【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所高端光電裝備部激光智能制造研發(fā)中心楊上陸研究員團(tuán)隊(duì)，在汽車用鑄鋁與超高強(qiáng)鋼異質(zhì)合金的高強(qiáng)度鉚-焊連接技術(shù)領(lǐng)域取得新突破。繼2021年創(chuàng)新發(fā)明“主動(dòng)誘導(dǎo)鋁飛濺激勵(lì)緊固件穿刺技術(shù)”后，團(tuán)隊(duì)于近兩年進(jìn)一步開發(fā)了新型緊固件結(jié)構(gòu)，成功實(shí)現(xiàn)了高速排鋁、緊固件穿刺與焊接過程的協(xié)同控制，并深入揭示了排鋁與穿刺機(jī)理。新的研究成果以“Microstructural evolution and thermomechanical coupling mechanisms during aluminum-steel joint formation using active-expulsion assisted resistance spot welding”為題，發(fā)表于Journal of Materials Processing Technology。
 

　　采用一體化壓鑄鋁合金與超高強(qiáng)鋼制造混合車身，可同時(shí)滿足輕量化與安全性的要求，已成為當(dāng)前汽車制造的主流趨勢(shì)。然而，鋁與鋼之間的物理和化學(xué)性能差異巨大，導(dǎo)致傳統(tǒng)焊接時(shí)極易在鋁/鋼界面形成脆性相，難以滿足接頭性能需求。此外使用機(jī)械連接方法也面臨挑戰(zhàn)：壓鑄鋁延伸率低，超高強(qiáng)鋼的強(qiáng)度和硬度高，使得緊固件難以有效穿刺鋼體并與低延伸率鋁材形成可靠接頭。
 

　　針對(duì)上述挑戰(zhàn)，本研究基于團(tuán)隊(duì)開發(fā)的“主動(dòng)誘導(dǎo)鋁飛濺激勵(lì)緊固件穿刺技術(shù)”，以功能需求和焊點(diǎn)成型特性為導(dǎo)向，創(chuàng)新設(shè)計(jì)和發(fā)明了一種新型緊固件結(jié)構(gòu)(具體焊接裝置及工藝示意圖見圖1)，最終形成高強(qiáng)度焊點(diǎn)。結(jié)合高速攝影與顯微分析技術(shù)，深入研究了高電流飛濺脈沖在排鋁與穿刺過程中的作用機(jī)制。結(jié)果表明：瞬時(shí)輸入的飛濺脈沖選擇性地熔化焊點(diǎn)區(qū)域的鋁合金，在熔融鋁自身膨脹與電極壓力的協(xié)同作用下，促成了液態(tài)鋁的受控高速排出。這種主動(dòng)誘導(dǎo)界面鋁材快速排出的方式，使電極得以驅(qū)動(dòng)緊固件高速穿透鋁層，與鋼工件建立無殘留鋁的潔凈接觸界面。該排鋁與穿刺策略，為在緊固件與鋼之間形成免受脆性相危害的連接奠定了關(guān)鍵基礎(chǔ)，從而實(shí)現(xiàn)了鑄鋁/超高強(qiáng)鋼異種金屬的高強(qiáng)度連接。本工作為鋁/鋼等異質(zhì)材料連接提供了一種創(chuàng)新工藝與方法，具有重要的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。
 

圖1 焊接設(shè)備和工藝：(a)焊接裝備；(b)焊接工藝。
 

　　圖2 .高速攝影拍攝的緊固件軸部穿刺鋁板過程：(a-c)和(d-f)分別顯示了第一和第二飛濺脈沖作用下的焊接點(diǎn)表面形貌；(g-i)和(j-l)分別展示了與第一和第二飛濺脈沖作用下的焊接點(diǎn)橫截面形貌。
 

　　圖3 液態(tài)鋁排出、軸部穿透動(dòng)力學(xué)及焊縫形成的多階段成型機(jī)制示意圖：(a)雙向壓縮作用下的鋁定向排出；(b)軸端部與弧形鋼表面的漸進(jìn)接觸過程；(c)軸部與鋼的界面特征；(d)軸部與鋼接觸區(qū)域的界面熔化；(e)熔融鋁與軸側(cè)表面之間的冶金反應(yīng)；(f)最終焊縫形態(tài)及其熱傳遞路徑。