铝合金板焊接工艺试验验证浅析

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【汽车轻量化在线】铝合金板焊接工艺试验验证浅析

中国第一汽车集团股份有限公司发展制造部/郭鑫

本文从对汽车用铝合金板焊接工艺试验验证研究出发，运用多种焊接方法对多种不同材料组合（铝/钢）板材样片进行焊接试验，并进行较为细致的焊接质量、强度分析。对汽车用铝合金板焊接工艺技术做出了初步探索，为集团公司整车结构轻量化和节能降耗方面做出有益尝试及技术积累。

结构轻量化和节能降耗目前已成为各大汽车生产厂商提高核心竞争力的关键。采用铝合金是汽车轻量化及环保、节能、提速和运输高效的重要途径之一。用铝合金结构代替传统钢结构，可使汽车整备质量减轻30%～40%，制造发动机可减轻30%，制造车轮可减轻50%。美国、日本、德国是在汽车生产上采用铝合金最多的国家，国内的汽车制造商还未能将该技术成熟应用于汽车生产中。其中一个主要原因是采用铝合金后，铝合金与钢等异种金属之间的连接不可避免。而铝合金与钢之间的热物理化学性能差异巨大，开发稳定可靠的铝合金与钢之间异种材料连接技术亟待突破。基于以上背景，本项目进行汽车用铝合金板焊接工艺试验验证研究，积累汽车用铝合金板焊接工艺技术，推动铝合金在国产汽车中的工程化应用。

本项目运用多种焊接方法对多种不同材料组合（铝/钢）板材样片进行焊接试验工作，主要焊接及连接方法包括：

1）FSW搅拌摩擦点焊：铝/钢组合板材样片。

2）MIG熔钎焊：铝/钢组合板材样片。

3）TIG熔钎焊：铝/钢组合板材样片。

4）TOX铆接：铝/钢组合板材样片。

焊接完成后，利用X光、超声、金相显微镜及电镜等检测设备对焊接后的各种板材样片进行缺陷形貌与微观组织表征分析，检验焊接质量；对焊接后的各种板材样片进行拉伸、剪切强度测试，检验焊接强度。

经统计，不计算四种工艺摸索试验次数，本项目一共进行有效试验次数504组，一共使用样片1 008个。

试验材料

本试验所用铝合金板为1.0mm厚Novelist AC 170 PX 铝合金板和1.5mm厚Aleris Superlite 200 ST铝合金板，所用钢板为1.2mm厚ST06 Z镀锌钢板和1.0mm厚ST13钢板。铝合金板微观组织比较均匀，ST06 Z镀锌钢板镀锌层平均厚度为7.1mm。母材拉伸性能见表1。1.0mm厚Novelist AC 170 PX 铝合金板的平均抗拉强度为213MPa，其中，横向（垂直于轧制方向）抗拉强度为207MPa，纵向（平行于轧制方向）抗拉强度为218MPa；而1.5mm厚Aleris Superlite 200 ST 铝合金板的平均抗拉强度为202MPa，横向和纵向抗拉强度较为接近；ST06 Z镀锌钢板的抗拉强度为317MPa；ST13钢板的抗拉强度为283MPa。

试验方法1.试验参照标准

试验所参照的标准清单见表2。

2.试验设备

试验设备及型号见表3。

3.试验尺寸

铝合金板TIG和MIG对接焊试验时，试件尺寸为200mm长、100mm宽。铝合金/钢板TIG和MIG搭接焊时，铝合金板在上，钢板在下，搭接宽度为18mm。焊接完成后，从焊件中垂直于焊缝切取试样进行抗拉强度试验和疲劳强度试验，抗拉强度试验试样尺寸如图1所示，疲劳强度试验所用试样尺寸如图2所示。

采用回填式搅拌摩擦点焊（FSSW）方法焊接铝合金/钢板搭接接头，焊点直径为9mm。拉伸试样尺寸为25mm×80mm，如图3所示；剥离试样尺寸为25mm×80mm，如图4所示；疲劳强度试验所用试样尺寸为40 mm×155mm，如图5所示。

采用TOX气液增力缸式冲压设备连接铝合金/钢板搭接接头，接头示意如图6所示。抗剪试样尺寸为25mm×80mm，如图7所示；疲劳试样尺寸为40mm×155mm，如图8所示。抗拉试样示意如图9所示，连接点至弯边最小距离为7mm。

表1 试验母材拉伸性能 （单位：MPa）

表2 试验参照标准清单

表3 主要试验设备名称及型号

图1 铝合金板TIG和MIG对接焊拉伸试样尺寸

图2 铝合金板TIG和MIG对接焊疲劳试样尺寸

图3 回填式搅拌摩擦点焊拉伸试样尺寸

图4 回填式搅拌摩擦点焊剥离试样尺寸

图5 回填式搅拌摩擦点焊疲劳试样尺寸

图6 TOX冲铆连接接头示意

图7 TOX冲铆连接接头抗剪试样尺寸

图8 TOX冲铆连接接头疲劳试样尺寸

图9 TOX冲铆连接接头抗拉试样示意

4.试验尺寸

各试验所涉及的表征参量汇总见表4。

表4 试验项目表征参量

铝/钢组合板材样片焊接试验结果

以下只对全自动熔化极气体保护焊（MIG焊）焊接试验结果进行举例说明。

铝/钢组合板材样片全自动MIG焊共进行126组试验，使用样片252个，其中铝合金样片126个，钢板样片126个。

1.焊缝形貌

分别进行了1.0mm厚Novelist AC 170 PX 铝合金板和1.5mm厚Aleris Superlite 200 ST 铝合金板与1.2mm厚ST06 Z镀锌钢板异质材料MIG搭接焊工艺试验，保护气采用纯氩气，气体流量20L/min。采用的焊丝分别为ER4043、ER4047以及ER5356，焊丝直径为1.2mm。1.0mm厚Novelist AC 170 PX 铝合金板/1.2mm厚镀锌钢板、1.5mm厚Aleris Superlite 200 ST 铝合金板/1.2mm厚镀锌钢板MIG搭接焊试样典型照片分别如图10、图11所示。从试样照片可见，在进行铝合金/镀锌钢异质材料MIG焊时，能够获得外观较好的焊缝，焊接过程中会产生少量飞溅。

分别进行了1.0mm厚Novelist AC 170 PX 铝合金板和1.5mm厚Aleris Superlite 200 ST 铝合金板与1.0mm厚ST13钢板异质材料MIG搭接焊工艺试验，保护气采用纯氩气，气体流量20L/min。采用4047实心焊丝，焊丝直径为1.2mm。1.0mm厚Novelist AC 170 PX 铝合金板/1.0mm厚ST13钢板、1.5mm厚Aleris Superlite 200 ST 铝合金板/1.0mm厚ST13钢板MIG搭接焊试样照片分别如图12、图13所示。采用ER4047焊丝进行铝合金/ST13钢异质材料MIG焊时，能够获得外观较好的焊缝。

2.拉伸性能

完成1.0mm厚Novelist AC 170 PX 铝合金板/1.2mm厚镀锌钢板、1.5mm厚Aleris Superlite 200 ST 铝合金板/1.2mm厚镀锌钢板MIG搭接焊后，从每个焊接接头中垂直于焊缝切取3个试样进行室温拉伸测试，所得典型拉伸曲线分别如图14、图15所示，典型拉伸断裂照片如图16、图17所示，焊接工艺参数及对应的拉伸试验结果见表5。

对于1.0mm厚Novelist AC 170 PX 铝合金板/1.2mm厚镀锌钢板MIG搭接焊，采用ER4047焊丝获得的接头抗拉强度最高为185MPa，达到铝合金母材强度的87%；采用ER4043焊丝获得的接头抗拉强度最高为189MPa，达到铝合金母材强度的89%；采用ER5356焊丝获得的接头抗拉强度最高为157MPa，达到铝合金母材强度的74%。

图10 Novelist AC 170 PX铝合金板/ST06Z镀锌钢MIG搭接焊试样

（焊接参数：ER4043焊丝，焊接电流55A，焊速70cm/min，送丝速度2.5m/min）

图11 Aleris Superlite 200 ST铝合金板/ST06Z镀锌钢MIG搭接焊试样

（焊接参数：ER4043焊丝，焊接电流75A，焊速70cm/min，送丝速度4.2m/min）

图12 Novelist AC 170 PX铝合金板/ST13钢板MIG搭接焊试样

(焊接参数：4047实心焊丝，焊接电流66A，焊速70cm/min，送丝速度3.4m/min)

图13 Aleris Superlite 200 ST铝合金板/ST13钢板MIG搭接焊试样

（焊接参数：4047实心焊丝，焊接电流85A，焊速70cm/min，送丝速度5.1m/min）

图14 Novelist AC 170 PX铝合金板/ST06Z镀锌钢MIG搭接焊拉伸断裂曲线

图15 Aleris Superlite 200 ST铝合金板/ST06Z镀锌钢MIG搭接焊接头拉伸断裂曲线

图16 Novelist AC 170 PX铝合金板/ST06Z镀锌钢MIG搭接焊接头拉伸断裂照片

（焊接参数：ER4043焊丝，焊接电流55A，焊速70cm/min，送丝速度2.5m/min）

图17 Aleris Superlite 200 ST铝合金板/ST06Z镀锌钢MIG搭接焊接头拉伸断裂照片

（焊接参数：ER4043焊丝，焊接电流75A，焊速70cm/min，送丝速度4.2m/min）

表5 铝合金/镀锌钢MIG搭接焊接头拉伸测试结果

对于1.5mm厚Aleris Superlite 200 ST 铝合金板/1.2mm厚镀锌钢板MIG搭接焊，采用ER4047焊丝获得的接头抗拉强度最高为137MPa，达到铝合金母材强度的68%；采用ER4043焊丝获得的接头抗拉强度最高为148MPa，达到铝合金母材强度的73%；采用ER5356焊丝获得的接头抗拉强度最高为77MPa，达到铝合金母材强度的38%。

采用ER4043和ER4047焊丝获得的1.0mm厚Novelist AC 170 PX 铝合金板/1.2mm厚镀锌钢板和1.5mm厚Aleris Superlite 200 ST 铝合金板/1.2mm厚镀锌钢板异质材料MIG搭接焊接头拉伸强度较高，断裂位置主要为焊缝；而采用ER5356焊丝获得的MIG搭接接头拉伸强度相对较低，断裂位置主要为界面层，是因为铝合金和钢在高温时容易结合生成FeAl3和Fe2Al5金属间化合物，这两种金属间化合物脆而硬，而且异质金属焊接接头中残余应力较大，因此铝合金/钢异质金属MIG焊接接头的韧性较差。

完成1.0mm厚Novelist AC 170 PX 铝合金板/1.0mm厚ST13钢板、1.5mm厚Aleris Superlite 200 ST 铝合金板/1.0mm厚ST13钢板MIG搭接焊后，从每个焊接接头中垂直于焊缝切取3个试样进行室温拉伸测试。焊接工艺参数及对应的拉伸试验结果见表6，所得拉伸曲线分别如图18、图19所示，拉伸断裂照片如图20、图21所示。

对于1.0mm厚Novelist AC 170 PX 铝合金板/1.0mm厚ST13钢板MIG搭接焊，采用ER4047实心焊丝获得的接头抗拉强度最高为107MPa，达到铝合金母材强度的50%。

表6 铝合金/ST13钢板MIG搭接焊接头拉伸测试结果

图18 Novelist AC 170 PX铝合金板/ST13钢板MIG搭接焊拉伸断裂曲线

图19 Aleris Superlite 200 ST铝合金板/ST13钢板MIG搭接焊接头拉伸断裂曲线

图20 Novelist AC 170 PX铝合金板/ST13钢板MIG搭接焊接头拉伸断裂照片

（焊接参数：4047实心焊丝，焊接电流66A，焊速70cm/min，送丝速度3.4m/min）

图21 Aleris Superlite 200 ST铝合金板/ST13钢板MIG搭接焊接头拉伸断裂照片

（焊接参数：4047实心焊丝，焊接电流85A，焊速70cm/min，送丝速度5.1m/min）

对于1.5mm厚Aleris Superlite 200 ST 铝合金板/1.0mm厚ST13钢板MIG搭接焊，采用ER4047实心焊丝获得的接头抗拉强度最高为70MPa，达到铝合金母材强度的35%。

1.0mm厚Novelist AC 170 PX 铝合金板/1.0mm厚ST13钢板、1.5mm厚Aleris Superlite 200 ST 铝合金板/1.0mm厚ST13钢板异质材料MIG搭接焊接头拉伸试验时的延伸率较低，主要是因为铝合金和钢润湿性不好，且在高温时容易结合生成FeAl3和Fe2Al5金属间化合物，这两种金属间化合物脆而硬，而且异质金属焊接接头中残余应力较大，因此铝合金/钢异质金属MIG焊接接头的韧性较差。