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磁辅助电阻点焊技术通过调控熔池流动和温度分布，显著减少SUS301L不锈钢/6061铝合金接头中脆性金属间化合物层厚度，细化晶粒，降低残余应力，使接头硬度提升7%，抗拉-剪切载荷提高13.74%，并改善断裂模式。
卢玉婷|李欣|贾美洁|李建国|周嘉琪
吉林大学材料科学与工程学院汽车与材料重点实验室，长春，130022，中国
摘要
为了解决SUS301L不锈钢与6061铝合金电阻点焊（RSW）接头中由脆性金属间化合物（IMCs）引起的性能下降问题，本研究提出了一种磁辅助电阻点焊（MA-RSW）工艺。通过结合微观结构表征、硬度测量和拉伸剪切试验，系统研究了磁场如何调节钢铝异种接头中的微观结构演变和机械性能。结果表明，施加的磁场重新配置了熔融金属中的对流动力学和温度分布，从而精确控制了熔合区和IMC层的晶粒细化。X射线衍射（XRD）和透射电子显微镜（TEM）分析共同证实，主要的IMC相为Fe2Al5和Fe4Al13。MA-RSW接头的平均IMC层厚度和总Fe–Al化合物含量显著降低。电子背散射衍射（EBSD）分析显示，高角度晶界（>15°）的比例增加了15%，接头内的残余应力显著减小。与传统RSW接头相比，MA-RSW接头的热影响区（HAZ）明显变窄，熔合区中的柱状晶粒比例增加。在机械性能方面，显微硬度提高了7%，平均拉伸剪切载荷提高了13.74%，断裂模式从典型的脆性断裂转变为脆性-韧性混合模式。原子尺度分析表明，金属间化合物与基材之间存在明显的晶格失配，导致形成了不连续的界面结构。本研究证实，施加的磁场通过促进焊区温度和溶质元素的均匀分布，成为提高钢铝异种RSW接头性能的关键因素。
引言
随着汽车制造业的不断进步和公众对环境保护意识的提高，汽车轻量化的概念变得越来越重要[1]。传统的全钢车身结构已无法满足节能和减排的需求[2,3]。因此，具有优异机械性能的轻质铝合金被引入，形成了钢铝混合结构。这种方法不仅减轻了车辆重量，提高了燃油效率[4,5]，还保持了高强度和安全性标准[6,7]。
目前有多种方法用于连接钢和铝。考虑到焊接机制和操作技术，连接不同材料比焊接相似材料面临更大的挑战[8]。常用的焊接方法包括摩擦搅拌焊接[9,10]、激光焊接[11]、电弧焊接[12]和电阻点焊。其中，电阻点焊（RSW）是汽车车身结构中钢铝连接的主要方法。该技术利用电流在接触界面产生热量，局部熔化基材，然后施加压力使金属融合。由于其成本效益高、自动化容易以及能够产生具有良好机械性能的接头，RSW已被广泛研究和应用[14]。然而，钢和铝之间的热性能和晶格结构存在显著差异，导致在异种金属界面形成IMC，从而对接头的机械性能产生不利影响[15],[16],[17],[18]。邱等人[19]使用电阻点焊连接A5052铝合金和SUS304奥氏体不锈钢，发现界面处存在双层IMC结构：SUS304侧为Fe2Al5，A5052侧为FeAl3。陈等人[20]研究了Fe2Al5对点焊接头机械性能的影响，发现IMC的生长导致机械性能下降。这归因于Fe2Al5引起的初级界面裂纹和钢侧附近的次级裂纹。Fe相的存在使初级裂纹向钢侧分支，形成次级裂纹，从而增强接头强度。然而，IMC厚度的增加减少了Fe相含量，使得初级裂纹占主导地位，从而降低了接头强度。
为了实现高质量的钢铝点焊接头，减轻异种金属结合对强度的影响，并抑制IMC层的形成和生长，研究人员进行了大量研究。这些努力包括使用中间层[21]、修改电极几何形状[22]、调整工艺参数和优化焊接顺序。然而，这些传统方法存在明显局限性：引入中间层不仅会增加成本，还可能由于非均匀结合而导致新的界面缺陷；电极几何形状的修改只能有限地抑制IMC的形成，而特殊设计的电极容易磨损，需要频繁更换以保持精度；工艺参数调整和焊接顺序优化容易受到表面条件和装配间隙的干扰，难以稳定控制脆性相的形成。相比之下，施加外部磁场不会引入额外的消耗品。它通过电磁搅拌直接细化熔合区晶粒，并抑制异常IMC层的生长，从而显著提高接头的强度稳定性。这种方法为解决钢铝点焊的核心挑战提供了更有效的技术途径。
近年来，磁控电阻点焊已成为一个重要的研究焦点[23,24]。研究表明，施加外部磁场不仅改变了熔融金属的流动行为和热分布[25]，还细化了晶粒结构并减少了孔隙缺陷[26]。孙等人[27]使用环形永磁体通过磁辅助电阻焊接（MA-RSW）连接钢和铝，产生了高强度、延展性的接头。他们的结果表明，增加焊接电流可以增大熔核直径，显著细化热影响区和熔合区的晶粒，减小IMC层厚度，并显著提高磁辅助点焊接头的拉伸剪切强度。齐等人[28]研究了外部磁场对铝合金电阻点焊微观结构的影响机制。通过多尺度模拟和实验验证，他们系统地研究了外部磁场对熔核形成和铝合金电阻点焊过程中微观结构演变的影响。他们的发现表明，外部磁场可以显著优化熔池中的流动行为和热条件，从而改善熔合区的微观结构和机械性能。黄等人[29]报告称，电磁力增强了熔池内的旋转流动，加速了Fe原子扩散，从而细化了晶粒结构，减少了金属间化合物层的厚度，降低了界面缺陷，并提高了接头强度和延展性。同样，胡等人[30]指出，磁场产生的电磁搅拌效应促进了焊池中的环向流体运动，降低了冷却速率，并改变了凝固模式，使得焊核直径更大，内部缺陷更少。尽管现有研究表明外部磁场可以减小IMC层厚度，但专门针对稳态磁场下钢铝熔池界面调控的系统研究仍然有限。磁场对钢铝电阻点焊接头中IMC层微观结构的影响和作用机制需要进一步深入研究。
本研究在施加外部磁场的情况下，研究了6061铝合金和SUS301L不锈钢的电阻点焊。通过优化焊接电流参数，获得了高质量的接头。对钢铝异种接头的微观结构和机械性能进行了系统分析，揭示了稳态磁场对接头特性的影响，并阐明了其作用机制。
部分摘录
初始材料
本研究使用了1.5毫米厚的SUS301L不锈钢和2.0毫米厚的6061铝合金作为基材，它们的主要化学成分和机械性能分别见表1和表2，基材（BM）的微观结构如图1所示。
焊接方法
在电阻点焊之前，两种材料都经过了表面预处理以去除油污和氧化膜。焊接采用搭接配置进行，如图2所示。
本研究使用了HBR900A设备
结果与讨论
为了确定SUS301L不锈钢和6061铝合金的最佳点焊参数，本研究首先在有无外部磁场的情况下进行了不同的焊接电流下的电阻点焊。通过比较在相同工艺参数下产生的接头的宏观形态、微观结构和机械性能，系统评估了施加磁场对接头特性的影响。
外部磁场增强机制
图18展示了MA-RSW的工作原理和磁场的作用机制。图18a显示了MA-RSW过程中的磁通量分布正面视图。施加的磁场明显限制在电极轴对称平面内，上下磁体的相对端具有相反的极性。在磁体区域内，磁场线高度集中。整体磁场关于原点对称
结论
本研究阐明了外部磁场通过调节SUS301L奥氏体不锈钢和6061铝合金电阻点焊过程中的熔池流动来增强异种金属接头性能的机制。研究表明，磁诱导的流体动力学如何影响接头的微观结构和机械性能。主要发现如下。
1.MA-RSW显著提高了SUS301L不锈钢/6061铝合金的表面质量
作者贡献声明
卢玉婷：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证。李欣：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源获取，资金申请。贾美洁：可视化，软件，方法论。李建国：可视化，监督，正式分析。周嘉琪：软件，方法论。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了吉林省科学技术发展计划（项目编号：20260601016RC）的支持。
