鋁鋰合金無減薄攪拌摩擦焊工藝研究

（上海航天設備制造總廠有限公司，上海200245）

0 前言

鋁鋰合金具有高比強度、高比剛度的性能優勢，同樣的結構較常規鋁合金質量可減輕10%～15%，剛度可提高15%～20%，具有良好的應用前景。然而鋁鋰合金的焊接性限制了其在航空航天業的廣泛應用。采用傳統鋁鋰合金焊接工藝，如TIG焊、釬焊、電子束焊、激光焊、等離子弧焊和擴散焊等，易在焊接過程中造成Li元素的損失，同時易出現氣孔、裂紋等焊接缺陷，且接頭強度不高[1－4]，如何實現鋁鋰合金的高質量、高可靠焊接成為目前研究的焦點。

攪拌摩擦焊是一種基于微區鍛造的固相連接方法，廣泛應用于鋁合金的焊接。攪拌摩擦焊焊接鋁鋰合金焊接溫度低，母材不熔化，避免了Li元素的燒損，接頭殘余應力低、強度系數高[5－7]，能夠實現接頭的高可靠連接。然而傳統的攪拌摩擦焊會有部分待焊金屬材料溢出，造成接頭減薄。同時軸肩與攪拌工具的一體化設計使得焊縫表面形成波紋狀紋路，在一定程度上限制了該技術的推廣應用，以飛機蒙皮為例，不僅要求蒙皮材料強度高、塑性好，還要求表面光滑。采用鋁鋰合金為制造材料可滿足使用要求，但卻始終未驗證焊接的可行性，原因在于若飛機蒙皮加強筋反面施焊，一是接頭性能不佳；二是不滿足減重要求。若正面施焊，目前難以實現表面近無差異的保形焊縫。

靜止軸肩攪拌摩擦焊（Stationary shoulder friction stir welding，SSFSW）的原理是采用分體式的攪拌工具、攪拌工具高速旋轉而軸肩不旋轉，僅通過攪拌工具的摩擦熱量來形成高可靠的焊接接頭。因軸肩不參與摩擦產熱，避免了熱輸入量過大或熱量不均勻造成Li元素的燒損，同時軸肩不旋轉可避免產生焊接紋路。在此針對2197鋁鋰合金開展靜止軸肩攪拌摩擦焊工藝研究。

1 試驗材料和方法

試驗材料選用2mm厚2197－T4鋁鋰合金軋制板，其化學成分如表1所示。試件尺寸300 mm×100 mm，焊前打磨待焊區域正反兩面至露出金屬光澤，酒精擦拭。

表1 2197鋁鋰合金化學成分 %

為確保軸肩靜止，且在焊接方向上與攪拌針同速移動，試驗選擇在超大厚度雙旋轉驅動重載攪拌摩擦焊設備上進行，實現軸肩與攪拌針雙驅動。

選擇對接接頭形式，在無軸肩旋轉下壓材料的情況下，裝配間隙需嚴格控制在0.05～0.15mm，用工裝夾緊試板。為實現無減薄的目的，將焊接傾角設置為0°，攪拌摩擦焊方法示意如圖1所示。

圖1 靜止軸肩攪拌摩擦焊焊接過程示意

焊前通過程序設定，模擬焊接軌跡。在焊接起始位置，主軸旋轉下壓，軸肩端面與試板表面齊平時，原位上抬離開材料表面，將攪拌針在材料表面留下的金屬屑清理干凈，再從原位旋轉下壓。該做法可以避免施焊時，主軸旋轉下壓產生的金屬屑夾在材料與軸肩端面間隙，造成焊縫表面機械損傷。

拋光后的試樣采用HNO3＋HCL＋HF的水溶液進行化學腐蝕，采用光學顯微鏡（Oberver D1m）進行接頭微觀組織形貌觀察。在電子萬能試驗機（CMT5305）上開展力學性能測試。

2 試驗結果與分析

2.1 攪拌工具結構優化

傳統的攪拌摩擦焊接的攪拌工具為一體式結構，即攪拌針與軸肩為整體，如圖2所示。

圖2 一體式攪拌工具

采用傳統的一體式攪拌工具進行焊接時，為獲得致密的焊縫結構，攪拌工具通常設置2°～3°焊接傾角，以形成被焊材料的內腔循環，然而焊后焊縫表面必然存在一定程度的減薄，減薄量通常在5%～10%。

要實現無減薄攪拌摩擦焊接，必須實現零傾角條件下的可靠焊接。采用靜止軸肩攪拌摩擦焊接方法，設計分體式攪拌工具，攪拌針與軸肩配合處間隙0.3 mm，攪拌針結構設置為圓錐面，加工螺紋，利于焊接過程中對溢出材料施加向下的力；軸肩端部加工局部圓弧，模擬傾角，如圖3所示，實物如圖4所示。

圖3 靜止軸肩攪拌摩擦焊分體式攪拌工具設計圖

2.1 對接接頭試驗工藝

試驗過程首先保證在傾角0°，壓入量0 mm的條件下，獲得內部質量完好、表面成形優良的攪拌摩擦焊縫。由于軸肩靜止，難以為焊接過程提供熱輸入，故而試驗過程將焊接主軸（攪拌針）轉速提高，焊接速度降低，以此保障焊縫成形所需的熱量輸入，典型試驗工藝參數如表2所示。

圖4 靜止軸肩攪拌摩擦焊分體式攪拌工具實物

表2 對接接頭試驗工藝參數

焊速過大或轉速過低時，攪拌工具提供的熱輸入量不足，被焊金屬未達到熱塑性狀態，形成的焊縫表面形貌如圖5所示，此時攪拌工具的磨損嚴重。當焊速過低或轉速過高時，焊縫金屬軟化嚴重，形成不光潔的焊縫表面（見圖6），此時軸肩移動在材料表面形成的機械拉痕取代了傳統的“波紋狀”表面形態，同時軟化的金屬更易填充在靜止軸肩與攪拌針的配合間隙。

圖5 熱輸入量不足時試板實物

為獲得理想的焊縫外觀，試驗初步確定用靜止軸肩攪拌摩擦焊焊接2mm厚2197鋁鋰合金試板的主要工藝參數為：主軸轉速為800～1 000 r/min，焊接速度50～60mm/min。由于軸肩不參與產熱，同樣轉速下，焊接速度與傳統攪拌摩擦焊速度相比更緩慢。

2.2 接頭質量

2.2.1 接頭外部成形質量

在主軸轉速800 r/min、焊接速度50 mm/min的條件下，對比SSFSW與傳統FSW接頭外部成形質量。采用傳統FSW對接接頭如圖7所示，SSFSW方法獲得的對接接頭外觀如圖8所示，接頭外部成形差別較明顯。采用SSFSW方法的焊縫邊緣無飛邊，焊縫表面無“波紋狀”紋路。

圖6 熱輸入量過大時試板實物

圖7 常規攪拌摩擦焊接頭實物

圖8 SSFSW對接試板實物

對比傳統FSW對接試板截面形貌（見圖9），SSFSW方法已實現焊接部位表面無減薄的預期目的（見圖10）。

圖9 常規攪拌摩擦焊對接試板截面形貌

圖10 SSFSW對接試板截面形貌

2.2.2 接頭內部質量

在主軸轉速800 r/min、焊接速度50 mm/min的條件下，SSFSW對接接頭的X射線檢測底片如圖11所示。結果表明，焊接接頭內部質量滿足QJ283.1I級焊縫的要求。

圖11 2197鋁鋰合金SSFSW對接接頭X射線底片

在光學顯微鏡下對比SSFSW（見圖12）與傳統FSW（見圖13）的焊接接頭截面宏觀形貌。由圖12a和圖13a可知，兩種攪拌摩擦焊方法的焊核區均在焊接過程中發生動態再結晶，合金原有的板條狀組織晶界完全消失，形成細小的呈無序狀排列的等軸晶晶粒，無明顯差異。根據GB/T 6394-2002對比圖12b和圖13b中焊縫熱影響區晶粒度，結果表明圖12b熱影響區晶粒度為7，圖13b中熱影響區晶粒度為4，即SSFSW焊縫熱影響區晶粒較傳統FSW焊縫熱影響區晶粒更細小，推測力學性能可能更優。

圖12 2197鋁鋰合金SSFSW對接接頭宏觀形貌

圖13 2197鋁鋰合金傳統攪拌摩擦焊接頭形貌

2.3 接頭力學性能分析

2.3.1 接頭抗拉強度及延伸率

在主軸轉速800 r/min、焊接速度50 mm/min的條件下，試樣拉伸后的照片如圖14所示，共選取3組拉伸試樣，均斷裂于熱影響區，抗拉強度及延伸率如表3所示。力學測試結果表明，SSFSW對接接頭的抗拉強度為396～406MPa，延伸率7～8%。采用SSFSW方法焊接鋁鋰合金，接頭的抗拉強度達到母材抗拉強度的85%以上，超出標準中規定的母材強度70%以上，與傳統攪拌摩擦焊方法相比，焊縫強度更高。

圖14 2197鋁鋰合金對接接頭拉伸試樣

表3 接頭/母材抗拉強度與延伸率

2.3.2 接頭彎曲測試

在力學性能測試同塊試板上截取試樣進行彎曲試驗，如圖15所示，彎曲試樣數量為4組，2組進行正彎試驗，2組進行背彎試驗，接頭的彎曲角度測試結果如表4所示。

表4 接頭彎曲試驗測量值

可以看出，2197鋁鋰合金SSFSW接頭正彎角度至約90°，背彎至約45°時方在前進側熱力影響區與熱影響區出現裂紋，彎曲性能優良。

3 結論

（1）通過優化分體式攪拌工具的局部結構，可控制焊接過程中材料在一定范圍內流動；雙驅動重載攪拌摩擦焊設備，是實施靜止軸肩攪拌摩擦焊的硬件基礎。

（2）采用靜止軸肩攪拌摩擦焊（SSFSW）技術焊接鋁鋰合金，可以獲得表面光潔、厚度無減薄、內部無缺陷的焊縫。

（3）靜止軸肩攪拌摩擦焊接頭組織與傳統攪拌摩擦焊接頭組織存在區別：一是無軸肩影響區；二是熱影響區的寬度小；三是焊縫熱影響區晶粒度大，晶粒更細小。

（4）接頭抗拉強度達到母材抗拉強度的85%以上，延伸率達到7%以上；接頭正彎角度可達90°，背彎角度可達45°，彎曲性能優良。

圖15 2197鋁鋰合金對接接頭彎曲后試樣