Research Progress in Friction Stir Welding and Its Variant for Joining of Al-Li Alloy

铝锂合金的搅拌摩擦焊及其改型工艺研究进展 Research Progress in Friction Stir Welding and Its Variant for Joining of Al-Li Alloy 1 first-author 程哲闻（1992—），男，工程师，硕士，主要从事车身连接技术及设备研究。 程哲闻（1992—），男，工程师，硕士，主要从事车身连接技术及设备研究。 1 2 2 2 corresp 石　磊（1987—），博士，教授，博士生导师，主要从事轻质金属焊接与增材制造研究。E-mail：lei.shi@sdu.edu.cn。 石　磊（1987—），博士，教授，博士生导师，主要从事轻质金属焊接与增材制造研究。E-mail：lei.shi@sdu.edu.cn。 lei.shi@sdu.edu.cn 华人运通(山东)科技有限公司,上海 201100 华人运通(山东)科技有限公司,上海 201100 Human Horizons (Shandong) Technology Co., Ltd., Shanghai 201100, China Human Horizons (Shandong) Technology Co., Ltd., Shanghai 201100, China 山东大学 材料液固结构演变与加工教育部重点实验室,山东 济南 250061 山东大学 材料液固结构演变与加工教育部重点实验室,山东 济南 250061 MOE Key Lab for Liquid-Solid Structure Evolution and Materials Processing, Shandong University, Ji'nan 250061, China MOE Key Lab for Liquid-Solid Structure Evolution and Materials Processing, Shandong University, Ji'nan 250061, China 铝锂合金拥有较高的比强度和比刚度以及高损伤容限，且耐蚀性好、低温疲劳性能优异，是航空航天、轨道列车等领域实现构件轻量化的理想结构材料之一。搅拌摩擦焊是高强铝锂合金焊接成形的优选方法之一。首先探讨了铝锂合金熔化焊接的特点及难点，然后分析了铝锂合金的搅拌摩擦焊接的研究现状及挑战，随后讨论了国内外学者对铝锂合金搅拌摩擦焊接改型工艺的相关研究进展，最后对铝锂合金搅拌摩擦焊接的未来研究方向进行了展望。 With high specific strength and stiffness, high damage tolerance, good corrosion resistance and excellent low-temperature fatigue performance, Al-Li alloy is one of the ideal structural materials for realizing lightweight components in the fields of aerospace and rail trains. Friction stir welding is one of the preferred methods for welding high strength Al-Li alloys. This paper firstly, introduces the characteristics and difficulties in fusion welding of Al-Li alloy and analyzes the research status and challenges of friction stir welding of Al-Li alloy. Additionally, the modification process of friction stir welding of Al-Li alloy at home and abroad are summarized. Finally, the future development direction of friction stir welding of Al-Li alloy is prospected. 铝锂合金 搅拌摩擦焊 微观组织 接头性能 超声辅助搅拌摩擦焊 双轴肩搅拌摩擦焊 Al-Li alloy friction stir welding microstructure joint properties ultrasonic assisted friction stir welding bobbin tool friction stir welding 前言 1 为了达到节能、减排、降耗的目的，航空航天、轨道列车、汽车、船舶、军工等制造领域越来越多地采用轻量化结构件。相较于目前常用的传统铝合金，第三代铝锂合金拥有较高的比强度和比刚度，且其耐蚀性好，具有更优异的低温疲劳性能，在航空航天、船舶、高速列车等工业领域具有广泛的应用前景 ［ 1 1 - 3 3 1-3 ］ 。采用铝锂合金取代传统铝合金可使结构件减重15%以上，刚度提高10%~20%，是理想的轻量化结构材料之一 ［ 2 2 ］ 。由于铝和锂均为活泼化学元素，采用常规熔焊方法焊接铝锂合金时极易产生裂纹、气孔和合金元素烧损等问题，严重降低接头性能，影响结构件的可靠性 ［ 4 4 ］ 。 搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding，FSW）是英国焊接研究所发明的固相连接技术，是铝、镁等轻质金属的优选焊接工艺方法之一，被广泛应用于航空航天、船舶制造、轨道交通等领域 ［ 5 5 ］ 。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。为此，国内外学者开展了大量铝锂合金搅拌摩擦焊接工艺研究，并且针对第三代高强铝锂合金常规搅拌摩擦焊接工艺的不足，开展了一系列工艺改型创新研究。 本文通过对国内外学者在铝锂合金搅拌摩擦焊及其改型工艺研究领域的研究总结，探讨了目前铝锂合金搅拌摩擦焊接工艺及其改型工艺研究存在的问题及其可能的解决途径，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。 铝锂合金的熔焊 1 虽然铝锂合金的熔焊面临着巨大困难，但是国内外学者仍然开展了一系列铝锂合金熔焊新工艺研究。施军等人 ［ 6 6 ］ 通过VPTIG工艺对2 mm厚的薄板2195-T8铝锂合金进行焊接，结果表明，VPTIG焊方法焊接效果良好，接头熔合区存在明显的细晶区，但接头热影响区的晶粒与析出相均发生明显粗化，导致接头力学性能降低，接头的平均抗拉强度约为373 MPa，仅为母材的66%。为了改善熔焊接头晶粒粗化的问题，张玉岐等人 ［ 7 7 ］ 对2 mm厚的薄板2195铝锂合金进行了超声复合TIG焊接，发现超声TIG焊缝组织致密，具有较宽的等轴细晶区，最优的接头拉伸性能达到母材的67.4%。为了降低焊接热输入，汪殿龙等 ［ 8 8 ］ 采用交流冷金属过渡（Cold Metal Transfer，CMT）焊接技术实现了2 mm厚2198-T8铝锂合金薄板的焊接，获得了成形良好的接头，最大抗拉强度为270 MPa，达到母材的64.3%，接头断裂方式为准解理断裂。 此外，国内外学者也探究了铝锂合金的新型高能束熔焊技术的可行性。Zhou等人 ［ 9 9 ］ 利用摆动激光实现了2060铝锂合金焊接，通过激光摆动降低了焊缝塌陷、增强了熔池流动，平均晶粒尺寸从105.27 μm降至89.67 μm，接头性能达到母材的63.8%。倪彪等人 ［ 10 10 ］ 开展了3.7 mm厚2195-T8铝锂合金的激光焊，并系统研究了工艺参数对接头成形的影响，获得最优的接头抗拉强度为296 MPa，仅为母材强度的51%。 综上可知，铝锂合金熔焊时的温度较高，易产生气孔、晶粒粗化和合金元素烧损等问题，导致接头的力学性能远低于母材，极大限制了铝锂合金结构件的广泛应用。 铝锂合金常规搅拌摩擦焊接 1 鉴于FSW在铝锂合金焊接方面的优势，近年来国内外学者开展了大量的铝锂合金FSW工艺研究，重点研究了工艺参数对接头成形成性的影响以及接头微观组织与力学性能之间的相关性。 工艺参数 2 搅拌头转速和焊接速度是影响焊接热输入、塑性材料流动和接头成形成性的关键工艺参量。为此，学者针对不同规格和型号的铝锂合金进行了大量工艺试验研究，分析工艺参数对接头成形成性的影响规律。 戴翔等人 ［ 2 2 ］ 开展了2195铝锂合金的搅拌摩擦焊接工艺试验研究，分析了焊接速度对接头微观组织与性能的影响（见 图1 图1 ），发现在合理匹配转速与焊速的条件下，获得的接头最大抗拉强度可达母材的86.3%。王东等人 ［ 3 3 ］ 系统研究了焊接参数对铝锂合金搅拌摩擦焊接头性能的影响，发现低焊速时，接头易过热，导致其热影响区的硬度最低，成为接头断裂位置；而转速较低会导致材料流动不充分，使得接头强度降低。通过工艺优化，获得的最高接头抗拉强度达到母材的87%，延伸率约为10%。 Liu等人 ［ 11 11 ］ 研究了搅拌头转速对2060-T8铝锂合金搅拌摩擦焊接头组织与性能的影响，发现接头力学性能随转速的升高先增加后降低，在800 r/min时接头的抗拉强度达到最大值440 MPa，约为母材的83%，但接头的延伸率仅为2.8%。Zhang等人 ［ 12 12 ］ 研究了工艺参数和焊后热处理对2195-T8铝锂合金搅拌摩擦焊接头性能的影响，发现接头性能均随着转速和焊速的升高先升高后降低，接头都表现出较为明显的软化效应，获得的最优接头性能仅为母材的65%。对其进行合理的T6焊后热处理后，接头抗拉强度可以达到母材的85%。Muthumanickam等人 ［ 13 13 ］ 研究了焊接工艺参数对2195铝锂合金搅拌摩擦焊接头组织与性能的影响，结果表明低转速高焊速有利于降低热输入，获得更细小的晶粒，在搅拌头转速为400 r/min，焊速为300 mm/min条件下获得的接头性能最优，达到母材的73%。 综合来看，采用搅拌摩擦焊接方法，通过合理匹配工艺参数，可以获得较为优异的铝锂合金接头。但在搅拌摩擦焊接的热作用下，接头仍存在一定的软化，并且相对于母材，铝锂合金搅拌摩擦焊接头的延伸率仍存在较为明显的降低。 搅拌头形状尺寸 2 搅拌头形状对焊缝材料的塑性流动行为具有重要影响。陈永来等人 ［ 5 5 ］ 研究了圆柱搅拌头和带螺纹搅拌头对2195铝锂合金搅拌摩擦焊缝成形及其性能的影响，发现采用圆柱搅拌头容易在接头产生隧道型孔洞缺陷，而带螺纹的搅拌头可以消除孔洞缺陷，有效提高接头的抗拉强度，最优的接头抗拉强度达到430 MPa，约为母材的76%。张满当等人 ［ 14 14 ］ 研究了轴肩尺寸对2060-T8铝锂合金搅拌摩擦焊缝成形与接头组织性能的影响，发现采用合理尺寸的小轴肩可以降低机器人搅拌摩擦焊接载荷，细化焊核区晶粒组织，所获得的最优接头性能达到母材的74%，接头断裂于焊核区，呈现韧脆混合型断裂。 总体上，国内外研究人员对常规铝合金的搅拌摩擦焊接过程中搅拌头的影响进行了较为丰富的研究，但关于搅拌头形状及尺寸对铝锂合金搅拌摩擦焊缝的影响的研究还相对较少，仍需开展相关的工艺试验和数值模拟研究，探究搅拌头形状和尺寸对铝锂合金搅拌摩擦焊接热力耦合过程和焊缝成形成性的影响规律。 接头微观与性能 2 接头的微观组织结构直接决定接头的力学性能。为了研究接头微观组织与力学性能之间的相关性，探究接头微观组织演变规律，国内外学者开展了大量铝锂合金FSW接头微观组织表征分析。Qin等人 ［ 15 15 ］ 研究了2195-T8铝锂合金搅拌摩擦焊接头的析出相与微观组织演变，发现在焊接热的作用下，铝锂合金母材中原有的T 1 相（Al 2 CuLi）、θ'相（Al 2 Cu）及τ 2 相（Al 7 Cu 2 Fe）发生溶解，而δ'相（Al 3 Li）和β'相（Al 3 Zr）在降温阶段重新析出，成为接头焊核区的主要强化相。Lin等人 ［ 16 16 ］ 对2099铝锂合金搅拌摩擦焊接头的分析也发现了母材中的T 1 相完全溶解，析出细小的δ'相。 沉淀强化铝合金的搅拌摩擦焊接头通常断裂于接头硬度最低的区域。而Tao等人 ［ 17 17 ］ 发现铝锂合金搅拌摩擦焊接头并不断裂于接头硬度最低的区域，反而断裂于焊核区。针对铝锂合金搅拌摩擦焊接头的这一断裂行为开展了系统的研究，发现在轴肩影响区与搅拌针影响区之间的过渡区经历了未完全动态再结晶，其平均泰勒因子最低。此外，还发现在过渡区存在锂元素偏析于晶界处。上述两个原因导致铝锂合金易从过渡区开裂，导致接头从焊核区断裂。Tayon等人 ［ 18 18 ］ 对19 mm厚2195铝锂合金搅拌摩擦焊接头的研究也得到了类似结论，发现接头前进侧的热机影响区受到剧烈剪切变形的影响，形成大量低泰勒因子的晶粒，造成该区域形成晶体学薄弱区域，导致拉伸测试时试样易在此处断裂（见 图2 图2 ）。 （a）极图；（b）平行ND方向的IPF图；（c）平行RD方向的IPF图；（d）沿TD方向拉伸的泰勒因子图；（e）断裂位置 Wang等人 ［ 19 19 ］ 发现铝锂合金母材的热处理状态对搅拌摩擦焊接头的析出相和性能具有一定影响，采用T34热处理状态的2198铝锂合金母材开展搅拌摩擦焊接工艺试验，通过优化工艺参数获得的接头的抗拉强度和屈服强度达到母材的96.5%和92.8%，而延伸率达到母材的146.75%。通过对接头组织和析出相进行分析发现，由于搅拌摩擦焊接过程中的连续动态再结晶作用形成了大量细小的等轴晶，有利于促进应变的均匀化并缓解应力集中。同时，焊核区形成的纳米尺度的δ'相、T 1 相和θ'相有利于阻碍位错的运动，从而提升接头性能。 综合来看，目前国内外学者在铝锂合金搅拌摩擦焊接工艺及其接头组织性能方面做了大量工作，对铝锂合金接头微观组织演变及其对接头性能的影响具有较为深入的理解。但目前的研究主要体现在工艺试验与微观组织表征测试方法，仍缺乏对接头微观组织演变的定量分析，尤其是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。 铝锂合金的搅拌摩擦焊接工艺改型 1 虽然常规FSW在铝锂合金焊接中具有巨大优势，但FSW主要依靠搅拌头与工件的摩擦产热和塑性变形产热来软化材料，致使其存在焊接载荷大、临界焊接速度慢、效率低等问题，且较低的焊接速度也使得热输入较大，导致接头仍存在一定软化。为此，针对常规FSW工艺的不足，研究者们在FSW工艺改型方面进行了大量探索。 双轴肩搅拌摩擦焊 2 为了解决常规FSW难以实现铝锂合金复杂空间无支撑结构焊接的问题，西北工业大学李文亚教授团队开展了系统的双轴肩搅拌摩擦焊（Bobbin Tool FSW，BT-FSW）工艺研究 ［ 20 20 - 22 22 20-22 ］ 。此外，还针对常规BT-FSW工艺存在的焊缝成形差、内部孔洞缺陷等问题，开发了可调间隙式BT-FSW系统 ［ 20 20 ］ ，同时提出了差速双轴肩搅拌摩擦焊接（Dual-rotation Bobbin Tool FSW， DBT-FSW）新工艺 ［ 21 21 ］ ，研究了上述FSW改型工艺在铝锂合金无支撑结构焊接的可行性。研究发现，DBT-FSW上下轴肩转速的差异使得上下轴肩对塑性材料的作用力不平衡，工件上部与下部的塑性材料迁移不同步，进而提高了焊接稳定性，消除了常规BT-FSW接头易出现的孔洞缺陷 ［ 21 21 - 22 22 21-22 ］ ，如 图3 图3 所示。此外，Entringer等人 ［ 23 23 ］ 也开展了铝锂合金的双轴肩搅拌摩擦焊接工艺试验，研究了铜与锂的比值对接头微观组织演变的影响，发现铜锂比值越高，焊后接头的软化越不明显，这主要是因为低铜锂比的铝锂合金的焊接温度更高，接头析出相的溶解更为明显。整体上，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，仍有待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。 （a）BT-FSW焊缝横截面；（b）DBT-FSW焊缝横截面；（c）BT-FSW焊缝中的典型孔洞缺陷；（d）DBT-FSW焊缝前进侧的微观组织；（e）BT-FSW焊缝前进侧的微观组织 静轴肩搅拌摩擦焊 2 静轴肩搅拌摩擦焊接工艺能够降低焊接热输入和焊接温度，在析出强化铝合金焊接领域具有一定优势。顾超等人 ［ 24 24 ］ 研究了12 mm厚2195-T8铝锂合金静轴肩搅拌摩擦焊接，发现与大多数常规搅拌摩擦焊接不同，由于静轴肩搅拌摩擦焊接的热输入和焊接温度较低，其接头焊核区仍存在少量δ'/β'相，以及极少量未溶解的T 1 相和θ'相，同时析出大量T B 相（Al 7 Cu 4 Li）。在搅拌头转速为300 r/min，焊接速度为80 mm/min的最优参数条件下，12 mm厚2195-T8铝锂合金的静轴肩搅拌摩擦焊接头的抗拉强度达到414.71 MPa，达到母材的71.75%，接头断口呈现典型的韧性断裂模式。 鉴于析出相对铝锂合金搅拌摩擦焊接头的影响，Avettand-Fènoël等人 ［ 25 25 ］ 系统研究了人工时效热处理对AA2050-T3铝锂合金静轴肩双面搅拌摩擦焊接头析出相的影响规律，发现相比于焊前进行人工时效热处理，在焊后进行人工时效热处理能够获得更加细小均匀分布的析出相，有利于提升接头性能。Goebel等人 ［ 26 26 ］ 采用上部轴肩静止的双轴肩搅拌摩擦焊接（Semi-stationary shoulder bobbin tool friction stir welding，SS U BT-FSW）工艺实现了3 mm厚2198-T851铝锂合金的焊接，发现静轴肩能够获得更光滑的焊缝表面，焊缝横断面呈现锥形，有利于消除常规双轴肩搅拌摩擦焊缝中部的孔洞缺陷（见 图4 图4 ），提升接头性能，最终接头的抗拉强度达到母材的82%。 （a）BT-FSW；（b）SS U BT-FSW 综上可知，铝锂合金的静轴肩搅拌摩擦焊接的产热少，降低了焊接温度和接头的软化，能够更好地调控接头的析出相。但目前对于铝锂合金的静轴肩搅拌摩擦焊接头的析出相演变机制方面的研究还相对较少。 无针搅拌摩擦点焊 2 针对铝锂合金薄壁构件的点焊需求，西北工业大学李文亚教授团队开展了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 ［ 27 27 ］ ，在转速950 r/min、下压速度30 mm/min、停留时间7.2 s的条件下获得了最优的接头性能，接头拉伸剪切强度达到7.83 kN。通过对接头微观组织进行表征分析发现，焊核区的T 1 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。此外，对接头的腐蚀测试发现，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，所以表现出更高的阻抗和点蚀电位 ［ 28 28 ］ 。 冷却辅助搅拌摩擦焊 2 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可行手段。Sidhar等人 ［ 29 29 ］ 通过在1424铝锂合金搅拌摩擦焊缝上放置水冷轧辊来加速焊缝冷却（见 图5 图5 ），通过与常规FSW焊缝组织与性能进行对比，发现施加外部冷却后，接头的热影响区变窄，焊核区形成了细小均匀的δ'相，接头性能达到母材的97%。 Tao等人 ［ 30 30 ］ 开展了2198-T8铝锂合金的水下搅拌摩擦焊接研究，并分析了焊后人工时效对接头组织与性能的影响，相比于常规FSW，水下FSW接头的硬度值无明显改变，抗拉强度也并未提高。这可能因为水下焊接的温度虽然略有降低，但并不足以抑制析出相的溶解。因此，水下FSW接头的强度和硬度并未得到提升。Shi等人 ［ 31 31 ］ 在2195-T6铝锂合金FSW焊缝后方施加-10 ℃水与酒精混合冷却液来辅助焊缝冷却，通过与常规FSW接头对比发现，局部急冷降低了焊接温度，导致低热输入工艺参数条件下接头容易形成孔洞缺陷，但在高热输入条件下，接头的抗拉强度得到大幅提升，达到母材的93%。通过对焊缝的微观组织进行分析发现，接头析出相的变化较小，但局部冷却降低了焊接温度和高温停留时间，抑制了晶粒粗化，提高了接头的位错密度，从而提升了接头的抗拉强度。综合来看，辅加冷却能够降低焊接温度，细化焊缝晶粒组织，提高位错密度，但仍不足以抑制析出相的溶解。 超声辅助搅拌摩擦焊 2 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优势。为此，Tarasov等人 ［ 32 32 ］ 进行了2195铝锂合金的超声辅助搅拌摩擦焊 （Ultrasonic assisted FSW， 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。Hu等人 ［ 33 33 ］ 也研究了2060-T8铝锂合金超声辅助搅拌摩擦焊接头微观组织与力学性能，发现施加超声缩短了动态再结晶的孵育时间，降低了塑性变形激活能，促进了纳米级强化相在焊核区的重新析出，从而提升了AA2060-T8铝锂合金超声辅助搅拌摩擦焊接头的性能。 石磊等人 ［ 34 34 - 36 36 34-36 ］ 开展了2195铝锂合金的超声振动辅助搅拌摩擦焊接（Ultrasonic Vibration enhanced FSW，UVeFSW）工艺及数值模拟研究，发现超声能够软化材料、从而降低搅拌头与轴肩的产热率和搅拌头周围的温度，但增强了搅拌头附近的塑性材料流动，从而能够抑制焊接孔洞缺陷。同时，超声能量细化了焊核区晶粒，提高了焊核区的位错密度（见 图6 图6 ），并促进了焊核区沉淀相的形核再析出，最优的接头抗拉强度达到母材的87%。 结论与展望 1 随着我国航空航天、轨道交通与新能源汽车领域轻量化构件的制造需求，高强铝锂合金的应用持续增长，实现铝锂合金的高质量焊接是铝锂合金轻量化构件制造的迫切需求。为此，国内外学者开展了大量铝锂合金的焊接研究。总体上，相比于熔化焊，搅拌摩擦焊可以获得更好的接头性能。在合理匹配焊接工艺参数的条件下，铝锂合金FSW接头的抗拉强度通常能够达到母材的70%以上。通过进行合理的搅拌摩擦焊接工艺改型，例如辅加外场、改进搅拌头设计等，能够进一步提升接头性能，接头抗拉强度有望达到母材的90%以上。目前来看，针对铝锂合金的搅拌摩擦焊及其改型新工艺的研究不断增长，在以下方面仍有待进一步提高： （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 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 . 铝锂合金搅拌摩擦焊接技术的研究现状及其发展方向 LI Y L， YUAN T B， CHEN Y B， et al， Research status and development direction of friction stir welding technology for Al-Li alloy ［J］. 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