焊接強(qiáng)度提高到2倍以上

為此，神戶制鋼與日新制鋼合作，面向鋁合金焊接用途，對(duì)日新制鋼的鍍鋁鋼板“ALSTAR”進(jìn)行了改進(jìn)，成功遏制了焊接面上金屬間化合物的生成。這種方法不是改進(jìn)點(diǎn)焊機(jī)，而是使鋼板變得適合與鋁合金進(jìn)行焊接。鋼板與鋁合金之間的焊接比過去簡(jiǎn)單，可以輕而易舉地制造出多材料結(jié)構(gòu)的車體。

日新制鋼的ALSTAR的用途，包括發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的隔熱板、各種外殼、建材和家電產(chǎn)品等。使用鋼板點(diǎn)焊機(jī)對(duì)改良后的鍍鋁鋼板和鋁合金進(jìn)行焊接，其焊接強(qiáng)度高于鋁合金與通常的軟鋼之間的點(diǎn)焊（圖2）。

圖2：點(diǎn)焊部分強(qiáng)度的比較 在使用通常的點(diǎn)焊機(jī)焊接鋁合金和軟鋼時(shí)，拉伸剪切強(qiáng)度（TSS）與十字拉伸強(qiáng)度（CTS）都高于原有技術(shù)。CTS更是達(dá)到了過去的兩倍以上。

使用的點(diǎn)焊機(jī)為鋼板用單相交流式點(diǎn)焊機(jī)，預(yù)壓時(shí)間（從電極開始加壓到開始通電的時(shí)間）和通電時(shí)間分別為200ms，保持時(shí)間為400ms，電流值為13.5kA，焊接壓力為2.9kN。在這個(gè)條件下焊接厚度為1mm的鋁合金（6022合金）和鍍鋁鋼板，焊接部分的拉伸剪切強(qiáng)度（TSS）與十字拉伸強(qiáng)度（CTS）均高于同樣條件下焊接6022合金和軟鋼的數(shù)值。CTS為過去的2倍以上。而且鋼板越厚，焊接電流越小，可以簡(jiǎn)單地使用通常的點(diǎn)焊機(jī)。

提高焊接強(qiáng)度的原理如下。改良后的鍍鋁鋼板經(jīng)過熔融電鍍處理后，在鋼板表面形成了Al-Si（硅）合金層。使用純鋁進(jìn)行電鍍處理時(shí)，鋁與鋼板的焊接面會(huì)生成厚度為7～10μm的Fe-Al金屬間化合物。因此需要在電鍍層中添加重量比約為9％的硅，在電鍍層與鋼板的界面生成具有釬料作用的Fe-Al-Si合金層，使其厚度縮小到2～3μm。

防止再次生成金屬間化合物

而且，鋼板的含氮（N）量要增加到通常的約5倍（100ppm左右），經(jīng)過電鍍后的熱處理，在鋼板與Fe-Al-Si合金層的界面上，生成一層薄薄的鋁和氮的化合物（AlN）層。日新制鋼技術(shù)研究所表面處理研究部表面處理第一研究組組長(zhǎng)服部保德介紹稱：“AlN層提高了焊接強(qiáng)度”（圖3）。具體來(lái)說，在點(diǎn)焊后未生成Fe-Al金屬間化合物的區(qū)域沿著焊接部分（焊核）的外周內(nèi)側(cè)，形成了一個(gè)環(huán)狀。這個(gè)環(huán)狀有助于提高強(qiáng)度。

圖3：提高焊接強(qiáng)度的原理 在鍍鋁層的“Fe-Al-Si合金層”與鋼板的界面上，鋁與氮的微細(xì)化合物（AlN）沿環(huán)狀析出。AlN對(duì)焊接面上Fe-Al金屬間化合物的生成起到遏制作用，提高了焊接強(qiáng)度。

在焊核的中心，點(diǎn)焊時(shí)Fe-Al-Si合金層與鋼板的表面熔化，隨著鋼板與Fe-Al-Si合金層中的鋁和鐵Al向外擴(kuò)散，生成了Fe-Al金屬間化合物。而在熔融溫度低于焊核中心的周邊部分，服部認(rèn)為：“鋼板與Fe-Al-Si合金層界面上的AlN層成為阻礙鋁和鐵擴(kuò)散的屏障，遏制了Fe-Al金屬間化合物的生成”。

兩家公司認(rèn)為，改進(jìn)后的鍍鋁鋼板可以應(yīng)用于大量使用鋁合金的多材料結(jié)構(gòu)的車體，例如：（1）鋁合金頂板與鋼制車頂縱梁的焊接；（2）鋁合金橫梁與鋼制框架的焊接；（3）鋁合金地板材料與鋼制車體的焊接等。兩家公司已經(jīng)將鍍鋁鋼板及其與鋁合金進(jìn)行焊接的方法，推薦給了日本的多家汽車企業(yè)，將爭(zhēng)取在2020年之前投入實(shí)用。

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