开题报告 范东辰

毕业设计（论文）开题报告

题目铝与镀锌钢异种材料电阻点

焊工艺研究

专业名称焊接技术与工程

班级学号09030137

学生姓名范东辰

指导教师邓黎鹏

填表日期2013 年 4 月 1 日

一、选题的依据及意义：

随着经济的发展和科学技术的不断进步，新材料、新工艺应用日益广泛，对零部件综合性能的要求也越来越高。单一金属结构通常很难满足工业生产的需求，或者即使某种金属比较理想，也往往由于十分稀缺，而不能在工程中普遍应用，因此异种材料连接的复合结构是结构设计的发展趋势[1]。

同时，随着人们对环境保护和能源供应的日益关注，采用铝合金等轻型材料减轻结构质量已成为现代交通工具制造领域的发展方向。铝及其合金具有密度低、耐蚀性好、易循环利用等特性，在现代交通工具制造业中广泛应用。钢是应用最广、最重要的基础结构材料，铝合金与钢的连接可发挥两种材料各自的性能优势，实现车身轻量化，提高能量使用效率，减少环境污染，具有良好的经济效益和广泛的应用前景。据统计，汽车自身质量减轻10％，其燃油效率提高15％。减轻车辆自身质量的有效途径是采用轻质材料。因此，世界各大汽车公司正在开发由铝合金和高强钢组成的汽车车身，如大众汽车公司生产的Audi A8型轿车的车身外覆盖件是由铝合金板冲压成形的，而覆盖件与钢骨架的连接则是通过焊接实现[2]。

铝合金本身焊接就很难，异种金属之间的焊接通常要比同种金属的焊接更困难。钢和铝或铝合金的焊接性较差，故焊接时存在以下问题：

(1)焊接接头容易氧化。

(2)焊缝成分不均匀。

(3)焊接变形大。

(4)焊接接头容易产生裂纹。

因此，如何实现镀锌钢和铝的异种材料的焊接就成了研究的热门方向。采用一般的熔焊方法时，以上这些因素给两者之间的连接造成了困难。

电阻点焊是一种重要的连接方法，广泛应用于汽车、飞机等现代交通工具制造领域。但是铝合金的电阻点焊工艺性较差，这是因为铝合金表面易形成致密的氧化膜，且多具有难熔性质，铝合金表面的氧化膜还易吸附水分，点焊过程中氧化膜会导致焊缝生成气孔和夹杂等缺陷；铝合金的热导率约为钢的4倍，线膨胀系数为钢的2倍，因此电阻点焊铝合金比钢需要更大的电流；铝合金电阻点焊过程中容易产生飞溅、电极磨损和沾污、接头变形等问题；铁在铝中的固溶度几乎为零，铁与铝易形成FeAl，FeAl2，FeAl3等一系列硬而脆的金属间化合物，导致接头塑韧性降低，降低了接头的力学性能；铝合金点焊中还经常存在微型空洞、

裂纹等不连续缺陷以及过深的压痕等现象，严重影响了点焊质量的稳定性[3]。

然而，电阻点焊有生产效率高、成本低、易于实现自动化等特点，而且关于铝合金与不锈钢异种材料电阻点焊的报道迄今仍很鲜见。所以，研究并解决铝合金和镀锌钢的异种合金的电阻点焊中出现的问题具有很高的生产价值。

二、国内外研究概况及发展趋势：

2.1 铝/钢异种合金的熔焊

铝/钢异种合金用普通熔焊进行焊接往往会产生较大的缺陷。近年来，铝/钢熔钎焊的研究成为异种金属连接的热门，主要方法为电弧焊及激光填丝焊。

兰州理工大学的曹睿、余刚等[4]针对汽车工业中铝合金和镀锌钢板的轻量化结构制造，利用正交试验法对铝合金与镀锌钢薄板搭接件进行了异种材料冷金属过渡(CMT)熔钎焊连接，研究了工艺参数、焊丝成分以及镀锌层厚度对焊缝表面成形和接头力学性能的影响。铝/锌钢板CMT熔钎焊的接头为典型的搭接接头，在整个焊接过程中，硅和锌很好的起到了促进熔化的铝在钢板表面润湿和铺展的作用。通过试验得出理想的工艺参数，可以得到良好的焊接接头。

林三宝，马广超等[5]采用TIG熔钎焊进行了铝基钎料在镀锌钢板上的润湿铺展试验及铝合金与镀锌钢板的搭接试验，分析了钎料在钢表面的润湿铺展性，研究了接头界面组织，并测试了接头力学性能。研究结果表明，在TIG电弧热源作用下铝基钎料在镀锌钢板上润湿铺展良好，钢板未熔化，润湿角<20°；获得了较好的铝合金与镀锌钢搭接接头，钢母材侧为钎焊连接，金属间化合物层厚度<9.0μm，从焊缝侧到钢侧金属间化合物经历FeAl3→F e2Al5+FeAl2→FeAl+FeAl2的转变，铝母材侧为熔焊连接，焊缝晶粒尺寸明显增大；搭接接头存在局部“未钎合”缺陷，成为裂纹根源，导致接头断裂在焊根附近的焊缝上，抗拉强度仅有90 MPa。

北京工业大学的赵旭东和肖荣诗[6]采用宽带激光光斑和填粉焊接技术，在不使用钎剂的情况下进行6061铝合金/镀锌钢板的熔钎焊接实验。分析测试了接头成形、焊缝组织和接头强度，并探讨了影响接头强度的因素。结果表明，采用此方法可实现6061铝合金/镀锌钢板的熔钎焊连接。选用优化的焊接工艺参数获得了成形饱满，无裂纹、气孔等缺陷的焊缝。焊缝熔宽和金属间化合物层厚度随焊接热输入量的增加而增大。熔钎焊缝中金属间化合物由Al-Fe和Al-Fe-Si系统化

合物组成。拉伸试样均断裂在钎料/镀锌钢界面，接头最大机械抗力为152.5N/mm，断口呈脆性断裂特征，钎料/镀锌钢界面为接头的薄弱环节。拉伸试样铝一侧断裂面由Al5Fe2Zn0.4和α-Al组成。焊缝熔宽、金属间化合物层厚度共同决定了接头的机械抗力水平。

雷振，王旭友等[7]分析了铝P镀锌钢复合热源熔-钎接头中Al- Fe 金属间化合物层的相结构, 研究了焊接热输入对接头中Al- Fe 金属间化合物层厚度的影响及化合物层厚度对接头抗剪强度的影响。结果表明, 生成的Al- Fe 金属间化合物层主要由Fe3Al, FeAl2 , Fe2Al5以及FeAl3组成，并且Al- Fe金属间化合物的生成过程伴随着Si元素的富集现象；Al-Fe金属间化合物层厚度随焊接热输入的增大而增大，但电弧能量对化合物层厚度的影响要大于激光能量对化合物层厚度的影响；Al- Fe 金属间化合物层厚度并非越薄越好；化合物层厚度在1.5—4.0μm范围内, Al- Fe 金属间化合物层厚度对接头抗剪强度的影响不大。

彭利，吴平等[8]对1.2mm厚镀锌钢板和1.15mm厚6016铝合金平板试件进行了加入中间夹层铅的激光搭接焊试验，搭接原理如图1所示。通过调整焊接工艺参数获得最佳焊接成形，利用卧式金相显微镜、扫描电镜、X射线衍射、微机控制电子万能试验机等手段研究了焊接接头各区域的金相组织、断口形貌、主要物相与接头力学性能。结果表明，在钢/铝激光焊中添加中间夹层铅，焊接接头的平均抗拉强度和断后伸长率分别为68.51MPa和2.37%，与没有加铅夹层相比，抗拉强度和断后伸长率明显提高；夹层铅的加入，改变了钢/铝界面的元素分布、物相组成及微观组织形态，焊接接头过渡区域Fe，Al，Zn，Mg，Pb元素的混合区宽度较大，除生成Fe-Al，Mg-Zn脆性金属间化合物外，产生了新的金属间化合物Mg2Pb，改善了焊缝金属的力学性能。

图1 钢/铝搭接焊原理示意图