钢/铝异种金属电阻点焊的焊接性及实用化基础研究

本项目系统地研究了高强钢-铝合金异种金属电阻点焊的焊接性及焊接技术基础。结果表明，钢-铝点焊温度场及接头微观组织分布是不均匀的。铝熔核由胞状晶、胞状树枝晶和树枝晶组成。点焊过程中，钢/铝界面区发生Fe、Al原子的互扩散，形成具有双层结构特征（Fe2Al5和Fe4Al13）的金属间化合物（IMC）层。基于IMC生长热力学、动力学分析，揭示了钢/铝界面反应机理，提出了界面IMC生长模型。钢-铝点焊接头具有二种断裂模式（界面断裂和纽扣断裂），界面脆硬的IMC层和铝合金HAZ是影响接头性能的主要因素。钢-铝接头裂纹易在界面IMC层中萌生、扩展，主要归因于高的焊接拉应力和界面区脆化。点焊参数、电极形状及熔核变质处理对钢-铝电阻点焊质量具有明显的影响。在F型电极条件下，随着焊接电流（时间）增加，界面温度、熔核直径、IMC层厚度及接头拉剪力（3.3kN）增加，但过大的焊接电流（＞9kA）或过长的焊接时间（＞250ms）导致拉剪力减小。这主要归因于提高界面温度促进Fe、Al原子的互扩散和IMC层生长。研究揭示了电极形状对温度场、熔核直径、界面IMC层厚度、接头微观结构及力学性能的影响规律及影响机理，获得的优化电极为：高强钢侧为圆形平面电极，电极直径10mm；铝合金侧为球面电极，球面半径35mm。在优化电极条件下，钢-铝接头拉剪力增至5.4kN。研究结果表明，采用Zn、Ti、Ni、Cu、Si粉末和Cu、Al-12%Si中间层实现熔核变质处理有利于抑制IMC层生长，改善钢-铝接头的力学性能，主要归因于变质剂元素偏聚于IMC晶体表面，阻隔了Fe、Al原子的互扩散及降低IMC的脆性。使用300μm厚的Al-12%Si中间层进行熔核变质处理，点焊接头拉剪力可达6.2kN。合适的焊后热处理也有利于改善钢-铝接头的力学性能。基于以上研究结果，建立了接头力学性能与点焊参数关系模型，实现了点焊参数优化。 2100433B

系统地研究钢/铝异种金属点焊温度场特点、熔核形成过程及微观结构、钢/铝界面原子互扩散行为、界面反应机理及金属间化合物层生长机制、接头裂纹特征及形成机理、接头力学性能特点，从本质上揭示钢/铝点焊的焊接性特点。提出点焊熔核变质处理思想，研究变质剂成分和添加方法对钢/铝界面金属间化合物、熔核微观结构、裂纹敏感性及接头力学性能的影响规律，揭示变质机理，优化变质剂成分，评价变质剂添加方法的实用性，完善熔核变质处理点焊技术。研究点焊参数、电极形状及焊后热处理对钢/铝点焊温度场、熔核直径、微观结构、界面金属间化合物层厚度、裂纹敏感性及接头力学性能的影响规律，揭示其影响机理。建立接头力学性能与点焊参数关系数学模型，实现电阻点焊参数优化和接头质量控制。本项目研究成果不仅可丰富材料焊接基本理论，而且有利于促进钢/铝异种金属焊接技术和汽车轻量化技术的发展，具有重要的理论意义和实用价值。

它是表征金属焊接难易的特性，也是金属材料的基本工艺性能之一。对多数金属材料而言，焊接性主要指的是熔化焊的焊接性（见金属焊接）。

影响焊接性的主要因素是金属材料的化学成分和组织，但也与焊接工艺因素和使用条件密切相关。研究焊接性对改进金属材料的焊接性能、研制新型焊接材料和促进焊接技术进步有着重要的意义。

金属的化学成分是决定其焊接性的主要因素；对钢而言，含碳量越高，则焊接性越差。对于钢内其他化学元素可以通过碳当量()来对其影响进行比较和估计。国际焊接学会(IIW)推荐的碳当量计算公式为：

焊接性包括工艺焊接性和使用焊接性，前者指在焊接过程中是否容易产生裂纹及其他缺陷，后者指焊后的接头能否具有满足使用要求的力学及其他性能。

金属的焊接性可以通过试验进行评定，试验不仅可以用于改进焊接工艺，而且也用于研究金属材料的基本工艺性能。选择试验方法的原则是：适用性好，尽可能接近实际生产或研究的条件；再现性好，试验过程和结果受人为因素的影响较少；经济性好，消耗材料少。试验内容包括母材金属的化学分析和力学性能试验。后者主要有两个方面：

①工艺焊接性试验 主要是确定接头产生裂纹的倾向,试验方法有:(a)自拘束裂纹试验,如直丫和斜丫坡口对接刚性拘束裂纹试验以及其他类型刚性接头抗裂试验等；(b)外拘束裂纹试验,如拉伸拘束裂纹试验、刚性拘束裂纹试验、可变拘束试验以及插销试验等（见焊接裂纹）。

②使用性能试验 根据使用要求决定。例如焊接接头和焊缝的力学及耐腐蚀性试验，以及试验性焊接容器的爆破试验等。

第1章 概述

1.1 金属材料的基本特性

1.2 异种材料焊接的特点

第2章 异种材料分类及组合

2.1 钢铁材料的分类及性能

2.2 有色金属的分类及性能

2.3 异种材料的焊接组合

2.4 异种材料的连接形式及应用

第3章 异种材料的焊接性

3.1 异种材料的焊接性

3.2 异种材料的焊接方法

3.3 异种焊接材料的选用

3.4 异种材料焊接性试验

第4章 异种材料焊接接头性能检测

4.1 异种材料焊接接头力学性能检测

4.2 异种材料焊接接头成分及组织分析

4.3 异种材料焊接接头耐蚀性检测

4.4 异种材料焊接接头应力检测

第5章 异种钢的焊接

5.1 异种珠光体钢的焊接

5.2 异种低合金高强钢的焊接

5.3 珠光体钢与高铬钢（铁素体钢、马氏体钢）的焊接

5.4 异种奥氏体钢的焊接

第6章 铸铁异种材料的焊接

6.1 铸铁的种类和性能

6.2 铸铁与钢的焊接

6.3 铸铁与钢的焊接

6.4 铸铁与钢的焊接实例

第7章 复合钢的焊接

7.1 复合钢的基本性能

7.2 钛-钢复合板的焊接

7.3 不锈复合钢的焊接

7.4 铜-钢复合钢板的焊接

7.5 复合渗铝钢的焊接

第8章 钢与高温合金、难熔金属的焊接

8.1 高温合金、难熔金属的分类及应用

8.2 钢与高温合金、难熔金属的焊接特点

8.3 钢与高温合金的焊接

8.4 钢与难熔金属的焊接

第9章 钢与有色金属的焊接

9.1 钢与铝及铝合金的焊接

9.2 钢与铜及铜合金的焊接

9.3 钢与镍及镍合金的焊接

9.4 钢与钛及钛合的焊接

9.5 钢与其他有色金属及其合金的焊接

第10章 异种有色金属的焊接

10.1 铜与铝及铝合金的焊接

10.2 铜与钛及钛合金的焊接

10.3 铜与镍及镍合金的焊接

10.4 铜与钼的焊接

10.5 铝与钛的焊接

10.6 铝与镁的焊接

第11章 金属间化合物异种材料的焊接

11.1 金属间化合物的分类及特性

11.2 Ti-Al金属间化合物异种材料的焊接

11.3 Ni-Al金属间化合物异种材料的焊接

11.4 Fe-Al金属间化合物异种材料的焊接

第12章 硬质合金与钢的焊接

12.1 硬质合金的分类、用途及性能

12.2 硬质合金的焊接特点

12.3 硬质合金与钢的钎焊

12.4 硬质合金与钢的焊接实例

第13章 陶瓷与金属的焊接

13.1 陶瓷的分类及性能

13.2 陶瓷与金属的连接方法及适用材料

13.3 陶瓷-金属异种材料的钎焊

13.4 陶瓷与金属的扩散焊接

13.5 陶瓷与金属的电子束焊接

第14章 异种材料的堆焊

14.1 异种材料堆焊的类型及特点

14.2 堆焊合金的分类及特性

14.3 异种材料的堆焊方法

14.4 异种材料堆焊工艺及应用2100433B