铝锂合金的搅拌摩擦焊及其改型工艺研究进展

葛振超

摘要：作为一种固态连接工艺，搅拌摩擦焊接具有焊接温度低，焊接时无需填充金属、焊剂和保护气体，且机械自动化程度高等优势，在铝锂合金焊接领域得到越来越广泛的应用。基于此，文章主要分析了铝锂合金的搅拌摩擦焊及其改型工艺，为第三代高强铝锂合金的高质量搅拌摩擦焊接成形奠定坚实基础。

关键词：铝锂合金；搅拌摩擦焊；改型工艺

1搅拌摩擦焊的概念

搅拌摩擦焊（FSW）是一种新型的固态焊接技术，它可以在不融化金属的情况下将两个或多个金属板材连接在一起。该技术利用锥形工具在接头处进行搅拌和挤压，使得两个金属板材达到固态焊接，从而获得与传统焊接方法相比更好的焊接质量和性能。搅拌摩擦焊不仅适用于铝合金等低熔点金属的焊接，也可以用于不同种类的金属板材的焊接。这种技术已经被广泛应用于航空、汽车、船舶、建筑等领域。

2铝锂合金常规搅拌摩擦焊接

2.1工艺参数

搅拌头转速和焊接速度是搅拌摩擦焊接工艺中的关键参数，它们的选择会直接影响接头的成形和质量。一般而言，选择较高的转速和较低的焊接速度可以获得更好的焊接质量和成形性。较高的转速可以提高热输入和塑性材料流动，从而促进金属晶粒的再结晶和细化，有利于提高接头的强度和塑性。同时，较低的焊接速度可以增加接头的塑性变形，减少接头的应力集中，有利于减小焊接变形和裂纹的风险。对于铝锂合金等高强度材料，搅拌摩擦焊接头存在一定程度的软化，这是由于焊接过程中高温下的金属组织再结晶和晶粒生长所致。此外，铝锂合金的延伸率相对较低，也会导致搅拌摩擦焊接头的延伸率降低。为了解决这个问题，可以采用后续热处理等方法来提高接头的延伸率和强度。

2.2搅拌头形状尺寸

搅拌头形状是影响搅拌摩擦焊接质量和成形性的重要参数之一。搅拌头的形状和尺寸会影响到焊缝材料的塑性流动行为和热力耦合过程，从而影响接头的成形和性能。一般而言，搅拌头的形状越合理，搅拌效果越好，焊接质量越高。对于不同材料和规格的搅拌摩擦焊接，需要根据实际情况选择合适的搅拌头形状和尺寸，以获得最佳的焊接质量和成形性。目前，关于常规铝合金的搅拌摩擦焊接中搅拌头形状的影响已经进行了较为深入的研究。但是，对于铝锂合金的搅拌摩擦焊接，搅拌头形状和尺寸对焊缝成形行为的影响还需要进一步的研究。这方面的研究可以采用工艺试验和数值模拟相结合的方法来探究，从而为铝锂合金搅拌摩擦焊接的工艺优化和质量控制提供更加科学的依据。

2.3接头微观与性能

接头的微观组织结构对接头的力学性能有着直接的影响。为了深入探究接头微观组织与力学性能之间的相关性，以及接头微观组织演变规律，国内外学者进行了大量铝锂合金搅拌摩擦焊接头的微观组织表征分析。总体来看，目前对于铝锂合金搅拌摩擦焊接工艺及其接头组织性能的研究已经取得了较大进展，对于接头微观组织演变及其对接头性能的影响有了较为深入的理解。然而，目前的研究主要集中在工艺试验和微观组织表征测试方法方面，缺乏对接头微观组织演变的定量分析，尤其是在搅拌摩擦焊接热力耦合条件下接头析出相的演变及晶粒组织动态再结晶机制的定量研究方面还需要进一步的深入研究。

3铝锂合金的搅拌摩擦焊接工艺改型

3.1双轴肩搅拌摩擦焊

为解决常规FSW难以实现铝锂合金复杂空间无支撑结构焊接的问题，研究人员开展了系统的双轴肩搅拌摩擦焊（BT-FSW）工艺研究。与常规FSW相比，BT-FSW具有更强的搅拌作用和更大的工艺窗口，可以有效焊接复杂空间无支撑结构。目前，关于铝锂合金双轴肩搅拌摩擦焊接的相关研究还处于起步阶段，仍需进一步加强在该新工艺机理、装备制造和接头性能调控等方面的系统研究。在BT-FSW工艺中，搅拌头形状和尺寸对接头组织性能的影响尚未深入研究。此外，在搅拌头的结构设计、加工和维修等方面也需要进一步优化。同时，铝锂合金在BT-FSW过程中的热物理性质、塑性本构关系等方面的特点还需要进一步研究。此外，BT-FSW接头的力学性能和疲劳寿命等方面的研究也需要进一步加强。

3.2静轴肩搅拌摩擦焊

静轴肩搅拌摩擦焊接工艺在析出强化铝合金焊接领域具有一定优势，能够降低焊接热输入和焊接温度。在铝锂合金的静轴肩搅拌摩擦焊接中，由于产热较少，可以降低焊接温度和接头的软化程度，从而更好地调控接头的析出相。然而，目前对于铝锂合金静轴肩搅拌摩擦焊接头的析出相演变机制的研究还相对较少。铝锂合金的析出相演变主要受到温度、应变速率、应变次数等因素的影响。在静轴肩搅拌摩擦焊接中，由于产热少，焊接温度相对较低，可能会对接头析出相的演变路径产生影响。此外，由于静轴肩搅拌摩擦焊接的搅拌头形状和尺寸不同，可能会对接头的局部应变速率和应变次数产生影响，从而影响接头的析出相。因此，未来可以采用实验和数值模拟相结合的方法，深入探究静轴肩搅拌摩擦焊接对铝锂合金接头析出相演变的影响机制，以及搅拌头形状和尺寸对接头局部应变速率和应变次数的影响。这些研究有助于深入理解静轴肩搅拌摩擦焊接对铝锂合金接头析出相演变的影响规律，为接头组织性能的调控和优化提供科学的理论依据。

3.3无针搅拌摩擦点焊

为满足铝锂合金薄壁构件的点焊需求，研究人员开展了AA2198铝锂合金的无针搅拌摩擦点焊工艺研究，并通过响应面分析进行了焊接工艺参数的优化。最终，在转速950r/min、下压速度30mm/min、停留时间7.2s的条件下，获得了最优的接头性能，接头拉伸剪切强度达到7.83kN。进一步对接头微观组织进行表征分析发现，焊核区的T1相完全溶解，在冷却过程中形成了GP区，同时重新析出了δ'相。由于焊核区的组织经历了大的塑性变形，析出相溶解，晶粒得以细化，因此接头表现出了更高的阻抗和点蚀电位，具有较好的耐腐蚀性能。

3.4冷却辅助搅拌摩擦焊

通过辅助冷却降低铝锂合金搅拌摩擦焊接温度是提升接头性能的一种可行手段。在搅拌摩擦焊接过程中，辅助冷却可以有效降低焊接温度，减少热影响区域的尺寸，进而细化焊缝晶粒组织，提高位错密度。这些效应有助于提高接头的强度和韧性。然而，辅助冷却仍然无法完全抑制析出相的溶解，因为析出相的形成需要高温，即使降低了焊接温度，析出相的形成仍然难以避免。因此，在实际应用中，需要综合考虑多种因素，如焊接温度、搅拌头结构、工艺参数等，才能选择出最佳的搅拌摩擦焊接工艺，以获得最优的接头性能。

3.5超声辅助搅拌摩擦焊

超声作为一种机械能，在调控FSW焊接热力耦合过程中表现出独特的优势。研究人员进行了2195铝锂合金的超声辅助搅拌摩擦焊（UAFSW）工艺试验研究。通过与常规搅拌摩擦焊接头的微观组织与力学性能进行对比，发现施加超声振动细化了焊核区的晶粒，促进了析出相的溶解与再析出过程，抑制了GP区的形成，提高了焊核区的硬度。具体来说，超声振动的作用下，铝锂合金的晶粒尺寸得到细化，晶界面积增加，有利于析出相的溶解和再析出。此外，超声振动还能够改变焊接区域的温度分布，使焊接区域的温度更均匀，从而进一步促进了析出相的溶解和再析出过程。此外，超声振动也能够抑制GP区的形成，从而提高焊核区的硬度。

4结论与展望

（1）继续深入研究铝锂合金搅拌摩擦焊缝的微观组织演变机制，及其对接头性能的影响规律。借助焊接“工艺—组织—性能”多尺度模型定量分析工艺参数对接头微观组织演变规律的影响，阐明铝锂合金搅拌摩擦焊缝成形成性机理，实现接头性能的有效调控。（2）虽然目前铝锂合金搅拌摩擦焊可以获得较高的抗拉强度，但接头的断裂韧性仍然较低。因此，进行有针对性搅拌摩擦焊接工艺改型优化，进一步调控接头微观组织，以获得更高质量的接头，满足铝锂合金接头的服役需求。（3）针对铝锂合金搅拌摩擦焊接改型新工艺，开展系统的工艺机理研究，探究工艺改型对焊接热力耦合过程、接头微观组织和力学性能的影响规律，从而实现搅拌摩擦焊接改型工艺的优化，进一步提升铝锂合金接头的性能。

参考文献

[1]李玉龙，袁天保，陈玉波，等.铝锂合金搅拌摩擦焊接技术的研究现状及其发展方向[J].电焊机.2019，49（02）：6-13.

[2]戴翔，石磊，武传松，等.2195-T6铝锂合金搅拌摩擦焊接头微观组织结构与力学性能[J].焊接学报，2022，43（06）：25-34.