Al-Li合金攪拌摩擦焊技術的研究進展

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、高比強度、高比剛度等優(yōu)點，在航空航天領域得到了廣泛的應用。作為新型的固態(tài)焊接技術，攪拌摩擦焊（friction stir welding，F(xiàn)SW）技術為Al-Li合金的工業(yè)化應用帶來了新的發(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技術的大致研究進展，總結(jié)了FSW工藝參數(shù)及后熱處理工藝參數(shù)對焊接接頭顯微組織及力學性能的影響規(guī)律，并展望了未來的發(fā)展方向。

關鍵詞：Al-Li合金;攪拌摩擦焊;微觀組織;力學性能

中圖分類號：TG 453.9??? 文獻標志碼：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)量分數(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，對于力求減重、降低能耗的航空航天工業(yè)領域來說，Al-Li合金展現(xiàn)了廣闊的應用前景。

對于大型結(jié)構件而言，往往運用電子束焊、氬弧焊、激光焊等熔化焊接技術將合金材料進行連接。然而，由于熔化焊能量輸入高、溫度高，易導致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，從而降低接頭的強度[5-7]。因此，對于Al-Li合金的工程應用而言，需要開發(fā)更合適的焊接技術。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，其熱輸入較低，能消除傳統(tǒng)焊接技術中因熔化和凝固造成的一些焊接缺陷，且殘余應力小、焊件變形小、成本低、效率高、節(jié)能環(huán)保、可自動化[8-9]，因此，已被大量應用于Al-Li合金的焊接[10]。本文將根據(jù)Al-Li合金主要成分，對Al-Li-Cu、Al-Cu-Li、Al-Mg-Li分類進行綜述。

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合金是典型的時效沉淀強化合金，后熱處理工藝參數(shù)可進一步調(diào)整焊縫微觀組織及力學性能。因此，本文主要基于這些參數(shù)的影響進行總結(jié)。

1??? FSW技術簡介

FSW作為一種新型的固態(tài)焊接技術，是由英國焊接研究所于1991年發(fā)明并獲世界范圍內(nèi)專利保護的新型固相焊接技術[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致攪拌頭周圍材料軟化，被塑性化的材料在焊具的轉(zhuǎn)動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)方向與其直線運動方向相同的一側(cè)為前進側(cè)，而攪拌頭的旋轉(zhuǎn)方向與其直線運動方向相反的一側(cè)為后退側(cè)。

表1??? 總結(jié)了FSW技術的優(yōu)點與缺點。

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)構特點為：

（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致了母材在SZ區(qū)中形成細小的、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，形成了致密的位錯結(jié)構，位錯密度一般高于BM區(qū)的[17]。在焊接過程中，該區(qū)域可能會發(fā)生強化相的溶解，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，由于溫度高導致部分強化相的溶解;遠離TMAZ區(qū)的HAZ區(qū)域，由于溫度低未發(fā)生強化相的溶解，但卻產(chǎn)生晶粒粗化現(xiàn)象，粗化程度取決于高溫暴露時間，而高溫暴露時間又與焊接速度和冷卻速度有關。

2??? 主要Al-Li合金體系FSW研究進展

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

2.1??? Al-Li-Cu合金

Al-Li-Cu合金一般指1系Al-Li合金。為了實現(xiàn)輕量化，1系Al-Li合金中的Li元素含量較大，導致其脆性較大。1系Al-Li合金的FSW研究起步較遲，因此，關于1系Al-Li合金FSW的研究報道總體上較少。Berezina等[19]在旋轉(zhuǎn)速度為2 880 r/min，前進速為16 m/h的工藝參數(shù)下對厚度為2 mm的冷軋Al-Li合金薄板FSW接頭進行了研究，在顯微組織方面發(fā)現(xiàn)：BM區(qū)為長條板狀晶粒，存在織構且再結(jié)晶的比例較低，由T1相（Al2CuLi）和δ′（Al3Li）/θ′（Al2Cu）、δ′/Al3（Sc，Zr）復合相對基體起到硬化作用;HAZ區(qū)的晶粒尺寸保持不變，但T1相的體積分數(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）復合相。在力學性能方面發(fā)現(xiàn)：接頭的硬度值相對于BM區(qū)下降了約50%（見圖3），進一步經(jīng)過時效熱處理后，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元素引起的時效強化顯著提高其力學性能，因此其應用較為廣泛，故在工程應用中對其進行焊接（包括FSW）較為常見。該類合金主要包括2050、2060、2098、2195、2199等牌號。

AA2050 Al-Li合金的主要強化析出相為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。溶質(zhì)原子團簇（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，而體積分數(shù)從上到下存在顯著的梯度，頂部處體積分數(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強化相將完全溶解，這主要與圖4中SZ區(qū)團簇的存在密切相關。圖6為T1相體積分數(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關系。

2060 Al-Li合金是在大型客機上使用的新一代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[28]。其主要的強化相為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、前進速為100 mm/min工藝參數(shù)下對2060 Al-Li合金SZ區(qū)和TMAZ區(qū)的顯微組織進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的共同作用導致的;而在TMAZ區(qū)，內(nèi)部晶粒由于劇烈攪拌運動引起的應變而發(fā)生變形，而邊界處的晶粒則非常細小。

為了研究各區(qū)域析出相的演變，Cai等[29]進一步對2060-T8 Al-Li合金FSW接頭不同區(qū)域進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，最主要的強化相T1相的體積分數(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)，可以觀察到細小的再結(jié)晶晶粒，在晶粒內(nèi)部存在大量的位錯，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]通過設定各區(qū)域焊接溫度對2098 Al-Li合金FSW接頭進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，而在前進側(cè)只存在δ′/β′相，這是由于攪拌頭和前進側(cè)軟化層界面處形成的摩擦剪應力將前進側(cè)TMAZ區(qū)的板條組織拉長，使得在前進側(cè)處停留的時間更長，導致前進側(cè)相對于后退側(cè)產(chǎn)生更多的熱量，進而導致了部分強化相的溶解;在SZ區(qū)，主要的強化相為GP區(qū)（Cu）、δ′/β′相、Ω相和體積分數(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相的體積分數(shù)呈正相關趨勢。

Lin等[23]在旋轉(zhuǎn)速度為1 800 r/min、前進速為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合金作為應用最廣泛的Al-Li合金，其具有較強的初始織構和抗再結(jié)晶能力。Qin等[24]在旋轉(zhuǎn)速度為1 100 r/min、前進速為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)，主要強化相為δ′相和β′相，此區(qū)域內(nèi)由于強烈攪拌使得晶粒細化，晶粒和晶界處形成大量位錯。在維氏硬度方面，SZ區(qū)由于晶粒細化和位錯引起的應變硬化，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，對基體起到強化作用;在HAZ區(qū)，T1相部分溶解于基體內(nèi)而S′相全部溶解（熱擴散的作用）;在TMAZ區(qū)，由于更高的熱輸入導致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)，同時析出δ′和β′兩種強化相，這主要是由于此區(qū)域的焊接溫度可達到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600 ℃[31]。力學性能研究結(jié)果如圖9所 示。由圖9可知：T1相作為最主要的強化相，總體變化趨勢為其體積分數(shù)越高，接頭的屈服強度和抗拉強度越高。

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軸肩，可以焊接封閉的構件，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)共存了變形的細長晶粒和等軸晶粒，圖11（b）前進側(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散過渡界面，這與兩側(cè)不同的材料流動條件有關。此外，Wang等[31]也對各區(qū)域析出相進行了分析。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，表明其他強化相完全溶解。

Steuwer等[26]在旋轉(zhuǎn)速度為800 r/min、前進速為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;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?，HAZ區(qū)與BM區(qū)相比，吸熱峰B消失，推測為200 ℃時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合金具有中等強度和超輕密度（2.5g/cm3）。它的強度主要來自亞穩(wěn)δ′相的析出和Mg提供的固溶強化。Sidhar等[18]對比了1424 Al-Li合金在兩種FSW工藝下的力學性能，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，析出強化相來不及溶解;當進行了160 ℃×16 h熱處理后，兩焊縫HAZ區(qū)硬度幾乎恢復到與BM區(qū)的相同，表明HAZ區(qū)內(nèi)大部分強化相未經(jīng)歷明顯粗化。

3??? 工藝參數(shù)對FSW接頭力學性能的影響

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∈的計算公式為[34]：

式中：v為前進速度;其他參數(shù)的含義同上。由式（2）可以看出，v、ω、ω/v，都會影響接頭力學性能[33]。當ω/v的值增大時，熱輸入量會相應增大。Zhang等[35]研究了FSW工藝參數(shù)對2195-T8 Al-Li合金接頭力學性能的影響，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），強度和延伸率均先增大后減小。一般來說，當熱輸入較高時，組織軟化較嚴重，使得SZ區(qū)和TMAZ區(qū)強度和伸長率大幅下降。然而，接頭強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)構以及形成的工藝缺陷有關。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，這表明焊接過程中的熱循環(huán)和機械攪拌過程引起了合金SZ區(qū)、TMAZ區(qū)和HAZ區(qū)強化析出相的粗化及溶解，導致此區(qū)域內(nèi)組織軟化。

Wu等[36]研究了不同焊接參數(shù)對2195-T8 Al-Li合金FSW接頭底部、接頭中間、接頭頂部力學性能的影響，結(jié)果如圖15所示。從圖15可以看出：每個參數(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、前進速為80 mm/min焊接工藝參數(shù)時，接頭頂部與底部的硬度差達到最小，這主要歸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性能。表3列出了在不同旋轉(zhuǎn)速度/前進速度下主要強化相T1相與接頭力學性能的關系?？梢钥闯?，隨著旋轉(zhuǎn)速度/前進速度值的不斷升高，熱輸入量不斷提高，在較高的熱輸入下強化相的溶解速率上升，導致T1相的密度不斷降低，進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性能。從表4可以看出：焊接接頭的力學性能和工藝參數(shù)密切相關，若旋轉(zhuǎn)速度過高或者前進速度過快，會使熱輸入量過大，導致接頭組織更易粗化，進而強度降低;反之則導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]研究了固溶和時效熱處理對2195-T8 Al-Li合金FSW接頭力學性能的影響。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，可歸因于強化相的再次析出，但接頭硬度值無法恢復至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合金在時效16 h后各區(qū)域維氏硬度恢復明顯，但由于SZ區(qū)再結(jié)晶后位錯密度降低導致了T1相的延遲析出，時效30、65 h后維氏硬度并無明顯變化;（2）2199 Al-Li合金在時效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，這是因為與2195Al-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T1相的成核和生長。

4??? 基于FSW的新型焊接技術

傳統(tǒng)FSW技術存在3個固有問題[45]：

（1）嚴格的工裝、剛性支撐和全方位固定導致焊接困難并降低力學性能。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，容易導致應力集中和疲勞損傷。

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

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

4.1??? 攪拌摩擦點焊

攪拌摩擦點焊（friction stir spot welding，F(xiàn)SSW）是在FSW基礎上提出的，具有取代傳統(tǒng)單點連接點焊工藝潛力的一種技術。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密切相關。

對于大尺寸結(jié)構件，采用P-FSSW產(chǎn)生嚴重的變形，而采用雙面無針攪拌摩擦點焊技術（double?side probeless friction stir spot welding，DP-FSSW）則可以有效減小焊接的殘余應力[50]，其技術原理如圖21所示[51]。Chu等[51]對AA2198-T8Al-Li合金進行了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的材料流動示意圖[50]。材料流動大致過程為：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，形成具有一定收縮角度的螺旋形（動作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，使得相鄰材料向上向外流動（動作2）;由于離心力作用，一些在上表面的材料向外流動，形成了在焊核區(qū)外圍向上流動的突起（動作3）;隨焊核區(qū)的擴大，板材底部材料向上向外流動，造成界面扭曲（動作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。圖23為UWFSW示意圖。UWFSW主要是為了減少在焊接過程中高溫對HAZ區(qū)的影響。由于水冷作用，UWFSW冷卻速率較高，材料的剪切強度將高于FSW技術。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速度有利于減緩強化相的粗化、提升接頭硬度。

UWFSW技術介質(zhì)直接與高溫焊接材料接觸，導致焊縫污染。為避免此問題，Niu等[52]提出了一種水路銅壓板強制冷卻技術，強制冷卻FSW工藝原理如圖25所示。Niu等[52]的研究結(jié)果表明，強制冷卻的FSW接頭抗拉強度和伸長率都有明顯提高（如圖26所示），主要是由于水冷細化了各區(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)高強結(jié)構材料，具有廣泛的應用前景;但在傳統(tǒng)熔化焊接過程中，由于熱輸入高，容易導致Li元素揮發(fā)、形成不良化合物、引起裂紋等顯著問題。而FSW技術在一定程度上能避免這些問題，且能耗低、綠色環(huán)保、自動化程度高，被譽為繼激光焊后又一次革命性的焊接技術[53]。本文主要綜述了Al-Li-Cu、Al-Cu-Li、Al-Mg-Li合金的FSW研究進展?？偨Y(jié)表明，Al-Li合金FSW接頭各區(qū)域力學性能主要取決于由熱輸入量和機械力耦合引起的缺陷分布、晶粒尺寸、析出行為、織構強度、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/前進速度的比值，對接頭的力學性能起著決定性的影響;在選擇合適的熱輸入量之基礎上，對合金進一步熱處理，能優(yōu)化晶粒分布及析出行為，調(diào)控接頭的強度及塑性。

目前，針對Al-Li合金開拓新的FSW技術，比如攪拌摩擦點焊以及水下攪拌摩擦焊接等技術，是重要的研究方向之一;由于焊接缺陷的不可避免特性，對于Al-Li合金焊接缺陷定量評價和修復的研究比較匱乏，也需引起更細致的關注;此外，將Al- Li合金與異種金屬進行FSW焊接，具有特定的工程應用背景，該方面也值得進行深入研究。

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