异质材料分布式微点胶焊接头形成机理及控形控性方法

Using multi-material structure is an important route to realize weight reduction of vehicle body. Due to the high energy input of traditional resistance spot welding process, it is difficult to control the growth of brittle intermetallic phases on dissimilar metallic interface. Currently rivet bonding is the preferred process for joining dissimilar materials, however, it is too costly, and cannot be used for joining hard-to-deform ultra-high strength steel. In order to solve the science and technology challenges of brittle intermetallic phases, corrosion problems and the inevitable strain and stress, a new joining process - “Distributed Micro Weld Bonding” is proposed. Centering on the joining of Al-Fe dissimilar metals, firstly the chemical composition of the aluminum base metal particle, which is used as an interlayer material, will be optimized. Then the formation mechanism of the multi-material joint, the effect of key factors on the formation mechanism of the DMPWB joint, the stress and deformation during high temperature solidification and the process controlling method will be explored. After all these fundamental studies, a general joining method, i.e. DMWB will be developed. To implement the novel process in industry, a special-purpose equipment exclusive for DMPWB process, will be developed.. This project will provide an enabling process together with joining equipment for the application of dissimilar materials in lightweight car body.

多材料混用是汽车轻量化重要手段。传统点焊工艺因热输入集中，难以控制异质材料界面硬脆相生长。胶铆复合是现阶段异质材料连接首选工艺，但工艺成本高且无法解决超高强钢变形困难问题。面对异质材料焊接界面硬脆相、电化学腐蚀以及变形和应力协调控制的科学和技术挑战，本项目提出分布式微点胶焊工艺，以铝钢异质材料连接为对象，从材料、工艺、性能、装备四个层面出发，开展铝基金属颗粒化学成分优化设计研究，实现中间过渡材料金属颗粒的优化选材；探索复杂多体接触条件下异质材料接头形成机理、关键要素对分布式微点胶焊接头形成影响机制、分布式微点胶焊接头高温固化过程中的应力与变形行为，以及面向性能最优的异质材料微点胶焊工艺协调控制方法，形成分布式微点胶焊共性方法；开展分布式微点胶焊装备优化设计及工艺典型应用研究，建立分布式微点胶焊系统，并针对典型零件连接需求开展应用研究，为异质材料在轻量化汽车车身中的应用提供使能工艺与装备。

随着环境问题和能源危机日益加剧，轻量化已成为汽车工业可持续发展的重要共识，而轻质铝合金与高强钢等多材料的混用已成为汽车车身最重要的轻量化方法之一。然而，铝、钢热物理和化学属性的巨大差异使二者的异质连接面临着可焊性差、界面硬脆相难以控制、接头局部变形大和抗腐蚀性能差等挑战；此外，铝合金表面近乎绝缘且高熔点的氧化膜是制约接头性能的另一重要因素。为此，本项目采用的多环圆顶电极（MRD）实现了铝合金表面氧化膜的破碎，解决了焊接时电极/铝板界面的过热问题，消除了铝-钢焊接过程中的表面飞溅问题，使得铝钢点焊成为可能，该工艺的研究为后续新工艺的开发和优化建立了基准，但是铝/钢界面处的氧化膜制约了焊接性能的进一步提升。随后，项目发明了金属凸点辅助电阻点焊（MBaRSW）工艺，借助开发的金属凸点预置工艺成功将第三种材料以特定几何形貌和尺寸预置在待焊板材表面；MBaRSW工艺实现了界面硬脆相的控制，通过凸点塑性变形实现了铝/钢界面处氧化膜的破碎，避免了焊后残留氧化膜等缺陷，降低了焊接热输入，实现了节能；铝-钢MBaRSW接头拉剪强度可达3500N左右，剥离强度约为320N，较铝-钢MRD接头分别提升50%和30%以上。在此基础上通过引入结构胶开发了金属凸点辅助胶焊（MBaWB）工艺，接头在盐雾循环测试中的抗腐蚀性明显改善，在减小局部变形同时剥离性能较MBaRSW工艺提升约16.25%。在过渡凸点辅助点/胶焊工艺的基础上，本项目发明了分布式微点胶焊（DMPWB）工艺，借助弥散微点减小了待焊处的实际电流，减小了焊后工件变形，降低了对焊接对中性的要求；在通过连续焊接大幅提高焊接效率的同时，铝-钢DMPWB接头的剥离强度也较MBaWB接头提升30%以上。. 基于异质材料的连接需求，本项目形成了MRD电阻点焊工艺、CMT（cold metal transfer）电弧点焊工艺、金属凸点辅助点/胶焊工艺、钎焊增强型胶焊工艺和弥散微点胶焊工艺等系列新工艺，为多材料混合车身的开发及新车型试制提供了使能技术。