鋼/鋁異種金屬電阻點(diǎn)焊的焊接性及實(shí)用化基礎(chǔ)研究

本項(xiàng)目系統(tǒng)地研究了高強(qiáng)鋼-鋁合金異種金屬電阻點(diǎn)焊的焊接性及焊接技術(shù)基礎(chǔ)。結(jié)果表明，鋼-鋁點(diǎn)焊溫度場及接頭微觀組織分布是不均勻的。鋁熔核由胞狀晶、胞狀樹枝晶和樹枝晶組成。點(diǎn)焊過程中，鋼/鋁界面區(qū)發(fā)生Fe、Al原子的互擴(kuò)散，形成具有雙層結(jié)構(gòu)特征（Fe2Al5和Fe4Al13）的金屬間化合物（IMC）層?；贗MC生長熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析，揭示了鋼/鋁界面反應(yīng)機(jī)理，提出了界面IMC生長模型。鋼-鋁點(diǎn)焊接頭具有二種斷裂模式（界面斷裂和紐扣斷裂），界面脆硬的IMC層和鋁合金HAZ是影響接頭性能的主要因素。鋼-鋁接頭裂紋易在界面IMC層中萌生、擴(kuò)展，主要?dú)w因于高的焊接拉應(yīng)力和界面區(qū)脆化。點(diǎn)焊參數(shù)、電極形狀及熔核變質(zhì)處理對鋼-鋁電阻點(diǎn)焊質(zhì)量具有明顯的影響。在F型電極條件下，隨著焊接電流（時(shí)間）增加，界面溫度、熔核直徑、IMC層厚度及接頭拉剪力（3.3kN）增加，但過大的焊接電流（＞9kA）或過長的焊接時(shí)間（＞250ms）導(dǎo)致拉剪力減小。這主要?dú)w因于提高界面溫度促進(jìn)Fe、Al原子的互擴(kuò)散和IMC層生長。研究揭示了電極形狀對溫度場、熔核直徑、界面IMC層厚度、接頭微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的影響規(guī)律及影響機(jī)理，獲得的優(yōu)化電極為：高強(qiáng)鋼側(cè)為圓形平面電極，電極直徑10mm；鋁合金側(cè)為球面電極，球面半徑35mm。在優(yōu)化電極條件下，鋼-鋁接頭拉剪力增至5.4kN。研究結(jié)果表明，采用Zn、Ti、Ni、Cu、Si粉末和Cu、Al-12%Si中間層實(shí)現(xiàn)熔核變質(zhì)處理有利于抑制IMC層生長，改善鋼-鋁接頭的力學(xué)性能，主要?dú)w因于變質(zhì)劑元素偏聚于IMC晶體表面，阻隔了Fe、Al原子的互擴(kuò)散及降低IMC的脆性。使用300μm厚的Al-12%Si中間層進(jìn)行熔核變質(zhì)處理，點(diǎn)焊接頭拉剪力可達(dá)6.2kN。合適的焊后熱處理也有利于改善鋼-鋁接頭的力學(xué)性能?；谝陨涎芯拷Y(jié)果，建立了接頭力學(xué)性能與點(diǎn)焊參數(shù)關(guān)系模型，實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)焊參數(shù)優(yōu)化。 2100433B

系統(tǒng)地研究鋼/鋁異種金屬點(diǎn)焊溫度場特點(diǎn)、熔核形成過程及微觀結(jié)構(gòu)、鋼/鋁界面原子互擴(kuò)散行為、界面反應(yīng)機(jī)理及金屬間化合物層生長機(jī)制、接頭裂紋特征及形成機(jī)理、接頭力學(xué)性能特點(diǎn)，從本質(zhì)上揭示鋼/鋁點(diǎn)焊的焊接性特點(diǎn)。提出點(diǎn)焊熔核變質(zhì)處理思想，研究變質(zhì)劑成分和添加方法對鋼/鋁界面金屬間化合物、熔核微觀結(jié)構(gòu)、裂紋敏感性及接頭力學(xué)性能的影響規(guī)律，揭示變質(zhì)機(jī)理，優(yōu)化變質(zhì)劑成分，評價(jià)變質(zhì)劑添加方法的實(shí)用性，完善熔核變質(zhì)處理點(diǎn)焊技術(shù)。研究點(diǎn)焊參數(shù)、電極形狀及焊后熱處理對鋼/鋁點(diǎn)焊溫度場、熔核直徑、微觀結(jié)構(gòu)、界面金屬間化合物層厚度、裂紋敏感性及接頭力學(xué)性能的影響規(guī)律，揭示其影響機(jī)理。建立接頭力學(xué)性能與點(diǎn)焊參數(shù)關(guān)系數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)電阻點(diǎn)焊參數(shù)優(yōu)化和接頭質(zhì)量控制。本項(xiàng)目研究成果不僅可豐富材料焊接基本理論，而且有利于促進(jìn)鋼/鋁異種金屬焊接技術(shù)和汽車輕量化技術(shù)的發(fā)展，具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

它是表征金屬焊接難易的特性，也是金屬材料的基本工藝性能之一。對多數(shù)金屬材料而言，焊接性主要指的是熔化焊的焊接性（見金屬焊接）。

影響焊接性的主要因素是金屬材料的化學(xué)成分和組織，但也與焊接工藝因素和使用條件密切相關(guān)。研究焊接性對改進(jìn)金屬材料的焊接性能、研制新型焊接材料和促進(jìn)焊接技術(shù)進(jìn)步有著重要的意義。

金屬的化學(xué)成分是決定其焊接性的主要因素；對鋼而言，含碳量越高，則焊接性越差。對于鋼內(nèi)其他化學(xué)元素可以通過碳當(dāng)量()來對其影響進(jìn)行比較和估計(jì)。國際焊接學(xué)會(IIW)推薦的碳當(dāng)量計(jì)算公式為：

焊接性包括工藝焊接性和使用焊接性，前者指在焊接過程中是否容易產(chǎn)生裂紋及其他缺陷，后者指焊后的接頭能否具有滿足使用要求的力學(xué)及其他性能。

金屬的焊接性可以通過試驗(yàn)進(jìn)行評定，試驗(yàn)不僅可以用于改進(jìn)焊接工藝，而且也用于研究金屬材料的基本工藝性能。選擇試驗(yàn)方法的原則是：適用性好，盡可能接近實(shí)際生產(chǎn)或研究的條件；再現(xiàn)性好，試驗(yàn)過程和結(jié)果受人為因素的影響較少；經(jīng)濟(jì)性好，消耗材料少。試驗(yàn)內(nèi)容包括母材金屬的化學(xué)分析和力學(xué)性能試驗(yàn)。后者主要有兩個(gè)方面：

①工藝焊接性試驗(yàn) 主要是確定接頭產(chǎn)生裂紋的傾向,試驗(yàn)方法有:(a)自拘束裂紋試驗(yàn),如直丫和斜丫坡口對接剛性拘束裂紋試驗(yàn)以及其他類型剛性接頭抗裂試驗(yàn)等；(b)外拘束裂紋試驗(yàn),如拉伸拘束裂紋試驗(yàn)、剛性拘束裂紋試驗(yàn)、可變拘束試驗(yàn)以及插銷試驗(yàn)等（見焊接裂紋）。

②使用性能試驗(yàn) 根據(jù)使用要求決定。例如焊接接頭和焊縫的力學(xué)及耐腐蝕性試驗(yàn)，以及試驗(yàn)性焊接容器的爆破試驗(yàn)等。

第1章 概述

1.1 金屬材料的基本特性

1.2 異種材料焊接的特點(diǎn)

第2章 異種材料分類及組合

2.1 鋼鐵材料的分類及性能

2.2 有色金屬的分類及性能

2.3 異種材料的焊接組合

2.4 異種材料的連接形式及應(yīng)用

第3章 異種材料的焊接性

3.1 異種材料的焊接性

3.2 異種材料的焊接方法

3.3 異種焊接材料的選用

3.4 異種材料焊接性試驗(yàn)

第4章 異種材料焊接接頭性能檢測

4.1 異種材料焊接接頭力學(xué)性能檢測

4.2 異種材料焊接接頭成分及組織分析

4.3 異種材料焊接接頭耐蝕性檢測

4.4 異種材料焊接接頭應(yīng)力檢測

第5章 異種鋼的焊接

5.1 異種珠光體鋼的焊接

5.2 異種低合金高強(qiáng)鋼的焊接

5.3 珠光體鋼與高鉻鋼（鐵素體鋼、馬氏體鋼）的焊接

5.4 異種奧氏體鋼的焊接

第6章 鑄鐵異種材料的焊接

6.1 鑄鐵的種類和性能

6.2 鑄鐵與鋼的焊接

6.3 鑄鐵與鋼的焊接

6.4 鑄鐵與鋼的焊接實(shí)例

第7章 復(fù)合鋼的焊接

7.1 復(fù)合鋼的基本性能

7.2 鈦-鋼復(fù)合板的焊接

7.3 不銹復(fù)合鋼的焊接

7.4 銅-鋼復(fù)合鋼板的焊接

7.5 復(fù)合滲鋁鋼的焊接

第8章 鋼與高溫合金、難熔金屬的焊接

8.1 高溫合金、難熔金屬的分類及應(yīng)用

8.2 鋼與高溫合金、難熔金屬的焊接特點(diǎn)

8.3 鋼與高溫合金的焊接

8.4 鋼與難熔金屬的焊接

第9章 鋼與有色金屬的焊接

9.1 鋼與鋁及鋁合金的焊接

9.2 鋼與銅及銅合金的焊接

9.3 鋼與鎳及鎳合金的焊接

9.4 鋼與鈦及鈦合的焊接

9.5 鋼與其他有色金屬及其合金的焊接

第10章 異種有色金屬的焊接

10.1 銅與鋁及鋁合金的焊接

10.2 銅與鈦及鈦合金的焊接

10.3 銅與鎳及鎳合金的焊接

10.4 銅與鉬的焊接

10.5 鋁與鈦的焊接

10.6 鋁與鎂的焊接

第11章 金屬間化合物異種材料的焊接

11.1 金屬間化合物的分類及特性

11.2 Ti-Al金屬間化合物異種材料的焊接

11.3 Ni-Al金屬間化合物異種材料的焊接

11.4 Fe-Al金屬間化合物異種材料的焊接

第12章 硬質(zhì)合金與鋼的焊接

12.1 硬質(zhì)合金的分類、用途及性能

12.2 硬質(zhì)合金的焊接特點(diǎn)

12.3 硬質(zhì)合金與鋼的釬焊

12.4 硬質(zhì)合金與鋼的焊接實(shí)例

第13章 陶瓷與金屬的焊接

13.1 陶瓷的分類及性能

13.2 陶瓷與金屬的連接方法及適用材料

13.3 陶瓷-金屬異種材料的釬焊

13.4 陶瓷與金屬的擴(kuò)散焊接

13.5 陶瓷與金屬的電子束焊接

第14章 異種材料的堆焊

14.1 異種材料堆焊的類型及特點(diǎn)

14.2 堆焊合金的分類及特性

14.3 異種材料的堆焊方法

14.4 異種材料堆焊工藝及應(yīng)用2100433B