Lo studio SEM di CIQTEK dimostra che gli elettrodi ad anello rialzato migliorano la saldatura a punti delle leghe di alluminio e la durata degli elettrodi

Le leghe di alluminio, apprezzate per il loro eccezionale rapporto resistenza/peso, sono materiali ideali per l'alleggerimento dei componenti automobilistici. La saldatura a punti per resistenza (RSW) rimane il metodo di giunzione più diffuso per la produzione di carrozzerie automobilistiche. Tuttavia, l'elevata conduttività termica ed elettrica dell'alluminio, combinata con il suo strato di ossido superficiale, richiede correnti di saldatura di gran lunga superiori a quelle utilizzate per l'acciaio. Ciò accelera l'usura degli elettrodi di rame, con conseguente instabilità della qualità della saldatura, frequente manutenzione degli elettrodi e aumento dei costi di produzione. Prolungamento della durata degli elettrodi mentre garantire la qualità della saldatura è diventato un ostacolo tecnologico critico nel settore.

Per affrontare questa sfida, il team del Dott. Yang Shanglu presso l'Istituto di Ottica e Meccanica Fine di Shanghai ha condotto uno studio approfondito utilizzando CIQTEK FESEM SEM5000 Hanno progettato in modo innovativo un elettrodo ad anello rialzato e hanno studiato sistematicamente l'effetto del numero di anelli (0–4) sulla morfologia dell'elettrodo, rivelando la relazione intrinseca tra conteggio degli anelli, difetti cristallini nel nucleo di saldatura e distribuzione della corrente. I loro risultati dimostrano che l'aumento del numero di anelli rialzati ottimizza la distribuzione della corrente, migliora l'efficienza dell'apporto termico, ingrandisce il nucleo di saldatura e prolunga significativamente la durata dell'elettrodo. In particolare, gli anelli rialzati migliorano la penetrazione dello strato di ossido, migliorando il flusso di corrente e riducendo al contempo la corrosione per vaiolatura. Questo innovativo design dell'elettrodo fornisce un nuovo approccio tecnico per mitigare l'usura degli elettrodi e getta le basi teoriche e pratiche per una più ampia applicazione delle leghe di alluminio RSW nel settore automobilistico. Lo studio è pubblicato su Rivista di tecnologia di lavorazione dei materiali. sotto il titolo “ Indagine sull'influenza della morfologia della superficie dell'elettrodo sulla saldatura a punti per resistenza delle leghe di alluminio. ”

Innovazione nel design degli elettrodi ad anello rialzato

Per affrontare la sfida dell'usura degli elettrodi, il team ha affrontato il problema partendo dalla morfologia degli elettrodi. Hanno lavorato da 0 a 4 anelli concentrici rialzati sulla superficie terminale di elettrodi sferici convenzionali, formando un nuovo elettrodo ad anello di Newton (NTR).

Figura 1. Morfologia superficiale e profilo trasversale degli elettrodi utilizzati nell'esperimento

L'analisi SEM rivela difetti dei cristalli e miglioramenti delle prestazioni

In che modo gli anelli rialzati influenzano le prestazioni di saldatura? Utilizzando Tecniche CIQTEK FESEM SEM5000 ed EBSD , il team ha caratterizzato in dettaglio la microstruttura dei nugget di saldatura. Hanno scoperto che gli anelli rialzati perforano lo strato di ossido di alluminio durante la saldatura, ottimizzando la distribuzione della corrente, influenzando l'apporto di calore e promuovendo la crescita del nugget. Ancora più importante, l'interazione meccanica tra gli anelli rialzati e il metallo fuso aumenta significativamente la densità dei difetti cristallini, come le dislocazioni geometricamente necessarie (GND) e i bordi dei grani a basso angolo (LAGB), all'interno del nugget di saldatura. Prestazioni ottimali sono state osservate con tre anelli rialzati (NTR3).

Figura 2. Analisi EBSD della microstruttura del nucleo di saldatura per elettrodi NTR0, NTR1, NTR2, NTR3 e NTR4

Durata prolungata degli elettrodi

Oltre a migliorare la qualità della saldatura, gli elettrodi ad anello rialzato dimostrano eccezionali prestazioni antiabrasione. Dopo un test di durata di 10 saldature, la differenza nell'usura degli elettrodi è stata sorprendente.

Figura 3. Durata degli elettrodi NTR0, NTR1, NTR2, NTR3 e NTR4

Analisi quantitativa

L'elettrodo NTR0 senza anelli rialzati presentava un'area di usura di 13,49 milioni di μm².

In confronto, gli elettrodi NTR3 e NTR4 con tre e quattro anelli rialzati hanno ridotto le aree di usura a 4,35 milioni di μm² e 3,98 milioni di μm², con riduzioni rispettivamente del 67,8% e del 70,5%.

La struttura ad anello rialzato concentra la corrente lungo gli anelli, indirizzando l'usura lungo percorsi predeterminati e prevenendo l'espansione casuale delle cavità, raddoppiando di fatto la durata dell'elettrodo.

Figura 4. Area di corrosione degli elettrodi NTR0, NTR1, NTR2, NTR3 e NTR4 dopo 5 e 10 saldature: (a) 5a saldatura, (b) 10a saldatura.

Microanalisi della corrosione degli elettrodi

Ulteriori analisi SEM degli elettrodi NTR0 dopo la saldatura fino all'adesione al foglio di alluminio hanno rivelato uno strato di composto intermetallico (IMC) spesso 10 μm tra l'elettrodo e il foglio. Questo strato di transizione è costituito da due sottostrati contenenti rame:

Vicino all'elettrodo: strato di supporto più sottile con 29,2% at. di Cu (Al ₄ Cu ₉ fase).

Vicino alla lega di alluminio: sottostrato più spesso con 15,5% at. di Cu (AlCu ₂ fase).

Figura 5. Analisi della composizione della corrosione tra l'elettrodo e la lamiera

Questo studio dimostra che una morfologia innovativa degli elettrodi può regolare efficacemente la distribuzione della corrente, migliorando la qualità della saldatura e prolungando la durata degli elettrodi. Microscopio CIQTEK FESEM ha fornito una visualizzazione indispensabile e prove quantitative dei meccanismi microscopici, tra cui l'evoluzione dei difetti cristallini e la corrosione degli elettrodi, evidenziando il ruolo fondamentale della caratterizzazione avanzata nel progresso della ricerca sulla saldatura e delle applicazioni industriali.