劉立安， 陳思浩， 趙耀邦， 孟祥晨， 黃永憲

摘要： 針對(duì)2195鋁鋰合金攪拌摩擦焊（Friction stir welding， FSW）焊后匙孔缺陷，采用填充式攪拌摩擦焊（Filling friction stir welding， FFSW）開展固相準(zhǔn)等強(qiáng)修復(fù)。該方法熱輸入低，界面處材料相互擠壓，摩擦充足，材料流動(dòng)混合充分，界面結(jié)合質(zhì)量高。結(jié)果表明，通過(guò)額外填充棒的引入，匙孔缺陷得到有效填充，且攪拌摩擦處理有利于對(duì)修復(fù)區(qū)域的二次頂鍛，促進(jìn)修復(fù)界面的冶金結(jié)合效果。通過(guò)焊接工藝參數(shù)優(yōu)化，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度為1 600 r/min時(shí)，修復(fù)后接頭的抗拉強(qiáng)度為358.1 MPa，達(dá)到了優(yōu)質(zhì)FSW接頭的90.7%；斷后伸長(zhǎng)率為3.17%，達(dá)到了優(yōu)質(zhì)FSW接頭的90.6%，實(shí)現(xiàn)了2195鋁鋰合金的固相準(zhǔn)等強(qiáng)修復(fù)。

關(guān)鍵詞： 2195鋁鋰合金； 填充式攪拌摩擦焊； 匙孔修復(fù)； 界面結(jié)合

中圖分類號(hào)： TG 453

Solid state quasi-equal strength repairing for welding defects of 2195 Al-Li alloys

Liu Lian1， Chen Sihao1，2， Zhao Yaobang1， Meng Xiangchen2， Huang Yongxian2

（1. Shanghai Aerospace Precision Machinery Institute， Shanghai 201600， China;

2. State Key Laboratory of Advanced Welding and Joining， Harbin Institute of Technology， Harbin 150001， China）

Abstract： Aiming at the keyhole defects after friction stir welding （FSW） of 2195 Al-Li alloys， the solid state quasi-equal strength repairing based on filling friction stir welding （FFSW） was performed. This method was characterized by low heat input， sufficient friction and material flow and high strength of interfacial bonding. The results showed that introducing the additional filling stud could make the sufficient filling of the keyhole， while the friction stir processing was beneficial to the second forging effects on the repairing regions. By optimizing the welding parameters， when the rotating velocity was 1 600 r/min， the tensile strength of the repaired joint was 358.1 MPa， up to 90.7% that of high quality FSW joint， while its elongation was 3.17%， up to 90.6% that of high quality FSW joint. It realized the solid state quasi-equal strength repairing of 2195 Al-Li alloys.

Key words：? 2195 Al-Li alloy; filling friction stir welding; keyhole repairing; interfacial bonding

0前言

鋁鋰合金被認(rèn)為是21世紀(jì)最具競(jìng)爭(zhēng)力的輕質(zhì)高強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料之一，由于鋰元素的引入，鋁鋰合金相比傳統(tǒng)鋁合金密度更低、比強(qiáng)度更高、耐腐蝕性更好，因此廣泛用于航空航天領(lǐng)域。中國(guó)將2XXX系列鋁鋰合金應(yīng)用在火箭儲(chǔ)箱、箭體及內(nèi)部承載部件中。美國(guó)也將2195鋁鋰合金應(yīng)用在了航天器密封艙的主結(jié)構(gòu)中。利用傳統(tǒng)的熔焊工藝對(duì)鋁合金進(jìn)行焊接易產(chǎn)生氣孔、熱裂紋等缺陷，并且鋁鋰合金中低熔點(diǎn)鋰元素?zé)龘p嚴(yán)重，使焊縫合金化程度降低，導(dǎo)致焊接接頭的力學(xué)性能遠(yuǎn)低于母材。

攪拌摩擦焊（Friction stir welding， FSW）是英國(guó)焊接研究所于1991年提出的一種固相連接技術(shù)。相比于傳統(tǒng)熔焊方法，該方法具有接頭質(zhì)量高、焊接變形小及焊前清理簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)點(diǎn)，適用于焊接鋁合金、鎂合金等輕質(zhì)合金。FSW在焊接過(guò)程中存在焊縫減薄、匙孔等問(wèn)題，降低了接頭的承載能力這些固有問(wèn)題限制了FSW的應(yīng)用，亟待通過(guò)開發(fā)新方法來(lái)解決。

文中針對(duì)上述FSW存在的問(wèn)題，使用填充式攪拌摩擦焊（Filling friction stir welding， FFSW）匙孔修復(fù)手段實(shí)現(xiàn)填充接頭的準(zhǔn)等強(qiáng)修復(fù)，為2195鋁鋰合金高強(qiáng)可靠的連接提供技術(shù)支持，有利于航空航天工業(yè)結(jié)構(gòu)件進(jìn)一步輕量化和鋁鋰合金在航空航天領(lǐng)域進(jìn)一步的應(yīng)用與發(fā)展。

1試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)所用母材為6 mm厚2195-T8鋁鋰合金板材，填充修復(fù)所用材料由與母材同質(zhì)的材料加工而成，其晶粒形態(tài)如圖1所示。其化學(xué)成分見表1，力學(xué)性能見表2。焊接設(shè)備采用WWW-LM3324-13T型龍門式數(shù)控?cái)嚢枘Σ梁笝C(jī)。

試驗(yàn)中采用的2195-T8鋁鋰合金FSW焊縫抗拉強(qiáng)度為395 MPa，為母材的75.2%。焊縫尾部匙孔為錐狀，上大下小，上端部直徑為8 mm，錐度為15°，采用FFSW進(jìn)行修復(fù)，過(guò)程如圖2所示。第一步，將與待修復(fù)母材同質(zhì)的填充材料加工成消耗式填充棒，并固定在非消耗式軸肩套上形成組合式焊具；第二步，啟動(dòng)焊機(jī)將組合式焊具旋轉(zhuǎn)插入待修復(fù)匙孔區(qū)域，通過(guò)填充材料與匙孔壁面的剪切摩擦產(chǎn)生熱量，使界面與近界面區(qū)域金屬軟化并塑性變形；第三步，焊具下壓至一定深度停留若干秒，在熱-力耦合作用下匙孔與填充材料之間界面發(fā)生擴(kuò)散，實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合：第四步，填充棒端部塑化并填充匙孔區(qū)域，而剩余部分與軸肩構(gòu)成一無(wú)針焊具，該無(wú)針焊具行走一定距離進(jìn)行攪拌摩擦處理（Friction stir processing， FSP）對(duì)修復(fù)區(qū)域進(jìn)行二次鍛壓，進(jìn)一步確保修復(fù)效果。修復(fù)過(guò)程中所使用焊具的非消耗式軸肩套的軸肩直徑為20 mm，消耗式填充棒直徑為8 mm，端部凸出軸肩6.8 mm且為錐狀設(shè)計(jì)，端部直徑為2.45 mm，端部錐度大于匙孔1°。

焊后沿平行于焊接方向截取匙孔修復(fù)接頭，制成金相分析試樣并進(jìn)行腐蝕，以Keyence VHX-1000E光學(xué)顯微鏡（Optical microscopy， OM）對(duì)試樣進(jìn)行圖像采集。拉伸試樣尺寸如圖3所示，按照GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)在萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行拉伸性能測(cè)試。采用HXD-1000TM維氏顯微硬度測(cè)試儀對(duì)焊縫截面、修復(fù)接頭截面不同區(qū)域的硬度進(jìn)行測(cè)試。

結(jié)果與分析

采用端部錐角大于匙孔1°的填充棒進(jìn)行FFSW試驗(yàn)，軸肩直徑為20 mm。FFSW過(guò)程的工藝參數(shù)見表3。焊具傾角為1°，下扎速度為1 mm/min，下壓量為0.1 mm，下扎到預(yù)定深度后停留5 s，F(xiàn)SP階段焊接速度為50 mm/min。旋轉(zhuǎn)速度分別設(shè)定為1 400 r/min，1 600 r/min和1 800 r/min，研究旋轉(zhuǎn)速度對(duì)接頭的影響。

FFSW匙孔修復(fù)接頭的表面形貌如圖4所示，原匙孔位置的表面成形良好。由于該項(xiàng)目具有明確的應(yīng)用場(chǎng)景，僅對(duì)強(qiáng)度最高修復(fù)接頭進(jìn)行微觀組織及硬度分析。

圖5為FFSW接頭的宏觀組織，根據(jù)位置和形成原因，除了存在填充棒作用區(qū)（Filled affected zone， FAZ）、軸肩作用區(qū)（Shoulder affected zone， SAZ）和原始形貌區(qū)（Original zone， OZ）3個(gè)特有區(qū)域，還產(chǎn)生了熱力影響區(qū)（Thermo-mechanically affected zone， TMAZ）、熱影響區(qū)（Heat affected zone， HAZ）。FAZ中存在一個(gè)明顯的界面，該界面在圖中用虛線①標(biāo)識(shí)，稱為斷裂線。FAZ下方與原始焊縫組織的界面在圖中以虛線②標(biāo)識(shí)，稱為填充材料界面。為了區(qū)別新的填充組織與原始組織，將OZ分為原始焊縫熱力影響區(qū)（OZ-TMAZ）和原始焊縫熱影響區(qū)（OZ-HAZ）。

圖5中FFSW各區(qū)域（a～e）組織的微觀形貌如圖6所示，有別于常規(guī)FSW接頭。在FAZ斷裂線上方，填充棒與匙孔壁直接接觸產(chǎn)生足夠的摩擦熱，在熱-力耦合作用下重新形核并生長(zhǎng)形成新等軸晶粒，而下方由于摩擦熱不足以發(fā)生再結(jié)晶，與上方的再結(jié)晶晶粒相比晶粒更粗大。SAZ的原始晶粒，在無(wú)針焊具FSP作用下破碎細(xì)化后重新形核長(zhǎng)大，而且與空氣接觸散熱條件好，因此得到等軸晶粒，相比其他區(qū)域晶粒更細(xì)小。OZ-TMAZ的晶粒無(wú)明顯的粗化現(xiàn)象，晶粒原始軋制形態(tài)較狹長(zhǎng)，受到力的作用而向上彎曲變形。OZ-HAZ的形貌與大小均與母材近似。

FFSW修復(fù)接頭的沉淀相分布如圖7所示，黑色的坑洞是由于沉淀相脫落造成的。FAZ存在著2種沿晶界方向分布的沉淀相，一種呈較小顆粒狀彌散分布，數(shù)量較多；另一種顆粒較大。SAZ中的沉淀相受較劇烈的形變而破碎，以小顆粒的形式分布在晶界上，如圖7b所示。OZ-TMAZ由于冷卻過(guò)程較緩慢，一部分沉淀相形核后有足夠的時(shí)間長(zhǎng)大，形成尺寸較大和較小的兩種沉淀相，而OZ-HAZ中僅有小尺寸的沉淀相，如圖7c和圖7d所示。

圖8為FFSW接頭顯微硬度分布。選取接頭的縱截面進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，接頭左側(cè)為未受到熱循環(huán)作用的母材，而接頭右側(cè)是經(jīng)過(guò)FSP作用后形成的SAZ?？v向來(lái)看，上層顯微硬度點(diǎn)處于SAZ和FAZ斷裂線以上的區(qū)域內(nèi)，該區(qū)域晶粒細(xì)小且組織相對(duì)均勻，在細(xì)晶強(qiáng)化的作用下，該區(qū)顯微硬度值較為穩(wěn)定，集中在115～130 HV之間；中層和下層區(qū)域顯微硬度值波動(dòng)較

大，下層區(qū)域經(jīng)過(guò)接頭的OZ-HAZ，未受到FSP的攪動(dòng)作用，顯微硬度值較低，僅為105 HV左右。橫向來(lái)看，接頭中間區(qū)域的FAZ斷裂線以下的區(qū)域顯微硬度值較高，在115～135 HV之間。下層由于材料流動(dòng)較劇烈，組織相對(duì)不均勻，顯微硬度波動(dòng)較大，在105～130 HV之間。由于受熱影響接頭左下方及右側(cè)經(jīng)過(guò)FSP作用區(qū)域的顯微硬度曲線有明顯的降低。雖然，F(xiàn)FSW接頭顯微硬度在一定范圍內(nèi)變化，但對(duì)于修復(fù)接頭而言，接頭薄弱區(qū)仍主要集中于修復(fù)界面。

旋轉(zhuǎn)速度對(duì)FFSW接頭力學(xué)性能的影響如圖9所示。隨著旋轉(zhuǎn)速度的增加，修復(fù)接頭的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。在旋轉(zhuǎn)速度為1 600 r/min時(shí)，接頭抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率達(dá)到了358.1 MPa和3.17%，分別達(dá)到了優(yōu)質(zhì)FSW接頭的90.7%和90.6%，可見，F(xiàn)FSW技術(shù)通過(guò)合理的焊接工藝參數(shù)調(diào)控，既能保證填充材料和孔壁實(shí)現(xiàn)良好的冶金連接，又能避免熱輸入過(guò)大使晶粒粗化、合金元素析出為大顆粒沉淀相的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)2195高強(qiáng)鋁鋰合金焊接缺陷的準(zhǔn)等強(qiáng)修復(fù)。

3結(jié)論

（1）采用FFSW技術(shù)可成功修復(fù)2195-T8鋁鋰合金FSW焊縫尾部匙孔缺陷，修復(fù)工藝無(wú)熔化過(guò)程，修復(fù)后接頭內(nèi)部無(wú)缺陷。

（2）填充棒下扎過(guò)程中，塑化材料先因受壓而向下流動(dòng)；匙孔被填充滿之后又沿遠(yuǎn)離匙孔的方向向上流動(dòng)，填充棒與匙孔的界面摩擦充足且流動(dòng)充分，結(jié)合良好。

（3）通過(guò)焊接工藝參數(shù)優(yōu)化，在焊具旋轉(zhuǎn)速度1 600 r/min的條件下，接頭的抗拉強(qiáng)度為358.1 MPa，達(dá)到了優(yōu)質(zhì)FSW接頭的90.7%；接頭的斷后伸長(zhǎng)率為3.17%，達(dá)到了優(yōu)質(zhì)FSW接頭的90.6%，實(shí)現(xiàn)了2195-T8鋁鋰合金FSW接頭匙孔缺陷的準(zhǔn)等強(qiáng)修復(fù)。

參考文獻(xiàn)

［1］王雷， 王惠苗， 馬方園， 等. 2195-T8鋁鋰合金攪拌摩擦焊接頭組織與力學(xué)性能[J]. 焊接， 2019（3）： 24-27.

［2］宋建嶺， 王雷， 趙英杰. 2195鋁鋰合金攪拌摩擦焊工藝[J]. 焊接， 2019（1）： 31-35.

［3］元琳琳， 王煒， 陳曉宇. 2195鋁鋰合金焊接技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 焊接， 2020（9）： 38-42.

［4］趙云鵬， 曾福明， 周志勇， 等. 新型鋁合金的發(fā)展及其在密封艙結(jié)構(gòu)上的工程應(yīng)用[J]. 載人航天， 2016， 22（3）： 302-307.

［5］鄭子樵， 李勁風(fēng)， 陳志國(guó)， 等. 鋁鋰合金的合金化與微觀組織演化[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)， 2011， 21（10）： 2337-2351.

［6］Mishra R S， Ma Z Y. Friction stir welding and processing[J]. Materials Science and Engineering： R： Reports， 2005， 50（1-2）： 1-78.

［7］Meng X C， Huang Y X， Cao J， et al. Recent progress on control strategies for inherent issues in friction stir welding[J]. Progress in Materials Science， 2021， 115： 1-74.

［8］Han B， Huang Y X， Lü S X， et al. AA7075 bit for repairing AA2219 keyhole by filling friction stir welding[J]. Materials & Design， 2013， 51（10）： 25-33.

［9］黃永憲， 韓冰， 呂世雄， 等. 基于固態(tài)連接原理的填充式攪拌摩擦焊匙孔修復(fù)技術(shù)[J]. 焊接學(xué)報(bào)， 2012， 33（3）： 5-8.

劉立安簡(jiǎn)介： 學(xué)士，工程師；主要從事鋁合金攪拌摩擦焊工藝的研究;laulyan@126.com。

孟祥晨簡(jiǎn)介： 通信作者，博士，講師；主要從事新材料及異種材料攪拌摩擦焊接與處理的研究；已發(fā)表論文60余篇;mengxch@hit.edu.cn。