SiCp／6061鋁基復(fù)合材料電阻點(diǎn)焊接頭中的缺陷分析

李杏瑞，牛濟(jì)泰，2，楊順成

（1.鄭州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，鄭州 450001；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)先進(jìn)焊接與連接國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001；3.正機(jī)協(xié)合能源裝備科技有限公司，鄭州 450001）

0 引言

碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁（SiCp／Al）基復(fù)合材料是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、價(jià)格最便宜、且能實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模生產(chǎn)的金屬基復(fù)合材料之一，在很多領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。但此類材料的焊接要比其它金屬材料復(fù)雜得多，較難形成高強(qiáng)度的焊接接頭。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)SiCp／Al基復(fù)合材料焊接方法的 研 究 主 要 集 中 在TIG 焊［1］、MIG 焊［2］、激 光焊［3，4］、等離子弧焊［5］、TLP焊［6］、攪拌摩擦焊［7］等，但有關(guān)采用電阻焊來連接SiCp／Al復(fù)合材料的報(bào)道較少。

電阻點(diǎn)焊是一種效率較高、工藝簡(jiǎn)單、焊接成本低的焊接方法。作者前期對(duì)SiCp／Al基復(fù)合材料的電阻點(diǎn)焊做了初步研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其焊接接頭的拉剪強(qiáng)度較低，焊后熔核直徑較小；在SiCp／Al基復(fù)合材料的電阻點(diǎn)焊接頭區(qū)存在SiC顆粒偏聚現(xiàn)象。為克服以上問題，作者對(duì)SiCp／Al基復(fù)合材料的電阻點(diǎn)焊連接工藝做如下改進(jìn)：在電極與復(fù)合材料之間添加不銹鋼墊片，增加電阻點(diǎn)焊中的產(chǎn)熱量，使電極壓力均勻。

工藝改進(jìn)后，SiCp／Al基復(fù)合材料電阻點(diǎn)焊對(duì)焊接熱輸入和電極壓力等工藝參數(shù)的變化較敏感，若焊接工藝參數(shù)控制不當(dāng)，焊接過程中易產(chǎn)生氣孔、裂紋、焊接噴濺等缺陷，這些缺陷的存在將顯著降低SiCp／Al基復(fù)合材料點(diǎn)焊接頭的力學(xué)性能［8－9］。鑒于此，作者對(duì)SiCp／6061鋁基復(fù)合材料電阻點(diǎn)焊中出現(xiàn)的缺陷及其形態(tài)和產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了較深入的分析，以期獲得性能良好的SiCp／Al復(fù)合材料點(diǎn)焊接頭。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

采用粉末冶金法制備的SiCp／6061鋁基復(fù)合材料為母材。基體6061Al 的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)／%）為0.40Si，0.7Fe，0.15Cu，0.15Mn，0.8Mg，0.04～0.35Cr，0.25Zn，0.15Ti，余Al。增強(qiáng)相SiC顆粒的平均直徑為10μm，SiC 顆粒的體積分?jǐn)?shù)為15%。將材料在線切割機(jī)上加工成為50 mm×20mm×1 mm 的試樣。然后進(jìn)行搭接焊接，焊接時(shí)搭接長(zhǎng)度為20mm，焊接試樣尺寸見圖1。

圖1 電阻點(diǎn)焊試樣及其搭接接頭示意Fig.1 Sketch map of sample and lap joint of resistance spot welding

試樣待焊表面用砂紙仔細(xì)打磨，去除表面氧化膜，再用丙酮清洗并風(fēng)干，然后在YS－500SA2型點(diǎn)焊機(jī)上進(jìn)行焊接，焊接電極為直徑20mm 的紫銅電極，工作端面為球面形狀，冷卻水流量為3 L·min－1。為了增加焊接區(qū)域的產(chǎn)熱及熔核中增強(qiáng)相的均勻分布，在電極與復(fù)合材料間放置厚度為0.12mm的1Cr18Ni9Ti不銹鋼片，如圖2所示。焊接時(shí)的焊接電流為14.6～16.5kA，焊接時(shí)間為0.2～0.4s，焊接壓力為1 500～2 500 N。焊后試驗(yàn)在PMG 型光學(xué)顯微鏡和QUANT200型掃描電鏡（SEM）上觀察氣孔、裂紋、噴濺等缺陷形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 氣 孔

圖2 加不銹鋼薄片時(shí)的搭接接頭示意Fig.2 Sketch map of lap joint using stainless steel sheets

采用焊接電流為14.6kA、焊接時(shí)間為0.2～0.4s、焊接壓力為2 500N 進(jìn)行點(diǎn)焊試驗(yàn)時(shí)，在復(fù)合材料的電阻點(diǎn)焊接頭區(qū)出現(xiàn)了如圖3 所示的氣孔。氣孔出現(xiàn)在熔核斷面上，其形狀規(guī)則、尺寸小、內(nèi)壁光滑、呈圓喇叭口形，根據(jù)形態(tài)可以判斷此氣孔為氫氣孔。這些氣孔減小了焊縫的有效工作截面，降低了焊縫的強(qiáng)度和塑性。

圖3 SiCp／6061鋁基復(fù)合材料電阻點(diǎn)焊接頭中的氣孔Fig.3 Gas holes in the joint of SiCp／6061Al composite RSW

在復(fù)合材料的電阻點(diǎn)焊中，焊接時(shí)間過長(zhǎng)是接頭區(qū)形成氣孔缺陷的主要原因。焊接時(shí)，在點(diǎn)焊溫度場(chǎng)高溫區(qū)，氫大量溶解在液態(tài)鋁中，當(dāng)焊接時(shí)間較長(zhǎng)，如0.3s時(shí)（最優(yōu)焊接時(shí)間為0.2s），溶解在點(diǎn)焊熔核中的氫增多；而在熔核凝固時(shí)，液態(tài)鋁中氫的溶解度突然下降，造成氫以原子形態(tài)從液態(tài)金屬中向外逸出，形成氣泡［10］。由于電阻點(diǎn)焊熔核凝固速度很快，加上鋁液中SiC 顆粒增強(qiáng)相增大了熔池的黏度，熔核冷卻時(shí)形成的氫來不及逸出而導(dǎo)致在熔核中形成氣孔缺陷。可采用焊前仔細(xì)清理材料表面，以減少氫的來源，或采用大電流、短點(diǎn)焊時(shí)間等方法來防止氫氣孔的產(chǎn)生。

2.2 熱裂紋

在焊接電流為14.6～16.5kA、焊接時(shí)間為0.2s、電極壓力為2 500N 下施焊，在接頭區(qū)產(chǎn)生了橫穿熔核中心的熱裂紋，其形貌如圖4所示。

圖4 SiCp／6061鋁基復(fù)合材料電阻點(diǎn)焊接頭中的裂紋Fig.4 Cracks in the joint of SiCp／6061Al composite RSW

對(duì)于SiCp／6061 鋁基復(fù)合材料的電阻點(diǎn)焊接頭，焊接電流過大是產(chǎn)生熱裂紋的主要原因。當(dāng)焊接電流過大，如16kA（最佳焊接電流為14.6kA）時(shí)，點(diǎn)焊時(shí)快速加熱會(huì)使焊接區(qū)產(chǎn)生不均勻的塑性變形和不均勻的應(yīng)力、應(yīng)變場(chǎng)；在熔池結(jié)晶后期，電極對(duì)熔核所施加的壓力大部分被結(jié)晶的晶粒所吸收，而液態(tài)金屬自由流動(dòng)的阻力卻在增加，同時(shí)增強(qiáng)相SiC顆粒的存在使得接頭區(qū)更滯粘，不能及時(shí)彌補(bǔ)凝固收縮產(chǎn)生的空隙，造成了橫穿熔核中心的熱裂紋。

2.3 噴 濺

在焊接電流為14.6～16.5kA，焊接時(shí)間為0.2s、電極壓力為1 500～2 500N 下施焊，在接頭處出現(xiàn)內(nèi)噴濺，其形貌如圖5所示。從圖中可以看出，形成的噴濺呈整體擠出型，屬后期噴濺。

圖5 SiCp／6061鋁基復(fù)合材料電阻點(diǎn)焊接頭間的飛濺物及其成分Fig.5 Spatters（a）and EDS spectrum（b）of the joint of SiCp／6061Al composite RSW

在復(fù)合材料的電阻點(diǎn)焊中，焊接電流過大和焊接壓力過小是形成噴濺的主要原因。在點(diǎn)焊加熱過程中，由于金屬受熱膨脹，熔化區(qū)的壓力逐漸加大，如果外加焊接壓力過小，塑性環(huán)不能抑制熔化金屬的快速膨脹，熔核區(qū)域及塑性環(huán)逐步向外擴(kuò)展。當(dāng)焊接電流過大，如16 kA 時(shí)（最佳焊接電流為14.6kA），焊接壓力較小，如2 000N 時(shí)（最佳焊接壓力為2 500N），加熱過程過于劇烈時(shí)，熔核區(qū)的擴(kuò)展速度大于塑性環(huán)的擴(kuò)展速度，最終液態(tài)鋁在電極壓力及自身膨脹力的作用下沖破塑性環(huán)的束縛，沿徑向大量飛出形成后期噴濺［11］。

由EDS譜可知噴濺物中鋁的含量明顯高于母材中鋁的含量，而硅的含量明顯低于母材的。這也進(jìn)一步證明噴濺現(xiàn)象影響了焊縫中的化學(xué)成分，增加了焊縫區(qū)域SiC 顆粒偏聚的程度。因此，在焊接過程中應(yīng)盡量抑制噴濺的產(chǎn)生。

2.4 復(fù)合材料在最佳點(diǎn)焊工藝參數(shù)下的接頭形貌

對(duì)于復(fù)合材料的電阻點(diǎn)焊，通過大量的試驗(yàn)和缺陷分析，優(yōu)化出一組最佳的工藝參數(shù)：焊接電流為14.6kA、焊接時(shí)間為0.2s、焊接壓力為2 500N。采用最佳工藝參數(shù)進(jìn)行焊接時(shí)，產(chǎn)生的熱量適中，能形成具有保護(hù)作用的塑性環(huán)，點(diǎn)焊接頭成型好。從圖6和圖7可以看出，接頭區(qū)成型致密，增強(qiáng)相SiC顆粒分布較均勻，無(wú)氣孔、裂紋、噴濺等缺陷。

3 結(jié)論

（1）SiCp／6061鋁基復(fù)合材料電阻點(diǎn)焊前工件表面清理不徹底、焊接時(shí)間過長(zhǎng)（0.3s）時(shí)，會(huì)在點(diǎn)焊接頭中會(huì)出現(xiàn)氫氣孔缺陷。

（2）SiCp／6061鋁基復(fù)合材料電阻點(diǎn)焊時(shí)焊接電流過大（16kA），會(huì)產(chǎn)生橫穿熔核中心的熱裂紋。

（3）當(dāng)焊接電流過大（16kA）、電極壓力過小（2 000N）時(shí)會(huì)造成接頭區(qū)出現(xiàn)噴濺。

（4）電阻點(diǎn)焊的焊接電流為14.6kA、焊接時(shí)間為0.2s、焊接壓力為2 500N 時(shí)得到的復(fù)合材料焊接接頭區(qū)成型致密，增強(qiáng)相SiC顆粒分布較均勻，無(wú)氣孔、裂紋、噴濺等缺陷。

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