汽车用钢与铝合金电阻点焊机理研究

论文摘要

随着整个汽车工业的发展,节约资源、减少环境污染成为整个汽车工业亟待解决的两大问题。材料轻量化成为汽车制造业的发展趋势,作为汽车轻量化材料中最主要的两类材料,由高强度钢板和铝合金钢组成的钢-铝一体化车身结构是实现车身框架结构轻量化和高强度的重要途径。在汽车工业中,电阻点焊是主要的连接技术,由于钢和铝之间的导电、导热等物理性能存在着较大的差异以及它们之间易形成极脆金属间化合物,使得难以形成质优、稳定的点焊接头。因此,开展高强度钢板与铝合金异种材料点焊工艺机理研究,具有重大的工程应用价值。本文对高强钢与铝合金电阻点焊的研究进行了初步探索。在分析近年来国内外学者对钢-铝异种金属电阻点焊研究现状的基础上,针对DP590双相钢和6061铝合金采用中频逆变电阻焊机及工频交流电阻焊机,基于SORPAS软件对DP590双相钢和6061铝合金建立了点焊有限元模型,通过数值模拟揭示了点焊过程中的温度场变化及钢-铝电阻点焊接头形成机理,阐述了钢-铝点焊接头形成的三个阶段及熔核特点;对点焊接头进行宏观和微观金相分析,发现点焊过程是熔融成液态的铝合金在钢-铝界面处向高强钢的润湿铺展并扩散,其本质是属于熔-钎焊接头。本文设计并进行了一系列不同的焊接参数下的点焊试验和力学分析,在本文试验条件下,当焊接电流在8.3kA～9.7kA之间变化时,焊接接头强度逐步增加并达到最高后趋于稳定,但当焊接电流超过9.7kA之后,焊接热输入过大而引起铝侧液态金属强烈飞溅,使点焊接头强度降低。通过本文研究中频逆变伺服电阻点焊机和工频交流气动电阻点焊机对DP590双相钢和6061铝合金点焊参数对熔核直径的影响规律,在焊接载荷不变的条件下,熔核直径随焊接热输入的增加而增加,当熔核直径增大到一定值以后,继续增大焊接电流熔核直径在一定范围内保持稳定,但会使熔核组织过热、晶粒也会变得粗大而且也产生飞溅,对焊接接头性能有不利影响。本文分析了焊接电源对焊接接头的影响,采用中频逆变与工频交流点焊得到试样的正拉强度和拉剪强度随电流的变化趋势基本相同,但拉剪强度约提高10%,正拉强度约提高15%。通过与铝-铝同种材料点焊的比较,钢-铝点焊接头的拉剪强度已经超过铝合金同种材料点焊强度,达到了较好的力学强度,但正拉强度较低。本文对点焊接头的界面处成分进行了详细分析,发现铝在向钢中扩散过程中当铝原子百分比达到40%时便形成钢铝晶间化合物,造成此区域没有实现致密性连接,形成焊接接头最薄弱区域。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 现代汽车车身金属用材
• 1.2.1 铝合金
• 1.2.2 现代车用钢板
• 1.3 钢-铝异种金属材料焊接研究现状
• 1.3.1 钢-铝焊接性
• 1.3.2 钢-铝电阻点焊研究现状
• 1.3.3 钢-铝的其他压焊方法
• 1.4 逆变伺服点焊工艺及其应用
• 1.4.1 逆变电阻焊机技术特点
• 1.4.2 伺服加压系统在逆变焊机上的应用
• 1.4.3 逆变点焊焊机在汽车工业中的应用
• 1.5 研究内容和意义
• 第二章 实验材料、方法和设备
• 2.1 实验材料
• 2.2 实验设备、仪器及试样规格
• 2.2.1 实验设备、仪器
• 2.2.2 试样规格
• 2.3 点焊工艺实验方法
• 第三章 钢-铝电阻点焊接头形成过程
• 3.1 钢-铝电阻点焊接头形成过程模拟
• 3.1.1 SORPAS 软件简介
• 3.1.2 钢-铝电阻点焊有限元模型
• 3.1.3 钢-铝电阻点焊模拟边界条件及材料属性
• 3.1.4 钢-铝电阻点焊模拟过程参数设定
• 3.2 钢-铝点焊过程模拟试验结果
• 3.2.1 钢-铝点焊接头温度场分布
• 3.2.2 钢-铝点焊焊接的熔核中心温度变化
• 3.2.3 钢-铝点焊接头应变变化
• 3.3 钢-铝点焊过程中焊接区域动态电阻分布
• 3.3.1 点焊时电阻组成
• 3.3.2 点焊过程中动态电阻的变化
• 3.4 钢-铝点焊接头的形成过程及熔核特点
• 3.5 本章小结
• 第四章 钢-铝点焊接头组织成分分析
• 4.1 焊接接头宏微观组织分析
• 4.1.1 焊接接头的宏观缺陷
• 4.1.2 焊接接头的微观金相
• 4.1.3 焊接区显微硬度分布
• 4.2 钢-铝异种材料点焊接头界面成分分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 钢-铝点焊接头性能
• 5.1 焊接参数对钢-铝点焊接头熔核尺寸的影响
• 5.2 焊接参数对钢-铝点焊接头力学性能的影响
• 5.3 焊接接头断口形貌及其机理分析
• 5.4 焊件表面状态对焊接接头性能的影响
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文