鋁鋰合金的攪拌摩擦焊接技術研究與應用現狀

張 琪

(中國鋁業(yè)集團有限公司，北京 100082)

鋁鋰合金作為一種低密度、高彈性模量、高比強度和比剛度的合金，在航空航天領域具有廣闊的應用前景。采用鋁鋰合金替代傳統(tǒng)鋁合金結構材料，可使構件質量減輕15%，剛度提高15%～20%，被認為是21世紀航空航天最理想的結構材料[1-3]。鋁鋰合金的研究和開發(fā)至今已有80多年歷史，已先后開發(fā)了三代鋁鋰合金，其中第三代1460、2198、2199、2050等鋁鋰合金已在先進大型客機和航天器上廣泛應用[4]。

鋁鋰合金的傳統(tǒng)焊接方法主要為熔化焊，包括鎢極氬弧焊、熔化極氬弧焊、變極性等離子弧焊、電子束焊、激光焊等[5，6]。由于熔化焊接過程中，焊接溫度高于合金的熔點，加之鋁鋰合金本身的焊接特性，采用傳統(tǒng)熔化焊接方法焊接很難有效避免焊接氣孔、鋰元素揮發(fā)、焊接熱裂紋和接頭軟化等突出問題[7-9]，在一定程度上限制了鋁鋰合金的應用。

攪拌摩擦焊(Friction stir welding， FSW)作為一種革命性的新型固相連接技術，非常適用于鋁合金尤其是時效強化鋁合金的焊接[10]。與傳統(tǒng)的熔化焊相比，攪拌摩擦焊接過程中不發(fā)生金屬熔化，可以成功避免鋁鋰合金焊接過程中鋰元素的揮發(fā)損失和焊接氣孔、熱裂紋等缺陷的形成；同時與熔化焊相比，攪拌摩擦焊的熱輸入大大減少，從而最大限度的降低了接頭的軟化，因此攪拌摩擦焊接鋁鋰合金接頭一般具有較高的強度系數[11-13]。近年來，鋁鋰合金的攪拌摩擦焊接技術已逐步實現產業(yè)化應用，極大的拓寬了鋁鋰合金的應用范圍。本文綜述了近年來鋁鋰合金攪拌摩擦焊研究和應用的最新進展，以期為我國鋁鋰合金的應用推廣提供參考。

1 鋁鋰合金攪拌摩擦焊微觀組織

此前的大量研究表明，采用FSW可以在廣泛的參數下實現Al-Li合金的無缺陷焊接。與攪拌摩擦焊常規(guī)鋁合金接頭相似，在合理的焊接參數下，鋁鋰合金攪拌摩擦焊接頭一般分為焊核區(qū)(NZ)、熱機械影響區(qū)(TMAZ)、熱影響區(qū)(HAZ)和母材區(qū)(BM)四個典型區(qū)域[14]，如圖1所示。不同區(qū)域所經歷的熱循環(huán)和機械變形不同，因此產生截然不同的微觀組織。

(焊接參數：工具轉速1600rpm，行進速度200mm/min)圖1 2198-T8 攪拌摩擦焊接頭的橫截面宏觀形貌[15]Fig.1 Cross-sectional macroscopic topography of stirring friction welding head of 2198-T8

Li 等人[16]研究冷軋態(tài) 2198板材FSW接頭，微觀組織表征表明，BM為沿軋制方向分布的粗拉長板條狀晶粒，HAZ晶粒結構與 BM類似，TMAZ晶粒仍保持板條狀但沿攪拌針旋轉方向彎曲，而NZ由細等軸再結晶晶粒組成。陶瑤[15]研究了不同焊接參數下2198-T8焊核區(qū)的晶粒組織(圖2)，結果發(fā)現，在廣泛的焊接參數下，焊核區(qū)均為細小的等軸晶組織，但焊核區(qū)晶粒尺寸隨著焊接參數的變化而變化。旋轉速度增加或行進速度降低，焊核區(qū)的晶粒尺寸增加，這主要是由于焊接熱輸入增加導致的再結晶晶粒長大所致。

(a)旋轉速度800rpm，行進速度200mm/min； (b) 旋轉速度1600rpm，行進速度200mm/min； (c) 旋轉速度1200rpm，行進速度400mm/min；(d) 旋轉速度1200rpm，行進速度500mm/min圖2 2198-T8不同焊接參數下NZ的微觀組織[15]Fig.2 Microorganization of NZ under different welding parameters of 2198-T8

攪拌摩擦焊焊核區(qū)的另外一個微觀組織特征是“S”線。對于常規(guī)鋁合金，一般認為“S”線由很多細小的 Al2O3顆粒聚集而成，且大部分顆粒分布在晶界，他們認為這些 Al2O3顆粒來源于被焊工件對接面上的原始氧化膜[17]。TAO[18，19]對2198和2060鋁鋰合金進行了廣泛的攪拌摩擦焊接工藝參數研究發(fā)現，在所選的焊接參數范圍內，焊核區(qū)的“S”線普遍存在，且隨旋轉速度增加或行進速度降低，S線的破碎及分散程度增加，作者認為這是由于攪拌頭攪拌作用增強帶來的焊核區(qū)材料所經受的塑性變形程度增加所致?！癝”的存在將對鋁鋰合金攪拌摩擦焊接接頭的拉伸和疲勞等行為產生重要影響。

對于時效強化鋁合金，在FSW過程中，在機械變形和熱暴露的雙重作用下，不同區(qū)域的析出相將發(fā)生不同的變化。原有的析出相將完全回溶，并隨著焊接后的自然冷卻、自然時效析出部分過渡相。對于鋁鋰合金，除了傳統(tǒng)的θ′(A12Cu)、S′(Al2CuMg)等強化相外，還存在 δ′(Al3Li)、T1(Al2CuLi)等強化相，因此鋁鋰合金FSW過程中不同區(qū)域的析出相演變更為復雜。Shukla 等人[20，21]研究了2195-T8 板材從BM到NZ各區(qū)域的析出相演變規(guī)律，發(fā)現BM由T1、θ′ (Al2Cu)、S′ (Al2CuMg)和 δ′/β′ (Al3Zr)相組成，從HAZ到HAZ/TMAZ界面，θ′和S′相溶解程度逐漸增加，在NZ區(qū)，所有析出相完全溶解并在自然時效過程中析出δ′相。對于15mm厚2050-T8板材FSW接頭，Geuser等人[22]發(fā)現，在BM區(qū)域，除了含有T1強化相外，還存在粗大的含Mn彌散相；在HAZ區(qū)域，T1相粗化并發(fā)生部分溶解；在NZ區(qū)域 T1完全溶解，但Mn 彌散相仍然存在。

2 鋁鋰合金攪拌摩擦焊的力學性能

鋁鋰合金的一般材T6、T8態(tài)使用，不同鋁合金時效相析出冷卻速率的敏感性也不同。對于鋁鋰合金攪拌摩擦焊，由于不同區(qū)域的時效析出相經歷了不同的溶解和再析出過程，直接影響了其力學性能和焊接系數。

對于Al-Mg-Li系合金，如蘇聯開發(fā)的1420鋁鋰合金，攪拌摩擦焊的焊接系數可以達到85%以上。郭曉娟等人[23]研究了2.8mm 1420鋁鋰合金攪拌摩擦焊的力學性能，結果表明，較大的焊接熱輸入有利于進一步提高攪拌摩擦焊接頭的強度系數，在優(yōu)化焊接參數條件下，1420鋁鋰合金的攪拌摩擦焊接頭抗拉強度和斷后伸長率均能夠達到母材的90%。

對于Al-Cu-Li系合金，由于常用的T8或T8X狀態(tài)，且具有較高的淬火敏感性，目前報道的攪拌摩擦焊的焊接系數一般可以達到70%～85%。Shukla等[24]研究了焊接參數對FSW 2195-T8合金接頭拉伸性能的影響，結果表明,焊接參數對接頭UTS和延伸率的影響幾乎可以忽略，平均焊接系數為70%左右，接頭一般斷在HAZ與TMAZ交界區(qū)域或NZ區(qū)域。

Tao[25]研究了2060-T8攪拌摩擦焊接頭的力學性能，當固定行進速度為200mm/min，隨旋轉速度從400rpm增加至1200rpm，接頭的抗拉強度和延伸率均增加；當固定旋轉速度1200 rpm時，隨行進速度從200mm/min減小至50mm/min，接頭的抗拉強度和延伸率均減小，這也對應于接頭硬度隨行進速度的變化趨勢。在優(yōu)化參數下，接頭的最高焊接系數達84.5%，此時接頭斷裂在TMAZ區(qū)域。

由于鋁鋰合金主要應用在航空航天領域，因此鋁鋰合金焊接接頭疲勞性能也是研究者關注的一個重點。Moreira等人[26]在 FSW 2195-T8合金接頭高周疲勞行為的研究中發(fā)現，當應力比為0.1時，FSW接頭與BM在疲勞壽命為105周時所對應的最大應力分別為260MPa～280MPa和350MPa～400 MPa，即接頭與 BM相比疲勞強度降低約30%。在所選應力水平下，絕大部分疲勞試樣從FSW接頭表面軸肩的邊界處起裂，而僅有少數試樣從NZ底部起裂。董春林等人[27]研究了工藝參數對T8態(tài)Al-Cu-Li合金疲勞性能的影響，結果表明，在優(yōu)化參數下，鋁鋰合金攪拌摩擦焊接頭200萬次疲勞極限可達170MPa為母材的81%(圖3)。

(焊接參數：工具轉速1600rpm，行進速度200mm/min)圖3 攪拌摩擦焊鋁鋰合金接頭與母材的S-N曲線[27]Fig.3 S-N curve of aluminum lithium alloy joint and parent material

研究還發(fā)現，鋁鋰合金FSW接頭疲勞斷裂大部分從焊縫表面起裂，這可能與FSW過程中金屬材料的周期性流動和周期性微觀組織使焊縫內部出現強度薄弱區(qū)或應力集中有關。

3 鋁鋰合金攪拌摩擦焊的工程應用

美國波音公司最早實現了實際產品的攪拌摩擦焊工藝技術應用，將攪拌摩擦焊技術應用在Delta系列運載火箭鋁合金貯箱中間艙段的連接制造，并成功發(fā)射升空。攪拌摩擦焊技術在Delta Ⅳ型火箭中心助推器上的應用使焊縫接頭強度提高30%～50%，Delta Ⅳ和Delta Ⅱ的制造費用節(jié)省了60%，生產周期由原來的23d減少為6d[28]。洛克希德·馬丁公司積極開展攪拌摩擦焊接在航天飛機外貯箱(儲存液氫燃料和加壓液氧化劑)上的應用研究，以提高產品焊接質量，已經采用FSW焊接完成2195鋁鋰合金航天飛機外貯箱(直徑為8.4m、長達47m)生產[28]。

按照NASA的計劃，在美國航天飛機退役后，戰(zhàn)神(Ares)系列火箭(戰(zhàn)神-Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ)將成為執(zhí)行美國空間探索的新型運輸基礎設施的重要單元。據報道，戰(zhàn)神-Ⅰ火箭上面級的液氫、液氧貯箱將全部采用2195鋁鋰合金材料，并采用攪拌摩擦焊制造。戰(zhàn)神-Ⅰ火箭將運載的“獵戶座”載人飛船的乘員艙和服務艙也都將采用鋁鋰合金?！矮C戶座”飛船是NASA研發(fā)的新一代載人航天器，在“火星之旅”任務中將航天員送往深空目的地發(fā)揮重要作用。2016年1月，NASA在米丘德裝配廠完成“獵戶座”飛船乘員艙鋁鋰合金的攪拌摩擦焊連接，標志著NASA在“火星之旅”計劃中又前進了一步?！矮C戶座”乘員模塊總共需要進行33次FSW焊接，其中包括一些迄今為止使用FSW嘗試的最長的圓周焊接(圖4)。通用焊接系統(tǒng)II(UWS II)在米喬德裝配廠(MAF)完成焊接操作，該系統(tǒng)包括直徑為6.7m的轉盤、FSW機頭和模塊化T型格柵地板。該系統(tǒng)可在固定裝置的硬件上進行五軸焊接，并實現極其精確的焊接。

圖4 “獵戶座”乘員模塊及局部攪拌摩擦焊Fig.4 Orion occupant module and local mixing and friction welding

美國太空探索技術(Space X)公司的獵鷹9號火箭燃料箱采用攪拌摩擦焊技術制成。在箭體結構和材料上，獵鷹9號是世界上第一種全面應用高強的2195鋁鋰合金的火箭。獵鷹9號火箭第一級的貯箱箱體和封頭均由鋁鋰合金制成，采用強度高、可靠性高的全攪拌摩擦焊工藝制造。攪拌摩擦焊的高可靠性也推動了鋁鋰合金在民用航空的應用?？湛虯380的機身蒙皮、地板梁、機翼前后緣應用了鋁鋰合金。波音747客機、777客機、麥道飛機應用鋁鋰合金制造燃料箱、隔框、機翼蒙皮、整流罩等?？湛虯350采用攪拌摩擦焊制造2198機身蒙皮，減重效果明顯，A340-600采用攪拌摩擦焊制造2050客機翼肋，減重5%，成本降低21%。

我國鋁鋰合金的研究起步較晚，鋁鋰合金的生產能力也與美國、歐洲存在較大差距，國產鋁鋰合金的攪拌摩擦焊應用案例也比較少。2020年底，中國運載火箭技術研究院采用了國產的鋁鋰合金，結合攪拌摩擦焊和整體旋壓技術成功試制了3.35m直徑鋁鋰合金火箭貯箱，標志著我國鋁鋰合金攪拌摩擦焊的技術取得了階段性進展。

4 結束語

《中國制造2025》重點領域關鍵共性技術中的大型輕量化整體及高強金屬結構制造技術，明確將以機身壁板、機翼壁板以及起落架、框梁肋等部件為主要對象，重點開展鈦合金、鋁合金、鋁鋰合金、高強鋼等金屬結構的制造工藝研究。攪拌摩擦焊作為鋁鋰合金一種高可靠性連接工藝，將在我國航空航天高端裝備制造技術水平提升方面發(fā)揮越來越重要的作用。我國應加快鋁鋰合金攪拌摩擦焊接頭可靠性評價和驗證工作，建立相應的攪拌摩擦焊接標準和應用數據庫，為鋁合金攪拌摩擦焊接的工程應用提供強有力的支撐。