电动汽车用7075铝合金搅拌摩擦焊性能研究

刘美娜，高博

（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东 广州 511434）

引言

目前，响应国家对于新能源车各项政策，电动汽车电池壳材料多选用密度较小的6系铝合金，但由于6系铝合金本身强度及电池壳结构设计限制，往往达不到能量密度要求，因此可考虑采用7075高强铝实现大幅减重。7075铝合金是一种可热处理强化的Al-Mg-Zn-Cu系高强铝合金材料，熔铸方便，成形性好，经轧制能获得比较理想的板材，通过固溶及时效处理，可获得优良的综合性能，因此在航空、航天以及军工领域得到广泛应用[1]。若7075铝合金代替钢铁材料，可在很大程度上降低工业能耗，进而缓解当前能源和环境问题，提高资源利用率。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为7075铝合金、7075-T6铝合金，板厚均为2.0mm，铝合金试片尺寸为350mm*150mm，焊缝熔深要求全焊透。

1.2 试验设备

焊接设备为赛福斯特龙门式搅拌摩擦焊设备，搅拌针长2mm。

图1 龙门式搅拌摩擦焊设备

1.3 试验方法

首先将两个试片对接放置在搅拌摩擦焊设备平台上，要求对接间隙为0，然后用工装夹具进行固定和夹紧，最后进行施焊，如图2所示。本试验主要焊接参数为：搅拌针转速和进给速度，不断调整搅拌针转速和进给速度，观察焊接过程中及焊后焊缝表面成形情况，在试验过程中，当焊缝表面出现大量飞边及沟槽缺陷时，立即终止焊接试验，重新调整焊接参数。焊后观察不同焊接参数下得到的焊缝表面成型情况，金相观察各焊缝断面，检验焊缝内部是否存在缺陷。再对焊后的对接铝板，进行力学性能测试。

拉伸试验试样按照GB/T228《金属材料拉伸试验》的要求进行加工制作，实验室环境温度控制在（23±5）℃，试验结束之后记录焊接接头的抗拉度。

图2 施焊

2 试验结果与分析

2.1 焊缝表面形貌

图3 （a）、（b）、（c）分别为未热处理7075铝合金焊缝、T6处理7075铝合金焊缝及7075铝合金焊后T6处理得到的焊缝，焊缝成型较好、表面均匀一致，无气孔咬边等焊接缺陷。但在焊接参数调试过程中，未经热处理的7075更易出现飞边现象，主要原因是焊接过程中，焊缝上部温度较高，而底部温度较低，搅拌针端部的塑性金属沿搅拌针表面向上迁移到轴肩区汇聚，由于轴肩区金属温度高，向下的挤压力小，导致回填上来的金属沿轴肩边缘形成飞边[2]。

图3 焊缝表面形貌

2.2 焊缝断面形貌

图4 焊缝断面形貌

将不同焊接参数下得到的焊缝沿横截面切开，用砂纸打磨平整，然后用酒精清洗，再采用低倍显微镜观察断面形貌，采用高倍镜观察焊核区。由图4（a）（b）（c）可知，焊缝内部均未出现缺陷，焊缝明显分为热影响区、热机影响区和焊核区三个部分，焊核区为细小的等轴晶粒；热机影响区从母材的拉长的变形组织变为具有一定弧度的弯曲组织；热影响区的晶粒形貌与母材相似，但晶粒出现了粗化现象。图4（a）未经热处理的焊核区晶粒较细小，搅拌摩擦焊接过程中，搅拌针的搅拌作用和热作用共同造成焊核区发生动态再结晶，形成细小的等轴晶[3]。图4（b）（c）经热处理的焊核区晶粒较粗大，主要是由于热处理过程中接头受热位错能量释放，位错密度降低，等轴晶粒发生进一步长大[4]。

2.3 力学性能

将不同焊接参数下得到的焊缝按照GB/T228《金属材料拉伸试验》加工成拉伸试样，用拉伸试验机进行拉伸试验，最优参数下焊缝抗拉强度结果如表1所示，拉伸试验后断裂位置均在热影响区。

表1 焊缝系数

图5 抗拉强度与转速/焊接速度曲线

未经热处理的7075铝合金焊缝系数可达0.96；热处理后7075铝合金焊缝抗拉强度有所提升，但由于母材强度提升较明显，焊缝系数有所降低。由图5中7075-T6和7075-焊后T6焊缝抗拉强度与转速/焊接速度曲线可知，焊前热处理和焊后热处理的焊缝抗拉强度与转速/焊接速度具有相同的变化趋势，均在转速1600r/min，焊接速度600mm/min时获得较高抗拉强度。

3 结论

（1）未经热处理的7075铝合金焊缝系数可达0.96；热处理后焊缝抗拉强度有所提升，但焊前热处理强度提升明显。

（2）焊前热处理和焊后热处理的焊缝抗拉强度与转速/焊接速度具有相同的变化趋势，均在转速1600r/min，焊接速度600mm/min时获得较高抗拉强度。