Исследование CIQTEK SEM показывает, что электроды с выступающим кольцом улучшают точечную сварку алюминиевых сплавов и увеличивают срок службы электродов.

Алюминиевые сплавы, ценимые за исключительное соотношение прочности и веса, являются идеальными материалами для облегчения конструкции автомобилей. Контактная точечная сварка (RSW) остаётся основным методом соединения при производстве автомобильных кузовов. Однако высокая тепло- и электропроводность алюминия в сочетании с его поверхностным оксидным слоем требуют сварочных токов, значительно превышающих токи, используемые для стали. Это ускоряет износ медных электродов, что приводит к нестабильному качеству сварки, частому техническому обслуживанию электродов и увеличению производственных затрат. Продление срока службы электрода В то время как обеспечение качества сварки стало критически важным технологическим узким местом в отрасли.

Чтобы решить эту проблему, команда доктора Ян Шанлу из Шанхайского института оптики и точной механики провела углубленное исследование с использованием CIQTEK FESEM SEM5000 Они разработали инновационный электрод с выступающим кольцом и систематически исследовали влияние номера кольца (0–4) на морфологию электрода, выявив внутреннюю связь между количеством колец, дефектами кристаллов в сварном ядре и распределением тока. Результаты показывают, что увеличение количества приподнятых колец оптимизирует распределение тока, повышает эффективность подвода тепла, увеличивает сварное ядро и значительно продлевает срок службы электрода. В частности, выступающие кольца улучшают проникновение оксидного слоя, улучшая прохождение тока и одновременно снижая питтинговую коррозию. Эта инновационная конструкция электрода обеспечивает новый технический подход к снижению износа электрода и закладывает теоретическую и практическую основу для более широкого применения алюминиевых сплавов RSW в автомобильной промышленности. Исследование опубликовано в журнале Журнал технологий обработки материалов. под названием « Исследование влияния морфологии поверхности электрода на контактную точечную сварку алюминиевых сплавов. ”

Прорыв в конструкции электрода с приподнятым кольцом

Столкнувшись с проблемой износа электродов, команда подошла к её решению, изучив морфологию. Они вырезали от 0 до 4 концентрических выпуклых колец на торцевой поверхности обычных сферических электродов, создав новый электрод «Кольцо Ньютона» (NTR).

Рисунок 1. Морфология поверхности и профиль поперечного сечения электродов, использованных в эксперименте.

Анализ с помощью СЭМ выявляет дефекты кристаллов и улучшает производительность

Как выпуклые кольца влияют на качество сварки? Методы CIQTEK FESEM SEM5000 и EBSD Группа учёных подробно описала микроструктуру сварных ядер. Они обнаружили, что выступающие кольца прокалывают слой оксида алюминия во время сварки, оптимизируя распределение тока, влияя на подвод тепла и способствуя росту ядра. Что ещё более важно, механическое взаимодействие выступающих колец с расплавленным металлом значительно увеличивает плотность кристаллических дефектов, таких как геометрически необходимые дислокации (ГНД) и малоугловые границы зёрен (МУГ), внутри сварного ядра. Оптимальные характеристики были достигнуты при использовании трёх выступающих колец (NTR3).

Рисунок 2. EBSD-анализ микроструктуры сварного шва для электродов NTR0, NTR1, NTR2, NTR3 и NTR4

Увеличенный срок службы электрода

Помимо повышения качества сварки, электроды с выступающим кольцом демонстрируют исключительные антиабразивные свойства. После 10-сварочного испытания на срок службы разница в износе электродов оказалась поразительной.

Рисунок 3. Срок службы электродов NTR0, NTR1, NTR2, NTR3 и NTR4

Количественный анализ

Электрод NTR0 без рельефных колец имел площадь износа 13,49 млн мкм².

Для сравнения, электроды NTR3 и NTR4 с тремя и четырьмя выступающими кольцами уменьшили области износа до 4,35 млн мкм² и 3,98 млн мкм², что составляет снижение на 67,8% и 70,5% соответственно.

Конструкция с приподнятыми кольцами концентрирует ток вдоль колец, направляя износ по заданным траекториям и предотвращая случайное расширение изъянов, что фактически удваивает срок службы электродов.

Рисунок 4. Зона точечной коррозии электродов NTR0, NTR1, NTR2, NTR3 и NTR4 после 5 и 10 сварных швов: (а) 5-й шов, (б) 10-й шов、

Микроанализ питтинга электрода

Дальнейший анализ электродов NTR0 с помощью СЭМ после сварки до момента их склеивания с алюминиевым листом выявил наличие слоя интерметаллического соединения (ИМС) толщиной 10 мкм между электродом и листом. Этот переходный слой состоит из двух медьсодержащих подслоев:

Вблизи электрода: более тонкий подслой с 29,2 ат.% Cu (Al ₄ Cu ₉ фаза).

Вблизи алюминиевого сплава: более толстый подслой с 15,5 ат.% Cu (AlCu ₂ фаза).

Рисунок 5. Анализ состава питтинга между электродом и листом

Данное исследование демонстрирует, что инновационная морфология электрода может эффективно регулировать распределение тока, улучшая качество сварки и продлевая срок службы электрода. Микроскоп CIQTEK FESEM предоставили необходимую визуализацию и количественные доказательства микроскопических механизмов, включая развитие дефектов кристаллов и точечную коррозию электрода, подчеркнув важную роль расширенной характеризации в развитии исследований в области сварки и промышленного применения.