電動汽車用7075鋁合金攪拌摩擦焊性能研究

劉美娜，高博

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

引言

目前，響應國家對于新能源車各項政策，電動汽車電池殼材料多選用密度較小的6系鋁合金，但由于6系鋁合金本身強度及電池殼結構設計限制，往往達不到能量密度要求，因此可考慮采用7075高強鋁實現大幅減重。7075鋁合金是一種可熱處理強化的Al-Mg-Zn-Cu系高強鋁合金材料，熔鑄方便，成形性好，經軋制能獲得比較理想的板材，通過固溶及時效處理，可獲得優良的綜合性能，因此在航空、航天以及軍工領域得到廣泛應用[1]。若7075鋁合金代替鋼鐵材料，可在很大程度上降低工業能耗，進而緩解當前能源和環境問題，提高資源利用率。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為7075鋁合金、7075-T6鋁合金，板厚均為2.0mm，鋁合金試片尺寸為350mm*150mm，焊縫熔深要求全焊透。

1.2 試驗設備

焊接設備為賽福斯特龍門式攪拌摩擦焊設備，攪拌針長2mm。

圖1 龍門式攪拌摩擦焊設備

1.3 試驗方法

首先將兩個試片對接放置在攪拌摩擦焊設備平臺上，要求對接間隙為0，然后用工裝夾具進行固定和夾緊，最后進行施焊，如圖2所示。本試驗主要焊接參數為：攪拌針轉速和進給速度，不斷調整攪拌針轉速和進給速度，觀察焊接過程中及焊后焊縫表面成形情況，在試驗過程中，當焊縫表面出現大量飛邊及溝槽缺陷時，立即終止焊接試驗，重新調整焊接參數。焊后觀察不同焊接參數下得到的焊縫表面成型情況，金相觀察各焊縫斷面，檢驗焊縫內部是否存在缺陷。再對焊后的對接鋁板，進行力學性能測試。

拉伸試驗試樣按照GB/T228《金屬材料拉伸試驗》的要求進行加工制作，實驗室環境溫度控制在（23±5）℃，試驗結束之后記錄焊接接頭的抗拉度。

圖2 施焊

2 試驗結果與分析

2.1 焊縫表面形貌

圖3 （a）、（b）、（c）分別為未熱處理7075鋁合金焊縫、T6處理7075鋁合金焊縫及7075鋁合金焊后T6處理得到的焊縫，焊縫成型較好、表面均勻一致，無氣孔咬邊等焊接缺陷。但在焊接參數調試過程中，未經熱處理的7075更易出現飛邊現象，主要原因是焊接過程中，焊縫上部溫度較高，而底部溫度較低，攪拌針端部的塑性金屬沿攪拌針表面向上遷移到軸肩區匯聚，由于軸肩區金屬溫度高，向下的擠壓力小，導致回填上來的金屬沿軸肩邊緣形成飛邊[2]。

圖3 焊縫表面形貌

2.2 焊縫斷面形貌

圖4 焊縫斷面形貌

將不同焊接參數下得到的焊縫沿橫截面切開，用砂紙打磨平整，然后用酒精清洗，再采用低倍顯微鏡觀察斷面形貌，采用高倍鏡觀察焊核區。由圖4（a）（b）（c）可知，焊縫內部均未出現缺陷，焊縫明顯分為熱影響區、熱機影響區和焊核區三個部分，焊核區為細小的等軸晶粒；熱機影響區從母材的拉長的變形組織變為具有一定弧度的彎曲組織；熱影響區的晶粒形貌與母材相似，但晶粒出現了粗化現象。圖4（a）未經熱處理的焊核區晶粒較細小，攪拌摩擦焊接過程中，攪拌針的攪拌作用和熱作用共同造成焊核區發生動態再結晶，形成細小的等軸晶[3]。圖4（b）（c）經熱處理的焊核區晶粒較粗大，主要是由于熱處理過程中接頭受熱位錯能量釋放，位錯密度降低，等軸晶粒發生進一步長大[4]。

2.3 力學性能

將不同焊接參數下得到的焊縫按照GB/T228《金屬材料拉伸試驗》加工成拉伸試樣，用拉伸試驗機進行拉伸試驗，最優參數下焊縫抗拉強度結果如表1所示，拉伸試驗后斷裂位置均在熱影響區。

表1 焊縫系數

圖5 抗拉強度與轉速/焊接速度曲線

未經熱處理的7075鋁合金焊縫系數可達0.96；熱處理后7075鋁合金焊縫抗拉強度有所提升，但由于母材強度提升較明顯，焊縫系數有所降低。由圖5中7075-T6和7075-焊后T6焊縫抗拉強度與轉速/焊接速度曲線可知，焊前熱處理和焊后熱處理的焊縫抗拉強度與轉速/焊接速度具有相同的變化趨勢，均在轉速1600r/min，焊接速度600mm/min時獲得較高抗拉強度。

3 結論

（1）未經熱處理的7075鋁合金焊縫系數可達0.96；熱處理后焊縫抗拉強度有所提升，但焊前熱處理強度提升明顯。

（2）焊前熱處理和焊后熱處理的焊縫抗拉強度與轉速/焊接速度具有相同的變化趨勢，均在轉速1600r/min，焊接速度600mm/min時獲得較高抗拉強度。