中及焊后焊缝表面成形情况,在试验过程中,当焊缝表面出现大量飞边及沟槽缺陷时,立即终止焊接试验,重新调整焊接参数。焊后观察不同焊接参数下得到的焊缝表面成型情况,金相观察各焊缝断面,检验焊缝内部是否存在缺陷。再对焊后的对接铝板,进行力学性能测试。

拉伸试验试样按照GB/T228《金属材料拉伸试验》的要求进行加工制作,实验室环境温度控制在(23±5)℃,试验结束之后记录焊接接头的抗拉度。

图2 施焊

2 试验结果与分析

2.1 焊缝表面形貌

图3 (a)、(b)、(c)分别为未热处理7075铝合金焊缝、T6处理7075铝合金焊缝及7075铝合金焊后T6处理得到的焊缝,焊缝成型较好、表面均匀一致,无气孔咬边等焊接缺陷。但在焊接参数调试过程中,未经热处理的7075更易出现飞边现象,主要原因是焊接过程中,焊缝上部温度较高,而底部温度较低,搅拌针端部的塑性金属沿搅拌针表面向上迁移到轴肩区汇聚,由于轴肩区金属温度高,向下的挤压力小,导致回填上来的金属沿轴肩边缘形成飞边[2]。

图3 焊缝表面形貌

2.2 焊缝断面形貌

图4 焊缝断面形貌

将不同焊接参数下得到的焊缝沿横截面切开,用砂纸打磨平整,然后用酒精清洗,再采用低倍显微镜观察断面形貌,采用高倍镜观察焊核区。由图4(a)(b)(c)可知,焊缝内部均未出现缺陷,焊缝明显分为热影响区、热机影响区和焊核区三个部分,焊核区为细小的等轴晶粒;热机影响区从母材的拉长的变形组织变为具有一定弧度的弯曲组织;热影响区的晶粒形貌与母材相似,但晶粒出现了粗化现象。图4(a)未经热处理的焊核区晶粒较细小,搅拌摩擦焊接过程中,搅拌针的搅拌作用和热作用共同造成焊核区发生动态再结晶,形成细小的等轴晶[3]。图4(b)(c)经热处理的焊核区晶粒较粗大,主要是由于热处理过程中接头受热位错能量释放,位错密度降低,等轴晶粒发生进一步长大[4]。

2.3 力学性能

将不同焊接参数下得到的焊缝按照GB/T228《金属材料拉伸试验》加工成拉伸试样,用拉伸试验机进行拉伸试验,最优参数下焊缝抗拉强度结果如表1所示,拉伸试验后断裂位置均在热影响区。

表1 焊缝系数

图5 抗拉强度与转速/焊接速度曲线

未经热处理的7075铝合金焊缝系数可达0.96;热处理后7075铝合金焊缝抗拉强度有所提升,但由于母材强度提升较明显,焊缝系数有所降低。由图5中7075-T6和7075-焊后T6焊缝抗拉强度与转速/焊接速度曲线可知,焊前热处理和焊后热处理的焊缝抗拉强度与转速/焊接速度具有相同的变化趋势,均在转速1600r/min,焊接速度600mm/min时获得较高抗拉强度。

3 结论

(1)未经热处理的7075铝合金焊缝系数可达0.96;热处理后焊缝抗拉强度有所提升,但焊前热处理强度提升明显。

(2)焊前热处理和焊后热处理的焊缝抗拉强度与转速/焊接速度具有相同的变化趋势,均在转速1600r/min,焊接速度600mm/min时获得较高抗拉强度。

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