周 利 李高輝 劉朝磊 黃永憲 馮吉才

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海) 山東省特種焊接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 威海 264209； 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)焊接與連接國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,哈爾濱 150001)

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鋁鋰合金焊接技術(shù)的研究現(xiàn)狀

周 利1,2李高輝1劉朝磊1黃永憲2馮吉才2

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海) 山東省特種焊接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 威海 264209； 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)焊接與連接國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,哈爾濱 150001)

鋁鋰合金作為一種低密度、高性能的新型結(jié)構(gòu)材料已被應(yīng)用于航空航天及軌道交通等領(lǐng)域，鋁鋰合金的焊接技術(shù)更是其在航空航天等工業(yè)構(gòu)件中獲得廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。近年來(lái)，鋁鋰合金的焊接技術(shù)也在迅速發(fā)展。綜述了可焊鋁鋰合金目前的主要焊接方法、焊接研究進(jìn)展、特點(diǎn)及其適用性等。與傳統(tǒng)弧焊方法相比，新型固相連接技術(shù)攪拌摩擦焊接頭性能更好，有望在鋁鋰合金焊接上獲得廣泛應(yīng)用。

鋁鋰合金 焊接技術(shù) 研究進(jìn)展

0 序 言

鋁鋰合金是近代鋁合金的一個(gè)重大發(fā)展。它具有低密度、高比強(qiáng)度和比剛度、優(yōu)良的低溫性能、良好的耐腐蝕性和非常好的超塑性等特性，其強(qiáng)度、斷裂韌性、屈服強(qiáng)度、疲勞性能都是隨著溫度的降低而提高。用鋁鋰合金取代常規(guī)的鋁合金可使結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕10%～15%，剛度提高15%～20%[1]，因此它是一種理想的航空與航天結(jié)構(gòu)材料。在航空航天工業(yè)中，用焊接工藝代替?zhèn)鹘y(tǒng)的以鉚接為主的機(jī)械工藝連接鋁鋰合金結(jié)構(gòu)件，可進(jìn)一步減輕結(jié)構(gòu)重量，提高結(jié)構(gòu)剛度，節(jié)約能源，節(jié)省裝配時(shí)間。

隨著鋁鋰合金的不斷發(fā)展和應(yīng)用，其相應(yīng)的焊接技術(shù)也不斷進(jìn)步。目前對(duì)鋁鋰合金的焊接主要采用鎢極惰性氣體保護(hù)電弧焊(TIG)、熔化極惰性氣體保護(hù)電弧焊(MIG)、電子束焊接(EBW)、激光焊(LBW)、變極性等離子弧焊(VPPAW)以及近年來(lái)出現(xiàn)的攪拌摩擦焊(FSW)等焊接方法。

1 鋁鋰合金的弧焊

鋁鋰合金的弧焊技術(shù)經(jīng)歷了一個(gè)不斷發(fā)展過(guò)程，由最初的TIG焊發(fā)展出變極性TIG焊，既滿足陰極清理作用清除材料表面的氧化膜，又極大地減小鎢極燒損，同時(shí)焊縫熔深加大，電弧穩(wěn)定性增加，焊縫質(zhì)量得到了提高；之后出現(xiàn)了變極性等離子弧焊，它綜合了變極性TIG焊和等離子弧焊的優(yōu)點(diǎn)，是目前國(guó)內(nèi)外焊接鋁鋰合金采取的主要方法。

焊接鋁鋰合金時(shí)，存在的主要問(wèn)題與焊接常規(guī)鋁合金時(shí)的問(wèn)題相似：氣孔、熱裂紋、焊縫區(qū)元素的燒損和接頭軟化。此外，鋁鋰合金中含有化學(xué)性質(zhì)活潑的鋰元素，所以鋁鋰合金表面更容易氧化，氧化膜更加復(fù)雜；大部分鋁鋰合金通過(guò)T1(Al2CuLi)相沉淀強(qiáng)化，不需要大量的銅和鎂合金，鎂含量高或低的鋁鋰合金(如2094和2090合金)都不易于產(chǎn)生破裂，中等銅和鎂含量的鋁鋰合金具有熱破裂敏感性。

在實(shí)際生產(chǎn)中，由于TIG焊和MIG焊工藝的經(jīng)濟(jì)性、靈活性及易操作性等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于鋁鋰合金焊接中。TIG焊適用于6 mm以下的薄板，保護(hù)氣體采用氬氣和氦氣，應(yīng)用氬氣較多。氦弧焊與氬弧焊相比熔深較大，焊接缺陷特別是氣孔較少。為了利用氦氣電弧熱高的優(yōu)點(diǎn)并避免純氦帶來(lái)的缺點(diǎn)，國(guó)外采用氣脈沖(Ar+He)TIG和MIG技術(shù)焊接鋁合金，可大大減少氣孔缺陷[2]。國(guó)內(nèi)早期運(yùn)載火箭2A14鋁合金貯箱以BJ-380和BJ-380A焊絲作焊接填充材料，調(diào)節(jié)焊縫金屬的化學(xué)成分，使其有別于母材成分并具有預(yù)防產(chǎn)生焊接裂紋的能力，同時(shí)，采用兩面三層鎢極氬弧焊工藝，先在箱底正面實(shí)施打底焊及蓋面焊，再?gòu)姆疵媲甯头獾缀福购附恿鸭y徹底清除，并加強(qiáng)熱影響區(qū)局部軟化程度，提高焊接接頭承載時(shí)的塑性變形能力。周國(guó)興等人[3]用經(jīng)過(guò)凈化的氬氣，在拖罩保護(hù)下用氬弧焊焊接8090鋁鋰合金，焊縫表面光滑，無(wú)裂紋與氣孔，試樣靠墊板一面仍保持原來(lái)的金屬光澤。顯微組織金相照片顯示，試樣中黑色氧化物明顯減少，焊縫呈細(xì)等軸晶形態(tài)；而用普通的氬弧焊工藝焊接的接頭焊縫與基體過(guò)渡顯著，焊縫與母材有一條分界線，力學(xué)性能不是連續(xù)過(guò)渡的。8090鋁鋰合金母材自然時(shí)效抗拉強(qiáng)度499 MPa，斷后伸長(zhǎng)率2%；普通工藝氬弧焊接頭經(jīng)固溶時(shí)效處理抗拉強(qiáng)度為216 MPa，斷后伸長(zhǎng)率1%；氬氣凈化、帶拖罩保護(hù)的氬弧焊接頭固溶時(shí)效后抗拉強(qiáng)度324 MPa，斷后伸長(zhǎng)率2.63%?？梢?jiàn)用經(jīng)凈化的氬氣、帶拖罩保護(hù)的氬弧焊試樣的抗拉強(qiáng)度明顯高于用普遍工藝得到的氬弧焊試樣。但是由于弧焊的方法熱輸入量相對(duì)較大、高溫停留時(shí)間長(zhǎng)等原因，容易產(chǎn)生裂紋等缺陷，這是該方法受到制約的地方但同時(shí)又是發(fā)展的突破點(diǎn)。

從保強(qiáng)等人[4]采用超快變換復(fù)合超音頻脈沖變極性方波TIG電弧焊接工藝方法進(jìn)行2219-T87高強(qiáng)鋁合金焊接，可獲得滿意的焊接質(zhì)量，焊縫內(nèi)部氣孔顯著減少，甚至消除；在焊接過(guò)程中加入超音頻脈沖方波電流的復(fù)合作用，有助于改善和提高2219-T87高強(qiáng)鋁合金焊接接頭的力學(xué)性能。

變極性等離子弧焊可有效地用于2090和8090的鋁鋰合金的焊接[5]。美國(guó)已用該方法焊接了用Weldalite-49合金制造的航天飛機(jī)外貯箱。可變極性等離子弧焊工藝特點(diǎn)是：在焊接過(guò)程中熔池中心存在一穿透的小孔，在實(shí)際生產(chǎn)中常采用立向上焊工藝，既有利于焊縫的正面成形，又有利于熔池中氫的逸出，減少氣孔缺陷，因此被稱為“零缺陷焊接”。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)完成了帶有縱縫和環(huán)縫的貯箱模擬件變極性等離子弧焊，解決了環(huán)縫焊接時(shí)起弧打孔和收弧填孔及焊縫首尾相接難題，將變極性等離子焊接技術(shù)的工程應(yīng)用向前推進(jìn)了一大步。

近年來(lái)，汪殿龍等人[6]又提出了一種新的焊接方法即采用交流CMT焊接與DC-DC變換高頻脈沖復(fù)合電弧焊接技術(shù)進(jìn)行鋁鋰合金焊接，利用低熱輸入量的交流CMT焊接電弧破除合金表面氧化膜，減小熔池氣孔和熱裂紋敏感性，利用高頻脈沖電弧的高頻效應(yīng)及其電弧超聲細(xì)化晶粒，提高接頭強(qiáng)度，獲得良好的結(jié)合性能。復(fù)合電弧通過(guò)交流CMT焊接電弧與高頻脈沖電弧的相互作用，克服各自不足，解決焊接接頭強(qiáng)度系數(shù)低及氣孔、熱裂紋缺陷等問(wèn)題，進(jìn)一步提高鋁鋰合金的焊接質(zhì)量。

不同弧焊方法焊接鋁鋰合金的工藝特點(diǎn)如表1所示。

表1 不同弧焊方法焊接鋁鋰合金的工藝特點(diǎn)

2 鋁鋰合金的壓力焊

針對(duì)鋁鋰合金的壓力焊接方法主要為擴(kuò)散焊。擴(kuò)散焊是指在一定的溫度和壓力下，被連接表面相互接觸，通過(guò)使界面局部發(fā)生微觀塑性變形，或通過(guò)被連接表面產(chǎn)生的微觀液相而擴(kuò)大被連接表面的物理接觸，然后界面原子間經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的相互擴(kuò)散，形成整體可靠連接的過(guò)程。鋁鋰合金表面的氧化膜極其穩(wěn)定，具有舊膜難去、新膜易生的特點(diǎn)，必須采用特殊方法實(shí)現(xiàn)鋁鋰合金的擴(kuò)散連接。經(jīng)過(guò)鋁鋰合金擴(kuò)散連接技術(shù)的不斷發(fā)展，在嚴(yán)格的工藝條件下鋁鋰合金擴(kuò)散連接接頭的剪切強(qiáng)度幾乎達(dá)到了母材強(qiáng)度。

早期鋁鋰合金多采用加中間層的擴(kuò)散焊方法進(jìn)行連接，如MBB公司開發(fā)的復(fù)合中間層(Al/Al+Si/Cu/Ag)TLP擴(kuò)散連接。而閆國(guó)永等人[7]試驗(yàn)中采用的鋁鋰合金無(wú)中間層擴(kuò)散焊接技術(shù)，可操作性強(qiáng)，具有很好的應(yīng)用前景。通過(guò)比較試驗(yàn)數(shù)據(jù)，找出了一種適當(dāng)?shù)暮附庸に嚰氨砻嫣幚矸椒?。使用這種工藝規(guī)范可使焊接件剪切強(qiáng)度達(dá)到母材的75%。

由于鋁鋰合金具有很好的超塑性特點(diǎn)，一種將超塑性成形和擴(kuò)散焊結(jié)合在一起的復(fù)合工藝——超塑性成形-擴(kuò)散焊在鋁鋰合金結(jié)構(gòu)的制造中得到重視和發(fā)展。超塑性成形-擴(kuò)散焊是一種制造復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)的先進(jìn)工藝，可以在高溫下用較低的壓力實(shí)現(xiàn)成形和連接。采用此方法的條件之一是鋁鋰合金材料的超塑性成形溫度與擴(kuò)散焊溫度接近，在低真空度下完成。采用該方法焊接鋁鋰合金可進(jìn)一步發(fā)揮鋁鋰合金的優(yōu)勢(shì)，制造出整體高效的構(gòu)件。在國(guó)外，鋁鋰合金超塑性成形-擴(kuò)散焊技術(shù)已處于初步應(yīng)用階段。英國(guó)航宇公司宣稱已完成了第一個(gè)鋁鋰合金超塑性成形-擴(kuò)散焊的樣品，并演示了用于軍用飛機(jī)的超塑性成形-擴(kuò)散焊的鋁鋰合金材料和工藝[8]。在超塑性狀態(tài)下進(jìn)行擴(kuò)散焊有助于焊接質(zhì)量的提高，這種方法被認(rèn)為是21世紀(jì)航空航天領(lǐng)域最有發(fā)展前途的制造工藝技術(shù)之一。

此外，電阻點(diǎn)焊也可以焊接鋁鋰合金。電阻點(diǎn)焊是常規(guī)鋁合金焊接的一種常用方法，它能用來(lái)焊接一些熔焊難以焊接的高強(qiáng)鋁合金，是一種快速、經(jīng)濟(jì)的方法，因此它也適合于鋁鋰合金的焊接。而且由于鋁鋰合金的電阻比一般鋁合金的大，因此采用較低的電流就能焊接，較常規(guī)鋁合金可節(jié)能約50%。據(jù)文獻(xiàn)[13]介紹，采用單電極加壓工藝焊接時(shí)，焊縫中存在氣孔和裂紋。但采用雙壓程序可消除氣孔和裂紋獲得優(yōu)質(zhì)的焊點(diǎn)?？p焊8090鋁鋰合金時(shí)也能得到優(yōu)質(zhì)焊縫。

目前，鋁鋰合金的擴(kuò)散焊工藝仍較為困難，原因是鋁鋰合金在加熱時(shí)很容易在材料表面形成一種堅(jiān)固的氧化膜，因此擴(kuò)散焊過(guò)程必須在完全絕氧的環(huán)境下進(jìn)行，這給擴(kuò)散連接造成了很大的障礙；零件連接表面的制備和裝配質(zhì)量要求較高；焊接過(guò)程的長(zhǎng)時(shí)間加熱，在某些情況下會(huì)產(chǎn)生晶粒長(zhǎng)大等副作用；被連接件的尺寸受到設(shè)備限制等。但鋁鋰合金擴(kuò)散焊上的優(yōu)勢(shì)以及潛在的巨大經(jīng)濟(jì)效益促使人們對(duì)這種工藝進(jìn)行著大量的研究和探索。

3 鋁鋰合金的釬焊

鋁鋰合金的熔點(diǎn)比常規(guī)鋁合金低，釬焊時(shí)對(duì)溫度很敏感，硬釬焊時(shí)極易產(chǎn)生過(guò)燒組織，使釬焊接頭性能變差。為此一般采取降低釬料熔點(diǎn)的做法，但這往往會(huì)降低釬縫強(qiáng)度。此外，鋁鋰合金表面氧化膜的成分復(fù)雜，釬焊時(shí)很難找到合適的釬劑而且釬焊后會(huì)產(chǎn)生退火和過(guò)時(shí)效現(xiàn)象。

在過(guò)燒溫度下采用硬釬料釬焊是鋁鋰合金釬焊連接技術(shù)的關(guān)鍵，王忠平、賀勇等人采用2090Ce鋁鋰合金板材通過(guò)對(duì)鋁鋰合金釬焊時(shí)釬劑組元系的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)反應(yīng)釬劑的冶金作用有助于降低釬料溫度，從而避免產(chǎn)生過(guò)燒組織，使釬焊接頭性能得以改善[9]。由孫德超[10]相關(guān)研究可知，對(duì)于1420Al-Li合金，低溫軟釬焊時(shí)釬料對(duì)Al-Li合金的潤(rùn)濕性極差，熔化的釬料以球珠狀團(tuán)聚在試樣上，根本不鋪層。這主要是由于合金中的含鎂量較高，適合于低溫軟釬焊的鋁用有機(jī)軟釬劑的去膜能力弱，無(wú)法去除試樣表面的氧化膜，故釬料無(wú)法對(duì)母材潤(rùn)濕。中溫及高溫軟釬焊時(shí)，釬料對(duì)Al-Li合金的潤(rùn)濕性較好。硬釬焊時(shí)釬料在試樣上也有較好的潤(rùn)濕性，但是，由于Al-Li合金的固相線溫度較低，當(dāng)釬焊溫度過(guò)高時(shí)，會(huì)造成母材過(guò)燒。另外，用高溫軟釬料和硬釬料釬焊Al-Li合金可以獲得較高的接頭強(qiáng)度，足以滿足使用要求。若在釬料中添加微量的稀土，可使接頭強(qiáng)度提高10%～15%，這可能是由于釬料中的稀土可起變質(zhì)劑細(xì)化晶粒和除氣、除雜質(zhì)的凈化作用，改善了釬縫的組織，因而提高了接頭的性能。此外，稀土還有減弱釬料對(duì)母材溶蝕的作用。例如Zn-20Al-15Cu釬料中的含鋅量較高，母材在釬焊時(shí)的溶蝕現(xiàn)象較明顯，而在釬料中添加了微量稀土后，溶蝕現(xiàn)象明顯減弱。這可能是由于稀土的化學(xué)活性較強(qiáng)，易在釬縫表面形成一層致密而穩(wěn)定的氧化膜抵御了外界對(duì)內(nèi)部金屬的侵蝕作用。張玲等人[11]通過(guò)對(duì)成分與1460鋁鋰合金成分接近的軋制后厚度為2.36 mm鋁鋰合金的試板進(jìn)行釬焊，通過(guò)分析測(cè)試釬焊接頭的顯微硬度和斷口微區(qū)的化學(xué)成分表明，焊后母材中的強(qiáng)化相由質(zhì)點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)榘鍡l狀；在氮?dú)獗Ｗo(hù)條件下，釬焊接頭未見(jiàn)有氣孔、夾渣、裂紋等焊接缺陷，釬焊接頭強(qiáng)度較高。而無(wú)氮?dú)獗Ｗo(hù)的條件下，釬焊接頭有大量的缺陷存在，這些缺陷的存在嚴(yán)重影響了釬焊接頭的強(qiáng)度，從氮?dú)獗Ｗo(hù)到無(wú)氮?dú)獗Ｗo(hù)的釬焊接頭，其斷裂模式發(fā)生了從韌性斷裂到脆性斷裂的轉(zhuǎn)變；冶金結(jié)合界面及擴(kuò)散區(qū)的存在，有效地提高了鋁鋰合金釬焊接頭的強(qiáng)度。

鋁鋰合金釬焊技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，主要的突破口就是釬劑和釬料的選擇。此外，鋁鋰合金的固相線溫度較低，釬焊時(shí)必須注意釬焊溫度的控制，以免母材過(guò)燒。

4 鋁鋰合金高能束焊

近年來(lái)，電子束焊接和激光焊作為高能束焊被應(yīng)用到鋁鋰合金的焊接上。電子束焊接是利用加速和聚焦的電子束轟擊置于真空或非真空的焊件所產(chǎn)生的熱量進(jìn)行焊接的方法。與弧焊相比，電子束焊接采用低熱輸入，有利于裂紋和氣孔的消除以及接頭軟化區(qū)的減小，主要用于10 mm以上的中厚板和鍛件。而激光焊是利用高能量密度的激光束作為熱源進(jìn)行焊接的一種高效精密的焊接方法，它以其高能量密度、深穿透、高精度、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)日益在航空航天、汽車、船舶等高新技術(shù)領(lǐng)域中得到應(yīng)用。

蘇聯(lián)已成功地采用局部真空電子束焊接1460鋁鋰合金，制造了“能源號(hào)”運(yùn)載火箭低溫貯箱[8]采用真空電子束焊接2090鋁鋰合金，工藝參數(shù)為：電子束流8 mA，圓形掃描，焊接速度1 000 mm/min的條件下，獲得的接頭具有相對(duì)較高的拉伸強(qiáng)度，力學(xué)性能最佳[12]。此外，與激光焊相比，電子束焊接時(shí)所吸收的熱輸入較小。以激光和電子束分別焊接8090Al-Li合金時(shí)，在焊縫深度均為5 mm時(shí)，電子束焊接試樣的強(qiáng)度和斷裂韌性比采用激光焊接的分別高7%和24%，在電子束試樣中的晶粒尺寸和δ沉淀相均比激光焊接試樣的小[2]。對(duì)于熱裂性小、不需填充焊絲的材料電子束焊接對(duì)減少氣孔非常有利，但對(duì)于熱裂性大、填充焊絲非常必要的鋁鋰合金，電子束焊接就顯得不利。用電子束焊接12.5 mm厚的2090和2091鋁鋰合金時(shí)對(duì)熔化區(qū)裂紋敏感，8090合金焊態(tài)下電子束焊接的接頭強(qiáng)度系數(shù)比較低，大約為45%，需要焊后熱處理[13-14]。

激光焊和電子束焊接時(shí)的熱影響區(qū)同樣非常窄，幾乎是一條線，因此一般其接頭強(qiáng)度比電弧焊時(shí)高很多。此外，采用激光焊時(shí)的焊縫的晶粒明顯小于GMAW的焊縫，特別是采用焊接速度高的激光焊時(shí)。激光焊與電子束焊接相比，既可采用填充焊絲，也可不加填充材料，且還不受真空室限制。有研究表明，當(dāng)增加激光光板的功率密度至超過(guò)鋁合金激光焊接的閾值時(shí)，就能很好地產(chǎn)生小孔效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)激光深熔焊。在激光焊2090-T8E41合金時(shí)焊縫中以及HAZ中都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)裂紋[5]。

隨著激光焊技術(shù)在工業(yè)中的成熟應(yīng)用，激光焊接技術(shù)的不足之處也日漸顯露。首先，激光焊設(shè)備投資大，電效率低；其次是對(duì)工件的焊接裝配精度要求高，給實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)很大的困難；再者大功率激光焊接過(guò)程的等離子體對(duì)激光的吸收、反射作用，降低焊接穩(wěn)定性和激光能量的利用率。針對(duì)這些問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者一直在致力于提高激光焊接適應(yīng)性的研究，目前最主要的途徑是采用激光-電弧復(fù)合焊接的方法。激光焊與電弧焊是兩種不同的焊接工藝，通過(guò)激光與電弧的相互影響，可克服每一種方法自身的不足，進(jìn)而產(chǎn)生良好的復(fù)合效應(yīng)，從而獲得優(yōu)良的綜合性能，在改善焊接質(zhì)量和生產(chǎn)工藝性的同時(shí)，提高效率/成本比。目前，激光-等離子弧焊和激光-MIG焊已成功應(yīng)用在5A90鋁鋰合金的焊接中，與單純激光焊相比，提高了熔深和焊接速度，放寬了對(duì)接焊縫的間隙限制，增加實(shí)際焊接中工件的裝配裕度，提高焊接性及焊接穩(wěn)定性。不同高能束焊接方法的工藝特點(diǎn)見(jiàn)表2。

表2 不同高能束焊接方法的工藝特點(diǎn)

5 鋁鋰合金的攪拌摩擦焊

攪拌摩擦焊是由英國(guó)焊接研究所針對(duì)鋁合金、鎂合金等輕金屬開發(fā)的一種固相連接技術(shù)，是利用肩臺(tái)和攪拌頭與工件間的摩擦熱使接合面處的金屬塑性化并在攪拌頭和肩臺(tái)的共同牽引、攪動(dòng)作用下向后流動(dòng)、填充形成固相焊縫的過(guò)程。國(guó)內(nèi)攪拌摩擦焊接技術(shù)自2002年以來(lái)發(fā)展迅速，培養(yǎng)了一批專業(yè)化的研究人才、積累了一定數(shù)量的研究成果，在某些領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)入工程化應(yīng)用階段。

采用攪拌摩擦焊工藝連接鋁鋰合金，焊接溫度低，材料沒(méi)有發(fā)生熔化，因而避免了合金中Li元素的揮發(fā)損失，接頭內(nèi)不易形成脆性相和熱裂紋，接頭殘余應(yīng)力低，強(qiáng)度系數(shù)高。攪拌摩擦焊接過(guò)程中無(wú)污染、無(wú)熔化、無(wú)飛濺、無(wú)煙塵、無(wú)輻射、無(wú)噪音、沒(méi)有嚴(yán)重的電磁干擾及有害物質(zhì)的產(chǎn)生、沒(méi)有有害氣體和弧光，是一種綠色環(huán)保型連接方法。攪拌摩擦焊幾乎可以焊接所有的鋁合金材料。

張聃等人[15]分別采用電子束焊接、攪拌摩擦焊和鎢極氬弧焊對(duì)2219鋁合金進(jìn)行焊接試驗(yàn)，并利用掃描電鏡、光學(xué)顯微鏡等手段，比較三種接頭力學(xué)性能差異發(fā)現(xiàn)：電子束焊接、攪拌摩擦焊的接頭室溫抗拉強(qiáng)度均達(dá)到70%以上，焊縫處的顯微硬度均達(dá)到97 HV以上；而鎢極氬弧焊接頭室溫抗拉強(qiáng)度只有54%，焊縫處的顯微硬度為72 HV。S. MALARVIZHI等人[16]對(duì)AA2219鋁鋰合金分別采用GTAW、EBW和FSW三種方法進(jìn)行焊接得到的接頭拉伸結(jié)果如表3所示。

表3 不同焊接方法獲得接頭橫向拉伸性能

由表3可知GTAW接頭表現(xiàn)出最低的伸長(zhǎng)率，而FSW表現(xiàn)出最高的斷后伸長(zhǎng)率、抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度。其中缺口強(qiáng)度比是有缺口試樣跟無(wú)缺口試樣的抗拉強(qiáng)度的比值，表3可以看出三種接頭中FSW的缺口強(qiáng)度最大，說(shuō)明該工藝下的接頭缺口敏感性最小。此外，F(xiàn)SW較其他兩種方法的接頭系數(shù)也最高。

目前國(guó)內(nèi)在攪拌摩擦焊工藝方面的研究主要集中在焊接參數(shù)優(yōu)化和對(duì)接接頭性能提高上，而對(duì)鋁鋰合金搭接接頭性能方面的工藝研究相對(duì)較少。張丹丹等人[17]采用攪拌摩擦焊對(duì)2 mm厚不同鋁鋰合金進(jìn)行搭接，分析研究了接頭的組織、力學(xué)性能以及焊接工藝參數(shù)、熱處理狀態(tài)對(duì)接頭性能的影響。得出搭接接頭焊核區(qū)呈“洋蔥環(huán)”結(jié)構(gòu)，由細(xì)小的等軸晶組織構(gòu)成；前進(jìn)側(cè)搭接界面有“鉤狀”缺陷，對(duì)接頭力學(xué)性能產(chǎn)生不良影響。搭接接頭的塑性較差，斷后伸長(zhǎng)率僅有3.18%，不及母材斷后伸長(zhǎng)率的25%；當(dāng)轉(zhuǎn)速為800 r/min、焊速為200 mm/min時(shí)，接頭的強(qiáng)塑性最佳，抗拉強(qiáng)度達(dá)到467 MPa(母材的94%)；經(jīng)過(guò)人工時(shí)效后，接頭強(qiáng)度提高了13%～18%，抗拉強(qiáng)度最高達(dá)到526 MPa，斷后伸長(zhǎng)率都有所下降。接頭拉伸斷裂是從前進(jìn)側(cè)的“鉤狀”缺陷起裂的準(zhǔn)解理和韌窩斷裂的復(fù)合斷口。

魏世同等人[18]對(duì)2 mm厚的01420鋁鋰合金薄板進(jìn)行了攪拌摩擦焊，當(dāng)工藝參數(shù)選取得當(dāng)時(shí)，得到外觀整潔、內(nèi)部無(wú)缺陷的接頭。并與氬弧焊接頭性能相比較表明，焊接接頭的強(qiáng)度可達(dá)到母材強(qiáng)度的77%，接頭的彎曲角可達(dá)到180°，均高于氬弧焊接頭。文獻(xiàn)[1]介紹了采用攪拌摩擦焊對(duì)板厚2.3～3.8 mm的2195,2219,2024和7075鋁鋰合金進(jìn)行焊接，得到的結(jié)果性能明顯優(yōu)于GTAW，接頭強(qiáng)度可提高15%～26%，焊縫塑形提高一倍，斷裂韌度增加30%，焊縫組織極細(xì)，幾乎沒(méi)有缺陷。哈爾濱工業(yè)大學(xué)馮吉才教授等人[19-20]分別對(duì)錐形光頭和柱形光頭攪拌針攪拌摩擦焊接鋁鋰合金接頭的組織及力學(xué)性能進(jìn)行了研究，試驗(yàn)采用5 mm厚的鋁鋰合金軋制板，都形成了差異較大的三個(gè)區(qū)域接頭組織：焊核區(qū)、熱機(jī)影響區(qū)和熱影響區(qū)。其中后者熱影響區(qū)組織發(fā)生了較大程度的粗化，形成粗大的板條狀組織；前者熱影響區(qū)組織在焊接熱循環(huán)作用下，晶粒發(fā)生回復(fù)現(xiàn)象。此外，硬度測(cè)試表明，接頭均發(fā)生了不同程度的軟化現(xiàn)象。Omar Hatamleh等人[21]對(duì)2195鋁鋰合金攪拌摩擦焊焊接接頭的表面處理后的應(yīng)力腐蝕裂痕行為進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)激光噴丸處理的比沒(méi)有處理和進(jìn)行普通噴丸的接頭拉伸性能優(yōu)越；在低應(yīng)變速率下，初始應(yīng)變速率對(duì)工件的力學(xué)性能沒(méi)有影響；沒(méi)有應(yīng)力的攪拌摩擦焊工件放在3.5%NaCl溶液中60天并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)應(yīng)力腐蝕裂紋；雖然存在點(diǎn)狀腐蝕，但樣品的平均腐蝕率很低。中南大學(xué)馬慧坤等人[22]采用超聲攪拌摩擦焊與常規(guī)攪拌摩擦焊分別對(duì)2219，7A52，LF21鋁合金進(jìn)行了焊接試驗(yàn)。前者接頭的平均抗拉強(qiáng)度都比后者的平均抗拉強(qiáng)度有所提高，但平均斷后伸長(zhǎng)率均有所降低；超聲攪拌摩擦焊焊縫焊核區(qū)組織比焊核區(qū)組織晶粒明顯更加細(xì)小，枝晶不明顯，成為更加細(xì)小等軸晶，分布較為均勻。

隨著攪拌摩擦焊技術(shù)的研究和發(fā)展，攪拌摩擦焊的應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴(kuò)大。作為一種全新的綠色連接技術(shù)，攪拌摩擦焊在未來(lái)的鋁鋰合金焊接上很有可能會(huì)被廣泛應(yīng)用。

6 結(jié)束語(yǔ)

鋁鋰合金的焊接技術(shù)直接影響著其作為新一代輕質(zhì)鋁合金的應(yīng)用，焊接方法對(duì)焊接缺陷以及接頭組織和性能都有很大影響。一般來(lái)說(shuō)，弧焊熱輸入大，容易產(chǎn)生氣孔和裂紋等缺陷。采用脈沖電流或加強(qiáng)氣體保護(hù)可減少缺陷的發(fā)生。鋁鋰合金的電子束焊接和激光焊熱輸入低，熱影響區(qū)窄有利于裂紋和氣孔的消除。但在焊接熱裂傾向大的材料時(shí)，熔焊的熔化區(qū)裂紋敏感。同時(shí)，釬焊的接頭強(qiáng)度低和母材易過(guò)燒，擴(kuò)散焊的進(jìn)行困難程度較大都限制了在鋁鋰合金焊接上的使用。攪拌摩擦焊作為一種新型固相連接，通過(guò)近幾年的發(fā)展，在許多領(lǐng)域得到很好的應(yīng)用。相比于其他焊接方法，攪拌摩擦焊在鋁鋰合金的焊接中很有前途。所以國(guó)內(nèi)未來(lái)需進(jìn)一步開展以變極性等離子弧焊和攪拌摩擦焊為代表的先進(jìn)焊接方法的研究，廣泛參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，使鋁鋰合金的焊接邁向新高度。

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2016-03-21

TG457.14

周 利，1982年生，博士，副教授。主要從事攪拌摩擦焊接等先進(jìn)連接技術(shù)研究，已發(fā)表論文30余篇。