7xxx 高強(qiáng)鋁合金攪拌摩擦焊研究進(jìn)展

王龍權(quán),周海濤

(1.中國(guó)機(jī)械總院集團(tuán)哈爾濱焊接研究所有限公司，哈爾濱 150028；2.上海航天精密機(jī)械研究所，上海 201600)

0 前言

7xxx 高強(qiáng)鋁合金是以Zn 為主要合金元素的可熱處理強(qiáng)化鋁合金，在合適的熱處理?xiàng)l件下，其強(qiáng)度可媲美一些高強(qiáng)鋼，故稱(chēng)為高強(qiáng)鋁合金。7xxx 高強(qiáng)鋁合金具有低密度、高比強(qiáng)度、高比剛度、易成形及優(yōu)良的力學(xué)性能，被廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶制造和軌道交通等領(lǐng)域[1-3]。7xxx 高強(qiáng)鋁合金按合金元素可劃分為Al-Zn-Mg 系鋁合金[4]和Al-Zn-Mg-Cu 系鋁合金[5]，Zn 和Mg 元素起主要強(qiáng)化作用，Cu 元素主要是為了提高鋁合金的耐蝕性，但這些合金元素導(dǎo)致材料焊接性下降，故7xxx 高強(qiáng)鋁合金也稱(chēng)為高強(qiáng)難焊鋁合金。

攪拌摩擦焊（Friction stir welding,FSW）是英國(guó)焊接研究所（TWI）開(kāi)發(fā)的一種新型固相連接技術(shù)，該技術(shù)具有接頭質(zhì)量高、焊接變形小及焊接過(guò)程綠色無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，是鋁、鎂等合金優(yōu)選的焊接方法，在船舶、航空、航天等制造領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[6]。采用FSW 焊接7xxx 高強(qiáng)鋁合金時(shí)，可避免熔化焊中常見(jiàn)的凝固裂紋、變形、氣孔及合金元素?zé)龘p等冶金問(wèn)題，但也容易導(dǎo)致接頭出現(xiàn)弱結(jié)合、孔洞等焊接缺陷[7-8]；而接頭軟化、疲勞性能及耐蝕性問(wèn)題也是需要引起重視的。各專(zhuān)家學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究，以改善7xxx 高強(qiáng)鋁合金的焊接性，保證焊接接頭質(zhì)量，使其在各個(gè)領(lǐng)域得到充分的應(yīng)用。

該文就靜止軸肩攪拌摩擦焊（Stationary shoulder friction stir welding,SSFSW）、攪拌摩擦點(diǎn) 焊（Friction stir spot welding,FSSW）、回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊（Refilled friction stir spot welding,RFSSW）、可變轉(zhuǎn)速回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊（Variable rotation speed-refill friction stir spot welding,V-RFSSW）微攪拌摩擦焊、（Micro friction stir welding,μFSW）等FSW 技術(shù)進(jìn)行了介紹，主要研究了焊接缺陷、攪拌針形狀的選擇、接頭軟化特征、接頭疲勞性能及接頭耐蝕性等方面的內(nèi)容。

1 焊接缺陷

攪拌摩擦焊接頭缺陷可分為2 類(lèi)[9]：①表面缺陷，主要包括飛邊、匙孔、表面下凹、毛刺、起皮、背部黏連及表面犁溝等；②內(nèi)部缺陷，主要包括弱結(jié)合、未焊透、孔洞型缺陷（隧道型缺陷、孔洞及趾根缺陷）、和結(jié)合面氧化物殘留等。然而，這些缺陷的存在會(huì)惡化FSW 接頭的力學(xué)性能，學(xué)者們對(duì)此展開(kāi)了研究。

趙華夏等學(xué)者[10]研究了隧道缺陷及未焊透缺陷對(duì)7050 鋁合金FSW 接頭性能的影響，發(fā)現(xiàn)：根部未焊透缺陷比隧道缺陷對(duì)FSW 接頭性能的影響更大；下壓量對(duì)這2 種缺陷有重要影響，而攪拌針長(zhǎng)度對(duì)未焊透缺陷有重要影響。因此，控制攪拌針長(zhǎng)度和下壓量，有利于改善FSW 接頭的力學(xué)性能。Xu 等學(xué)者[11]采用雙面攪拌摩擦焊（Double-sided friction stir welding,DS-FSW）對(duì)7085-T7452 鋁合金進(jìn)行了焊接，焊縫中出現(xiàn)了隧道型缺陷和S 線(xiàn)，如圖1[11]所示，導(dǎo)致接頭的強(qiáng)度系數(shù)下降。佘思越等學(xué)者[12]研究了焊接速度對(duì)2A12/7075 異種鋁合金FSW 接頭成形和力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)：隨著焊接速度的增大，焊縫表面毛刺減少，隧道型缺陷的傾向增大，F(xiàn)SW 接頭的韌性下降。侯艷喜等學(xué)者[13]研究了攪拌針偏移位置對(duì)A7N01PT4 鋁合金FSW 接頭性能的影響，發(fā)現(xiàn)：FSW 接頭中存在鉤狀（hook）缺陷、S 線(xiàn)和冷搭接缺陷，如圖2[13]所示，而攪拌針偏移位置會(huì)影響相關(guān)缺陷的產(chǎn)生，進(jìn)而影響FSW 接頭的性能。Zhao 等學(xué)者[14]研究了7N01鋁合金FSW 過(guò)程中轉(zhuǎn)速、塑化區(qū)域和缺陷形成之間的關(guān)系，分析了FSW 過(guò)程中隧道型及空腔型孔洞缺陷的形成機(jī)理，發(fā)現(xiàn)：在較低轉(zhuǎn)速下，隧道型缺陷的形成與塑化區(qū)尺寸變化較大且超過(guò)板厚有關(guān)；在較高轉(zhuǎn)速下，圍繞攪拌針的旋轉(zhuǎn)和縱向流動(dòng)不平衡導(dǎo)致了空腔型缺陷。Chen 等學(xué)者[15]研究了AA7150-AA2524 異質(zhì)鋁合金FSW 搭接接頭的細(xì)節(jié)疲勞額定值，發(fā)現(xiàn)：疲勞裂紋起源于AA2524 側(cè)焊縫中心下表面附近區(qū)域，此處存在弱結(jié)合缺陷；接頭中存在大量鉤狀缺陷，為裂紋擴(kuò)展提供了有利的方向，并引起應(yīng)力集中，是接頭斷裂的主要原因；鉤狀缺陷和弱結(jié)合缺陷對(duì)FSW 搭接接頭的疲勞性能有明顯影響，嚴(yán)重降低了疲勞強(qiáng)度。Ni 等學(xué)者[16]研究了無(wú)攪拌針和有攪拌針對(duì)AA7075-T6 鋁合金μFSW 接頭性能的影響，發(fā)現(xiàn)：無(wú)攪拌針的接頭軟化程度更小，而攪拌針的接頭存在根部弱結(jié)合缺陷，對(duì)拉伸性能不利。盧振洋等學(xué)者[17]采用RFSSW 對(duì)7475 鋁合金進(jìn)行了焊接，發(fā)現(xiàn)：攪拌區(qū)/焊核區(qū)（Stir zone,SZ or welding nugget zone,WNZ）內(nèi)存在對(duì)稱(chēng)分布且呈現(xiàn)鏈狀的孔洞，如圖3～圖5[17]所示；攪拌套下壓深度和焊具轉(zhuǎn)速與鏈狀孔洞密集程度呈正相關(guān)關(guān)系，而攪拌套運(yùn)動(dòng)速率與鏈狀孔洞密集程度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。由此可見(jiàn)，優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，減少接頭的中焊接缺陷，改善焊縫成形質(zhì)量，有利于改善接頭的力學(xué)性能及疲勞性能。

圖1 隧道型缺陷和S 線(xiàn)[11]

圖2 鉤狀（hook）缺陷、S 線(xiàn)和冷搭接缺陷[13]

圖4 不同焊具轉(zhuǎn)速下的鏈狀孔洞[17]

2 攪拌針形狀的選擇

有學(xué)者針對(duì)攪拌針形狀進(jìn)行了優(yōu)化，以改善接頭的力學(xué)性能。Swaminathan 等學(xué)者[18]采用2 種不同形狀攪拌針（圓柱形和圓錐形）的FSW 制備AA7075 和AA6101 異種鋁合金焊縫，研究攪拌頭轉(zhuǎn)速、移動(dòng)速度和軸向力等工藝參數(shù)對(duì)其力學(xué)性能和冶金性能的影響，發(fā)現(xiàn)：在攪拌頭轉(zhuǎn)速為1 200 r/min、移動(dòng)速度為45 mm/min、軸向力為6 kN 時(shí)，接頭具有較好的力學(xué)性能；采用圓柱形攪拌針制備的接頭具有較好的力學(xué)性能和冶金性能。Safari 等學(xué)者[19]對(duì)AA6061-T6 和AA7075-T6 異種鋁合金攪拌摩擦焊接過(guò)程進(jìn)行了有限元模擬研究，并研究了較硬材料（AA7075-T6）位置和攪拌針形狀（圖6[19]）對(duì)焊縫金屬和熱影響區(qū)（HAZ）的溫度分布和材料流動(dòng)的影響，發(fā)現(xiàn)：采用直溝槽攪拌針可以提高攪拌針周?chē)牟牧纤俣?；?duì)于所有類(lèi)型的攪拌針，與材料放置在后退側(cè)時(shí)的估計(jì)溫度相比，將較硬的材料放置在前進(jìn)側(cè)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致工藝溫度略低；AA7075-T6 鋁合金在前進(jìn)側(cè)時(shí)，在攪拌頭軸肩下方的薄層中發(fā)生了混合，較硬材料對(duì)后退側(cè)的滲透受到限制。Catkin 等學(xué)者[20]采用圓錐形和三角形攪拌針對(duì)AA7075 鋁合金進(jìn)行了FSW，發(fā)現(xiàn)：圓錐形攪拌針的顯微組織優(yōu)于三角形攪拌針，且圓錐形攪拌針的接頭力學(xué)性能非常好。由此可見(jiàn)，攪拌針的形狀對(duì)FSW 接頭的組織和性能有很大影響，選擇合適形狀的攪拌針，有利于改善FSW 接頭的力學(xué)性能。

圖6 圓錐形攪拌針形狀[19]

3 接頭軟化特征

與熔化焊接頭相比，7xxx 鋁合金FSW 接頭也存在軟化的問(wèn)題，詳見(jiàn)表1[21-39]。但相比于熔化焊，F(xiàn)SW更容易獲得軟化傾向小的接頭。由表可知，接頭形式主要是對(duì)接接頭和搭接接頭；而搭接接頭主要檢測(cè)接頭的拉剪失效載荷，例如，趙運(yùn)強(qiáng)等學(xué)者[21]采用采用V-RFSSW 對(duì)7B04-T74 鋁合金進(jìn)行了焊接，與常規(guī)RFSSW 接頭進(jìn)行了比較，結(jié)果表明：V-RFSSW 接頭拉剪失效載荷為8.835 kN，高于RFSSW 接頭的8.162 kN。對(duì)于7xxx 同質(zhì)鋁合金的FSW，接頭強(qiáng)度系數(shù)出現(xiàn)極低值66.5%，主要原因是焊核區(qū)（WNZ）頂部區(qū)域存在顯著的應(yīng)變集中現(xiàn)象，產(chǎn)生了不均勻變形，導(dǎo)致接頭異常斷裂[26]；接頭強(qiáng)度系數(shù)出現(xiàn)了極高值106.5%，主要是因?yàn)槟覆?075-O 是退火狀態(tài)，強(qiáng)度最低，在FSW 下，攪拌針偏心0.2 mm 時(shí)，改善了材料的塑性流動(dòng)，導(dǎo)致晶粒細(xì)化及沉淀相的再析出，提高了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶程度和大角度晶界數(shù)量，最終促進(jìn)了應(yīng)變硬化[33]，提高了接頭的強(qiáng)度。同時(shí)，張華等學(xué)者[24]采用SSFSW 對(duì)7050-T7451 進(jìn)行了焊接，與常規(guī)FSW 相比，SSFSW 接頭成形美觀，表面光滑，焊縫無(wú)減薄現(xiàn)象；焊縫組織也有明顯的不同；接頭強(qiáng)度系數(shù)可達(dá)91.0%。對(duì)于7xxx 異質(zhì)鋁合金（7xxx 鋁合金與其他系鋁合金）的FSW，接頭強(qiáng)度系數(shù)極低值52.0%，極高值90.0%。無(wú)論是7xxx 同質(zhì)鋁合金還是異質(zhì)鋁合金的FSW，均可以獲得較高的接頭強(qiáng)度系數(shù)，即減少接頭的軟化傾向，綜合表1 的文獻(xiàn)可知，優(yōu)化焊接工藝及焊接工藝參數(shù)，獲得優(yōu)質(zhì)無(wú)缺陷的焊接接頭，優(yōu)化焊縫組織，有利于改善接頭軟化問(wèn)題。

表1 7xxx 鋁合金FSW 接頭軟化問(wèn)題

4 接頭疲勞性能

鄧彩艷等學(xué)者[40]對(duì)7050-T7451 鋁合金FSW 接頭的疲勞性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)：試件的斷裂位置多為接頭的TMAZ 和HAZ，且斷裂位置與接頭組織不均勻密切相關(guān)。Sun 等學(xué)者[41]對(duì)2024-T4 和7075-T6鋁合金FSW 接頭的短疲勞裂紋進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)：短疲勞裂紋容易在焊核區(qū)的次表面缺陷處萌生，并以準(zhǔn)解理斷裂方式擴(kuò)展。Kubit 等學(xué)者[42]對(duì)7075-T6 鋁合金RFSSW 接頭的疲勞性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)：氧化鋁的存在加劇了焊核周邊材料的不均勻性，是裂紋形核的來(lái)源。Rodriguez 等學(xué)者[43]研究了腐蝕缺陷對(duì)AA6061-AA7050 鋁合金FSW 接頭低周疲勞性能的影響，發(fā)現(xiàn)：在熱力影響區(qū)和熱影響區(qū)存在局部腐蝕損傷，裂紋在腐蝕缺陷處萌生，使接頭疲勞壽命降低。馬青娜等學(xué)者[44]研究了7075-T6 鋁合金FSW 接頭的疲勞性能，發(fā)現(xiàn)：腐蝕疲勞斷口存在多個(gè)裂紋源，如圖7[44]所示，裂紋源萌生于腐蝕坑處。由此可見(jiàn)，焊核區(qū)次表面缺陷、焊核區(qū)氧化膜、接頭的腐蝕缺陷及腐蝕坑都會(huì)引起局部的應(yīng)力集中，促進(jìn)疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，進(jìn)而降低接頭的疲勞壽命。

圖7 腐蝕疲勞斷口宏觀形貌圖[44]

針對(duì)7xxx 鋁合金FSW 接頭的疲勞性能，有學(xué)者通過(guò)改善接頭組織的均勻性，也有學(xué)者通過(guò)后處理技術(shù)改善接頭表面應(yīng)力狀態(tài)，以改善接頭的疲勞性能。Jia 等學(xué)者[45]研究了7 085 鋁合金中微量Sc 對(duì)FSW接頭疲勞性能的影響，發(fā)現(xiàn)：微量Sc 導(dǎo)致晶粒細(xì)化，改善了WNZ 強(qiáng)化相的再析出形態(tài)及分布狀態(tài)，進(jìn)而改善了接頭的疲勞性能。Dong 等學(xué)者[46]對(duì)7075-T651鋁合金FSW 接頭進(jìn)行了表面機(jī)械滾壓處理（Surface mechanical rolling treatment,SMRT），致使接頭上產(chǎn)生了近似拋光的梯度納米結(jié)構(gòu)表面和高殘余壓應(yīng)力，進(jìn)而改善了接頭的疲勞性能。而李輝等學(xué)者[47]認(rèn)為，超 聲沖擊處理（Ultrasonic impact treatment,UIT）改善高強(qiáng)鋁合金FSW 接頭表面的應(yīng)力集中狀態(tài)，產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力,進(jìn)而改善了接頭的疲勞性能。

綜上所述，優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，獲得優(yōu)質(zhì)無(wú)缺陷的焊接接頭，改善接頭組織的均勻性，通過(guò)后處理改善接頭表面的應(yīng)力狀態(tài)，有利于改善接頭的疲勞性能。

5 接頭耐蝕性

7xxx 鋁合金FSW 接頭的腐蝕問(wèn)題主要從應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂、晶間腐蝕及點(diǎn)蝕3 個(gè)方面進(jìn)行了介紹。

周青華等學(xué)者[48]分別研究了7 005 鋁合金冷金屬過(guò)渡焊（Cold metal transition welding,CMT）接頭、TIG 接頭及FSW 接頭的應(yīng)力腐蝕性能，發(fā)現(xiàn)：3 種工藝下，都能獲得無(wú)缺陷的接頭；與其他2 種接頭相比，F(xiàn)SW 接頭的晶粒更均勻細(xì)小，應(yīng)力腐蝕敏感性更低。張華等學(xué)者[49]研究了7050-T7451 鋁合金FSW 接頭的應(yīng)力腐蝕敏感性，發(fā)現(xiàn)：?jiǎn)渭兺ㄟ^(guò)焊接過(guò)程本身的控制很難改善7050-T7451 鋁合金的應(yīng)力腐蝕敏感性。而Zhang 等學(xué)者[50]對(duì)7050-T7451 鋁合金FSW 接頭進(jìn)行了雙級(jí)時(shí)效處理，WNZ 沉淀相分布均勻，HAZ 和TMAZ 晶界變得不連續(xù)，阻斷了腐蝕通道，因此降低了接頭的應(yīng)力腐蝕敏感性。

Cabrini 等學(xué)者[51]研究了AA 7075-T6 合金FSW接頭的晶間腐蝕行為，發(fā)現(xiàn)：HAZ 優(yōu)先發(fā)生腐蝕，腐蝕在軋制方向上沿著晶界進(jìn)行擴(kuò)展。方振邦等學(xué)者[52]研究了7N01s-T5 鋁合金FSW 接頭的晶間腐蝕行為，發(fā)現(xiàn)：HAZ 腐蝕最嚴(yán)重，歸因于晶界連續(xù)分布的沉淀相和不均勻的晶粒尺寸；而TMAZ 晶界沉淀相部分熔解，阻斷了部分腐蝕通道，降低了晶間腐蝕傾向；攪拌區(qū)（焊核區(qū)）形成了細(xì)小的等軸晶，晶界強(qiáng)化相完全熔解，阻斷了腐蝕通道，晶間腐蝕傾向性最低。

Prabhuraj 等學(xué)者[53]研究了AA7075-T651 鋁合金FSW 接頭的點(diǎn)蝕行為，發(fā)現(xiàn)WNZ 晶界強(qiáng)化相會(huì)引發(fā)AA7075-T651 鋁合金的微電池腐蝕過(guò)程。Liu 等學(xué)者[54]研究了7075-T6 鋁合金FSW 接頭HAZ 和TMAZ 的點(diǎn)蝕性能，發(fā)現(xiàn)：HAZ 和TMAZ 的腐蝕機(jī)理完全不一致，這與強(qiáng)化相和晶粒特征的差異有關(guān)。

綜上所述，針對(duì)7xxx 鋁合金FSW 接頭的腐蝕問(wèn)題，優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，必要時(shí)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮负鬅崽幚?，改善接頭中強(qiáng)化相形態(tài)、分布狀態(tài)及晶粒特征，有利于改善接頭的耐蝕性。

6 結(jié)束語(yǔ)

（1）對(duì)于7xxx 鋁合金的FSW，焊接缺陷及焊縫成形質(zhì)量都會(huì)導(dǎo)致接頭軟化、疲勞壽命降低及耐蝕性變差等問(wèn)題。因此，優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，減少焊接缺陷，改善焊縫成形質(zhì)量，有利于改善接頭的軟化、疲勞壽命降低及耐蝕性變差等問(wèn)題。

（2）選擇合適形狀的攪拌針，有利于改善7xxx 鋁合金FSW 接頭的力學(xué)性能。

（3）對(duì)7xxx 鋁合金FSW 接頭進(jìn)行表面機(jī)械滾壓處理和超聲沖擊處理，改善接頭表面的應(yīng)力狀態(tài)，有利于改善接頭的疲勞性能。

（4）對(duì)7xxx 鋁合金FSW 接頭進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮负鬅崽幚?，改善接頭中強(qiáng)化相形態(tài)、分布狀態(tài)及晶粒特征，有利于改善接頭的耐蝕性。