2024 鋁合金電阻點焊與回填式攪拌摩擦點焊接頭組織和性能

高輝，李慧聰，周燦豐，趙華夏

（1.北京石油化工學院，能源先進連接技術北京高校工程研究中心，北京 102617；2.中國航空制造技術研究院，北京 100124）

0 前言

鋁合金材料因其具有質量輕、強度高、加工性能好等優點，已經成為現代工業生產中應用最為廣泛的一類有色金屬材料。電阻點焊（resistance spot welding，RSW）是將焊件裝配成搭接接頭，并壓緊在兩柱狀電極之間，利用電阻熱熔化母材金屬，進而形成焊點的一種焊接方法，主要用于導電材料的薄板焊接[1]。對于鋁合金材料，由于其表面存在組織致密、熔點極高、導電性能極差的氧化膜組織，導致焊接過程中容易出現噴濺與飛濺現象，焊點表面質量較差，電極損耗較為嚴重。回填式攪拌摩擦點焊（refill friction stir spot welding，RFSSW）技術是1999 年由德國吉斯塔赫研究中心發明的一項固態連接技術，作為一種新型的點焊技術，因其焊接過程無需電流，攪拌頭對鋁合金材料表面氧化膜具有攪拌破碎作用[2-3]，同時可將擠出材料進行回填，消除了傳統攪拌摩擦點焊的匙孔問題，進而增大了接頭的有效承載面積，提高了力學性能，延長了疲勞壽命[4]，可廣泛應用于汽車、船舶、航空、航天等制造領域。

在鋁合金焊接領域，一些學者分別對電阻點焊和回填式攪拌摩擦點焊開展了相關研究。河北科技大學的佘亞東等人[5]針對6N01/5083 異種鋁合金材料的電阻點焊接頭進行了組織分析和硬度測試。組織分析表明，焊接試件為典型的“等軸晶+柱狀晶”組織；硬度測試表明，焊接接頭的熱影響區硬度在6N01 鋁合金側存在明顯的下降趨勢。上海工程技術大學的肖振康[6]針對鋁/鋼異種材料的電阻點焊焊接工藝及焊接質量進行了研究。中車四方車輛有限公司的徐波等人[7]針對5083 鋁合金/AZ31B 鎂合金異種材料回填式攪拌摩擦點焊接頭的組織和力學性能進行了試驗研究。天津大學的Shen 等人[8]針對7075-T6 鋁合金回填式攪拌摩擦點焊接頭的微觀組織和力學性能研究表明，在焊接轉速較低的條件下亦可獲得相對較好的力學性能。同時攪拌區及熱力學影響區的焊接質量也會對接頭力學性能產生影響。從目前的研究現狀來看，相關學者的研究內容主要集中于電阻點焊與回填式攪拌摩擦點焊的獨立研究，兩者焊接接頭性能的橫向對比研究相對較少。

針對工業生產中常用的2024 鋁合金板材，開展了回填式攪拌摩擦點焊與電阻點焊接頭在微觀組織、顯微硬度以及十字剝離強度等方面的試驗、分析與對比研究，為回填式攪拌摩擦點焊技術在鋁合金焊接領域的應用奠定了理論基礎。

1 試驗方法

電阻點焊采用SMD60 電阻電焊機，設備如圖1所示。該設備可實現最大2.5 mm 厚鋁合金板材的搭接點焊，設備具體參數如表1 所示?；靥钍綌嚢枘Σ咙c焊試驗采用FSSW-RT31-006 型攪拌摩擦點焊設備，設備如圖2 所示。該設備最大焊接厚度為6 mm，可用于3 mm 厚板材的普通攪拌摩擦點焊搭接焊接以及回填式攪拌摩擦點焊搭接焊接，具體參數如表2所示。

表2 回填式攪拌摩擦點焊設備參數

圖1 SMD60 電阻點焊機

表1 電阻點焊設備參數

圖2 FSSW-RT31-006 攪拌摩擦點焊設備

焊接試驗材料選擇上海錮鑠金屬材料有限公司生產的2024-T3 鋁合金板材。2024-T3 屬于Al-Cu-Mg系熱處理可強化鋁合金，Cu 和Mg 是其主要的合金元素，一般用于制造航空器蒙皮、隔框、翼肋、翼梁以及建筑、交通運輸工具的結構件[9]。試驗材料的化學成分和力學性能分別見表3 和表4。

表3 2024-T3 鋁板化學成分（質量分數，%）

表4 試驗材料室溫下力學性能

按照國家標準GB/T228—2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》，采用電阻點焊和回填式攪拌摩擦點焊方法分別制備了剪切性能試件和十字剝離性能試件。

焊接前單個試件的尺寸為100 mm × 25 mm，板厚1.5 mm，焊接形式為搭接，具體焊接裝配形式如圖3 所示。

圖3 焊接試件

電阻點焊試件采用常規鋁合金電阻點焊焊接工藝，電極直徑 ?16 mm、電機球面半徑150 mm、電極壓力4.5 kN、焊接電流35 kA、通電時間0.2 s、熔核直徑約為 ?6 mm。對于回填式攪拌摩擦點焊，根據前期初步的焊接工藝試驗，針對攪拌針轉速、壓入量、停留時間等關鍵工藝參數開展了正交焊接試驗。攪拌針轉速分別為1 000，1 200，1 500 和2 000 r/min，壓入量分別為1.6，1.7 和1.9 mm，停留時間分別為1.2，1.5，1.8 和2.0 s[10]。焊后試件接頭形貌如圖4 所示。選取電阻點焊和回填式攪拌摩擦點焊試件中幾組接頭外觀較好試件，分別開展金相組織、顯微硬度、剪切力學性能以及十字剝離力學性能方面的測試、對比與分析。焊后試件剝離性能測試如圖5 所示。

圖4 剪切性能測試試件接頭形貌

圖5 剝離性能測試焊接試件

2 測試與對比分析

2.1 金相組織分析

由于電阻點焊與回填式攪拌摩擦點焊在焊接機理上有所不同，其焊后接頭的金相組織形成過程、組織構成與分布均存在明顯差異。

2.1.1 電阻點焊金相組織

圖6 為電阻點焊搭接接頭橫截面的宏觀金相形貌?？梢钥闯?，其金相組織構成主要包括過渡區、熔核區和母材區3 個部分。中間黑色區域為熔核區，熔核區與母材交界處為過渡區。

圖6 電阻點焊接頭橫截面宏觀金相組織

電阻點焊接頭各區域的顯微金相組織如圖7 所示。圖7a 表明2024-T3 鋁合金母材部分的原始組織呈現帶狀排列的板條組織。過渡區（圖7b）熔合線外側組織形態逐步由母材部分的板條組織轉變為尺寸較小的等軸晶；在熔合線內側受到過冷度因素的影響，凝固過程中優先形成并排向液體中生長的柱狀晶，隨后逐漸轉變為尺寸更小的等軸晶組織。在整個熔核區內（圖7c），全部由細小的等軸晶組織構成。與柱狀晶相比，等軸晶的各個晶粒在長大時彼此交叉，枝杈間的搭接牢固，裂紋不易擴展，不存在明顯的脆性界面[11]。等軸晶越細越均勻，力學性能越好。

圖7 電阻點焊接頭各區域的顯微金相組織

2.1.2 回填式攪拌摩擦點焊金相組織

回填式攪拌摩擦點焊的焊接過程與電阻點焊不同，其焊接溫度低于材料熔點，但高于材料的再結晶界限，焊接接頭的熱影響區較小，焊接材料不必達到熔融狀態就能完成焊接過程，非常適合于鋁合金材料的焊接。選取工藝參數為轉速1 500 r/min、壓入量1.9 mm、停留時間1.5 s 的回填式攪拌摩擦點焊搭接接頭進行觀察，其橫截面形貌如圖8 所示，可以看到，焊接區域形成了非常致密的晶體結構，焊接接頭成形美觀[12]。從顯微組織結構來看，可分為攪拌區（SZ）、熱力影響區（TMAZ）、熱影響區（HAZ）以及母材（BM）4 個區域。其中，SZ 和TMAZ 區域內的材料在焊接過程中均發生了明顯的動態再結晶，SZ 區域內的材料在高溫和攪拌針的攪拌作用下，獲得了平均晶粒尺寸約為4 μm 的細晶結構（圖9a）。TMAZ 區可分為TMAZ1 和TMAZ2 兩個區域，TMAZ1 在焊接熱和較強的機械攪拌作用下，發生了較大的塑性變形，而TMAZ2 區域內的材料承受的機械攪拌作用明顯減弱，為晶粒的長大創造了條件，從而導致該區域內的晶粒尺寸明顯大于TMAZ1 區域。另外由圖9a、圖9b 和圖9c 可以看出，在焊點、上板以及下板三者交匯位置處，由于攪拌摩擦點焊焊接過程中材料一直處于塑性、超塑性狀態，因此僅能觀察到細晶組織以及在回填過程中攪拌針移動導致的材料在垂直方向的遷移，并未出現類似電阻點焊接頭在熔化—凝固過程中產生的柱狀晶帶組織，進而可有效提高焊接接頭的力學性能。

圖8 回填式攪拌摩擦點焊接頭橫截面宏觀金相形貌

圖9 回填式攪拌摩擦點焊接頭各區域的顯微金相組織

2.2 顯微硬度測試

采用HX-1000 型維氏硬度計分別對電阻點焊和回填式攪拌摩擦點焊搭接接頭進行顯微硬度測試。測試過程中將硬度計的加載載荷和保持時間分別設置為1.96 N 和15 s，選取點焊區域內位于搭接面位置的點進行測試，各點以焊縫中心為基準，兩側分布間距均為1 mm，如圖10 所示。

圖10 顯微硬度測試點

如圖11 所示，顯微硬度測試結果表明，電阻點焊搭接接頭橫截面的顯微硬度呈現出中間低、邊緣高的變化趨勢，焊核中心硬度明顯低于熱影響區和母材，最高硬度值約為115 HV?；靥钍綌嚢枘Σ咙c焊搭接接頭橫截面的顯微硬度呈現出典型的W 形硬度分布[13]，即焊點中心區域和熱影響區硬度高、熱力影響區硬度稍低，但焊點區域的硬度整體高于母材，中心區域的平均硬度值約為145 HV，明顯高于電阻點焊的焊核區硬度。因此該結果預示著采用回填式攪拌摩擦點焊方法焊接的搭接接頭將會具有更加良好的力學性能。

圖11 焊接接頭顯微硬度

2.3 力學性能測試

對電阻點焊和回填式攪拌摩擦點焊搭接接頭，在不經任何時效處理的情況下，采用CSS 靜態電子萬能拉伸試驗機進行剪切和十字剝離拉伸測試。測試結果如圖12 和圖13 所示，電阻點焊接頭焊核直徑為?6 mm，計算得平均剪切力為5 kN，回填式攪拌摩擦點焊接頭焊核直徑為 ?10 mm，經計算，回填式攪拌摩擦點焊接頭的平均剪切力則達到了7 kN；根據十字剝離力的測試結果，回填式攪拌摩擦點焊接頭亦明顯高于電阻點焊。這是由于在攪拌頭高速旋轉作用下，摩擦產生的熱量使母材塑化，攪拌針周圍的金屬在熱量和力的作用下不但圍繞攪拌針運動，而且沿著攪拌針軸向方向運動，鋁合金薄板發生變形，兩板之間的結合面部分由水平趨于垂直，結合金相可以明顯看到兩板間的豎直結合面，這種豎直結合面在承受拉剪力時也起到了一定的作用，這是電阻點焊所不具備的[14-15]。

圖12 剪切力測試結果

圖13 十字剝離力測試結果

3 結論

（1）電阻點焊搭接接頭橫截面的組織區域主要包括過渡區、熔核區和母材區。在過渡區熔合線外側組織形態逐步由母材部分的板條組織轉變為尺寸較小的等軸晶；在熔合線內側受到過冷度因素的影響，凝固過程中優先形成并排向液體中生長的柱狀晶，隨后逐漸轉變為尺寸更小的等軸晶組織。回填式攪拌摩擦點焊搭接接頭橫截面的組織區域，可分為攪拌區、熱力影響區、熱影響區以及母材區，整個焊接區域均為晶粒度較小的等軸晶組織，熱力影響區可明顯觀察到由攪拌頭的攪拌作用導致的材料塑性流動痕跡。回填式攪拌摩擦點焊接頭中的細晶組織以及材料在橫向和縱向方向的塑性變形，有利于提高焊接接頭的力學性能。

（2）電阻點焊搭接接頭橫截面的顯微硬度最高為115 HV，整體明顯低于母材及回填式攪拌摩擦點焊接頭的平均顯微硬度。因此對于2024-T3 鋁合金板材，采用回填式攪拌摩擦點焊方法相較于電阻點焊更容易獲得高強度的搭接點焊接頭。

（3）電阻點焊接頭的平均剪切力與回填式攪拌摩擦點焊接頭的平均剪切力相比，剪切力提高了40%；在十字剝離力測試方面，回填式攪拌摩擦點焊的十字剝離力與電阻點焊接頭的十字剝離力相比，提高大約50%。

綜上所述，對于2024-T3 鋁合金材料的搭接點焊，回填式攪拌摩擦點焊相對于電阻點焊不論是在焊點外觀形貌還是力學性能方面均具有明顯優勢。