張炳輝 孫明 閆昞昕 陳良偉 李先波 倪加明

摘要：Al-Li合金因其低密度、高比強(qiáng)度、高比剛度等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。作為新型的固態(tài)焊接技術(shù)，攪拌摩擦焊（friction stir welding，F(xiàn)SW）技術(shù)為Al-Li合金的工業(yè)化應(yīng)用帶來了新的發(fā)展前景。綜述了近年來主要Al-Li合金（包括Al-Li-Cu、Al-Cu-Li、Al-Mg-Li）FSW技術(shù)的大致研究進(jìn)展，總結(jié)了FSW工藝參數(shù)及后熱處理工藝參數(shù)對(duì)焊接接頭顯微組織及力學(xué)性能的影響規(guī)律，并展望了未來的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：Al-Li合金;攪拌摩擦焊;微觀組織;力學(xué)性能

中圖分類號(hào)：TG 453.9??? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Research progress in friction stir welding technology of Al-Li alloys

ZHANG Binghui1，SUN Ming1，YAN Bingxin1，CHEN Liangwei1，LI Xianbo1，NI Jiaming2

（1. School of Materials Science and Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China;2. Shanghai Aerospace Precision Machinery Institute，Shanghai 201600，China）

Abstract： Al-Li alloys have been widely used in aerospace field because of their low density，high specific strength and high specific stiffness. As a new solid-state welding technology，friction stir welding （FSW）technology has brought new development prospects for the industrial application of Al?Li alloys. The general research progress of FSW technology of main Al-Li alloys （including Al-Li-Cu，Al-Cu-Li and Al-Mg-Li）in recent years was reviewed，the effects of FSW process parameters and post heat treatment process parameters on the microstructure and mechanical properties of welded joints were summarized，and the future development direction was prospected.

Keywords： Al-Li alloy;friction stir welding;microstructure;mechanical properties

Al-Li合金具有密度低、彈性模量高、比強(qiáng)度和比剛度高、疲勞性能好、耐腐蝕性好等諸多優(yōu)異的性能。向Al中每添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的Li，合金密度將降低3%，彈性模量將增加6%[1-4]，因此，對(duì)于力求減重、降低能耗的航空航天工業(yè)領(lǐng)域來說，Al-Li合金展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景。

對(duì)于大型結(jié)構(gòu)件而言，往往運(yùn)用電子束焊、氬弧焊、激光焊等熔化焊接技術(shù)將合金材料進(jìn)行連接。然而，由于熔化焊能量輸入高、溫度高，易導(dǎo)致Li元素蒸發(fā)損失，并在Al-Li合金表面形成含鋰化合物及氣孔，從而降低接頭的強(qiáng)度[5-7]。因此，對(duì)于Al-Li合金的工程應(yīng)用而言，需要開發(fā)更合適的焊接技術(shù)。攪拌摩擦焊（fiction stir welding，F(xiàn)SW）作為一種新型的固態(tài)連接技術(shù)，其熱輸入較低，能消除傳統(tǒng)焊接技術(shù)中因熔化和凝固造成的一些焊接缺陷，且殘余應(yīng)力小、焊件變形小、成本低、效率高、節(jié)能環(huán)保、可自動(dòng)化[8-9]，因此，已被大量應(yīng)用于Al-Li合金的焊接[10]。本文將根據(jù)Al-Li合金主要成分，對(duì)Al-Li-Cu、Al-Cu-Li、Al-Mg-Li分類進(jìn)行綜述。

FSW工藝參數(shù)直接影響著焊接接頭的缺陷分布、再結(jié)晶行為、晶粒分布;而由于Al-Li合金是典型的時(shí)效沉淀強(qiáng)化合金，后熱處理工藝參數(shù)可進(jìn)一步調(diào)整焊縫微觀組織及力學(xué)性能。因此，本文主要基于這些參數(shù)的影響進(jìn)行總結(jié)。

1??? FSW技術(shù)簡介

FSW作為一種新型的固態(tài)焊接技術(shù)，是由英國焊接研究所于1991年發(fā)明并獲世界范圍內(nèi)專利保護(hù)的新型固相焊接技術(shù)[11-12]。其工藝原理見圖1[13]，是利用高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭（焊具）與工件發(fā)生劇烈摩擦，高溫下的塑性變形導(dǎo)致攪拌頭周圍材料軟化，被塑性化的材料在焊具的轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力作用下由焊具的前部流向后部，并在焊具的擠壓下形成致密的固相焊縫。其中，攪拌頭的旋轉(zhuǎn)方向與其直線運(yùn)動(dòng)方向相同的一側(cè)為前進(jìn)側(cè)，而攪拌頭的旋轉(zhuǎn)方向與其直線運(yùn)動(dòng)方向相反的一側(cè)為后退側(cè)。

表1??? 總結(jié)了FSW技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)。

圖2是以2198 Al-Li合金（Al-4Cu-1Li-0.4Mg- 0.4Ag-0.1Zr）為例，展示了FSW接頭的典型區(qū)域的構(gòu)成[14]。根據(jù)在FSW過程中各區(qū)域的受熱及被攪拌的劇烈程度不同，將接頭各區(qū)域從攪拌中心往兩側(cè)分為：熔核區(qū)（stirred zone，SZ）、熱機(jī)械影響區(qū)（thermo-mechanical affected zone，TMAZ）、熱影響區(qū)（heat-affected zone，HAZ）和基材（base material，BM）[16]。各區(qū)域的組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：

（1）SZ區(qū)：由于攪拌頭的劇烈攪拌，產(chǎn)生的塑性變形和摩擦熱導(dǎo)致了母材在SZ區(qū)中形成細(xì)小的、大小不均的等軸再結(jié)晶組織，其晶粒尺寸主要取決于焊接參數(shù)、合金成分、攪拌頭的幾何形狀、冷卻方式等[17]，一般可使晶粒細(xì)化至在1～15μm。

（2）TMAZ區(qū)：是HAZ區(qū)和SZ區(qū)的過渡區(qū)，其由高度變形的晶粒組成，可以觀察到部分的再結(jié)晶組織。劇烈的塑性變形，形成了致密的位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，位錯(cuò)密度一般高于BM區(qū)的[17]。在焊接過程中，該區(qū)域可能會(huì)發(fā)生強(qiáng)化相的溶解，溶解的程度取決于TMAZ區(qū)所經(jīng)歷的熱循環(huán)狀況和具體合金類型。

（3）HAZ區(qū)：介于TMAZ區(qū)和BM區(qū)之間。此區(qū)域未經(jīng)歷劇烈的塑性變形和熱循環(huán)?？拷黅MAZ區(qū)的HAZ區(qū)域，由于溫度高導(dǎo)致部分強(qiáng)化相的溶解;遠(yuǎn)離TMAZ區(qū)的HAZ區(qū)域，由于溫度低未發(fā)生強(qiáng)化相的溶解，但卻產(chǎn)生晶粒粗化現(xiàn)象，粗化程度取決于高溫暴露時(shí)間，而高溫暴露時(shí)間又與焊接速度和冷卻速度有關(guān)。

2??? 主要Al-Li合金體系FSW研究進(jìn)展

關(guān)于Al-Li合金的發(fā)展歷程，可參考文獻(xiàn)[3-5]，而本文將大致按照主要合金元素的含量不同，對(duì)Al-Li-Cu、Al-Cu-Li、Al-Mg-Li合金的FSW研究進(jìn)展進(jìn)行綜述;所涉及的合金牌號(hào)及其主要化學(xué)成分如表2所示。

2.1??? Al-Li-Cu合金

Al-Li-Cu合金一般指1系A(chǔ)l-Li合金。為了實(shí)現(xiàn)輕量化，1系A(chǔ)l-Li合金中的Li元素含量較大，導(dǎo)致其脆性較大。1系A(chǔ)l-Li合金的FSW研究起步較遲，因此，關(guān)于1系A(chǔ)l-Li合金FSW的研究報(bào)道總體上較少。Berezina等[19]在旋轉(zhuǎn)速度為2 880 r/min，前進(jìn)速為16 m/h的工藝參數(shù)下對(duì)厚度為2 mm的冷軋Al-Li合金薄板FSW接頭進(jìn)行了研究，在顯微組織方面發(fā)現(xiàn)：BM區(qū)為長條板狀晶粒，存在織構(gòu)且再結(jié)晶的比例較低，由T1相（Al2CuLi）和δ′（Al3Li）/θ′（Al2Cu）、δ′/Al3（Sc，Zr）復(fù)合相對(duì)基體起到硬化作用;HAZ區(qū)的晶粒尺寸保持不變，但T1相的體積分?jǐn)?shù)顯著增加，且在T1相/基體界面上出現(xiàn)了T2（Al5Li3Cu）相;TMAZ區(qū)晶粒為3μm的等軸晶，此區(qū)域內(nèi)T1相較為粗大，同樣T2相存在于T1相-基體界面上;SZ區(qū)發(fā)生了完全再結(jié)晶，形成了尺寸1～3μm的等軸晶，基體中織構(gòu)消失，T1相和θ′相溶解于基體中，僅剩δ′相和一些δ′/Al3（Sc，Zr）復(fù)合相。在力學(xué)性能方面發(fā)現(xiàn)：接頭的硬度值相對(duì)于BM區(qū)下降了約50%（見圖3），進(jìn)一步經(jīng)過時(shí)效熱處理后，接頭硬度有明顯回升。

2.2??? Al-Cu-Li合金

Al-Cu-Li合金由于在Al-Li二元合金中加入了Cu元素，借助Cu元素引起的時(shí)效強(qiáng)化顯著提高其力學(xué)性能，因此其應(yīng)用較為廣泛，故在工程應(yīng)用中對(duì)其進(jìn)行焊接（包括FSW）較為常見。該類合金主要包括2050、2060、2098、2195、2199等牌號(hào)。

AA2050 Al-Li合金的主要強(qiáng)化析出相為T1相和少量的θ′目、T2相和TB相（Al7Cu4Li）[20]。Geuser等[27]在旋轉(zhuǎn)速度為400 r/min，前進(jìn)速為200 mm/min工藝參數(shù)下研究了AA2050-T8 Al-Li合金FSW的微觀結(jié)構(gòu)。溶質(zhì)原子團(tuán)簇（Guinier-Preston，GP區(qū)）的小角度X射線散射（small-angle X-ray scattering，SAXS）結(jié)果見圖4（掃描區(qū)域10 mm×60 mm，虛線所標(biāo)為焊縫再結(jié)晶區(qū)域，1 ?=0.1 nm）。在接頭中心存在溶質(zhì)原子的團(tuán)簇，且分布區(qū)域明顯大于SZ區(qū)的，半徑在0.6～0.8nm之間，而體積分?jǐn)?shù)從上到下存在顯著的梯度，頂部處體積分?jǐn)?shù)最高。圖5為T1相的SAXS分布結(jié)果（掃描區(qū)域10 mm×60 mm，虛線所標(biāo)為焊縫再結(jié)晶區(qū)域，1 ?=0.1 nm）。在離SZ區(qū)越近的地方，其厚度增加并部分溶解，在SZ區(qū)T1強(qiáng)化相將完全溶解，這主要與圖4中SZ區(qū)團(tuán)簇的存在密切相關(guān)。圖6為T1相體積分?jǐn)?shù)和維氏硬度由焊縫中心向兩側(cè)分布圖，顯示了T1相的分布與合金的維氏硬度呈正相關(guān)關(guān)系。

2060 Al-Li合金是在大型客機(jī)上使用的新一代Al-Li合金，具有優(yōu)良的耐腐蝕性、低密度、各向異性小等優(yōu)點(diǎn)[28]。其主要的強(qiáng)化相為T1相和少部分的θ′相、S′相（Al2CuMg）與δ′相[21]。Cai等[29]在旋轉(zhuǎn)速度為2 400 r/min、前進(jìn)速為100 mm/min工藝參數(shù)下對(duì)2060 Al-Li合金SZ區(qū)和TMAZ區(qū)的顯微組織進(jìn)行了電子背向散射衍射（electron back-scattered diffraction，EBSD）觀察，如圖7所示。由圖7可知：SZ區(qū)原始板材的長條板狀晶粒轉(zhuǎn)變成了非常細(xì)小的再結(jié)晶晶粒，其平均晶粒尺寸約為2.3μm，這主要是由于焊接過程中摩擦攪拌加熱與劇烈塑性流動(dòng)的共同作用導(dǎo)致的;而在TMAZ區(qū)，內(nèi)部晶粒由于劇烈攪拌運(yùn)動(dòng)引起的應(yīng)變而發(fā)生變形，而邊界處的晶粒則非常細(xì)小。

為了研究各區(qū)域析出相的演變，Cai等[29]進(jìn)一步對(duì)2060-T8 Al-Li合金FSW接頭不同區(qū)域進(jìn)行了透射電子顯微鏡（transmission electron microscopy，TEM）分析，結(jié)果表明：BM區(qū)中，可以觀察到T1相、θ′相、S′相，其中，最主要的強(qiáng)化相T1相的體積分?jǐn)?shù)最高;在HAZ區(qū)，T1相依然大量存在;在TMAZ區(qū)，T1相、θ′相、S′相幾乎全部溶解;在SZ區(qū)，可以觀察到細(xì)小的再結(jié)晶晶粒，在晶粒內(nèi)部存在大量的位錯(cuò)，并且與TMAZ區(qū)類似，T1相、θ′相、S′相由于焊接過程中的熱作用而全部溶解。

Milagre等[22]通過設(shè)定各區(qū)域焊接溫度對(duì)2098 Al-Li合金FSW接頭進(jìn)行了微觀組織的表征分析。結(jié)果表明：BM區(qū)主要存在T1相、θ′相、δ′/β′相和Ω相（Al2Cu）;在HAZ區(qū)，θ′相由于熱輸入而部分溶解，僅隨機(jī)分布于一些區(qū)域;T1相的密度也相較于BM區(qū)的有所減小;在TMAZ區(qū)，后退側(cè)存在δ′/β′相和T1相，而在前進(jìn)側(cè)只存在δ′/β′相，這是由于攪拌頭和前進(jìn)側(cè)軟化層界面處形成的摩擦剪應(yīng)力將前進(jìn)側(cè)TMAZ區(qū)的板條組織拉長，使得在前進(jìn)側(cè)處停留的時(shí)間更長，導(dǎo)致前進(jìn)側(cè)相對(duì)于后退側(cè)產(chǎn)生更多的熱量，進(jìn)而導(dǎo)致了部分強(qiáng)化相的溶解;在SZ區(qū)，主要的強(qiáng)化相為GP區(qū)（Cu）、δ′/β′相、Ω相和體積分?jǐn)?shù)較低的T1相（大部分已溶解于基體內(nèi)）。與Geuser等[27]的研究結(jié)果類似，維氏硬度的變化與各區(qū)域T1相的體積分?jǐn)?shù)呈正相關(guān)趨勢。

Lin等[23]在旋轉(zhuǎn)速度為1 800 r/min、前進(jìn)速為165 mm/min工藝參數(shù)下分析了2099 Al-Li合金的微觀組織演變。結(jié)果表明：BM區(qū)中存在大量的點(diǎn)狀δ′相和少量的板狀T1相;而在HAZ區(qū)存在大量的T1相;TMAZ區(qū)晶粒沿著材料流動(dòng)方向被拉長，T1相粗化并且大多數(shù)δ′相溶解;SZ區(qū)中形成了尺寸為5μm的細(xì)等軸晶粒，T1相和δ′相均溶解于基體內(nèi)。

2i95 Al-Li合金作為應(yīng)用最廣泛的Al-Li合金，其具有較強(qiáng)的初始織構(gòu)和抗再結(jié)晶能力。Qin等[24]在旋轉(zhuǎn)速度為1 100 r/min、前進(jìn)速為140 mm/min工藝參數(shù)下研究了5 mm厚的2i95-T8 Al-Li合金FSW各區(qū)域微觀組織和力學(xué)性能演變規(guī)律。微觀組織的研究結(jié)果表明：BM區(qū)中的主要強(qiáng)化相為T1相和少量的θ′相和τ2相（AL7Cu2Fe）;HAZ區(qū)中T1相和θ′相溶解的同時(shí)析出δ′相和β′相，此區(qū)域只經(jīng)歷了熱循環(huán)，并未發(fā)生塑性變形;TMAZ區(qū)T1相和θ′相溶解并粗化，此區(qū)域經(jīng)歷了塑性變形，但由于變形應(yīng)變不足，并未發(fā)生再結(jié)晶;SZ區(qū)T1相和θ′相完全溶解于基體內(nèi)，主要強(qiáng)化相為δ′相和β′相，此區(qū)域內(nèi)由于強(qiáng)烈攪拌使得晶粒細(xì)化，晶粒和晶界處形成大量位錯(cuò)。在維氏硬度方面，SZ區(qū)由于晶粒細(xì)化和位錯(cuò)引起的應(yīng)變硬化，在接頭中硬度最高，而HAZ區(qū)的硬度最低，尤其是靠近TMAZ的交界處，這是因T1相的溶解導(dǎo)致的，硬化曲線呈現(xiàn)“W”狀，見圖8。

Gao等[25，30]在旋轉(zhuǎn)速度為800 r/min、前進(jìn)速為300 mm/min工藝參數(shù)下研究了2i98-T8 Al-Li合金FSW接頭的顯微組織與力學(xué)性能。顯微組織研究結(jié)果表明：BM區(qū)存在T1相、θ′相、δ′/β′相和S′相，對(duì)基體起到強(qiáng)化作用;在HAZ區(qū)，T1相部分溶解于基體內(nèi)而S′相全部溶解（熱擴(kuò)散的作用）;在TMAZ區(qū)，由于更高的熱輸入導(dǎo)致T1相大部分溶解、小部分粗化;在SZ區(qū)，T1相完全溶解于基體內(nèi)，同時(shí)析出δ′和β′兩種強(qiáng)化相，這主要是由于此區(qū)域的焊接溫度可達(dá)到500 ℃，而T1相的溶解溫度大約在220 ℃，δ′相可以在較低溫度下析出，β′相的溶解溫度可高達(dá)600 ℃[31]。力學(xué)性能研究結(jié)果如圖9所 示。由圖9可知：T1相作為最主要的強(qiáng)化相，總體變化趨勢為其體積分?jǐn)?shù)越高，接頭的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度越高。

雙軸肩攪拌摩擦焊接（bobbin tool friction stir welding，BT-FSW）與傳統(tǒng)的FSW相比，攪拌頭帶有上下兩個(gè)軸肩，可以焊接封閉的構(gòu)件，工作原理如圖10所示[32]。

Wang等[14]研究了2198 Al-Li合金雙軸肩攪拌摩擦焊接各區(qū)域的組織特征。圖11為其在旋轉(zhuǎn)速度為600 r/min、前進(jìn)速為200 mm/min工藝參數(shù)下各區(qū)域的EBSD圖。與圖11（a）中BM區(qū)長條狀晶粒相比，圖11（c）中SZ區(qū)具有更小的等軸再結(jié)晶晶粒;TMAZ區(qū)共存了變形的細(xì)長晶粒和等軸晶粒，圖11（b）前進(jìn)側(cè)可以看到TMAZ區(qū)和SZ區(qū)之間急劇的過渡，而在圖11（d）的后退側(cè)可以觀察到更多的擴(kuò)散過渡界面，這與兩側(cè)不同的材料流動(dòng)條件有關(guān)。此外，Wang等[31]也對(duì)各區(qū)域析出相進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：與BM區(qū)相比，HAZ區(qū)由于熱輸入的增加，T1相嚴(yán)重粗化，尺寸從50 nm提升至200 nm，此外還存在大量的δ′相;TMAZ區(qū)的變形晶粒具有極高的位錯(cuò)密度，T1相完全溶解，僅存在δ′相;SZ區(qū)的再結(jié)晶晶粒尺寸約為5μm，僅存在δ′相，表明其他強(qiáng)化相完全溶解。

Steuwer等[26]在旋轉(zhuǎn)速度為800 r/min、前進(jìn)速為400 mm/min工藝參數(shù)下觀察分析了2199 Al?-Li合金FSW接頭的TEM圖。結(jié)果表明：在BM區(qū)觀察到了主要的強(qiáng)化相T1相和少量δ′相;在HAZ區(qū)，T1相依舊存在，而δ′相消失，這與Li含量較少有關(guān);在TMAZ區(qū)，T1相數(shù)量開始急劇減少，直至SZ區(qū)內(nèi)觀察不到T1相。為了進(jìn)一步說明各區(qū)域相的分布情況，圖12給出了2199 Al-Li合金FSW 各區(qū)域的DSC（differential scanning calorimetry）曲線?？梢钥闯觯琀AZ區(qū)與BM區(qū)相比，吸熱峰B消失，推測為200 ℃時(shí)δ′相的溶解;此外，SZ區(qū)放熱峰C比BM區(qū)的大，說明SZ區(qū)內(nèi)大量T1相溶解，這與顯微組織觀察的強(qiáng)化相分布密度結(jié)果相一致。

2.3??? Al-Mg-Li合金

與Al-Cu-Li合金相比，Mg的加入降低了鋁合金的密度。Al-Mg-Li合金具有中等強(qiáng)度和超輕密度（2.5g/cm3）。它的強(qiáng)度主要來自亞穩(wěn)δ′相的析出和Mg提供的固溶強(qiáng)化。Sidhar等[18]對(duì)比了1424 Al-Li合金在兩種FSW工藝下的力學(xué)性能，這兩種工藝分別是：鋼焊接床和自然冷卻（焊縫1），在焊接工具后面使用橫穿的水浸漆輥從而獲得更高的冷卻速率和較低的峰值溫度（焊縫2）。圖13是熱處理前后的硬度分布圖。從圖13可以看出，熱處理后基材的維氏硬度由130降至90～100，這是由于溫度足夠高而導(dǎo)致了δ′相的溶解;焊縫2硬度高于焊縫1的，主要是由于外部冷卻，焊縫2的溫度下降得更快，析出強(qiáng)化相來不及溶解;當(dāng)進(jìn)行了160 ℃×16 h熱處理后，兩焊縫HAZ區(qū)硬度幾乎恢復(fù)到與BM區(qū)的相同，表明HAZ區(qū)內(nèi)大部分強(qiáng)化相未經(jīng)歷明顯粗化。

3??? 工藝參數(shù)對(duì)FSW接頭力學(xué)性能的影響

3.1??? 焊接工藝參數(shù)的影響

一般情況下，攪拌工具在FSW期間的熱功率Q近似為：

Q=kμωF??? （1）

式中：k是一個(gè)取決于刀具的形狀和尺寸的常數(shù);μ為摩擦因數(shù);ω為旋轉(zhuǎn)速度;F為所施加的力[33]。

FSW過程中的線性熱輸入q∈的計(jì)算公式為[34]：

式中：v為前進(jìn)速度;其他參數(shù)的含義同上。由式（2）可以看出，v、ω、ω/v，都會(huì)影響接頭力學(xué)性能[33]。當(dāng)ω/v的值增大時(shí)，熱輸入量會(huì)相應(yīng)增大。Zhang等[35]研究了FSW工藝參數(shù)對(duì)2195-T8 Al-Li合金接頭力學(xué)性能的影響，主要結(jié)果如圖14所示。由圖14（a）和圖14（b）可知，隨著熱輸入量的增加（即增加ω和降低v），強(qiáng)度和延伸率均先增大后減小。一般來說，當(dāng)熱輸入較高時(shí)，組織軟化較嚴(yán)重，使得SZ區(qū)和TMAZ區(qū)強(qiáng)度和伸長率大幅下降。然而，接頭強(qiáng)度和伸長率未隨熱輸入增加持續(xù)下降，這主要與合金組織的晶粒結(jié)構(gòu)以及形成的工藝缺陷有關(guān)。由圖14（c）和圖14（d）可知，在不同焊接參數(shù)下，接頭維氏硬度均呈“U形”分布特點(diǎn)，這表明焊接過程中的熱循環(huán)和機(jī)械攪拌過程引起了合金SZ區(qū)、TMAZ區(qū)和HAZ區(qū)強(qiáng)化析出相的粗化及溶解，導(dǎo)致此區(qū)域內(nèi)組織軟化。

Wu等[36]研究了不同焊接參數(shù)對(duì)2195-T8 Al-Li合金FSW接頭底部、接頭中間、接頭頂部力學(xué)性能的影響，結(jié)果如圖15所示。從圖15可以看出：每個(gè)參數(shù)下的維氏硬度曲線都呈現(xiàn)“W”狀，并且在旋轉(zhuǎn)速度為800 r/min、前進(jìn)速為80 mm/min焊接工藝參數(shù)時(shí)，接頭頂部與底部的硬度差達(dá)到最小，這主要?dú)w因于較為合適的熱輸入量。此外，根據(jù)SZ區(qū)沿垂直方向晶粒的EBSD圖（如圖16所示），可以很明顯地看到晶粒尺寸沿著垂直方向不斷減小，這也是接頭沿垂直方向硬度有所不同的原因。

Shukla等[37]研究了不同ω/v下2195-T8 Al-Li合金FSW接頭的顯微組織與力學(xué)性能。表3列出了在不同旋轉(zhuǎn)速度/前進(jìn)速度下主要強(qiáng)化相T1相與接頭力學(xué)性能的關(guān)系。可以看出，隨著旋轉(zhuǎn)速度/前進(jìn)速度值的不斷升高，熱輸入量不斷提高，在較高的熱輸入下強(qiáng)化相的溶解速率上升，導(dǎo)致T1相的密度不斷降低，進(jìn)而維氏硬度不斷降低。

表4總結(jié)了不同Al-Li合金在典型焊接參數(shù)下獲得的最佳或典型力學(xué)性能。從表4可以看出：焊接接頭的力學(xué)性能和工藝參數(shù)密切相關(guān)，若旋轉(zhuǎn)速度過高或者前進(jìn)速度過快，會(huì)使熱輸入量過大，導(dǎo)致接頭組織更易粗化，進(jìn)而強(qiáng)度降低;反之則導(dǎo)致材料的填充能力不足，容易形成孔洞等缺陷。因此，確定合適的旋轉(zhuǎn)速度與前進(jìn)速度之比是非常重要的。

3.2??? 焊后熱處理工藝的影響

Al-Li合金作為典型的熱處理強(qiáng)化合金，需通過合適的熱處理才能獲得良好的組織與性能。Zhang等[35]研究了固溶和時(shí)效熱處理對(duì)2195-T8 Al-Li合金FSW接頭力學(xué)性能的影響。圖17為 2195-T8 Al-Li合金FSW熱處理前后維氏硬度變化曲線。由圖17可知，在熱處理后，SZ區(qū)和TMAZ區(qū)維氏硬度顯著提升，可歸因于強(qiáng)化相的再次析出，但接頭硬度值無法恢復(fù)至BM水平。

Sidhar等[7]研究了2195和2199兩種Al-Li合金FSW后分別在160 ℃下時(shí)效16、30、65 h后維氏硬度的變化，結(jié)果如圖18所示。由圖18可知：（1）2195 Al-Li合金在時(shí)效16 h后各區(qū)域維氏硬度恢復(fù)明顯，但由于SZ區(qū)再結(jié)晶后位錯(cuò)密度降低導(dǎo)致了T1相的延遲析出，時(shí)效30、65 h后維氏硬度并無明顯變化;（2）2199 Al-Li合金在時(shí)效16 h后維氏硬度未提升，65 h后HAZ區(qū)維氏硬度才明顯提高，這是因?yàn)榕c2195Al-Li合金相比，2199 Al-Li合金成分中缺少Ag元素，而Ag元素的作用是延緩GP區(qū)形成、促進(jìn)T1相的成核和生長。

4??? 基于FSW的新型焊接技術(shù)

傳統(tǒng)FSW技術(shù)存在3個(gè)固有問題[45]：

（1）嚴(yán)格的工裝、剛性支撐和全方位固定導(dǎo)致焊接困難并降低力學(xué)性能。此外，在底部容易產(chǎn)生缺陷。

（2）軸肩部下沉深度所引起的焊縫變薄，不利于接頭的完整性，容易導(dǎo)致應(yīng)力集中和疲勞損傷。

（3）攪拌頭縮回留下的鎖孔以及因焊接工具和參數(shù)選擇不當(dāng)而導(dǎo)致的其他焊接缺陷，會(huì)降低力學(xué)性能。

因此，針對(duì)傳統(tǒng)FSW技術(shù)存在的上述問題，研究者在不斷拓展和開發(fā)新的FSW技術(shù)。

4.1??? 攪拌摩擦點(diǎn)焊

攪拌摩擦點(diǎn)焊（friction stir spot welding，F(xiàn)SSW）是在FSW基礎(chǔ)上提出的，具有取代傳統(tǒng)單點(diǎn)連接點(diǎn)焊工藝潛力的一種技術(shù)。然而，Tozaki等[46]發(fā)現(xiàn)FSSW接頭容易形成鎖孔缺陷。為了消除鎖孔缺陷，研究者提出了無針攪拌摩擦點(diǎn)焊（probeless friction stir spot welding，P-FSSW）[47-48]。其工藝原理如圖19所示[49]。然而，宏觀組織中依然存在鉤狀缺陷（如圖20所示）[49]，這可能與薄板底部的材料向上流動(dòng)密切相關(guān)。

對(duì)于大尺寸結(jié)構(gòu)件，采用P-FSSW產(chǎn)生嚴(yán)重的變形，而采用雙面無針攪拌摩擦點(diǎn)焊技術(shù)（double?side probeless friction stir spot welding，DP-FSSW）則可以有效減小焊接的殘余應(yīng)力[50]，其技術(shù)原理如圖21所示[51]。Chu等[51]對(duì)AA2198-T8Al-Li合金進(jìn)行了DP-FSSW，觀察斷口發(fā)現(xiàn)剪切面上存在大量韌窩，表現(xiàn)為微孔聚結(jié)的韌性斷裂，說明DP-FSSW為更優(yōu)化的P-FSSW工藝。

圖22所示為P-FSSW的材料流動(dòng)示意圖[50]。材料流動(dòng)大致過程為：隨著攪拌頭的旋轉(zhuǎn)和壓入，軸肩下的材料沿旋轉(zhuǎn)方向流動(dòng)，形成具有一定收縮角度的螺旋形（動(dòng)作1）;在攪拌頭上溝槽的作用力下，上表面材料沿徑向向內(nèi)流動(dòng)，使得相鄰材料向上向外流動(dòng)（動(dòng)作2）;由于離心力作用，一些在上表面的材料向外流動(dòng)，形成了在焊核區(qū)外圍向上流動(dòng)的突起（動(dòng)作3）;隨焊核區(qū)的擴(kuò)大，板材底部材料向上向外流動(dòng)，造成界面扭曲（動(dòng)作4）。

4.2??? 水下攪拌摩擦焊接

Sidhar等[7]介紹了一種水下攪拌摩擦焊接（underwater friction stir welding，UWFSW）技術(shù)。圖23為UWFSW示意圖。UWFSW主要是為了減少在焊接過程中高溫對(duì)HAZ區(qū)的影響。由于水冷作用，UWFSW冷卻速率較高，材料的剪切強(qiáng)度將高于FSW技術(shù)。在攪拌頭旋轉(zhuǎn)過程中形成較厚的剪切層，使得SZ區(qū)略寬;此外，由于冷卻速度較快，UWFSW的HAZ和TMAZ都較窄（如圖24所示）?？斓睦鋮s速度有利于減緩強(qiáng)化相的粗化、提升接頭硬度。

UWFSW技術(shù)介質(zhì)直接與高溫焊接材料接觸，導(dǎo)致焊縫污染。為避免此問題，Niu等[52]提出了一種水路銅壓板強(qiáng)制冷卻技術(shù)，強(qiáng)制冷卻FSW工藝原理如圖25所示。Niu等[52]的研究結(jié)果表明，強(qiáng)制冷卻的FSW接頭抗拉強(qiáng)度和伸長率都有明顯提高（如圖26所示），主要是由于水冷細(xì)化了各區(qū)域的晶粒組織，抑制了接頭的軟化程度。

5??? 結(jié)論

Al-Li合金作為輕質(zhì)高強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料，具有廣泛的應(yīng)用前景;但在傳統(tǒng)熔化焊接過程中，由于熱輸入高，容易導(dǎo)致Li元素?fù)]發(fā)、形成不良化合物、引起裂紋等顯著問題。而FSW技術(shù)在一定程度上能避免這些問題，且能耗低、綠色環(huán)保、自動(dòng)化程度高，被譽(yù)為繼激光焊后又一次革命性的焊接技術(shù)[53]。本文主要綜述了Al-Li-Cu、Al-Cu-Li、Al-Mg-Li合金的FSW研究進(jìn)展?？偨Y(jié)表明，Al-Li合金FSW接頭各區(qū)域力學(xué)性能主要取決于由熱輸入量和機(jī)械力耦合引起的缺陷分布、晶粒尺寸、析出行為、織構(gòu)強(qiáng)度、后熱處理等多重因素;而在焊接工藝參數(shù)中，熱輸入量即旋轉(zhuǎn)速度/前進(jìn)速度的比值，對(duì)接頭的力學(xué)性能起著決定性的影響;在選擇合適的熱輸入量之基礎(chǔ)上，對(duì)合金進(jìn)一步熱處理，能優(yōu)化晶粒分布及析出行為，調(diào)控接頭的強(qiáng)度及塑性。

目前，針對(duì)Al-Li合金開拓新的FSW技術(shù)，比如攪拌摩擦點(diǎn)焊以及水下攪拌摩擦焊接等技術(shù)，是重要的研究方向之一;由于焊接缺陷的不可避免特性，對(duì)于Al-Li合金焊接缺陷定量評(píng)價(jià)和修復(fù)的研究比較匱乏，也需引起更細(xì)致的關(guān)注;此外，將Al- Li合金與異種金屬進(jìn)行FSW焊接，具有特定的工程應(yīng)用背景，該方面也值得進(jìn)行深入研究。

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