CN1859994A - 钢/铝焊接构件 - Google Patents

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Abstract

一种钢/铝焊接构件，包括与铝或铝合金板2点焊在一起的热浸镀Al钢板1。该钢板1上镀覆的镀层4以质量计含有3－12％Si和0.5－5％Fe。接合界面处形成的Al－Fe二元合金层的面积比控制在90％或更低。在钢基底5与镀层4界面的界面处的Al－Fe－Si三元合金层6和接合界面处的Al－Fe二元合金层之间存在非合金区域9。钢基底5优选含有0.002－0.020％N以形成与该镀层4相接触的富N表层。富N层阻碍脆性Al－Fe二元合金层向接合界面整体发生扩展，并提高钢/铝焊接构件的接头强度。

Description

钢/铝焊接构件
技术领域
本发明涉及焊接钢/铝构件，它同时具有铝和钢的特性，即铝的轻质和耐蚀性以及钢的高强度。
背景技术
铝材料如铝金属和铝合金因其轻质和耐蚀性而应用于诸多领域。当这种铝材料用作要承受机械应力的构件时，为满足强度需要，铝构件必须加厚。然而，加厚与铝构件的优点(轻质)相矛盾，也不符合目标构件的小型化设计。
对铝构件加衬机械强度高的钢部件，可以满足强度需要而无需加厚构件。迄今为止，机械连接方法如螺栓连接、铆接或用爪状钳固定已用于加衬，但这种方法不利于形成坚固的连接，而且生产率低下。如果铝部件通过焊接与钢部件结合在一起，各种性能优良的钢/铝构件的生产率明显高于机械连接方法。但是，铝部件通过常规熔融焊接工艺与钢部件连接在一起时，在接合界面处形成大量脆性的金属间化合物，导致接头强度显著下降。
这种金属间化合物是钢和铝部件之间的原子发生扩散反应的产物。如JP2003-33885A中所述，在摩擦焊接过程中，适当控制焊接条件如反应温度和焊接时间，能够影响原子扩散，抑制上述金属间化合物的生成。但是，摩擦焊接对接头设计有极大限制、并且比其它焊接工艺更为复杂，因而生产率低下。点焊工艺也用于生产钢/铝构件。例如，如JP6-39588A中所述，对热浸镀Al钢板与铝部件进行电阻焊接。
通常认为，由于热浸镀Al钢板的表面存在Al镀层，因而在焊接过程中表现出的性能与铝部件相似。但是在点焊过程中，待焊接的表面部分在高于Al熔点(660℃)的高温加热。该高温加热导致形成熔融Al，Fe和Si从钢基底与镀层之间的Al-Fe-Si三元合金层中扩散到上述熔融Al中。在焊接的冷却步骤中，Fe再次析出，而Si因其高扩散性而分布在整个熔融Al中。因此，焊缝中存在熔核，其中接合界面的整个区域都形成了脆性Al-Fe二元合金层，导致焊接强度显著降低。
通过控制接合界面被金属间化合物占据的比例，可以抑制Al-Fe二元合金层对焊接强度的不利影响。根据JP2003-145278A提出的工艺，为抑制金属间化合物的形成，通过将钢部件保持在正极侧并将铝部件保持在负极侧，在点焊过程中优先在热浸镀Al钢板产生热量。但是这种方法仍然无法避免形成大量金属间化合物。
发明内容
本发明的目的是提供一种焊接强度良好的钢/铝焊接构件。提高焊接强度是通过适当控制Al镀层中Fe和Si的含量以抑制Al-Fe二元合金层的扩展而实现的。发明人通过对在熔融Al中扩散、随后在点焊过程中再次析出的Fe、Si的性能进行研究，发现了Fe和Si对于Al-Fe合金层扩展的定量效果。
本发明提出一种钢/铝焊接构件，通过将铝板和热浸镀Al钢板点焊在一起而制成。所述热浸镀Al钢板的表面具有一镀层，其化学成分以质量计为：3-12％Si，0.5-5％Fe，余量基本为Al。将Al-Fe二元合金层占据接合界面的面积比控制在不高于90％。在焊接前钢基底与镀层之间的界面处形成的Al-Fe-Si三元合金层和焊接后接合界面处的Al-Fe二元合金层之间具有无Al-Fe合金的区域。
附图说明
图1A是普通钢板和铝合金板之间的点焊接头的截面结构的示意图。
图1B是热浸镀Al钢板和铝合金板之间的点焊接头的截面结构的示意图。
图2是示出了点焊过程中焊接循环数对在铝合金板和钢板之间形成的焊点熔核形状的影响的图，所述钢板具有镀覆了热浸镀Al镀层的富N表层。
图3中的曲线示出了焊接循环数对焊点熔核的直径、无Al-Fe合金区域的宽度以及Al-Fe二元合金层的宽度的影响。
具体实施方式
通过下述对附图的解释，本发明的特征将能够更清晰地被理解。
为了将热浸镀Al钢板1与铝板2点焊在一起，将铝板2放置在钢板1上，并夹在电极3之间，如图1A、1B所示。用3kN的压力将板1和2压在一起，以3-40个焊接循环向板1和2施加15-25kA的焊接电流。铝板2和Al镀层4在待焊接的接头处因焦耳热而熔化，并因相互扩散而熔合在一起。
Fe和Si从在钢基底5与Al镀层4之间的界面处形成的Al-Fe-Si三元合金层6中溶解到熔融Al中。Fe和Si发生溶解导致Al-Fe-Si三元合金层6在焊接部分消失。Fe也从钢基底5中溶解到熔融Al中。一度溶解于熔融Al中的Fe在焊接的冷却步骤中再次析出，导致在焊接部分形成脆性Al-Fe二元合金层7。当Al-Fe二元合金层7生长在整个界面上时，熔核8的焊接强度显著降低，如图1A所示。另一方面，如图1B所示，在焊缝接头处镀层4通过无Al-Fe合金区域9牢固地粘附在钢基底5上，除非Al-Fe二元合金层7生长在整个界面上，焊缝接头得以保持其焊接状态。随着无Al-Fe合金区域9的扩大，焊接强度更加提高。
如图1B所示，根据对适宜形成焊缝接头的生产条件所进行的研究，发明人发现，钢基底上形成的镀层的化学成分会显著影响Al-Fe二元合金层在接合界面处的形成。简而言之，为了形成这种非合金区域9以提高焊接强度，通过热浸镀覆了含3-12％Si和0.5-5％Fe的Al镀层的钢板适于作为与铝部件点焊的钢部件。
Al镀层中的Si和Fe对形成Al-Fe二元合金层的影响可作如下解释：
Al-Fe二元合金层源于：Fe溶解于点焊时因焊接热而形成的熔融Al中、随后Fe在点焊的冷却步骤从熔融Al中再次析出。Fe的溶解速度的变化与钢基底和镀层之间Fe的含量差一致。Fe的含量差增大(换言之，镀层中的Fe含量减小)，Fe的溶解速度就变快。溶解的Fe因其扩散性较弱而处于钢基底5附近，因此在点焊的冷却步骤中以大块Al-Fe二元合金层的形式再次析出。Fe的性能预示着镀层4中Fe含量提高有利地抑制Fe从钢基底5溶解到熔融Al中，并抑制Al-Fe二元合金层的形成。
事实上，当镀覆了含Fe0.5％或更多的镀层4的钢板1与铝板2进行点焊时，会发现在焊点熔核8的中心存在Al-Fe二元合金层，而焊点熔核8表面的非合金区域9则Fe溶解较少，从下文的实施例中可见所述焊点熔核8表面热量输入相对较少。Fe含量提高适于形成非合金区域9，但是过量的Fe反而会降低焊接强度。过量的Fe会对热浸镀Al钢板的其它性能如耐蚀性和成形性产生有害影响，因而也是不利的。因此将镀层4中的Fe含量定为0.5-5％。
Fe从钢基底5扩散到熔融Al中也会因在钢基底5和镀层4之间的界面形成抑制扩散层而受到抑制。因此，JP9-228018A中提出的钎焊镀Al钢板中的富N层是适合的。所述富N层抑制Fe从钢基底5向熔融Al中溶解，从而显著减少脆性Al-Fe二元合金层。因此使焊接构件具有优良的接头强度。
点焊时，扩散性大于Fe的Si因焊接热而从Al-Fe-Si三元合金层6向熔融Al扩散时，Al-Fe-Si三元合金层从钢基底5与镀层4之间的界面处消失。将镀层4中的Si含量提高至约3-12％，会阻碍Si向熔融Al发生扩散，从而保证镀层4对钢基底5的粘着性，而在非焊缝接头区域Al-Fe-Si三元合金层不会消失。Si含量提高意味着Al-Fe二元合金层减少，使得焊接强度提高。
用于热浸镀的基底钢板可以是低碳钢、中碳钢、低合金钢或不锈钢。如Si、Mn、Cr、Ni或Al的元素可以根据需要添加到该钢中。特别地，为形成抑制Al与Fe之间发生扩散的富N层，为此优选含0.002-0.020％N的钢板。至于含N钢，Al含量控制在低于0.03％，以保持形成富N层所必需的有效N。
当基底钢板浸在Al浴中再提出后，熔融镀覆金属因钢板向上运动而从镀浴中被提升，随后凝固成为镀层。刚刚提升离开镀浴后，通过向钢板喷射擦拭气体将镀层调整到预定厚度。尽管随着镀层变厚Al-Fe二元合金层的生长更加迟缓，但为了保证良好的成形性，镀层的厚度优选控制在5-70μm。
为了生产焊接强度良好的钢/铝复合构件，热浸镀层中的Si和Fe含量分别控制在3-12％和0.5-5％。Si和Fe的含量值是除合金层外的镀层4中Si和Fe的含量，所述合金层形成于钢基底5和镀层4之间的界面处。为满足焊接性之外的其它性能的需要，镀层4中可以任选加入其它元素，如Ti、Zr、B、Cr和Mn。
基底钢板含有0.002-0.020％N的情况下，该钢板在热浸镀后还要接着进行热处理，以便在钢基底和合金层之间的边界处形成富N层。由于N含量为3.0原子％或更高的富N层令人吃惊地抑制Al和Fe之间的扩散，因此含N钢板适于作为本发明所述钢/铝焊接构件的钢部件。如果热浸镀后在相同的条件下进行热处理，基底钢板中的N含量提高，富N层抑制Al和Fe之间扩散的作用就会增强。但是，高于0.02％的过量N反而会降低钢板本身的生产率。
就可锻合金而言，多数铝和铝合金板都可用作本发明所述钢/铝焊接构件中的铝部件，而无任何特殊限制。
铝材料中的Fe具有与镀层中的Fe相同的效果，即，抑制Al-Fe二元合金层的形成和生长，但是其作用相当弱。因此，为保证耐蚀性、成形性以及其它性能，铝材料中的Fe含量优选控制在1.0％或更低。
含有3％或更低(特别是约1％)的Si和0.1-1.5％Mg的铝合金可以通过进行热处理(如时效)得到强化，以析出细小Mg2Si粒子。当Si含量不低于0.1％时，Mg2Si粒子对于提高强度的作用显著。也可以通过加入1.5-6％的Mg使铝材料固溶硬化。既然在含有0.1-6％的Mg和3.0％或更低的Si时具有这些效果，因此为了满足强度要求，Mg和Si的含量应适当地限定在特定范围内。然而，高于6％的过量Mg导致在点焊中发生焊接缺陷，高于3.0％的过量Si通常会导致铝基体中形成粗粒的析出物，使得焊接强度降低。
本发明所述焊接构件是通过下述方法制成的：将热浸镀Al钢板和铝板裁切成预定形状，将裁切后的板材叠放在一起，随后以预定间距点焊重叠的板材。焊接条件是综合焊接电流和焊接时间(一般以焊接循环数表示)来确定的。焊接电流增大时焊接强度一般提高。采用12个焊接循环时将焊接电流控制在12kA或更高、或是采用5或更多个焊接循环时将焊接电流控制在25kA，可形成拉伸剪切强度为3kN或更高的焊缝接头。
实施例1
1.0mm厚的冷轧钢板(含有0.04％C、0.01％Si、0.20％Mn、0.01％P、0.007％S、0.010％Al和120ppm N)通过热浸镀覆上20μm厚、含9.2％Si和1.8％Fe的Al镀层。热浸镀后将该钢板在450℃加热15小时，以便在钢基底和Al镀层之间的界面处形成富N层(N含量为5原子％)。除富N层外，在钢基底和Al镀层之间的界面处还形成Al-Fe-Si三元合金层(含有10.9％Si和35.8％Fe)。
在下述条件下对热浸镀钢板与1.0mm厚的铝合金(含有0.11％Si、0.25％Fe、5.52％Mg、0.35％Cu、0.02％Cr和0.01％Zn)板进行点焊：
对从热浸镀钢板和铝合金板中抽取的试样进行表面除油、清洗、叠放在一起、夹在点焊机的耦合电极之间。电极是直径为16mm的铜合金电极头，顶端半径为40mm。对试样施加3kN的压力，以25kA的焊接电流、最高12个焊接循环进行点焊。在这种情况下，由于电源频率为60Hz，因此12个焊接循环等于12/60(＝1/5)秒。
观测点确定在焊点熔核中心以及从焊点熔核表面向内1.5mm处，以研究接合界面的截面结构随焊接循环数的变化情况。利用扫描电子显微镜SEM-EDX(由JEOL Ltd.所提供的840A型)观察接合界面处的合金层。
从图2所示观测结果可见，采用一个焊接循环时在熔核中心和表面处Al-Fe-Si合金层都部分地扩散至熔融Al。在熔核表面Al-Fe-Si合金层的Si含量为3.1％，但在熔核中心处Si含量降低至1.7％。另一方面，除了在熔核中心处Fe含量有轻微提高外，即使是在熔核表面，Fe含量也没有实质波动。
经过三个焊接循环后，熔核表面的Al-Fe-Si合金层几乎完全消失，而熔核中心仍能检测出存在该合金层。Al-Fe-Si合金层消失意味着Fe和Si合金溶解至熔融Al中。熔核中心的合金层含有0.9％Si和40.8％Fe。较低的Si含量和较高的Fe含量证实了该合金层是在Al-Fe-Si三元合金层消失之后新形成的一种Al-Fe二元合金层。
电流再重复6个循环后，在熔核中心的接合界面处基本上检测不到合金层。但是，在熔核中心处的接合界面处，一种含0.8％Si和46.0％Fe的Al-Fe二元合金层生长成厚层。
通过上述特定点焊工艺形成的焊缝接头具有如下结构：熔核中心的Al-Fe合金层被非合金区域9(图1B中所示)包围，并进一步被Al-Fe-Si合金层包围。
熔核的直径、无Al-Fe合金区域的宽度、以及Al-Fe二元合金层的宽度随着焊接循环数提高到5而增加。焊接循环数为5或更高时，上述各宽度也具有几乎恒定的宽度(如图3所示)。根据JISZ3136规定的拉伸剪切试验进行测定，在焊接循环数为5或更高时形成的焊缝接头具有3.5kN或更高的拉伸剪切强度(TSS)。该拉伸剪切强度接近或超过铝部件之间的焊缝接头的强度数值，为此达到令人满意的高度。
尽管拉伸剪切强度是通常评价焊缝接头性能的一个代表性数值，但是双材料接头具有接合界面，其一般包括沿剥落载荷方向具有脆性的金属间化合物。在这个意义上，沿剥落载荷方向的接头强度对于判断焊缝接头的工业实用性十分有意义。所述接头强度通过十字形拉力试验测定。该焊缝的十字拉伸强度(CTS)为1.5kN。这一测定值接近或超过了铝部件之间的焊缝接头强度值。
为进行比较，在相同条件下将一表面具有低Fe含量(0.3％)镀层的热浸镀Al钢板与铝板点焊在一起。此时，Al-Fe二元合金层在整个焊接平面上形成，因而焊缝接头具有2.5kN的极低拉伸剪切强度和1.0kN的低十字拉伸强度。由于强度低，焊接构件不适于实际使用。
在相同条件下，将表面具有含过量Fe(6.1％)的镀层的热浸镀Al钢板与铝板点焊在一起，也没有形成拉伸剪切强度等于或高于3.0kN、十字拉伸强度等于或高于1.0kN的焊缝接头。
实施例2
通过热浸镀使冷轧钢板(0.05％C、0.1％Si、0.25％Mn、0.012％P、0.006％S和0.006％Al)镀覆上Al合金层。改变镀浴的成分和热浸镀条件，将Si含量调整到四个水平，即1.8％、3.5％、9.2％和15.6％，将Fe含量调整到五个水平，即0.2-0.3％、0.7-0.9％、1.8-2.3％、3.9-4.5％和5.5-6.1％。
将铝合金板(0.10％Si、0.22％Fe、2.67％Mg、0.01％Cu、0.19％Cr、0.02％Mn、0.01％Zn和余量为Al)作为对置的部件。
对从上述热浸镀Al钢板和Al合金板中抽取的试样进行表面除油、清洗、叠放在一起，随后使用交流焊接机进行点焊，点焊采用19kA的焊接电流、12个焊接循环、60Hz的频率，使用直径为16mm、顶端半径为75mm的Cu合金电极头。
对点焊后的钢/铝构件进行与实施例1相同的拉伸剪切试验和十字形拉力试验以测定其接头强度。
从表1所示结果可以理解，通过将热浸镀镀层中的Si和Fe含量分别适当地控制在3-12％和0.5-5％，钢和铝板点焊在一起具有高的接头强度，即，拉伸剪切强度等于或高于3kN、十字拉伸强度等于或高于1.5kN。
Si和Fe含量减少时，接合界面被Al-Fe二元合金层占据了更大的面积比，其接头强度为：拉伸剪切强度低于3kN或十字拉伸强度低于1.0kN。接合界面在拉伸试验中断裂，在接合界面处发现裂纹已扩展穿过该合金层。这些结果证实，由于存在Al-Fe二元合金层而使接头强度降低。
随着Si和Fe含量增加，Al-Fe二元合金层的面积比减小。但是过量的Si和Al不利于接头强度。在这种情况下，焊缝强度降低可能是由于在焊缝接头处因存在过量Si和Al而产生脆性断裂所导致的。
表1：镀层中的Si和Fe对接头强度的定量影响
  含量(质量％)   Al-Fe合金层在接合界面的面积比(％)   拉伸剪切强度TSS(kN)   十字拉伸强度CTS(kN) 注释
  Si   Fe
1.8   0.20.92.34.55.5   100100100100100   2.72.72.62.62.7   0.70.90.91.00.7 对比例″″″″
3.5   0.20.81.83.95.7   9885777070   2.83.33.74.02.7   1.01.51.82.01.0 ″发明例″″对比例
9.2   0.30.82.14.15.8   9883757070   2.83.43.94.12.6   1.01.51.92.01.0 ″发明例″″对比例
15.6   0.20.72.14.35.7   9384757273   2.82.62.72.72.7   0.70.90.90.80.8 ″″″″″
实施例3
在与实施例1相同的条件下，将通过热浸镀覆了Al合金(9.2％Si，4.1％Fe)镀层的钢板与不同的铝合金板点焊在一起。对每一个点焊的钢/铝构件进行拉伸剪切试验和十字形拉力试验，以测定其接头强度。
从表2所示结果可见，将铝合金板中的Mg和Si含量分别控制在0.1-6.0％和3.0％或更低能保证制造的焊接构件具有良好的拉伸剪切强度和十字拉伸强度。
焊接构件的接头强度也受铝合金板中的Fe含量影响。事实上，由试样No.2和4可见，将Fe控制在低于1.0％可以使拉伸剪切强度等于或高于4.0kN、十字拉伸强度等于或高于1.6kN。
表2：Al合金的化学成分对焊接构件强度的影响
试样编号   合金元素(质量％)   拉伸剪切强度TSS(kN)   十字拉伸强度CTS(kN)
  Mg   Si   Fe
  1   0.05   1.00   0.40   3.1   1.3
  2   2.50   0.25   0.40   4.3   1.9
  3   6.50   1.00   0.40   3.3   1.5
  4   0.60   1.00   0.40   4.3   2.0
  5   0.60   3.30   0.40   3.3   1.4
  6   0.60   1.00   1.20   3.2   1.4
工业实用性
上述本发明的焊接构件具有的接合界面是：在熔核中心产生的脆性Al-Fe二元合金层被无Al-Fe合金区域包围以阻止Al-Fe二元合金层扩展至整个Fe/Al界面。以表面积计，Al-Fe二元合金层与接合界面的面积比被抑制在90％或更低。由于脆性Al-Fe二元合金层在接合界面处扩散较少，因此钢和铝部件牢固地焊接在一起。因此，不同的焊接构件如汽车和热交换器的焊接构件同时被赋予钢和铝的优点。

Claims (4)

1.一种钢/铝焊接构件，包括：
一种具有镀层的热浸镀Al钢板，该镀层以质量计由下述成分组成：3-12％Si、0.5-5％Fe，除不可避免的杂质外余量为Al，在钢基底和镀层之间的界面形成Al-Fe-Si三元合金层；
一种点焊在该镀Al钢板上的铝或铝合金板；
其中，Al-Fe二元合金层与整个Al/Fe结合界面的面积比控制在90％或更低，在Al-Fe二元合金层与Al-Fe-Si三元合金层之间具有无Al-Fe合金区域。
2.如权利要求1所述的钢/铝焊接构件，其中：
所述镀层形成于含0.002-0.020％N的钢基底上，该镀层形成于该钢基底的富N表面上，所述富N表面的N含量为3.0原子％或更高。
3.如权利要求1或2所述的钢/铝焊接构件，其中：
所述铝或铝合金板含有不高于1.0％的Fe。
4.如权利要求1-3中任一项所述的钢/铝焊接构件，其中：
该铝合金板含有0.1-6.0％的Mg和3.0％或更低的Si。
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