低合金钢铆焊工艺性能研究

材料

铆焊是电焊的一种焊接方式。通常的焊法是将被焊接的物体用焊条渗透。一般用于焊接比较厚的金属。铆焊分为冷铆和热铆，冷铆即用铆钉连接，热铆就是焊接，即通过高温将两种金属的连接部位熔化在一起。

1 试验方法

试验所用材料为1mm厚的A6061铝合金和Q235低碳钢板，铆钉的材质也为Q235低碳钢。其成分如表1所示。焊前，铝合金板、钢板以及铆钉用丙酮清洗，并风干。如图1所示对铝合金板与钢板进行搭接装配。铝合金板搭接区的圆孔直径为3mm。要求铆钉直径与铝合金板上的孔达到紧配合；其长度要稍大于铝合金板的厚度，控制在1.1～1.3mm内。焊接时间为10周波，电极压力为4kN保持不变，焊接电流在9～23kA范围内每2kA变化；所用电极头的直径为6mm。每一焊接条件焊接7个试样，2个用于组织观察，5个用于拉伸试样。

焊后在室温条件下以1.7×10-5m/s的速率对接头进行拉伸试验。对部分接头进行断面观察试验。垂直于接合界面沿焊点直径横切焊接接头，研磨、抛光其断面。通过光学显微镜、扫描电子显微镜（SEM）观察、分析接头微观组织。

2 试验结果与分析

图2a显示了接头的断面，该接头是在焊接电流为13kA时获得的。在焊接区没有观察到裂纹、孔洞等焊接缺陷的生成。但是铆钉上端部发现有粗化的现象。由于铆钉长度略大于铝合金的板厚，点焊中铆钉首先接触电极，进而通电加热。在电极压力作用下铆钉发生塑性变形。铆钉端部这种粗化变形被认为是有利于接头性能的改善。图2b显示了接头局部扫描电子显微镜形貌。从图2b中可以观察到铆钉与铝合金接合界面（铝/铆钉界面）、铝合金与钢板接合界面（铝/钢界面）以及钢板与铆钉接合界面（钢/铆钉界面）。在这种低倍率情况下，在上述三种界面均未观察到焊接缺陷。

对电阻铆焊这一技术而言，钢质铆钉与其周围的铝合金之间的连接是非常关键的。因为两种材料的线膨胀系数差别很大，不易連接。铝合金处于焊接区外缘，其膨胀率为23.6×10-6/K，而处于焊接区中心的钢质铆钉的膨胀率仅为11.75×10-6/K，这可能导致通电加热时铝合金与铆钉因不同步膨胀而难以连接。

图3a显示了接头中铝/铆钉界面区扫描电镜形貌。在该界面观察到一层厚度约为3.5μm反应物生成。该反应层在铆钉侧呈锯齿状、凸凹起伏，而在铝合金侧则表现比较平坦。图3b是对图3a中A处成分分析的结果。从铝/铆钉界面反应层中检测出Al与Fe元素，其原子分数分别为34.3%和65.7%。根据Fe-Al二元相图可以推测出界面反应物为FeAl。在铝合金与钢的电阻点焊研究中发现生成在接合界面的金属间化合物为Fe2Al5和FeAl3。这与文中所得结果不一致的原因被归结于铆钉的熔化。类似于钢的电阻点焊，在通电加热中电阻较大的铆钉发生熔化。这也导致靠近铝/铆钉界面的铝合金也发生熔化。熔融的Al与Fe元素相互扩散形成α-Fe，在随后的凝固中析出FeAl。

图4显示了焊接电流对铝合金与钢电阻铆焊、电阻点焊接头抗剪载荷的影响。电阻铆焊接头抗剪载荷随焊接电流的增大而增大，当焊接电流为21kA时达到最大值，约为3.85kN；再继续增大焊接电流，电阻铆焊接头抗剪载荷则呈下降趋势。文中所得电阻铆焊接头破坏形式均为纽扣式断裂。电阻铆焊接头在抗剪试验中受剪切力的面由钢/铆钉接合面、铝/钢接合面两部分组成。随着焊接电流的增大，铝合金与钢板的接合区域而变宽。这是在较低的焊接电流范围内电阻铆焊接头抗剪载荷随焊接电流的增大而增大的原因。然而焊接电流过大会导致焊接区塑性变形严重而变薄。对于纽扣式破坏来说，接头接合区域面积和焊接区厚度是影响接头抗剪载荷的重要因素。所以焊接电流过大，电阻铆焊接头抗剪载荷呈下降趋势。

如图4所示，相比于普通电阻点焊，在相同的焊接条件下采用电阻铆焊方法焊接的铝合金与钢接头具有较高的抗剪载荷。这显示对于铝合金与钢异种材料连接来说电阻铆焊还是一种相对有效的方法。但是就绝对强度而言，铝合金与钢电阻铆焊接头还颇显较低。所以在此尝试性试验之后仍需在协调配合铆钉尺寸与焊接参数，以进一步改善接头性能、提高效率两方面进行深入研究。

3 结束语

（1）采用电阻铆焊方法焊接铝合金与钢是比较有效的。

（2）在铝/铆钉、铝/钢接合界面均观察到了反应层的形成，通过成分分析得知生成两界面的反应物分别是FeAl与FeAl3。

（3）采用电阻铆焊焊接的铝合金与钢接头最大抗剪载荷为3.85kN，接头性能仍需进一步提高。

参考文献

[1]房永顺.铆焊件制作时焊接温度的控制措施探讨[J].智能城市，2016，（10）：91.