（上海航天設(shè)備制造總廠有限公司，上海200245）

0 前言

鋁鋰合金具有高比強(qiáng)度、高比剛度的性能優(yōu)勢(shì)，同樣的結(jié)構(gòu)較常規(guī)鋁合金質(zhì)量可減輕10%～15%，剛度可提高15%～20%，具有良好的應(yīng)用前景。然而鋁鋰合金的焊接性限制了其在航空航天業(yè)的廣泛應(yīng)用。采用傳統(tǒng)鋁鋰合金焊接工藝，如TIG焊、釬焊、電子束焊、激光焊、等離子弧焊和擴(kuò)散焊等，易在焊接過(guò)程中造成Li元素的損失，同時(shí)易出現(xiàn)氣孔、裂紋等焊接缺陷，且接頭強(qiáng)度不高[1－4]，如何實(shí)現(xiàn)鋁鋰合金的高質(zhì)量、高可靠焊接成為目前研究的焦點(diǎn)。

攪拌摩擦焊是一種基于微區(qū)鍛造的固相連接方法，廣泛應(yīng)用于鋁合金的焊接。攪拌摩擦焊焊接鋁鋰合金焊接溫度低，母材不熔化，避免了Li元素的燒損，接頭殘余應(yīng)力低、強(qiáng)度系數(shù)高[5－7]，能夠?qū)崿F(xiàn)接頭的高可靠連接。然而傳統(tǒng)的攪拌摩擦焊會(huì)有部分待焊金屬材料溢出，造成接頭減薄。同時(shí)軸肩與攪拌工具的一體化設(shè)計(jì)使得焊縫表面形成波紋狀紋路，在一定程度上限制了該技術(shù)的推廣應(yīng)用，以飛機(jī)蒙皮為例，不僅要求蒙皮材料強(qiáng)度高、塑性好，還要求表面光滑。采用鋁鋰合金為制造材料可滿足使用要求，但卻始終未驗(yàn)證焊接的可行性，原因在于若飛機(jī)蒙皮加強(qiáng)筋反面施焊，一是接頭性能不佳；二是不滿足減重要求。若正面施焊，目前難以實(shí)現(xiàn)表面近無(wú)差異的保形焊縫。

靜止軸肩攪拌摩擦焊（Stationary shoulder friction stir welding，SSFSW）的原理是采用分體式的攪拌工具、攪拌工具高速旋轉(zhuǎn)而軸肩不旋轉(zhuǎn)，僅通過(guò)攪拌工具的摩擦熱量來(lái)形成高可靠的焊接接頭。因軸肩不參與摩擦產(chǎn)熱，避免了熱輸入量過(guò)大或熱量不均勻造成Li元素的燒損，同時(shí)軸肩不旋轉(zhuǎn)可避免產(chǎn)生焊接紋路。在此針對(duì)2197鋁鋰合金開(kāi)展靜止軸肩攪拌摩擦焊工藝研究。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)材料選用2mm厚2197－T4鋁鋰合金軋制板，其化學(xué)成分如表1所示。試件尺寸300 mm×100 mm，焊前打磨待焊區(qū)域正反兩面至露出金屬光澤，酒精擦拭。

表1 2197鋁鋰合金化學(xué)成分 %

為確保軸肩靜止，且在焊接方向上與攪拌針同速移動(dòng)，試驗(yàn)選擇在超大厚度雙旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)重載攪拌摩擦焊設(shè)備上進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)軸肩與攪拌針雙驅(qū)動(dòng)。

選擇對(duì)接接頭形式，在無(wú)軸肩旋轉(zhuǎn)下壓材料的情況下，裝配間隙需嚴(yán)格控制在0.05～0.15mm，用工裝夾緊試板。為實(shí)現(xiàn)無(wú)減薄的目的，將焊接傾角設(shè)置為0°，攪拌摩擦焊方法示意如圖1所示。

圖1 靜止軸肩攪拌摩擦焊焊接過(guò)程示意

焊前通過(guò)程序設(shè)定，模擬焊接軌跡。在焊接起始位置，主軸旋轉(zhuǎn)下壓，軸肩端面與試板表面齊平時(shí)，原位上抬離開(kāi)材料表面，將攪拌針在材料表面留下的金屬屑清理干凈，再?gòu)脑恍D(zhuǎn)下壓。該做法可以避免施焊時(shí)，主軸旋轉(zhuǎn)下壓產(chǎn)生的金屬屑夾在材料與軸肩端面間隙，造成焊縫表面機(jī)械損傷。

拋光后的試樣采用HNO3＋HCL＋HF的水溶液進(jìn)行化學(xué)腐蝕，采用光學(xué)顯微鏡（Oberver D1m）進(jìn)行接頭微觀組織形貌觀察。在電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（CMT5305）上開(kāi)展力學(xué)性能測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 攪拌工具結(jié)構(gòu)優(yōu)化

傳統(tǒng)的攪拌摩擦焊接的攪拌工具為一體式結(jié)構(gòu)，即攪拌針與軸肩為整體，如圖2所示。

圖2 一體式攪拌工具

采用傳統(tǒng)的一體式攪拌工具進(jìn)行焊接時(shí)，為獲得致密的焊縫結(jié)構(gòu)，攪拌工具通常設(shè)置2°～3°焊接傾角，以形成被焊材料的內(nèi)腔循環(huán)，然而焊后焊縫表面必然存在一定程度的減薄，減薄量通常在5%～10%。

要實(shí)現(xiàn)無(wú)減薄攪拌摩擦焊接，必須實(shí)現(xiàn)零傾角條件下的可靠焊接。采用靜止軸肩攪拌摩擦焊接方法，設(shè)計(jì)分體式攪拌工具，攪拌針與軸肩配合處間隙0.3 mm，攪拌針結(jié)構(gòu)設(shè)置為圓錐面，加工螺紋，利于焊接過(guò)程中對(duì)溢出材料施加向下的力；軸肩端部加工局部圓弧，模擬傾角，如圖3所示，實(shí)物如圖4所示。

圖3 靜止軸肩攪拌摩擦焊分體式攪拌工具設(shè)計(jì)圖

2.1 對(duì)接接頭試驗(yàn)工藝

試驗(yàn)過(guò)程首先保證在傾角0°，壓入量0 mm的條件下，獲得內(nèi)部質(zhì)量完好、表面成形優(yōu)良的攪拌摩擦焊縫。由于軸肩靜止，難以為焊接過(guò)程提供熱輸入，故而試驗(yàn)過(guò)程將焊接主軸（攪拌針）轉(zhuǎn)速提高，焊接速度降低，以此保障焊縫成形所需的熱量輸入，典型試驗(yàn)工藝參數(shù)如表2所示。

圖4 靜止軸肩攪拌摩擦焊分體式攪拌工具實(shí)物

表2 對(duì)接接頭試驗(yàn)工藝參數(shù)

焊速過(guò)大或轉(zhuǎn)速過(guò)低時(shí)，攪拌工具提供的熱輸入量不足，被焊金屬未達(dá)到熱塑性狀態(tài)，形成的焊縫表面形貌如圖5所示，此時(shí)攪拌工具的磨損嚴(yán)重。當(dāng)焊速過(guò)低或轉(zhuǎn)速過(guò)高時(shí)，焊縫金屬軟化嚴(yán)重，形成不光潔的焊縫表面（見(jiàn)圖6），此時(shí)軸肩移動(dòng)在材料表面形成的機(jī)械拉痕取代了傳統(tǒng)的“波紋狀”表面形態(tài)，同時(shí)軟化的金屬更易填充在靜止軸肩與攪拌針的配合間隙。

圖5 熱輸入量不足時(shí)試板實(shí)物

為獲得理想的焊縫外觀，試驗(yàn)初步確定用靜止軸肩攪拌摩擦焊焊接2mm厚2197鋁鋰合金試板的主要工藝參數(shù)為：主軸轉(zhuǎn)速為800～1 000 r/min，焊接速度50～60mm/min。由于軸肩不參與產(chǎn)熱，同樣轉(zhuǎn)速下，焊接速度與傳統(tǒng)攪拌摩擦焊速度相比更緩慢。

2.2 接頭質(zhì)量

2.2.1 接頭外部成形質(zhì)量

在主軸轉(zhuǎn)速800 r/min、焊接速度50 mm/min的條件下，對(duì)比SSFSW與傳統(tǒng)FSW接頭外部成形質(zhì)量。采用傳統(tǒng)FSW對(duì)接接頭如圖7所示，SSFSW方法獲得的對(duì)接接頭外觀如圖8所示，接頭外部成形差別較明顯。采用SSFSW方法的焊縫邊緣無(wú)飛邊，焊縫表面無(wú)“波紋狀”紋路。

圖6 熱輸入量過(guò)大時(shí)試板實(shí)物

圖7 常規(guī)攪拌摩擦焊接頭實(shí)物

圖8 SSFSW對(duì)接試板實(shí)物

對(duì)比傳統(tǒng)FSW對(duì)接試板截面形貌（見(jiàn)圖9），SSFSW方法已實(shí)現(xiàn)焊接部位表面無(wú)減薄的預(yù)期目的（見(jiàn)圖10）。

圖9 常規(guī)攪拌摩擦焊對(duì)接試板截面形貌

圖10 SSFSW對(duì)接試板截面形貌

2.2.2 接頭內(nèi)部質(zhì)量

在主軸轉(zhuǎn)速800 r/min、焊接速度50 mm/min的條件下，SSFSW對(duì)接接頭的X射線檢測(cè)底片如圖11所示。結(jié)果表明，焊接接頭內(nèi)部質(zhì)量滿足QJ283.1I級(jí)焊縫的要求。

圖11 2197鋁鋰合金SSFSW對(duì)接接頭X射線底片

在光學(xué)顯微鏡下對(duì)比SSFSW（見(jiàn)圖12）與傳統(tǒng)FSW（見(jiàn)圖13）的焊接接頭截面宏觀形貌。由圖12a和圖13a可知，兩種攪拌摩擦焊方法的焊核區(qū)均在焊接過(guò)程中發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，合金原有的板條狀組織晶界完全消失，形成細(xì)小的呈無(wú)序狀排列的等軸晶晶粒，無(wú)明顯差異。根據(jù)GB/T 6394-2002對(duì)比圖12b和圖13b中焊縫熱影響區(qū)晶粒度，結(jié)果表明圖12b熱影響區(qū)晶粒度為7，圖13b中熱影響區(qū)晶粒度為4，即SSFSW焊縫熱影響區(qū)晶粒較傳統(tǒng)FSW焊縫熱影響區(qū)晶粒更細(xì)小，推測(cè)力學(xué)性能可能更優(yōu)。

圖12 2197鋁鋰合金SSFSW對(duì)接接頭宏觀形貌

圖13 2197鋁鋰合金傳統(tǒng)攪拌摩擦焊接頭形貌

2.3 接頭力學(xué)性能分析

2.3.1 接頭抗拉強(qiáng)度及延伸率

在主軸轉(zhuǎn)速800 r/min、焊接速度50 mm/min的條件下，試樣拉伸后的照片如圖14所示，共選取3組拉伸試樣，均斷裂于熱影響區(qū)，抗拉強(qiáng)度及延伸率如表3所示。力學(xué)測(cè)試結(jié)果表明，SSFSW對(duì)接接頭的抗拉強(qiáng)度為396～406MPa，延伸率7～8%。采用SSFSW方法焊接鋁鋰合金，接頭的抗拉強(qiáng)度達(dá)到母材抗拉強(qiáng)度的85%以上，超出標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的母材強(qiáng)度70%以上，與傳統(tǒng)攪拌摩擦焊方法相比，焊縫強(qiáng)度更高。

圖14 2197鋁鋰合金對(duì)接接頭拉伸試樣

表3 接頭/母材抗拉強(qiáng)度與延伸率

2.3.2 接頭彎曲測(cè)試

在力學(xué)性能測(cè)試同塊試板上截取試樣進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，如圖15所示，彎曲試樣數(shù)量為4組，2組進(jìn)行正彎試驗(yàn)，2組進(jìn)行背彎試驗(yàn)，接頭的彎曲角度測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 接頭彎曲試驗(yàn)測(cè)量值

可以看出，2197鋁鋰合金SSFSW接頭正彎角度至約90°，背彎至約45°時(shí)方在前進(jìn)側(cè)熱力影響區(qū)與熱影響區(qū)出現(xiàn)裂紋，彎曲性能優(yōu)良。

3 結(jié)論

（1）通過(guò)優(yōu)化分體式攪拌工具的局部結(jié)構(gòu)，可控制焊接過(guò)程中材料在一定范圍內(nèi)流動(dòng)；雙驅(qū)動(dòng)重載攪拌摩擦焊設(shè)備，是實(shí)施靜止軸肩攪拌摩擦焊的硬件基礎(chǔ)。

（2）采用靜止軸肩攪拌摩擦焊（SSFSW）技術(shù)焊接鋁鋰合金，可以獲得表面光潔、厚度無(wú)減薄、內(nèi)部無(wú)缺陷的焊縫。

（3）靜止軸肩攪拌摩擦焊接頭組織與傳統(tǒng)攪拌摩擦焊接頭組織存在區(qū)別：一是無(wú)軸肩影響區(qū)；二是熱影響區(qū)的寬度??；三是焊縫熱影響區(qū)晶粒度大，晶粒更細(xì)小。

（4）接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到母材抗拉強(qiáng)度的85%以上，延伸率達(dá)到7%以上；接頭正彎角度可達(dá)90°，背彎角度可達(dá)45°，彎曲性能優(yōu)良。

圖15 2197鋁鋰合金對(duì)接接頭彎曲后試樣