鋁合金線性摩擦焊研究現(xiàn)狀

何光進(jìn)，李川，吳廈，李昊瑜，陳大軍，付揚(yáng)帆，劉正濤，代野，莫非，江波

鋁合金線性摩擦焊研究現(xiàn)狀

何光進(jìn)1，李川1，吳廈2，李昊瑜2，陳大軍2，付揚(yáng)帆2，劉正濤2，代野2，莫非2，江波2

（1.海軍裝備部駐廣州地區(qū)軍事代表局，廣州 510200；2.西南技術(shù)工程研究所，重慶 401329）

線性摩擦焊作為一種新型的固相焊接技術(shù)，熱輸入低、焊接應(yīng)力小，適合于鋁合金的焊接。介紹了線性摩擦焊的工作原理，主要綜述了鋁合金線性摩擦焊數(shù)值模擬、微觀組織和力學(xué)性能等3個(gè)方面的研究進(jìn)展。在此基礎(chǔ)上，著重介紹了摩擦壓力、焊接時(shí)間及振動(dòng)頻率等工藝參數(shù)對(duì)鋁合金線性摩擦焊微觀組織和力學(xué)性能的影響，介紹了工藝參數(shù)對(duì)鋁合金與不銹鋼、純銅、鎂合金等異種金屬線性摩擦焊微觀組織、力學(xué)性能及金屬間化合物種類和分布的影響。最后，對(duì)鋁合金線性摩擦焊在數(shù)值模擬、接頭性能及金屬間化合物調(diào)控方面存在的不足進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)其主要發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

鋁合金；線性摩擦焊；模擬研究；異種金屬

鋁合金具有較高的比強(qiáng)度和比剛度，作為輕量化結(jié)構(gòu)材料在航空航天、武器裝備、船舶工業(yè)、汽車制造等方面得到了廣泛的應(yīng)用。鋁合金具有熔點(diǎn)低、線膨脹系數(shù)大及導(dǎo)熱性好等特點(diǎn)，采用傳統(tǒng)熔焊方法進(jìn)行焊接時(shí)，易產(chǎn)生熱裂紋、氣孔、夾雜和變形等問(wèn)題，嚴(yán)重影響焊接件的使用壽命。線性摩擦焊（liner friction welding，LFW）作為一種新型固相焊連接技術(shù)，以摩擦熱為熱源，可有效避免或減少熔焊所帶來(lái)的問(wèn)題，已應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤的加工與維修中[1-2]。目前，LFW的研究主要集中在鈦合金[3-5]、高溫合金[6-8]、鋼[9-10]3個(gè)方面，現(xiàn)有鋁合金LFW研究所取得的相關(guān)成果顯示，該工藝非常適合鋁合金的焊接，對(duì)于不同類型的鋁合金，通過(guò)控制焊接壓力、振動(dòng)頻率及焊接時(shí)間等工藝參數(shù)可以達(dá)到降低熱輸入的目的，進(jìn)而獲得良好的焊接接頭，此外，鋁合金與不銹鋼、鎂合金和銅等異種金屬的LFW也能獲得力學(xué)性能良好的接頭。文中對(duì)鋁合金LFW研究現(xiàn)狀進(jìn)行了簡(jiǎn)要闡述。

1 LFW的原理和特點(diǎn)

圖1為L(zhǎng)FW原理示意圖，對(duì)于LFW的2個(gè)待焊工件，一件被夾持在做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)端，另一件被夾持在移動(dòng)端，移動(dòng)端工件逐漸向振動(dòng)端工件靠攏，接觸后振動(dòng)端工件做往復(fù)周期的直線摩擦運(yùn)動(dòng)，接觸端面逐步增大，接觸端面金屬隨溫度逐步升高變?yōu)轲に苄誀顟B(tài)，在頂鍛力和摩擦力的共同作用下，接觸面周圍擠出黏塑性飛邊，當(dāng)達(dá)到合適狀態(tài)時(shí)，振動(dòng)端停止振動(dòng)，施加頂鍛力并保壓一定時(shí)間，直至形成良好的焊接接頭[11-12]。

圖1 LFW原理示意圖[11]

LFW主要有以下特點(diǎn)：（1）適用范圍廣，能夠焊接多邊形截面的同種或異種合金，可實(shí)現(xiàn)非回轉(zhuǎn)體的焊接；（2）焊接接頭質(zhì)量高，無(wú)熔焊接頭的氣孔、夾雜、裂紋等凝固缺陷；（3）可適用于超細(xì)晶材料等熱敏感材料的焊接；（4）焊接設(shè)備成本相對(duì)高昂，應(yīng)用范圍受到限制，目前其生產(chǎn)應(yīng)用僅限于鈦合金整體葉盤的焊接。

2 鋁合金LFW的數(shù)值模擬研究

通過(guò)數(shù)值模擬可以對(duì)鋁合金LFW傳質(zhì)傳熱、殘余應(yīng)力等方面進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，通過(guò)試驗(yàn)與數(shù)值模擬的結(jié)合可以獲得數(shù)值模擬與工藝的匹配性關(guān)系，進(jìn)而形成鋁合金LFW的工藝準(zhǔn)則。Adrian等[13]通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值分析，研究了焊接界面周圍的硬度和溫度分布，結(jié)果表明，通過(guò)改變高頻LFW摩擦壓力，可以減小熱力影響區(qū)（TMAZ）的厚度，從而減小鋁合金LFW接頭軟化區(qū)寬度。圖2為AA6063接頭在不同壓力下的焊縫硬度分布，從硬度分布情況來(lái)看，AA6063高頻LFW中，當(dāng)焊接壓力從30 MPa減小到7 MPa時(shí)，接頭軟化的TMAZ厚度從2～3 mm減小至1 mm左右，其機(jī)理是通過(guò)減小摩擦壓力可以減少熱輸入，進(jìn)而促進(jìn)TMAZ區(qū)變窄。

圖2 AA6063接頭在7 MPa和30 MPa下界面處的硬度分布[13]

Song等[14]對(duì)AA2024的LFW焊后殘余應(yīng)力進(jìn)行了研究。首次采用了完全耦合的隱式熱力分析方法，通過(guò)半自動(dòng)重劃分網(wǎng)格控制單元變形，獲得的殘余應(yīng)力模擬結(jié)果與同步輻射X射線衍射試驗(yàn)測(cè)試得到的數(shù)值較為符合，進(jìn)而提出了描述LFW件中殘余應(yīng)力分布的函數(shù)。圖3為AA2024的LFW殘余應(yīng)力擬合模型，該模型有助于預(yù)測(cè)最大應(yīng)變的位置及大小，僅需4個(gè)數(shù)據(jù)即可獲得函數(shù)中的所有參數(shù)，并且可以根據(jù)確定的模型快速得到最大應(yīng)變的位置及大小。

圖3 AA2024的LFW殘余應(yīng)力擬合模型[14]

Buffa等[15]確定了AA2011–T3鋁合金LFW的三維數(shù)值模型界面溫度與摩擦因子的關(guān)系。圖4a中圓點(diǎn)代表6種不同的“振動(dòng)頻率–摩擦壓力”參數(shù)，在該參數(shù)下進(jìn)行的試驗(yàn)均獲得了良好的焊接接頭。這些試驗(yàn)參數(shù)下與的關(guān)系見(jiàn)圖4b，其中界面溫度通過(guò)熱電偶進(jìn)行采集，摩擦因子為剪切應(yīng)力與剪切屈服應(yīng)力的比值，剪切應(yīng)力與焊接壓力和接觸面積相關(guān)，剪切屈服應(yīng)力為溫度和應(yīng)變的函數(shù)。利用圖4a中2個(gè)交叉點(diǎn)代表的工藝參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果的溫度與熱電偶采集的溫度進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)兩者結(jié)果相差約5%，驗(yàn)證了數(shù)值模型的準(zhǔn)確性，為未來(lái)鋁合金LFW焊接過(guò)程中力學(xué)分析和焊接機(jī)理分析提供了支撐。

圖4 摩擦因子m與溫度T的擬合過(guò)程[15]

Yamileva等[16]采用LFW的簡(jiǎn)化模型，研究了AA2024和Ti6Al4V夾持高度對(duì)LFW結(jié)果的影響，研究發(fā)現(xiàn)，均勻分布的焊縫溫度場(chǎng)有利于提高接頭質(zhì)量。對(duì)于Ti6Al4V，較小的夾持高度可以使溫度差異更?。欢鴮?duì)于AA2024，較大（10～15 mm）的夾持高度能夠獲得更加均勻的溫度場(chǎng)。Buffa等[17]研究了不同焊接試樣尺寸對(duì)鋁合金LFW的影響，并提出了不同試樣尺寸的LFW接頭設(shè)計(jì)規(guī)則。圖5為焊接結(jié)束時(shí)不同尺寸大小的試樣溫度場(chǎng)分布，由圖5可以看出，下部試樣尺寸一致，上部試樣尺寸不同，這會(huì)導(dǎo)致焊接界面的溫度存在明顯差異。材料溫度較低時(shí)，材料流動(dòng)應(yīng)力較低，導(dǎo)致焊接質(zhì)量降低。當(dāng)材料具有較大流動(dòng)應(yīng)力時(shí)，尺寸較小的上部試樣應(yīng)使用較硬材料，下部試樣最好使用較軟材料。Gianluca等[18]在此基礎(chǔ)上研究了AA6082的LFW接頭質(zhì)量與振動(dòng)頻率、摩擦壓力的關(guān)系，通過(guò)建立數(shù)據(jù)庫(kù)并結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)焊接的穩(wěn)定性，研究表明，數(shù)值結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有較好的吻合性。

圖5 焊接結(jié)束時(shí)不同尺寸大小的試樣溫度場(chǎng)分布[17]

Jiao等[19]通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬建立了鎳/鋁LFW的原子模型，研究了LFW中表面粗糙度和焊接過(guò)程中孔隙閉合的規(guī)律，結(jié)果表明，由于鎳硬度較鋁高，鎳粗糙的表面可能會(huì)影響焊縫的最終結(jié)構(gòu)。在摩擦階段，較軟鋁側(cè)中的孔隙通過(guò)原子擴(kuò)散閉合，而較硬的鎳側(cè)孔隙則通過(guò)頂鍛階段界面變形進(jìn)行閉合。圖6為鎳/鋁LFW中鋁表面粗糙時(shí)分子動(dòng)力學(xué)模擬過(guò)程，其中藍(lán)色（左）為鎳，黃色（右）為鋁。

圖6 鎳/鋁LFW中鋁表面粗糙時(shí)分子動(dòng)力學(xué)模擬過(guò)程[19]

3 鋁合金LFW的微觀組織和力學(xué)性能

LFW具有熱輸入低的特性，適合于鋁合金的焊接，而焊接工藝對(duì)接頭微觀組織和力學(xué)性能有著極大的影響，在LFW中主要涉及的工藝參數(shù)有振動(dòng)頻率、摩擦壓力、焊接時(shí)間、焊前刻蝕工藝和振幅等，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)展開(kāi)了鋁合金LFW工藝參數(shù)對(duì)焊接質(zhì)量影響的初步研究。

Kiseleva等[20-21]對(duì)Al–Cu–Mg鋁合金LFW進(jìn)行了研究，得到的焊縫無(wú)宏觀缺陷，且具有較高的強(qiáng)度。由于發(fā)生了強(qiáng)烈的塑性變形，焊縫中心晶粒為超細(xì)晶，同時(shí)焊縫區(qū)域位錯(cuò)密度增加，經(jīng)過(guò)均質(zhì)化處理后，焊縫中心產(chǎn)生了Al–Cu–Mn相金屬間化合物，其以固溶體的形式彌散分布，該區(qū)域硬度較高，圖7為Al–Cu–Mg鋁合金LFW接頭及焊縫組織形貌。Ivanov等[22]對(duì)Al–Cu–Li鋁合金LFW的研究表明，添加Mg元素可以促進(jìn)焊縫組織中富銅簇大沉淀物的形成。Gumbmann等[23]研究了Mg元素含量對(duì)Al–Cu–Li鋁合金LFW過(guò)程中析出物沉淀動(dòng)力學(xué)的影響，結(jié)果表明，Mg元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)大約為0.1%～ 0.2%時(shí)，可以顯著加速析出物沉淀動(dòng)力學(xué)過(guò)程并提高接頭強(qiáng)度。

圖7 Al–Cu–Mg鋁合金LFW接頭及焊縫中心組織形貌[20]

LFW能夠減小焊接熱影響帶來(lái)的晶粒長(zhǎng)大，適合于焊接超細(xì)晶材料。Or?owska等[24]首次通過(guò)LFW技術(shù)焊接AA1070超細(xì)工業(yè)純鋁，結(jié)果表明，超細(xì)晶粒未得到保存，焊縫區(qū)域晶粒由原始平均晶粒尺寸的1 μm增大至1.6～2 μm，接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到142～ 152 MPa，為母材強(qiáng)度的83%～90%，表明LFW在焊接超細(xì)晶鋁合金上具有很大潛力。但Or?owska等并未找到最佳的工藝參數(shù)，接頭存在未焊合等缺陷，仍需進(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。為了增大焊合區(qū)域，馬鐵軍等[25]提出增加LFW振幅這一工藝參數(shù)來(lái)增大焊合區(qū)域。對(duì)LC9超硬鋁進(jìn)行LFW工藝試驗(yàn)研究，得到的焊縫抗拉強(qiáng)度為590～620 MPa，達(dá)母材的84%～ 88%，具有良好的抗拉性能，但從接頭整體來(lái)看，焊合率最大只有51%，這是因?yàn)楹讣佑|端面邊緣加熱不足，導(dǎo)致焊合區(qū)域較小，在焊接過(guò)程中適當(dāng)增加振幅能夠提升接頭的焊合率。

Xie等[26]研究了AA2050和AA7010鋁合金LFW接頭的微觀組織和力學(xué)性能，并討論了接頭析出物對(duì)接頭強(qiáng)度的影響，AA2050接頭屈服強(qiáng)度約為母材的62%，這主要是由于焊接過(guò)程中組織發(fā)生了再結(jié)晶以及母材中主要強(qiáng)化相T和θ'的溶解導(dǎo)致接頭強(qiáng)度較低，AA7010接頭屈服強(qiáng)度約為母材的83%，這是主要由于焊縫中心組織發(fā)生了幾乎完全再結(jié)晶和TMAZ中發(fā)生了部分組織再結(jié)晶，雖然通過(guò)晶粒細(xì)化可以提高接頭的強(qiáng)度，但不足以彌補(bǔ)因析出物η'和β'強(qiáng)化相的溶解而導(dǎo)致的接頭強(qiáng)度損失。

鋁合金LFW中摩擦壓力和振動(dòng)頻率這2個(gè)工藝參數(shù)對(duì)焊接質(zhì)量有著重要影響。Fratini等[27]研究了AA6082–T6鋁合金LFW的工藝窗口，AA6082–T6鋁合金在固定振動(dòng)頻率下，工藝窗口很窄，過(guò)低的摩擦壓力導(dǎo)致焊接時(shí)熱輸入不足，但過(guò)高的摩擦壓力使接頭在焊接初期過(guò)度燒蝕而失效。圖8為不同工藝參數(shù)下溫度與時(shí)間的關(guān)系，由圖8可知，在“58 Hz（振動(dòng)頻率）–30 MPa（摩擦壓力）–20.28 kW/mm2（單位面積功率）”工藝條件下得到的接頭無(wú)未焊合和氧化物夾雜等焊接缺陷。沉淀強(qiáng)化AA6061鋁合金具有高溫?zé)崦舾行?，過(guò)高的熱輸入可能使沉淀強(qiáng)化相長(zhǎng)大，因此在極短焊接時(shí)間、高摩擦壓力及高振動(dòng)頻率的LFW工藝條件下能夠保存沉淀強(qiáng)化相。Won等[28]通過(guò)在固定振動(dòng)頻率下引入高摩擦壓力，并降低焊件接觸界面溫度，以達(dá)到抑制接頭軟化、使接頭硬度分布均勻的目的，在上述條件下接頭晶粒得到細(xì)化，同時(shí)沉淀強(qiáng)化相在焊縫中也得以保留。

圖8 不同“振動(dòng)頻率–摩擦壓力–單位面積功率”工藝條件下的溫度–時(shí)間關(guān)系[27]

高摩擦壓力有利于減少異種鋁合金LFW接頭中金屬間化合物的產(chǎn)生。Rotundo等[29]對(duì)AA2024鋁合金和AA2124/25%SiCp（體積分?jǐn)?shù)）復(fù)合材料（AA2124/ MMC）進(jìn)行了LFW工藝試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，焊縫在MMC側(cè)的Cu–Fe基金屬間化合物在185 MPa的高摩擦壓力下發(fā)生了大塑性變形，焊縫中金屬間化合物減少，增強(qiáng)顆粒分布未受到焊接工藝的影響，焊縫區(qū)域晶粒細(xì)化。AA2124/MMC在185 MPa的高摩擦壓力下的焊接接頭抗拉強(qiáng)度為433 MPa，可達(dá)AA2024母材的90%以上，圖9為焊縫界面顯微組織。

圖9 焊縫界面顯微組織[29]

振動(dòng)頻率和焊接時(shí)間也對(duì)鋁合金LFW焊接質(zhì)量有一定影響。Mogami等[30]對(duì)不同材料特性的AA5052與AA6063進(jìn)行了LFW研究。沉淀強(qiáng)化鋁合金AA6063熱敏感性高，在振動(dòng)頻率為250 Hz（較高，是傳統(tǒng)LFW的5倍）和焊接時(shí)間為0.4 s的工藝條件下進(jìn)行焊接時(shí)，由于較低的熱輸入不足以引起動(dòng)態(tài)再結(jié)晶及往復(fù)運(yùn)動(dòng)的大剪切變形，界面處晶粒細(xì)化為100 nm左右，焊縫保留了AA6063鋁合金的沉淀析出物，進(jìn)而提高了AA6063鋁合金的接頭強(qiáng)度，圖10a為焊接界面處的細(xì)化晶粒和在大剪切變形下的拉伸晶粒。AA5052屬于加工硬化鋁合金，熱敏感性低，延長(zhǎng)焊接時(shí)間有利于提升接頭力學(xué)性能。在低熱輸入條件下，2種材料的接頭都易產(chǎn)生缺陷，焊接質(zhì)量不穩(wěn)定，圖10b和c分別為AA6063和AA5052在低熱輸入條件下焊縫邊緣未焊合區(qū)域。

Medvedev等[31]研究了Al–Cu–Mg–Mn焊前刻蝕工藝對(duì)焊接質(zhì)量的影響，結(jié)果表明，不同刻蝕工藝對(duì)Al–Cu–Mg–Mn合金的LFW焊接質(zhì)量影響較小。在拉伸試驗(yàn)中，斷裂發(fā)生在TMAZ，刻蝕工藝能夠減小焊縫區(qū)域?qū)挾龋珜?duì)TMAZ的寬度、組織和顯微硬度影響不大。

圖10 焊縫界面晶粒與焊縫未焊合缺陷[30]

4 鋁合金與異種金屬LFW的微觀組織和力學(xué)性能

鋁合金與異種金屬的LFW接頭中會(huì)形成脆性金屬間化合物，這些脆性金屬間化合物會(huì)對(duì)接頭的力學(xué)性能產(chǎn)生很大影響，減小該影響是現(xiàn)在鋁合金與異種金屬LFW的主要研究方向。圖11為異種金屬LFW接頭各區(qū)域分布示意圖，LFW焊后接頭分為元素互擴(kuò)散區(qū)、再結(jié)晶區(qū)和熱力影響區(qū)[32]。

Matsuda等[33]發(fā)現(xiàn)AA5083與304不銹鋼高頻LFW（HFLFW）接頭處產(chǎn)生了Fe2Al5、FeAl6、FeAl3的亞穩(wěn)態(tài)Al–Fe金屬間化合物和Al–Mg–Cr化合物的脆弱反應(yīng)層，圖12為接頭界面結(jié)構(gòu)TEM圖，在HFLFW下焊接1 s后接頭處產(chǎn)生了金屬間化合物。為了減少鋁/鋼金屬間化合物和第二相的產(chǎn)生，進(jìn)一步控制摩擦壓力和摩擦?xí)r間[34]，AA5083和AA6063與304不銹鋼LFW接頭界面所產(chǎn)生的金屬間化合物層厚度均小于200 nm，AA5083/304的接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)AA5083鋁母材的94.9%，AA6063/304的接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)AA6063鋁母材的89.7%。

圖11 異種金屬LFW接頭各區(qū)域分布示意圖[32]

圖12 HFLFW焊接1 s后接頭界面處金屬間化合物[33]

鋁合金與鎂合金的LFW在接頭中形成了脆性金屬間化合物，導(dǎo)致接頭強(qiáng)度降低。根據(jù)Al–Mg二元相圖[35]可知，Al3Mg2和Al12Mg17兩種金屬間化合物均可在熔化溫度以下形成，Bhamji等[36]對(duì)AA6082/ AZ31的LFW進(jìn)行了研究，接頭拉伸斷口的X射線衍射分析結(jié)果表明，斷口處主要存在金屬間化合物Al12Mg17和Al3Mg2，這些脆性金屬間化合物是影響接頭質(zhì)量的主要原因；研究還發(fā)現(xiàn)，隨著摩擦壓力的增加，金屬間化合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從約0.09%減小至低于0.02%，但不能完全消除。

Wanjara等[37]和Dalgaard等[38]對(duì)AA6063與C10100純銅的LFW進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，增大摩擦壓力、減少往復(fù)循環(huán)次數(shù)、縮短焊接時(shí)間可最大限度地減少AlCu金屬間化合物的形成。圖13為HPLFW、低頻LFW（LPLFW）及爆炸焊（EW）的接頭界面金屬間化合物。鋁/銅LFW金屬間化合物相比鋁/銅EW少得多，TMAZ僅為鋁/銅EW的1/10，在雙金屬電連接器中HPLFW是更適合的焊接方法，由于HPLFW摩擦壓力大、頻率高及焊接時(shí)間短，其接頭金屬間化合物寬度相比于LPLFW也更窄。Bhamji等[39]對(duì)輸電線路使用的AA1050/C101的LFW進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，接頭具有良好的導(dǎo)電性能，同時(shí)其力學(xué)性能高于母材，界面處CuAl2金屬間化合物層小于1 μm，其產(chǎn)生的電位差難以檢測(cè)出來(lái)。Zhou等[40]研究了不同頂鍛壓力對(duì)AA5083/C101的LFW微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，在60 MPa低壓下，抗拉強(qiáng)度達(dá)到161 MPa，焊縫界面層狀金屬間化合物幾乎無(wú)法檢測(cè)到。不同頂鍛壓力對(duì)金屬間化合物的種類、尺寸和分布有著很大影響，進(jìn)而會(huì)影響接頭質(zhì)量，這是由于低頂鍛壓力更加利于Al–Cu金屬間化合物的機(jī)械混合，同時(shí)低頂鍛壓力對(duì)Al–Cu金屬間化合物的破碎更強(qiáng)，較低的熱輸入不足以促進(jìn)接頭Al和Cu之間的擴(kuò)散，相反，較高的壓力會(huì)導(dǎo)致形成層狀A(yù)l2CuMg脆性相，降低接頭力學(xué)性能。

Avettand–Fèno?l等[41]對(duì)AA2024/Cu的LFW進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)金屬間化合物有Al3Cu2、Al2Cu、AlCu、Al2Cu3、Al4Cu9，圖14為AA2024/Cu的LFW試樣拉伸斷口SEM圖。這些金屬間化合物導(dǎo)致接頭在拉伸試驗(yàn)中呈現(xiàn)出脆性斷裂，接頭屈服強(qiáng)度低于銅母材的50%。研究還發(fā)現(xiàn)，通過(guò)增加摩擦壓力、減少焊接時(shí)間和采用較短的往復(fù)摩擦運(yùn)動(dòng)路線等焊接工藝可以減少金屬間化合物的生成，并改變其分布狀態(tài)。馬鐵軍等[42]在AA5083鋁合金/T2純銅的LFW接頭界面發(fā)現(xiàn)擴(kuò)散層約2 μm厚，推斷其相關(guān)組成可能包含Al3Cu、Al2Cu、Al3Cu2、AlCu、Al3Cu4、Al2Cu3、Al4Cu9、AlCu3、AlCu4中的一種或多種，接頭抗拉強(qiáng)度為T2純銅的50%，表明金屬間化合物對(duì)接頭性能有重要影響。與Bhamji等[39]對(duì)鋁/銅LFW的研究相比，不同種類鋁合金與銅的LFW存在較大差異，需要對(duì)鋁/銅LFW進(jìn)行系統(tǒng)研究。

圖13 不同焊接方式下的界面金屬間化合物[37]

圖14 AA2024/Cu的LFW試樣拉伸斷口SEM圖[41]

5 結(jié)語(yǔ)與展望

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者逐步開(kāi)展了鋁合金（同種或異種鋁合金）LFW和鋁合金與不銹鋼、鎂合金及銅等異種金屬LFW的研究。對(duì)于鋁合金LFW，接頭抗拉強(qiáng)度可達(dá)母材的80%～90%以上，接近母材強(qiáng)度。異種鋁合金LFW和鋁合金與異種金屬LFW的接頭中必然會(huì)形成脆性金屬間化合物，這是影響接頭性能的主要因素，通過(guò)控制工藝參數(shù)能在一定程度上減少脆性金屬間化合物的影響，但難以完全消除。對(duì)同種鋁合金LFW的數(shù)值模擬已經(jīng)開(kāi)展了部分研究，其數(shù)值模型具有很高的準(zhǔn)確性，但針對(duì)鋁合金與異種金屬LFW的數(shù)值模擬研究還未展開(kāi)，考慮到不同材料的熱力性質(zhì)不同，鋁合金與異種金屬LFW的數(shù)值模擬將更為復(fù)雜，亟待展開(kāi)研究。鋁合金LFW研究主要涉及部分二系、五系和六系鋁合金，其他種類鋁合金LFW研究需要逐步展開(kāi)，以加快鋁合金LFW的應(yīng)用。

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Research Progress of Linear Friction Welding Applied in Aluminum Alloys

HE Guang-jin1, LI Chuan1, WU Xia2, LI Hao-yu2, CHEN Da-jun2, FU Yang-fan2, LIU Zheng-tao2, DAI Ye2, MO Fei2, JIANG Bo2

(1. Military Representative Bureau of the Naval Armament Department in Guangzhou, Guangzhou 510200, China; 2. Southwest Technology and Engineering Research Institute, Chongqing 401329, China)

Linear friction welding, as a new type of solid-phase welding technology, has low heat input and small welding stress, and is suitable for the welding of aluminum alloys. The paper introduces the working principle of linear friction welding and mainly reviews the research progress of numerical simulation, microstructure and mechanical properties of aluminum alloy linear friction welding, on the basis of which, it focuses on the effects of process parameters such as friction pressure, welding time and vibration frequency on the microstructure and mechanical properties of linear friction welding of aluminum alloys, besides, it also introduces the effects of process parameters on the microstructure, mechanical properties and types and distribution of intermetallic compounds in linear friction welding of such dissimilar metals as aluminum alloys, stainless steel, pure copper, magnesium alloys. Finally, the paper summarizes the shortcomings of numerical simulation, joint performance and intermetallic compound regulation in the research of aluminum alloy linear friction welding and prospects its main development direction.

aluminum alloy; linear friction welding; simulation studies; dissimilar metals

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.06.018

TG453；TG146.2+1

A

1674-6457(2022)06-0131-10

2021–12–01

何光進(jìn)（1983—），男，工程師，主要研究方向?yàn)樘胤N焊接技術(shù)。

吳廈（1994—），男，碩士，助理工程師，主要研究方向?yàn)榻饘贁嚢枘Σ梁浮?/p>

責(zé)任編輯：蔣紅晨