張 琪

(中國鋁業(yè)集團(tuán)有限公司，北京 100082)

鋁鋰合金作為一種低密度、高彈性模量、高比強(qiáng)度和比剛度的合金，在航空航天領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。采用鋁鋰合金替代傳統(tǒng)鋁合金結(jié)構(gòu)材料，可使構(gòu)件質(zhì)量減輕15%，剛度提高15%～20%，被認(rèn)為是21世紀(jì)航空航天最理想的結(jié)構(gòu)材料[1-3]。鋁鋰合金的研究和開發(fā)至今已有80多年歷史，已先后開發(fā)了三代鋁鋰合金，其中第三代1460、2198、2199、2050等鋁鋰合金已在先進(jìn)大型客機(jī)和航天器上廣泛應(yīng)用[4]。

鋁鋰合金的傳統(tǒng)焊接方法主要為熔化焊，包括鎢極氬弧焊、熔化極氬弧焊、變極性等離子弧焊、電子束焊、激光焊等[5，6]。由于熔化焊接過程中，焊接溫度高于合金的熔點(diǎn)，加之鋁鋰合金本身的焊接特性，采用傳統(tǒng)熔化焊接方法焊接很難有效避免焊接氣孔、鋰元素?fù)]發(fā)、焊接熱裂紋和接頭軟化等突出問題[7-9]，在一定程度上限制了鋁鋰合金的應(yīng)用。

攪拌摩擦焊(Friction stir welding， FSW)作為一種革命性的新型固相連接技術(shù)，非常適用于鋁合金尤其是時(shí)效強(qiáng)化鋁合金的焊接[10]。與傳統(tǒng)的熔化焊相比，攪拌摩擦焊接過程中不發(fā)生金屬熔化，可以成功避免鋁鋰合金焊接過程中鋰元素的揮發(fā)損失和焊接氣孔、熱裂紋等缺陷的形成；同時(shí)與熔化焊相比，攪拌摩擦焊的熱輸入大大減少，從而最大限度的降低了接頭的軟化，因此攪拌摩擦焊接鋁鋰合金接頭一般具有較高的強(qiáng)度系數(shù)[11-13]。近年來，鋁鋰合金的攪拌摩擦焊接技術(shù)已逐步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，極大的拓寬了鋁鋰合金的應(yīng)用范圍。本文綜述了近年來鋁鋰合金攪拌摩擦焊研究和應(yīng)用的最新進(jìn)展，以期為我國鋁鋰合金的應(yīng)用推廣提供參考。

1 鋁鋰合金攪拌摩擦焊微觀組織

此前的大量研究表明，采用FSW可以在廣泛的參數(shù)下實(shí)現(xiàn)Al-Li合金的無缺陷焊接。與攪拌摩擦焊常規(guī)鋁合金接頭相似，在合理的焊接參數(shù)下，鋁鋰合金攪拌摩擦焊接頭一般分為焊核區(qū)(NZ)、熱機(jī)械影響區(qū)(TMAZ)、熱影響區(qū)(HAZ)和母材區(qū)(BM)四個(gè)典型區(qū)域[14]，如圖1所示。不同區(qū)域所經(jīng)歷的熱循環(huán)和機(jī)械變形不同，因此產(chǎn)生截然不同的微觀組織。

(焊接參數(shù)：工具轉(zhuǎn)速1600rpm，行進(jìn)速度200mm/min)圖1 2198-T8 攪拌摩擦焊接頭的橫截面宏觀形貌[15]Fig.1 Cross-sectional macroscopic topography of stirring friction welding head of 2198-T8

Li 等人[16]研究冷軋態(tài) 2198板材FSW接頭，微觀組織表征表明，BM為沿軋制方向分布的粗拉長板條狀晶粒，HAZ晶粒結(jié)構(gòu)與 BM類似，TMAZ晶粒仍保持板條狀但沿?cái)嚢栳樞D(zhuǎn)方向彎曲，而NZ由細(xì)等軸再結(jié)晶晶粒組成。陶瑤[15]研究了不同焊接參數(shù)下2198-T8焊核區(qū)的晶粒組織(圖2)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在廣泛的焊接參數(shù)下，焊核區(qū)均為細(xì)小的等軸晶組織，但焊核區(qū)晶粒尺寸隨著焊接參數(shù)的變化而變化。旋轉(zhuǎn)速度增加或行進(jìn)速度降低，焊核區(qū)的晶粒尺寸增加，這主要是由于焊接熱輸入增加導(dǎo)致的再結(jié)晶晶粒長大所致。

(a)旋轉(zhuǎn)速度800rpm，行進(jìn)速度200mm/min； (b) 旋轉(zhuǎn)速度1600rpm，行進(jìn)速度200mm/min； (c) 旋轉(zhuǎn)速度1200rpm，行進(jìn)速度400mm/min；(d) 旋轉(zhuǎn)速度1200rpm，行進(jìn)速度500mm/min圖2 2198-T8不同焊接參數(shù)下NZ的微觀組織[15]Fig.2 Microorganization of NZ under different welding parameters of 2198-T8

攪拌摩擦焊焊核區(qū)的另外一個(gè)微觀組織特征是“S”線。對(duì)于常規(guī)鋁合金，一般認(rèn)為“S”線由很多細(xì)小的 Al2O3顆粒聚集而成，且大部分顆粒分布在晶界，他們認(rèn)為這些 Al2O3顆粒來源于被焊工件對(duì)接面上的原始氧化膜[17]。TAO[18，19]對(duì)2198和2060鋁鋰合金進(jìn)行了廣泛的攪拌摩擦焊接工藝參數(shù)研究發(fā)現(xiàn)，在所選的焊接參數(shù)范圍內(nèi)，焊核區(qū)的“S”線普遍存在，且隨旋轉(zhuǎn)速度增加或行進(jìn)速度降低，S線的破碎及分散程度增加，作者認(rèn)為這是由于攪拌頭攪拌作用增強(qiáng)帶來的焊核區(qū)材料所經(jīng)受的塑性變形程度增加所致。“S”的存在將對(duì)鋁鋰合金攪拌摩擦焊接接頭的拉伸和疲勞等行為產(chǎn)生重要影響。

對(duì)于時(shí)效強(qiáng)化鋁合金，在FSW過程中，在機(jī)械變形和熱暴露的雙重作用下，不同區(qū)域的析出相將發(fā)生不同的變化。原有的析出相將完全回溶，并隨著焊接后的自然冷卻、自然時(shí)效析出部分過渡相。對(duì)于鋁鋰合金，除了傳統(tǒng)的θ′(A12Cu)、S′(Al2CuMg)等強(qiáng)化相外，還存在 δ′(Al3Li)、T1(Al2CuLi)等強(qiáng)化相，因此鋁鋰合金FSW過程中不同區(qū)域的析出相演變更為復(fù)雜。Shukla 等人[20，21]研究了2195-T8 板材從BM到NZ各區(qū)域的析出相演變規(guī)律，發(fā)現(xiàn)BM由T1、θ′ (Al2Cu)、S′ (Al2CuMg)和 δ′/β′ (Al3Zr)相組成，從HAZ到HAZ/TMAZ界面，θ′和S′相溶解程度逐漸增加，在NZ區(qū)，所有析出相完全溶解并在自然時(shí)效過程中析出δ′相。對(duì)于15mm厚2050-T8板材FSW接頭，Geuser等人[22]發(fā)現(xiàn)，在BM區(qū)域，除了含有T1強(qiáng)化相外，還存在粗大的含Mn彌散相；在HAZ區(qū)域，T1相粗化并發(fā)生部分溶解；在NZ區(qū)域 T1完全溶解，但Mn 彌散相仍然存在。

2 鋁鋰合金攪拌摩擦焊的力學(xué)性能

鋁鋰合金的一般材T6、T8態(tài)使用，不同鋁合金時(shí)效相析出冷卻速率的敏感性也不同。對(duì)于鋁鋰合金攪拌摩擦焊，由于不同區(qū)域的時(shí)效析出相經(jīng)歷了不同的溶解和再析出過程，直接影響了其力學(xué)性能和焊接系數(shù)。

對(duì)于Al-Mg-Li系合金，如蘇聯(lián)開發(fā)的1420鋁鋰合金，攪拌摩擦焊的焊接系數(shù)可以達(dá)到85%以上。郭曉娟等人[23]研究了2.8mm 1420鋁鋰合金攪拌摩擦焊的力學(xué)性能，結(jié)果表明，較大的焊接熱輸入有利于進(jìn)一步提高攪拌摩擦焊接頭的強(qiáng)度系數(shù)，在優(yōu)化焊接參數(shù)條件下，1420鋁鋰合金的攪拌摩擦焊接頭抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率均能夠達(dá)到母材的90%。

對(duì)于Al-Cu-Li系合金，由于常用的T8或T8X狀態(tài)，且具有較高的淬火敏感性，目前報(bào)道的攪拌摩擦焊的焊接系數(shù)一般可以達(dá)到70%～85%。Shukla等[24]研究了焊接參數(shù)對(duì)FSW 2195-T8合金接頭拉伸性能的影響，結(jié)果表明,焊接參數(shù)對(duì)接頭UTS和延伸率的影響幾乎可以忽略，平均焊接系數(shù)為70%左右，接頭一般斷在HAZ與TMAZ交界區(qū)域或NZ區(qū)域。

Tao[25]研究了2060-T8攪拌摩擦焊接頭的力學(xué)性能，當(dāng)固定行進(jìn)速度為200mm/min，隨旋轉(zhuǎn)速度從400rpm增加至1200rpm，接頭的抗拉強(qiáng)度和延伸率均增加；當(dāng)固定旋轉(zhuǎn)速度1200 rpm時(shí)，隨行進(jìn)速度從200mm/min減小至50mm/min，接頭的抗拉強(qiáng)度和延伸率均減小，這也對(duì)應(yīng)于接頭硬度隨行進(jìn)速度的變化趨勢。在優(yōu)化參數(shù)下，接頭的最高焊接系數(shù)達(dá)84.5%，此時(shí)接頭斷裂在TMAZ區(qū)域。

由于鋁鋰合金主要應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域，因此鋁鋰合金焊接接頭疲勞性能也是研究者關(guān)注的一個(gè)重點(diǎn)。Moreira等人[26]在 FSW 2195-T8合金接頭高周疲勞行為的研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)應(yīng)力比為0.1時(shí)，F(xiàn)SW接頭與BM在疲勞壽命為105周時(shí)所對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力分別為260MPa～280MPa和350MPa～400 MPa，即接頭與 BM相比疲勞強(qiáng)度降低約30%。在所選應(yīng)力水平下，絕大部分疲勞試樣從FSW接頭表面軸肩的邊界處起裂，而僅有少數(shù)試樣從NZ底部起裂。董春林等人[27]研究了工藝參數(shù)對(duì)T8態(tài)Al-Cu-Li合金疲勞性能的影響，結(jié)果表明，在優(yōu)化參數(shù)下，鋁鋰合金攪拌摩擦焊接頭200萬次疲勞極限可達(dá)170MPa為母材的81%(圖3)。

(焊接參數(shù)：工具轉(zhuǎn)速1600rpm，行進(jìn)速度200mm/min)圖3 攪拌摩擦焊鋁鋰合金接頭與母材的S-N曲線[27]Fig.3 S-N curve of aluminum lithium alloy joint and parent material

研究還發(fā)現(xiàn)，鋁鋰合金FSW接頭疲勞斷裂大部分從焊縫表面起裂，這可能與FSW過程中金屬材料的周期性流動(dòng)和周期性微觀組織使焊縫內(nèi)部出現(xiàn)強(qiáng)度薄弱區(qū)或應(yīng)力集中有關(guān)。

3 鋁鋰合金攪拌摩擦焊的工程應(yīng)用

美國波音公司最早實(shí)現(xiàn)了實(shí)際產(chǎn)品的攪拌摩擦焊工藝技術(shù)應(yīng)用，將攪拌摩擦焊技術(shù)應(yīng)用在Delta系列運(yùn)載火箭鋁合金貯箱中間艙段的連接制造，并成功發(fā)射升空。攪拌摩擦焊技術(shù)在Delta Ⅳ型火箭中心助推器上的應(yīng)用使焊縫接頭強(qiáng)度提高30%～50%，Delta Ⅳ和Delta Ⅱ的制造費(fèi)用節(jié)省了60%，生產(chǎn)周期由原來的23d減少為6d[28]。洛克希德·馬丁公司積極開展攪拌摩擦焊接在航天飛機(jī)外貯箱(儲(chǔ)存液氫燃料和加壓液氧化劑)上的應(yīng)用研究，以提高產(chǎn)品焊接質(zhì)量，已經(jīng)采用FSW焊接完成2195鋁鋰合金航天飛機(jī)外貯箱(直徑為8.4m、長達(dá)47m)生產(chǎn)[28]。

按照NASA的計(jì)劃，在美國航天飛機(jī)退役后，戰(zhàn)神(Ares)系列火箭(戰(zhàn)神-Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ)將成為執(zhí)行美國空間探索的新型運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施的重要單元。據(jù)報(bào)道，戰(zhàn)神-Ⅰ火箭上面級(jí)的液氫、液氧貯箱將全部采用2195鋁鋰合金材料，并采用攪拌摩擦焊制造。戰(zhàn)神-Ⅰ火箭將運(yùn)載的“獵戶座”載人飛船的乘員艙和服務(wù)艙也都將采用鋁鋰合金。“獵戶座”飛船是NASA研發(fā)的新一代載人航天器，在“火星之旅”任務(wù)中將航天員送往深空目的地發(fā)揮重要作用。2016年1月，NASA在米丘德裝配廠完成“獵戶座”飛船乘員艙鋁鋰合金的攪拌摩擦焊連接，標(biāo)志著NASA在“火星之旅”計(jì)劃中又前進(jìn)了一步。“獵戶座”乘員模塊總共需要進(jìn)行33次FSW焊接，其中包括一些迄今為止使用FSW嘗試的最長的圓周焊接(圖4)。通用焊接系統(tǒng)II(UWS II)在米喬德裝配廠(MAF)完成焊接操作，該系統(tǒng)包括直徑為6.7m的轉(zhuǎn)盤、FSW機(jī)頭和模塊化T型格柵地板。該系統(tǒng)可在固定裝置的硬件上進(jìn)行五軸焊接，并實(shí)現(xiàn)極其精確的焊接。

圖4 “獵戶座”乘員模塊及局部攪拌摩擦焊Fig.4 Orion occupant module and local mixing and friction welding

美國太空探索技術(shù)(Space X)公司的獵鷹9號(hào)火箭燃料箱采用攪拌摩擦焊技術(shù)制成。在箭體結(jié)構(gòu)和材料上，獵鷹9號(hào)是世界上第一種全面應(yīng)用高強(qiáng)的2195鋁鋰合金的火箭。獵鷹9號(hào)火箭第一級(jí)的貯箱箱體和封頭均由鋁鋰合金制成，采用強(qiáng)度高、可靠性高的全攪拌摩擦焊工藝制造。攪拌摩擦焊的高可靠性也推動(dòng)了鋁鋰合金在民用航空的應(yīng)用?？湛虯380的機(jī)身蒙皮、地板梁、機(jī)翼前后緣應(yīng)用了鋁鋰合金。波音747客機(jī)、777客機(jī)、麥道飛機(jī)應(yīng)用鋁鋰合金制造燃料箱、隔框、機(jī)翼蒙皮、整流罩等?？湛虯350采用攪拌摩擦焊制造2198機(jī)身蒙皮，減重效果明顯，A340-600采用攪拌摩擦焊制造2050客機(jī)翼肋，減重5%，成本降低21%。

我國鋁鋰合金的研究起步較晚，鋁鋰合金的生產(chǎn)能力也與美國、歐洲存在較大差距，國產(chǎn)鋁鋰合金的攪拌摩擦焊應(yīng)用案例也比較少。2020年底，中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院采用了國產(chǎn)的鋁鋰合金，結(jié)合攪拌摩擦焊和整體旋壓技術(shù)成功試制了3.35m直徑鋁鋰合金火箭貯箱，標(biāo)志著我國鋁鋰合金攪拌摩擦焊的技術(shù)取得了階段性進(jìn)展。

4 結(jié)束語

《中國制造2025》重點(diǎn)領(lǐng)域關(guān)鍵共性技術(shù)中的大型輕量化整體及高強(qiáng)金屬結(jié)構(gòu)制造技術(shù)，明確將以機(jī)身壁板、機(jī)翼壁板以及起落架、框梁肋等部件為主要對(duì)象，重點(diǎn)開展鈦合金、鋁合金、鋁鋰合金、高強(qiáng)鋼等金屬結(jié)構(gòu)的制造工藝研究。攪拌摩擦焊作為鋁鋰合金一種高可靠性連接工藝，將在我國航空航天高端裝備制造技術(shù)水平提升方面發(fā)揮越來越重要的作用。我國應(yīng)加快鋁鋰合金攪拌摩擦焊接頭可靠性評(píng)價(jià)和驗(yàn)證工作，建立相應(yīng)的攪拌摩擦焊接標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用數(shù)據(jù)庫，為鋁合金攪拌摩擦焊接的工程應(yīng)用提供強(qiáng)有力的支撐。