2024-T42铝合金点焊接头性能研究

王会霞 董松浩 王军 张亮 吴大勇

摘 要：为改善高强铝合金接头连接性能，提高焊接质量，研究了2024-T42铝合金回填式搅拌摩擦点焊（RFSSW）、电阻点焊和铆接3种不同接头的连接性能，采用显微组织观察试验、拉伸试验、拉剪试验和显微硬度试验等方法，对接头组织和性能进行表征与分析。结果表明：RFSSW接头的力学性能最优，拉剪性能达到7.23 kN，较铆接和电阻点焊分别提高了115.82%和37.45%;RFSSW接头的拉脱性能达到3.09 kN，较铆接和电阻点焊分别提高了3.69%和137.69%;RFSSW接头显微硬度最高，接近母材，而电阻点焊接头的显微硬度最低，仅为母材的50%;RFSSW与电阻点焊接头断裂方式分别属于韧性断裂和混合型断裂。采用RFSSW方法可以改善铝合金电焊的接头性能，为高强铝合金结构件焊接与连接工艺的应用提供理论和技术参考。

关键词：焊接工艺与设备;2024-T42铝合金;RFSSW;电阻点焊;断裂模式;接头性能

中图分类号：TG456.2   文献标识码：A

DOI：10.7535/hbkd.2022yx01008

收稿日期：2021-09-14;修回日期：2021-12-16;责任编辑：张士莹

基金项目：国防基础科研计划项目（JCKY2017407C002）;河北省重点研发计划项目（19211016D，20351002D）;国家自然科学基金（51775007）;河北省高等学校科学技术研究项目（ZD2018060）

第一作者简介：王会霞（1968—），女，河北石家庄人，副教授，硕士，主要从事搅拌摩擦焊方面的研究。

通訊作者：张 亮博士。E-mail：hebustzhangliang@163.com

Research on performance of 2024-T42 aluminum alloy spot welded joints

WANG Huixia1，2，3，DONG Songhao1，WANG Jun1，2，3，ZHANG Liang1，2，3，WU Dayong1，2，3

（1.School of Materials Science and Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang，Hebei 050018，China;2.Hebei Key Laboratory of Material Near-Net Forming Technology，Shijiazhuang，Hebei 050018，China;3.Hebei Engineering Laboratory of Aviation Lightweight Composite Materials and Processing Technology，Shijiazhuang，Hebei 050018，China）

Abstract：In order to improve the connection performance and welding quality of high-strength aluminum alloy joints，the performance of three different connection joints，namely 2024-T42 aluminum alloy refilled friction stirring spot welding （RFSSW），resistance spot welding and riveting，was characterized and analyzed by microstructure observation tests，tensile tests，tensile shear tests and microhardness tests.The results show that the mechanical properties of the RFSSW joint are the best，and the tensile shear property is 7.23 kN，which is 115.82% higher than riveting property and 37.45% higher than resistance spot welded joint;the pull-off mechanical property is 3.09 kN，which is 3.69% higher than riveting and 137.69% higher than resistance spot welded joint;the microhardness of RFSSW joint is the highest，which is close to the base metal，while the microhardness of resistance spot welded joint is the lowest，which is only 50% of the base metal.The fracture morphology of RFSSW and resistance spot weld joints are ductile fracture and mixed fracture，respectively.Using RFSSW method can improve the joint performance of aluminum alloy spot welding，which provides a theoretical and technical basis for the application of aluminum alloy structural spot welding.

Keywords：

welding process and equipment;2024-T42 aluminum alloy;RFSSW;resistance spot welding;fracture mode;joint performance

航空航天、汽车、高速列车等领域正向整体结构轻量化、寿命长、成本低以及先进制造技术的方向快速发展，在保证安全稳定的前提下，减轻整体结构质量是各领域发展的总体趋势[1-2]。铝合金材料具有成分合理、比强度高、比刚度高、耐蚀性好、易于成型且热处理强化效果显著等优点，被广泛应用于各行各业。采用传统熔化焊时，由于铝合金易产生气孔、裂纹及变形等缺陷，因此对铝合金的连接常常采用铆接及电阻点焊技术。但是，铆钉的存在会加重结构的整体质量，降低燃油经济性[3-6]，铆钉孔的存在还会造成应力集中、表面损伤等缺陷，降低了铆接接头的使用寿命[7-9];铝合金电阻点焊过程中，通电瞬间电流很大，易导致接头内部出现孔洞、裂纹、喷射等缺陷，降低了接头的力学性能。回填式搅拌摩擦点焊（RFSSW）具有焊接变形小、接头质量高、成本低、工艺简单、绿色无污染等特点，在航空航天领域备受关注[10-12]。李永兵等[9]对电阻点焊、铆接及复合连接工艺进行了研究，指出电阻点焊工艺成本低、自动化程度高，是各种轻量化薄壁结构焊装的基础工艺，正成为各种大型铝合金航天结构的关键焊装工艺之一;铆接工艺接头没有热输入，可以避免出现材料软化等问题，但铆钉的存在加重了自身质量，与轻量化的理念背道而驰。AMANCIO-FILHO[13]等对2024铝合金回填式搅拌摩擦点焊工艺进行了研究，结果表明，当焊接转速为1 900～2 400 r/min时，焊接时间对接头质量的影响较小，下扎深度及焊接时间是影响焊接质量的关键因素。

国内外对RFSSW的研究主要集中在铝合金、镁合金、异种材料及焊接模拟等方面，大多是围绕焊接工艺、搅拌头形状及材质、焊点成型、微观组织、力学性能等方面展开的，鲜有对此3种连接方式展开详细对比研究的报道。本文通过对2024-T42铝合金RFSSW、电阻点焊及铆接接头进行对比，研究分析3种连接方式下铝合金显微组织、力学性能和显微硬度等方面的差异。

1 试验材料、方法及参数

1.1 试验材料

选用1.5 mm厚的2024-T42铝合金，其成分如表1所示。由于航空用2000系铝合金表面通常会存在一层纯铝材质的包铝层，所以在焊接前需要先对铝合金表面的氧化膜及包铝层材料进行打磨，用丙酮试剂去除金属表面的油污后再进行焊接。

1.2 试验方法

采用RPS100型回填式搅拌摩擦点焊机和Delta Spot 250 kVA逆变电阻焊机进行焊接，焊接设备如图1所示。试验件采用搭接形式，如图2所示。

电阻点焊过程中，焊接试验件在两端电极压力作用下，接通焊接电流，由于焊件之间的电阻较大，因而在焊件内部产生电阻热使金属塑化，形成焊核，原理示意图如图3所示。铆接过程是将铆钉穿过被铆接件上的预制孔，使2个或2个以上的被铆接件连接在一起。RFSSW采用套筒下扎方式焊接，原理示意图见图4。焊接过程分为下扎与回填2个阶段，下扎阶段中，套筒下扎，搅拌针回抽，受热塑化的金属材料被挤入套筒与搅拌针之间的空腔中;回填阶段中，当到达预设的下扎深度后，套筒上抬，搅拌针下压，塑化的金属材料被挤入套筒上抬所留下的空腔中，直至搅拌针与套筒运动到同一平面上，回填过程结束。在一定的焊接转速下，搅拌针与套筒在焊点表面停留一定时间后形成表面光亮平整且无退出孔的焊点。

1.3 试验参数

根据GB/T 19867.5，通过前期试验工艺摸索，结合接头力学性能，确定最佳焊接参数，RFSSW和电阻点焊的焊接工艺参数如表2所示。为了减小不同连接方法下接头力学性能的差异，选择RFSSW搅拌工具直径为9 mm，电阻点焊的电极头直径为12 mm（电极端面为圆弧形，焊点压痕直径为9 mm），铆钉直径为4 mm（钉头直径为8 mm）。

2 结果与分析

2.1 接头成形分析

经过复杂的热机耦合作用，RFSSW焊点在不同区域形成不同的组织。2024-T42铝合金接头截面宏观图如图5 a）所示，接头截面整体上呈“U”形。按照成形过程划分，RFSSW接头主要分为焊核区（NZ）、热机械影响区（TMAZ）、热影响区（HAZ）、母材（BM）4个区域。

图5 b）为在表2所示的工艺参数下电阻点焊接头截面宏观图，接头部位主要分为BM，HAZ及NZ 3个区域，其中NZ由柱状晶区和等轴晶区组成。HAZ因受到热作用，微观组织发生变化，晶粒粗化。BM未受到焊接过程的影响，保持了母材原本的状态。

图5 c）为铆接结构的截面宏观图，分为铆钉和母材2部分，铆钉由钉头、墩头和钉杆3部分组成，铆接结构采用机械连接形式，在连接点处易发生铆钉脱落，且密封性差，铆钉孔的存在会导致应力集中，使结构件的性能变差。

2.2 接头微观组织分析

RFSSW接头显微组织金相图如图6所示，其中图6 a）为母材（BM）的微观组织，2024-T42铝合金的BM不受焊接过程中热-力的影响，所以晶粒为原始状态，经打磨抛光腐蚀试验后，可以观察到二次相S相（Al2CuMg）及θ相（Al2Cu）均匀分布在材料中，起到强化作用，如图6 a）中箭头指向所示。图6 b）为焊接热影响（HAZ）的微观组织，HAZ紧邻BM，位于焊点的外环处，在焊接过程中只受到热循环作用，晶粒受热长大，力学性能变差，成为整个焊点的薄弱区域。在热机械影响区（TMAZ）内靠近焊核区（NZ）的晶粒因受到热力作用而发生再结晶行为，晶粒度变小;靠近HAZ的TMAZ组织由于只受到焊接热影响，晶粒长大[14-16]。此区域因受到热作用影响及套筒旋转所产生的剪切力作用而具有方向性，沿着材料流动方向被拉长成为长条状，微观组织如图6 c）所示。NZ區域的组织因受到套筒及搅拌针的机械搅拌作用及热作用，热输入量大，达到了再结晶温度，并且在搅拌针及套筒的搅拌和压力作用下，晶粒破碎，增加形核数，晶粒来不及长大而形成均匀细小的等轴晶，其微观组织如图6 d）所示。电阻点焊接头显微组织如图7所示。电阻点焊接头NZ的中心部位为接头最后冷却的区域，该区域呈现晶粒粗大的等轴晶，如图7 c）所示;焊核区外围金属在电极冷却下微观组织晶粒呈细长的柱状晶，如图7 d）所示。

2.3 接头显微硬度分析

2024-T42铝合金在RFSSW过程中受到搅拌工具强力的热力耦合作用，使得材料的组织状态发生变化，影响了材料的力学性能。图8为2024-T42铝合金RFSSW及电阻点焊接头截面硬度分布云图，通过对硬度值的分布状态分析发现，RFSSW接头各区域显微组织状态与显微硬度呈对应关系，在接头的各个区域晶粒度不同，晶粒细小的等轴晶组织起到了显著的细晶强化效果。由图8 a）可以看出，RFSSW接头截面硬度分布呈现“U”形，其中钩状缺陷位置的硬度最低，为114 HV。这是因为在此位置，包铝层材料聚集，纯铝材质的包铝层材料会显著降低硬度值。接头底部材料受到的搅拌作用较小，热输入量降低，使得组织晶粒的细化程度低，晶粒度大，导致在此区域的硬度值偏低。图8 b）为电阻点焊接头各区域硬度分布云图，焊核区的整体硬度低于母材，这是因为在焊核区的材料失去了因轧制变形和固溶处理得到的强化作用。

由RFSSW接头硬度分布可知，BM区域的平均硬度值为125 HV，在母材区域因未受到焊接的影响，所以其硬度水平为母材材料的原始硬度水平。HAZ位于距焊点中心两侧5～8 mm范围内的绿色区域，该区域硬度是接头硬度最低的区域，最低值仅为114 HV。主要原因是此区域受到焊接热影响晶粒长大，晶界能降低，在力的作用下，阻碍位错运动能力降低，造成HAZ硬度值较低。NZ的平均硬度值达到146 HV，仅次于母材。其原因是在焊接过程中，虽然此区域的金属受到热影响，但在成形过程中该金属受到搅拌针的搅拌而使组织致密，造成在热作用下焊点硬度较热影响区有所提升。

电阻点焊接头NZ的等轴晶区中心位置硬度最低，平均硬度为80 HV。这是因为等轴晶区是焊核最后凝固的部位，金属微观呈枝晶状态，显微缩松较多，造成组织不致密，因此硬度最低。与RFSSW接头NZ组织相比，其硬度远低于RFSSW接头。从接头显微组织可知，RFSSW的NZ比电阻点焊等轴晶区的致密，晶粒更加细小，在回填过程中，此区域的组织受到搅拌针下压力的作用使得组织更为致密。电阻点焊NZ等轴晶区外侧的柱状晶区硬度值平均为95 HV，比等轴晶硬度平均值高15 HV。这是因为柱状晶区凝固过程冷却速度快，晶粒尺寸更小。HAZ的硬度值约为110 HV，比BM偏低。这是因为HAZ区域的材料在熔点以下的某个温度出现了第二相粒子的回熔及回复现象[17-20]，焊接时由于热输入量大，温度提升导致金属发生了回复反应，在电阻点焊过程中发生软化，当这种软化作用更为强烈时，导致材料的硬度值降低。

2.4 接头力学性能分析

对RFSSW、电阻点焊与铆接3种方式的接头拉剪及拉脱试验进行对比分析，试验结果如表3及表4所示，载荷-位移曲线如图9和图10所示。

通过对图9拉剪载荷-位移曲线及表3性能试验结果分析可知，RFSSW接头的平均剪切力为7.23 kN，铆接接头的平均剪切力为3.35 kN，电阻点焊接头平均剪切力为5.26 kN。RFSSW和电阻点焊拉剪载荷-位移曲线呈线性关系，表明RFSSW及电阻点焊接头在拉剪试验过程中，随着加载载荷的增加，试件发生塑性变形后无明显的屈服过程而产生瞬间拉断。铆接拉剪载荷-位移曲线初始阶段呈线性弹性关系，铆钉杆承受拉剪载荷，产生弹性变形，当弹性变形到一定程度后曲线上升趋势开始逐渐减缓，出现明显的屈服，铆钉杆中心应力集中，产生明显的塑性变形，直至铆钉杆被切断。此外，RFSSW接头位移最大，铆接次之，电阻点焊最小。

通过对图10拉脱载荷-位移曲线及表4性能试验结果分析可知，RFSSW最大拉脱力为3.09 kN，电阻点焊最大拉脱力为1.30 kN，铆接最大拉脱力为2.98 kN。RFSSW及电阻点焊拉脱载荷-位移曲线呈线性关系，仍没有明显的屈服过程。RFSSW拉脱曲线存在小波动，是由于拉脱过程中试件与卡具间隙过小产生摩擦所致，提高装备精度可以有效避免。铆接拉脱载荷-位移曲线与拉剪-位移曲线明显不同，试件无明显的屈服过程而直接被拉断，拉脱试验铆钉头和墩头承受正应力，母材及铆钉孔发生塑性变形，裂纹向母材扩展，直至母材从墩头剥离。

2.5 接头断裂模式分析

在RFSSW拉剪试验和拉脱试验中，接头为焊核剥离断裂模式，裂纹的产生与钩状缺陷（如图11所示）及包覆铝层有关。这是由于钩状缺陷在拉剪力的作用下会导致局部应力集中，产生裂纹，并沿着上下板的结合面迅速扩展直至断裂。当下扎深度较浅时，钩状缺陷靠近上下板结合面，搅拌头在焊点内部搅拌不足，上下板材料未充分被搅拌，导致流动性差。

在电阻点焊拉剪试验及拉脱试验中，接头断裂模式主要为塞型断裂。当受到剪切力作用时，焊点发生形变，整体向受力一侧产生形变。如图12所示，断裂在A处开始，并沿着A→B→C的方向进行扩展，最终在C处被拉断。裂纹首先在NZ与HAZ交界处的A点产生，NZ的外侧由柱状晶区包裹着等轴晶区，柱状晶区晶粒细小，力学性能较好。HAZ组织粗大，力学性能较差，受到剪切力的作用，此处受力最大且性能最弱，故先从此处产生裂纹，并且裂纹沿着受力方向迅速扩展，直至断裂。

在拉脱试验中，电阻点焊的NZ呈椭圆形，最中间为等轴晶区，外环为晶粒细小的柱状晶区，此区域的力学性能较好。HAZ为整个焊点的性能薄弱区，在NZ及HAZ的界面处产生平行于受力方向的裂纹，并在拉脱力的作用下沿着板材厚度方向迅速扩展，直至焊点拔出，产生塞型断裂。

鉚接在发生断裂时，断裂模式分为铆钉断裂和铆钉剥离2种。由图13可以看出，铆接拉剪试验的断裂方式为铆钉杆剪切断裂，上下板结合处铆钉杆应力集中，铆钉杆受力通过母材的挤压产生塑性变形。拉脱试验过程中，接头断裂模式为铆钉剥离。试验过程中，随着加载载荷的增加，铆钉孔及周围母材存在应力集中，在受力的状态下裂纹在铆钉孔处萌生并向母材扩展，直至铆钉与母材脱离。

2.6 断口形貌分析

RFSSW接头拉剪、拉脱断口扫描图如图14所示，RFSSW接头拉剪焊核剥离的韧窝尺寸存在着大小不一的形态，拉剪焊核剥离表现为混合型断裂模式。拉剪与拉脱的焊核剥离断裂模式断口均存在着大量韧窝组织，形状大小均匀，韧窝大小比塞型断裂的韧窝组织尺寸更大、更均匀，且在剪切力和正应力的作用下，形成剪切韧窝。在拉剪试验焊核剥离断口下，韧窝组织边缘在拉剪力的作用下倾向受力侧，韧窝边缘被力拉向一侧。在拉脱焊核剥离断口下，受正应力的影响，韧窝处組织被拉长，呈现为等轴韧窝。等轴韧窝是受到正应力而产生的。韧窝深度增加，也说明在受到拉脱试验的正应力下，焊点表现得更加有韧性，为韧性断裂模式。

电阻点焊接头拉剪试验的断口形貌如图15 a）和图15 b）所示，电阻点焊拉剪断口为韧性断裂和脆性断裂的混合断裂形式，局部表现出不同的断口特征。图15显示，断口内部存在着一定量因受到剪切应力所产生的剪切韧窝并且具有一定的方向性，剪切韧窝沿应力方向被拉长，韧窝分布不均匀且细小，说明其接头的塑性变形能力差。

电阻点焊接头拉脱断口形貌如图15 c）和图15 d）所示，对断口分析可知其为典型的塞型断裂断口，断口内部存在着极少量的等轴韧窝和大量蛇形滑移及涟波，滑移继续变形最后会趋于平坦化，成为涟波。断口内部也存在着一定量的撕裂棱组织，所以也属于混合型断裂模式。

3 结 论

本文对2024-T42铝合金的RFSSW、电阻点焊及铆接3种连接方式下接头的力学性能、微观组织及断裂方式进行了对比分析，得出结论如下。

1）RFSSW接头分为NZ，TMAZ，HAZ和BM共4个区域，电阻点焊接头分为母材NZ，HAZ和BM 3个区域，其中NZ内因组织形态不同分为中间等轴晶区和外环柱状晶区。

2）RFSSW接头截面硬度分布整体呈现为“U”形，在钩状缺陷位置硬度最低，电阻点焊接头截面硬度在中间等轴晶区硬度最低，柱状晶区的硬度高于等轴晶区但低于热影响区，接头整体硬度值低于母材。

3）RFSSW接头的力学性能高于电阻点焊及铆接接头。其中RFSSW接头的平均拉剪力为7.23 kN，较铆接接头提高了115.82%，较电阻点焊接头提高了37.45%;RFSSW接头平均拉脱力为3.09 kN，较铆接接头提高了3.69%，较电阻点焊接头提高了137.69%。

4）RFSSW和电阻点焊接头断裂方式分别为焊核剥离断裂和塞型断裂，铆接断裂分为铆钉断裂和铆钉剥离2种方式。SEM试验发现，RFSSW和电阻点焊接头的断裂模式分别属于韧性断裂和混合型断裂。

采用RFSSW方法可以很好地改善接头性能，但RFSSW接头内部存在的钩状缺陷会对接头力学性能产生损伤。因此，后续还要针对如何避免钩状缺陷进行深入研究，进一步提高接头的连接性能。

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