鋁鋰合金攪拌摩擦焊接頭性能分析

何文博

凌海市不動產(chǎn)登記中心，遼寧凌海，121200

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)制造中，鋰元素是制造低密度高強度合金的首選材料，將鋰元素作為合金元素添加到金屬鋁中就能形成一種新材料：鋁鋰合金。鋁鋰合金被廣泛應用于制造低密度、高比強度和高比剛度的材料，其耐腐蝕性能、耐疲勞性能、耐低溫特性等諸多優(yōu)點也使鋁鋰合金在航空航天建造業(yè)中成為越來越常見的原材料。其中，攪拌摩擦焊簡稱FSW焊接，在低熔點鋁鋰合金焊接中，攪拌摩擦焊接頭的性能遠優(yōu)于傳統(tǒng)的熔焊接頭，因此在航天領域中，人們通常會使用FSW焊接鋁鋰合金。

1 鋁鋰合金焊接特性分析

對鋁鋰合金材料進行分類的主要依據(jù)是其材料性質(zhì)和焊接特性，通常有1系、2系、8系，其各自的元素組成有所不同，在實際應用中表現(xiàn)出來的力學性能也就大不相同，目前在攪拌摩擦焊方面進行研究主要使用的是2系的鋁鋰合金，目前有關鋁鋰合金攪拌摩擦焊接的研究主要集中在2系鋁合金上，如2195、2198、2A97等。鋰的密度僅有0.534g/cm3，是密度最小的金屬，而鋁鋰合金中每添加1%的鋰元素就能使合金的密度降低3%，彈性模量增加6%，形成的鋁鋰合金如2195鋁鋰合金相比傳統(tǒng)使用的鋁銅合金結構重量降低10%-20%，結構剛度提升15%-20%。

鋁的化學活潑性相對較強，其合金材料亦是如此，而鋁與鋰在物理性能上則存在較大差異，具體來講鋁的熔點比鋰高出許多，熱傳導率也高于鋰，但鋰的線膨脹系數(shù)是鋁的兩倍之多，這就使得鋁鋰合金的焊接難度大大增加了。除此之外，鋁鋰合金在熔焊時還存在許多問題，如焊接氣孔、焊接熱裂紋、接頭弱化等，大多數(shù)鋁鋰合金在焊接時都非常容易出現(xiàn)焊接氣孔和接頭弱化，這樣的鋁鋰合金在熔焊后接頭強度遠低于母材金屬，各方面的性能都難以達標，進而導致其在實際結構建造中無法充分發(fā)揮優(yōu)勢[1]。熔焊過程中鋰的揮發(fā)、焊接接頭產(chǎn)生的殘余應力都是導致接頭性能降低的主要原因。本文研究的攪拌摩擦焊接是一種不易發(fā)生金屬熔化現(xiàn)象的焊接方法，針對你鋁鋰合金這樣熔點差異大的合金，F(xiàn)SW在最高溫度達到母材熔化溫度80%時，金屬都只發(fā)生塑性流動，而沒有產(chǎn)生鋰元素揮發(fā)的問題，焊接接頭中的殘余應力相應降低，焊接熱裂紋發(fā)生的概率也就大大降低了。

2 鋁鋰合金攪拌摩擦焊工藝

在鋁鋰合金焊接中，熱輸入量的控制是關鍵，攪拌摩擦焊接工藝能夠在鋁鋰合金材料焊接中得到廣泛使用也正是得益于其較低的熱輸入量，焊接材料不會在焊接過程中發(fā)生熔化，金屬只保持到塑性流動狀態(tài)能夠避免鋰元素的揮發(fā)，能夠提高焊接的成功率。在焊接過程中，攪拌摩擦焊接的熱輸入量受到摩擦系數(shù)、焊接壓力、軸肩直徑、攪拌針直徑、攪拌頭轉速、焊接速度等多個數(shù)值的影響，對其相互之間的關系進行分析后可得出以下結論。

當攪拌頭、摩擦系數(shù)與焊接壓力相同時，攪拌頭的轉速越低，焊接熱輸入量也就越低，同時焊接速度也就越慢，那么就可以用攪拌頭轉速與焊接速度的比值表示焊接熱輸入量的大小，其比值通常稱作“熱輸入因子”。這一參數(shù)在實際操作中還會受到鋁鋰合金板材厚度的影響，而鋁鋰合金不同牌號之間的差異卻并不大。說明熱輸入因子數(shù)值的大小除了控制攪拌頭轉速與焊接速度，還應當根據(jù)鋁鋰合金板材的厚度做相應的調(diào)整。以4mm厚度的鋁鋰合金板材為例，其焊接旋轉速度也相應地控制在600～1200r/min，此時的熱輸入因子在3～15之間；而焊接板的厚度小于3mm時，焊接旋轉速度也就相應提高到了1500～2000r/min，此時的熱輸入因子為7～14之間。盡管熱輸入因子是攪拌摩擦焊接工藝中一項重要的工藝參數(shù)指標，但靠這一數(shù)值對實際焊接操作技術進行調(diào)整仍然是較為片面的。

上述論述中提到的攪拌針直徑與軸肩直徑對熱輸入數(shù)值產(chǎn)生的影響也是不可忽視的，在實驗中發(fā)現(xiàn)接頭材料的流動性數(shù)值也受到熱輸入的影響，通常來講外觀設計有明顯螺紋的攪拌頭配合制作了凹槽的軸肩能夠將金屬塑形流動的性能發(fā)揮出更好的效果。在焊接過程中選擇規(guī)格符合要求的攪拌針，對攪拌針與軸肩的直徑等儲存系數(shù)進行優(yōu)化，同時調(diào)整焊接傾角，能夠使焊接材料的塑性流動性得到很大改善，能夠使接頭質(zhì)量得到提高，這對于鋁鋰合金攪拌摩擦焊的工藝技術提升有很大幫助。

3 鋁鋰合金攪拌摩擦焊接頭室溫力學性能

本節(jié)分析中選用的材料來自2195-T8鋁鋰合金，重點研究在室溫環(huán)境下攪拌摩擦焊接頭的力學性能，通過對焊接頭使用的母材進行拉伸試驗來對其屈服強度和抗拉強度進行量化，并計算其伸長率，以備后續(xù)分析對比使用。在拉伸過程中，實驗樣品的彈性變形階段表現(xiàn)幾乎是一條直線，這也就表示其材料在拉伸發(fā)生屈服過后仍然能夠保持較好的塑性變形，但抗拉強度達到最大時，樣品先是發(fā)生了一定的頸縮，而后斷裂。在此實驗的基礎上，本文以2195-T8鋁鋰合金為例，采用攪拌摩擦焊接實驗的方式對攪拌摩擦焊接頭的室溫力學性能、室溫斷裂行為、低溫力學性能、低溫斷裂行為進行了分析。

3.1 接頭的室溫力學性能

實驗中準備了三份2195-T8鋁鋰合金樣品，其中一份不對焊接表面進行任何預處理，另外兩份分別進行常規(guī)預處理和攪拌摩擦焊接預處理（FSP），焊接實驗完成后，三份樣本的焊核內(nèi)部都沒有出現(xiàn)明顯的缺陷，采用不同的焊接預處理方式并沒有對接頭的質(zhì)量造成明顯影響[2]。但在焊接中，通過對屈服強度、抗拉強度、伸長率與焊接效率的持續(xù)記錄并分析后，發(fā)現(xiàn)三份樣品材料的拉伸性能均隨著走速提升而升高，屈服強度也隨之增加；但三份材料中只有使用FSP進行處理的材料的抗拉強度與走速變化呈正比。未處理的材料在走速提升至300 mm/min時，抗拉長度與伸長率開始大幅度降低，而常規(guī)處理的材料則抗拉長度沒有明顯變化，僅伸長率略微下降。

通過繪制三份材料的工程應力應變曲線，并進行對比分析，可以發(fā)現(xiàn)三份材料的彈性模量之間并沒有明顯差異。但相比于未經(jīng)處理的材料，常規(guī)處理的材料在伸長率與抗拉強度上有更好的表現(xiàn)。需要注意的是使用FSP處理的材料與常規(guī)處理的材料中并沒有提前斷裂的個別樣本，而未經(jīng)處理的樣本中有一份鋁鋰合金過早斷裂了，據(jù)分析是受走速過高的影響。由此可以證明攪拌摩擦焊接頭在室溫下?lián)碛懈玫目估瓘姸?，其屈服強度與伸長率也更加理想，在走速提升的情況下仍能保證接頭質(zhì)量。

3.2 接頭的室溫斷裂行為

通常來講，接頭的斷裂位置是整個接頭中最為薄弱的部分，也就是整個接頭中硬度最低的區(qū)域，這一處在拉伸過程中也會率先發(fā)生塑性形變，導致斷裂。通過對斷裂試驗進行記錄分析后發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)處理的材料在焊接過程中受到加熱影響，材料的薄弱部分的沉淀發(fā)生粗化與溶解的速度更快，熱影響區(qū)內(nèi)的部分軟化速度也更快些，因此在未經(jīng)處理的材料中過早斷裂的情況明顯多于另外兩份樣本材料。而常規(guī)處理的材料在斷裂試驗中的表現(xiàn)明顯優(yōu)于未經(jīng)處理的材料，其斷裂模式具體分析來看是斷裂處的沉積連接不夠強，導致這一處相對較為薄弱。

未經(jīng)處理的材料與常規(guī)處理的材料的斷裂可以大致分為低硬度區(qū)斷裂類型，盡管常規(guī)處理材料在力學性能上已然優(yōu)于未經(jīng)處理的材料，但在較為接近的熱輸入量情況下（指走速升高后的高熱輸入量情況），兩種焊接樣品的斷裂模式也并沒有呈現(xiàn)出較大的差異，但常規(guī)處理的材料的性能卻仍舊明顯優(yōu)于未經(jīng)處理的樣本材料，這表明經(jīng)過一定處理后再進行焊接能夠使材料表面的氧化物顆粒含量減少，進而降低微裂紋的形成，對于防止材料提前斷裂有明顯作用。那么經(jīng)過更加先進的FSP處理的材料則在低硬度區(qū)的強度上更是明顯優(yōu)于另外兩份材料，其樣品沒有發(fā)生提前斷裂現(xiàn)象，斷裂位置也處于后退側低硬度區(qū)，不難看出其屈服強度與抗拉強度都隨著走速升高而逐漸升高。

4 鋁鋰合金攪拌摩擦焊接頭低溫力學性能

本節(jié)中的分析仍然是以2195-T8鋁鋰合金材料為例，在低溫環(huán)境下對母材和接頭的屈服強度、抗拉強度、伸長率、焊接效率、斷裂模式等進行了分析，選取的三份材料處理方式與室溫實驗環(huán)境的相同，通過對其力學性能進行記錄并分析后發(fā)現(xiàn)，在低溫環(huán)境下，母材的強度明顯高于室溫。本次實驗在與室溫實驗數(shù)據(jù)結果進行對比后計算了抗拉強度增強率，發(fā)現(xiàn)低溫環(huán)境的母材抗拉強度增加了16.6%，斷裂試驗中，材料的斷口也出現(xiàn)了新的斷裂模式。

4.1 接頭的低溫力學性能

低溫環(huán)境下，材料的工程應力應變曲線與室溫環(huán)境的差距較小，變化曲線隨焊接參數(shù)變化的趨勢也與室溫環(huán)境的基本類似，而未經(jīng)處理的材料在低溫環(huán)境中伸長率有明顯降低，且發(fā)生了過早斷裂，其抗拉強度明顯下降，斷裂位置也發(fā)生了變化。使用FSP處理的材料在低溫環(huán)境下隨著走速升高，焊接效率也有所增加，焊接效率的增幅也不斷增加。對此現(xiàn)象分析后推測是由于低溫環(huán)境下，接頭的穩(wěn)定性較室溫更高，因此焊接效率的增幅也更大。

4.2 接頭的低溫斷裂行為

使用FSP處理的接頭在室溫環(huán)境與低溫環(huán)境下的斷裂模式變化也有不同，對其斷裂位置和斷裂處的結構分析后發(fā)現(xiàn)，低溫環(huán)境下FSP處理過的材料呈現(xiàn)典型的韌性斷裂，其接頭的性能能夠在焊接中保持較好的一致性，同時隨著走速升高，熱輸入量減少，低溫環(huán)境下，F(xiàn)SP處理的材料的抗拉強度逐漸上升。低溫環(huán)境下未經(jīng)處理的材料仍然發(fā)生了過早斷裂問題，性能受到影響后伸長率降低，焊接效率與室溫環(huán)境對比并沒有明顯改善。在低溫環(huán)境下，材料中原本的低硬度區(qū)的硬度其實是有所提升的，這也就使得實驗中出現(xiàn)了低溫環(huán)境下不同樣品的斷裂位置發(fā)生了改變，并非都是室溫環(huán)境下的后退側區(qū)域斷裂。FSP處理的材料在低溫環(huán)境下會在焊核區(qū)斷裂，但其接頭的性能卻仍能保持較好的穩(wěn)定性，這便證明FSP處理的材料在實際應用中將會由于另外兩種材料，表明FSP處理方式和攪拌摩擦焊接頭無論在室溫環(huán)境還是在低溫環(huán)境都確實具有一定的優(yōu)勢。

5 軸肩下壓量對接頭力學性能的影響

軸肩下壓量在逐漸增加的過程中對接頭的力學性能也會產(chǎn)生明顯影響，具體表現(xiàn)為當軸肩下壓量從0mm逐漸增加到 0.2mm時，接頭的抗拉強度與延伸率均先增大后減小，其接頭抗拉強度與延伸率的峰值均出現(xiàn)在軸肩下壓量為0.1mm時，這一數(shù)據(jù)在實際焊接操作中參考作用明顯[3]。由此也可以分析得出，在焊接中適當增加軸肩下壓量能夠使接頭的拉伸性能有所提高，但若下壓量過大則也會起到反作用。那么得出結論，在緩慢增加軸肩下壓量的過程中，母材的金屬塑性流動分別在前進側區(qū)域與后退側有所體現(xiàn)，與此同時接頭的力學性能有明顯提升，接頭質(zhì)量變得更加緊密。

6 工藝參數(shù)對鋁鋰合金攪拌摩擦焊接頭力學性能的影響

攪拌摩擦焊接的工藝參數(shù)有旋轉頻率、焊接速度、旋轉速度與焊接速度的比值（即熱輸入因子）、抗拉強度，本節(jié)仍以2195-T8鋁鋰合金材料為例，選擇的材料厚度為5mm，研究其隨著工藝參數(shù)變化，接頭的抗拉性能與硬度的變化，探討其力學性能。

6.1 工藝參數(shù)對接頭抗拉強度的影響

6.1.1 攪拌頭旋轉頻率對接頭力學性能的影響

實驗中將焊接速度固定在200mm/min，記錄旋轉頻率分別為400r/min、600 r /min、800r/min、1000r/min、1200r/min時的抗拉強度，對實驗數(shù)據(jù)進行分析后發(fā)現(xiàn)，隨著旋轉頻率增加，接頭的抗拉強度先是顯著上升，最大值出現(xiàn)在600 r/min處，為432.8 MPa，繼續(xù)將旋轉頻率提高則抗拉強度開始下降，旋轉頻率升高至800r/min后抗拉強度下降趨勢更加明顯。分析其成因，是由于熱輸入量不斷增大，導致材料上的薄弱區(qū)軟化程度加重，整個材料的強度也就隨之降低。

6.1.2 攪拌頭焊接速度對接頭力學性能的影響

通過記錄焊接速度為100mm/min、150mm/min、200mm/min、250mm/min、300mm /min時，材料的抗拉強度數(shù)據(jù)并進行分析，發(fā)現(xiàn)隨著焊接速度的提升，材料的抗拉強度先是增加，而后降低，分水嶺出現(xiàn)在200mm/min處，這時材料的抗拉強度達到最大值，此后抗拉強度顯著下降。對此將焊接速度對接頭抗拉強度產(chǎn)生的影響分兩層進行分析，一是在焊接速度尚未達到200mm/min時，其抗拉強度與焊接速度是呈正比例的，焊接速度越快那么抗拉強度也越強；二是焊接速度超過200mm/min并持續(xù)增加時，接頭的抗拉強度與焊接速度轉為呈反比例趨勢，先是隨速度增加而緩慢降低，焊接速度持續(xù)攀升到超過250mm/min，材料的抗拉強度迅速降低。

6.2 工藝參數(shù)對接頭硬度的影響

以一塊2195-T8鋁鋰合金材料為例，其焊縫兩側與焊縫中心處的中間區(qū)域中存在一個硬度明顯不足的區(qū)域，這一區(qū)域的面積與具體的硬度水平也是受焊接參數(shù)影響的。將材料的不同位置分為焊核區(qū)與熱影響區(qū)，不難發(fā)現(xiàn)焊核區(qū)的微觀硬度明顯低于熱影響區(qū)[4-5]，交界處硬度變化更加劇烈，但就整塊材料來看，接頭的硬度比母材低。具體來講，其硬度數(shù)值繪制成折線圖后大致呈一個并不對稱的“W”形，其中前進側硬度更高，因此也就能解釋為何在不同溫度的性能試驗中，室溫下經(jīng)過FSP處理的材料斷裂出現(xiàn)在其后退側。

將旋轉頻率固定在600r/min，對焊接速度為100mm/min、150mm/min、250 mm /min時的顯微維式硬度記錄并分析。發(fā)現(xiàn)隨著焊接速度提升，熱輸入量降低，焊核區(qū)的硬度會呈明顯增長趨勢。而隨著焊核區(qū)溫度降低，焊核區(qū)的動態(tài)回復再結晶的作用減弱，導致焊核區(qū)位錯密度大于熱輸入較大的情況發(fā)生。這便得出結論：隨著熱輸入量的降低，材料中部分區(qū)域的硬度將會升高。

7 結語

攪拌摩擦焊接應用在鋁鋰合金材料上有得天獨厚的優(yōu)勢，通過研究其接頭的各方面性能，研究在實踐中采用不同的工藝參數(shù)會對焊接頭的力學性能產(chǎn)生什么樣的影響，研究在室溫與低溫環(huán)境下焊接頭的力學性能將會發(fā)生怎樣的變化，希望有助于工業(yè)制造中對焊接的熱輸入進行有效控制，能夠使焊接接頭具有更優(yōu)異的力學性能。鋁鋰合金本身作為一種新型材料，通過不斷研究實踐使其在工業(yè)制造中發(fā)揮更大作用，一方面能夠推動工業(yè)制造業(yè)進步，一方面也能為新材料的研發(fā)提供方向。