航空航天用高强铝合金搅拌摩擦焊的研究现状与发展_马俊雅.pdf

材料研究与应用 2023，17（1）：7986航空航天用高强铝合金搅拌摩擦焊的研究现状与发展马俊雅,李静静*（沈阳理工大学材料科学与工程学院，辽宁 沈阳 110159）摘要：高强铝合金具有低密度、高比强度、高比刚度及优异的耐腐蚀性能，是航空航天领域中重要的结构材料。搅拌摩擦焊作为一种固相连接技术，能够克服高强铝合金熔焊时产生的焊接裂纹和气孔等焊接缺陷，在航空航天领域已展现出良好的应用前景。总结了搅拌摩擦焊接过程中焊缝材料流动特性，以及典型高强铝合金传统搅拌摩擦焊接头的特点，包括接头显微组织、力学性能和断裂行为，综述了近年来的 4种新型搅拌摩擦焊工艺的研究进展及成果。最后，对高强铝合金搅拌摩擦焊未来的发展及工程应用进行了展望。关键词：铝合金；搅拌摩擦焊；微观组织；力学性能；断裂行为中图分类号：TG456文献标志码：A 文章编号：1673-9981（2023）01-0079-08引文格式：马俊雅，李静静.航空航天用高强铝合金搅拌摩擦焊的研究现状与发展 J.材料研究与应用，2023，17（1）：79-86.MA Junya，LI Jingjing.Research Progress and Development of Friction Stir Welding of High Strength Aluminum Alloy for Aerospace Applications J.Materials Research and Application，2023，17（1）：79-86.高强铝合金具有较高的比强度、比刚度及优异的耐腐蚀性能，被广泛应用于航空航天领域中1。然而，采用传统熔焊技术焊接高强铝合金时接头易产生裂纹和气孔等缺陷，导致接头力学性能降低2。作为一种固相连接技术，搅拌摩擦焊（FSW）在成型过程中不存在材料熔化问题，因此特别适用于焊接对热裂纹敏感的高强铝合金3-4。过去 30年来，国内外学者针对高强铝合金 FSW 开展了大量研究工作，将 FSW 推向更多应用场合的过程中发现，FSW 过程中材料的流动行为和焊接接头微观组织、性能和焊接工艺等是决定 FSW 广泛应用的关键。本文旨在简要概述高强铝合金 FSW 领域近年的研究成果，以便进一步促进 FSW 技术的高效、低成本使用。1传统搅拌摩擦焊1.1材料流动特性FSW 中焊缝材料的流动过程是理解接头组织和力学性能的基础。目前，国内外研究学者主要采用实验观察和数值模拟两种方法研究材料的流动过程。通过在焊缝位置放置示踪材料，根据示踪材料在接头中的分布分析 FSW 过程中材料的流动行为。Zhang 等5将 2024-T351 铝合金表面的纯铝层作为示踪材料，结合搅拌针“急停”的方法，提出 FSW 过程 4 个阶段的材料流动模型，即焊缝材料经过预变形、挤出、沉积、最终形成焊缝表面。最佳的示踪材料是铝合金表面的氧化膜，但原始的氧化膜很薄只有几微米，搅碎后难以观察。针对此问题，文献 6通过将氧化膜人工加厚，还原最真实的 FSW 材料流动过程；同时，借助于材料内部的微米级沉淀相分布，证明了焊核区（Nugget zone，NZ）上部材料的流变为周期性的材料流动。以上研究均可发现，在FSW 过程中沿接头厚度方向的材料流动行为有所差异，该差异与焊接工具密切相关，根据焊接工具的各部位对材料流变的作用不同，接头 NZ 可以分为轴肩区（Shoulder driven zone，SDZ）、搅拌针区（Pin 收稿日期：2022-08-29作者简介：马俊雅（1995-），女，甘肃兰州人，硕士研究生，从事研究高强铝合金搅拌摩擦焊及焊接工艺的研究，E-mail：。通信作者：李静静（1984-），女，山东潍坊人，博士，副教授，从事增材制造及金属材料失效分析等研究工作，E-mail：。Materials Research and ApplicationEmail：http：/DOI：10.20038/ki.mra.2023.0001092 0 2 3材料研究与应用driven zone，PDZ）和漩涡区（Swirl zone，SWZ）6，其中轴肩主要控制 SDZ 的材料流动，搅拌针主要控制 PDZ和 SWZ的材料流动。由于 FSW 本身的特点，无法直接观察示踪材料在焊缝中的流动，因此该方法具有一定的局限性。数值模拟通过计算机软件与物理模型相结合，可直接模拟 FSW 过程中材料的流动场，对 FSW 材料流动特性的充分研究提供了一种有效的分析方法。Padmanaban 等7基于流体力学建立了数值模型，该模型模拟了 2024与 7075异种 FSW 过程中材料流动场，结果表明：增加搅拌头转速和轴肩直径，材料流动更加剧烈；随焊接速度的降低，NZ 材料流动变得缓慢。Ji 等8用 ANSYS FLUENT 软件，模拟搅拌头轴肩几何形状和搅拌针螺纹对 2014 铝合金材料流动的影响规律，表明减小搅拌针锥度和螺纹槽宽度的尺寸，可增加搅拌针周围材料的流动速度。Zhu 等9建立了数值模型，模拟了 2024 铝合金在FSW 过程中的材料流动行为，结果表明搅拌针后部和底部区域的摩擦力较小而导致材料流动速度明显下降。李继忠10等采用 Deform-3D 三维有限元软件，模拟了 2024 铝合金在 FSW 过程中材料的塑性变形过程，结果表明接头后退侧材料流动强度显著高于前进侧，文献9-10均通过后续实验验证了该数值模型的可靠性。FSW 过程本身较为复杂，通过实验观察不能完整的呈现出材料的流动特性，而数值模拟也处于发展阶段，不同的数值模拟有不同的适用范围，并且其需要大量可靠的基础数据支撑。目前，对 FSW 过程中材料的流动行为有待更为深入全面的分析与探讨。1.2接头组织特征在 FSW 过程中，高强铝合金接头各区域经历了不同程度的热输入和塑性变形，导致接头各区域的组织特征存在明显差异，体现在“S”线、“洋葱环”结构、晶粒尺寸形貌和沉淀相的溶解与粗化等方面。1.2.1“S”线铝合金 FSW 对接接头的 NZ 在金相腐蚀后常会出现一条“S”型的线，称为“S”线。Sato 等11-12观察到铝合金接头底部的“S”线由来源于板材表面的高密度 Al2O3颗粒组成（见图 1）。Ren 和 Hu 等13-14发现，在焊接态接头中“S”线消失或不明显，也不影响接头的拉伸断裂行为，但经焊后 T6 热处理后接头 NZ 根部出现明显的“S”线，并且“S”线周围出现微孔，导致接头沿“S”线断裂，降低了接头的拉伸强度和塑性。另外，研究发现“S”线的分布形态与焊接工艺参数有关。大多数研究表明11-15，增加转速或降低焊接速度（增加热输入）会导致“S”线的分布更加分散不易观察，降低转速或增加焊接速度（降低热输入）会降低“S”线分散的程度，“S”线变得更加完整。与大多数研究规律不同的是，Zhang等16对 7N01铝合金的 FSW 接头“S”线分布进行观察，结果表明相同转速下低焊速的接头易形成清晰连续的“S”线，而高焊速的接头“S”线分散断续是氧化物碎片再分布的结果。1.2.2晶粒形貌铝合金 FSW 接头晶粒组织与熔焊接头明显不同（见图 2）17。无论母材（Base metal，BM）为轧制或铸态组织，NZ均发生连续动态再结晶形成等轴细晶 组 织；热 机 械 影 响 区（Thermo-mechanically affected zone，TMAZ）则为混有少量细晶的细长变形晶粒，而热影响区（Heat affected zone，HAZ）晶粒无塑性变形发生，只发生轻微粗化。FSW 接头晶粒组织演变经历了动态回复、位错增值、晶粒形核、晶粒长大四个阶段18，Zhang 等19发现 FSW 6082T6接头 NZ 因为发生了“几何动态再结晶”而形成了层片状结构，随后长条状晶粒内位错发生塞积与重组，发生“连续动态再结晶”，最终晶粒整体呈“项链状”排列。另外，在 NZ 区中经常可观察到一种“同心圆”形状的“洋葱环”结构，Fonda和 Monajati等20-21认为“洋葱环”的形成是搅拌头驱使材料周期性旋转而形成的，“洋葱环”腐蚀后呈明暗带交替状，暗带相比于明 带 具 有 高 比 例 的 高 角 晶 界，同 时 是 沉 淀 相 富集区。图 1铝合金 FSW 接头“S”线分布12Figure 1“S”line in FSW joint80第 17 卷 第 1 期马俊雅等：航空航天用高强铝合金搅拌摩擦焊的研究现状与发展1.2.3第二相分布FSW 热输入和材料流动不均匀，导致接头各区的第二相存在明显的差异。高强铝合金基体中存在两种尺寸差异明显的第二相，分别为微米级的第二相和纳米级的沉淀相。对于微米级的第二相，孟遥等22在 FSW 7085接头发现，与 BM 相比 NZ 第二相的数量减少，NZ底部第二相细小且呈弥散分布。Zhang等6发现，在2024-T351铝合金 FSW 过程中，周期性材料流动导致微米级颗粒相溶解后在晶界有规律析出，在 NZ的上部形成大量线状第二相偏析。康举等23在FSW2219-T8接头中也发现了少量类似的线状第二相偏析。对 于 纳 米 级 别 的 沉 淀 相，Chen 等24对 FSW 2219-T6接头各区经历的峰值温度与沉淀相进行研究，发现：NZ的峰值温度在 450 以上，高温使原始BM 中的沉淀相（Al2Cu相）溶解；TMAZ的峰值温度约为 400450，Al2Cu 相大部分溶解，少量粗化；HAZ范围较宽，峰值温度约为 200400，在 200300 温度区间不足以使 Al2Cu 相溶解，仅使其粗化，而在 300400 温度区间则导致 Al2Cu 相溶解或者粗化。1.3接头力学性能高强铝合金 FSW 接头的不均匀组织导致各区的力学性能也不均匀25。一般来说，高强铝合金FSW 接头的硬度分布呈“W”形分布26（见图 3），通常接头的前进侧和后退侧存在一个低硬度区（Low hardness zone，LHZ）27-29。Liu 等30提出的热源区等温溶解模型，指出焊接过程中接头的 LHZ经历了类似的峰值温度为 360370 的热循环，沉淀相的粗化程度取决于停留在过时效温度以上的时间，改变转速和焊接工具尺寸对这一热循环影响不大，只会改变 LHZ 的位置，从而合理解释了 LHZ 的硬度随工艺参数的变化规律。Zhang和 Jones等31-32发现，FSW 2024-T351 接头的硬度分布比较复杂，NZ两侧各包含两个 LHZ（命名为 LHZ I和 LHZ II），结果表明：两者组织特点和演变机制均不同，靠近 NZ的 LHZ I 发生过时效，在焊后长期放置过程中其硬度值保持不变；远离 NZ 的 LHZ II 发生了回归再时效，在焊后长期放置后 Cu-Mg、Cu-Cu、Mg-Mg 团簇密度增加，硬度缓慢回复。通常，高强铝合金 FSW 接头的抗拉强度随焊接速度的增加而增加，其不随转速的变化而变化，接头拉伸过程中沿 LHZ断裂，LHZ决定了接头的力学性能和断裂行为33-35。值得注意的是，少数铝合金FSW 接头会发生拉伸时不断在 LHZ 的“异常断裂”现象6，36。Zhang 等6发现 FSW 2024-T351 接头中的第二相线状偏析弱化了 SDZ 局部的力学性能，导图 3FSW 接头显微硬度分布图26Figure 3Micro hardness profile of the FSW joints图 2母材及焊接接头各区域的 EBSD图17Figure 2EBSD maps of base metal and each area of welded joint812 0 2 3材料研究与应用致接头发生“异常断裂”。杨超等36认为，发生异常断裂的原因是因为焊速过快、材料未完成周期性流动导致 NZ 形成“弱结合”状态，最终在拉伸过程中发生异常断裂。2新型搅拌摩擦焊传统 FSW 研究较为成熟，已成功应用于铝合金焊接。但其也存在许多不足：接头底部易出现未焊合缺陷，降低接头力学性能；装夹工艺复杂，对设备刚度要求较高；接头厚度减薄。针对传统 FSW 技术的不足，国内外学者提出了几种新型 FSW 技术。2.1双轴肩 FSW针对传统 FSW 的装夹工艺复杂、接头底部易出现 未 焊 合 缺 陷 的 不 足，运 用 双 轴 肩 搅 拌 摩 擦 焊（Bobbin tool friction stir welding，BT-FSW）可有效解决此问题37。BT-FSW 采用一根贯穿板厚的搅拌针连接上部和下部轴肩，下部轴肩代替了原有的刚性垫板，焊接过程中上下轴肩同时产热而改善了接头底部的材料流动。Wang等38详细综述了 BT-FSW 各种类型焊接工具的优点缺点，认为浮动式-固定间隙型双轴肩焊接工具有较高的性价比和通用性。Wang 等39对BT-FSW 2219接头横截面显微组织进行观察（见图4），由于上下轴肩共同作用，使 BT-FSW NZ组织上下基本对称，接头各区微观组织特征与传统 FSW 接头类似。由于 BT-FSW 无需垫板支撑的特点，使得搅拌针承受巨大的力40，焊接厚板铝合金时将面临搅拌针强度不足的问题，所以 BT-FSW 比较适合薄板铝合金焊接。2.2差速 FSW传统 FSW 焊接高强铝合金时，易产生接头上部过热，底部热输入较少或材料流动不足的问题41。针 对 此 现 象，差 速 FSW（Dual rotation friction stir welding，DR-FSW）通过搅拌针与轴肩的分体结构设计，独立控制二者的转速和转向，从而合理调节热输入改善接头组织与性能42。李金全等43对 5 mm厚 2219-T6进行 DR-FSW，结果表明较于传统FSW接头，DR-FSW接头TMAZ与 HAZ中盘状亚稳相 粗化程度减小，晶界无析出带的宽度也变窄，相比于传统 FSW 接头强度系数为76%，差速接头强度系数提高至 78%。Shi 等44对DR-FSW 进行 3D 数值模拟，结果表明：增加搅拌针转速，有利于扩大高温区及改善接头底部材料流动；此外，搅拌针和轴肩独立反向旋转，有利于接头温度和微观组织均匀性分布。Mehdi 等45对 DR-FSW有关的温度场和材料流动场数值模拟进行详细综述，得出 DR-FSW 在降低成本、提高接头效率和高生产精度方面具有潜在优势的结论。2.3静止轴肩 FSW针对传统 FSW 易产生飞边，接头厚度减薄的问题，研究者提出了静止轴肩 FSW（Stationary shoul图 4典型双轴肩搅拌摩擦焊接头微观组织39Figure 4Typical microstructure of BT-FSW Al alloy joint82第 17 卷 第 1 期马俊雅等：航空航天用高强铝合金搅拌摩擦焊的研究现状与发展der friction stir welding，SS-FSW），即轴肩只沿焊接方向移动不作旋转运动，仅搅拌针旋转驱动材料剧烈塑性变形而实现连接46。Wu 等47指出，与传统FSW 接头相比，6.3 mm 厚的 SS-FSW 7050-T7651接头 LHZ的宽度明显缩小，接头各区域硬度显著增加（见图 5）。Liu 等48设计了一种静止轴肩支撑+搅拌针倾斜穿透的 FSW 技术，该方法可有效改善接头底部的材料流动，但是 FSW 过程中材料流变复杂且不稳定，接头易出现焊接缺陷。该装置底部支撑是一个不转动的圆柱轴肩，固定在滑轨上可沿焊接方向跟随上部焊接工具移动，上部为普通单轴肩工具，针长大于板厚。2.4双面 FSW厚板或超厚板在传统 FSW 时，沿板厚方向存在较大的温度场与流变场梯度，焊接参数窗口很窄，接头极易出现疏松、孔洞等缺陷49。采用双面 FSW（Double side FSW，DS-FSW）可以很大程度上缓解厚板 FSW 时存在的问题50。Yang 等51对厚 80 mm 的 6082-T4 铝合金进行DS-FSW（先正面进行第一道次传统 FSW，再背面进行第二道次传统 FSW）发现：接头横截面的显微硬度呈蝴蝶状分布，NZ靠近硬度值相对于横向中线呈上下对称关系并向中心区域呈递减趋势；LHZ 位于 HAZ，与传统 FSW 不同的是两道次 NZ的重叠区存在 LHZ，即 LHZ扩展至中心区域。BT-FSW、DR-FSW、SS-FSW 和 DS-FSW 4 种新型 FSW 技术在改善接头材料流动和热输入方面各有所长，SS-FSW 有效改善了接头厚度减薄问题且适合薄板焊接，BT-FSW 和 DR-FSW 优化接头底部材料流变和热输入且比较适合薄板和中厚板，而DS-FSW 适合厚板及超厚板铝合金的焊接。3结论目前，国内外研究学者对传统 FSW 接头的材料流变、组织演变和力学性能等方面取得了大量深入、细致的研究成果。针对传统 FSW 技术的局限性，近年 来 提 出 的 双 轴 肩 FSW、差 速 FSW、静 止 轴 肩FSW 和双面 FSW 等新工艺可针对性的解决传统FSW 的不足，但各种新型 FSW 工艺方法仅适用于特定的场合。当前，FSW 技术已用于制造火箭燃料贮箱和高铁列车车厢等重要结构部件，而随着航天航空领域的高速发展，对铝合金焊接结构件的要求越 来 越 严 格，同 时 对 FSW 工 艺 的 提 出 了 更 高 的要求。（1）完善耦合模型，运用数值模拟方法对 FSW过程中的材料流动场进行预测，结合实验观察，对实际焊接过程中焊接工艺参数调整提供理论支撑。（2）深入研究 FSW 高强铝合金接头微观组织和性能之间的内在关系，分析 FSW 接头的断裂行为与失 效 形 式，以 便 通 过 优 化 FSW 工 艺 来 提 升 接 头性能。（3）加大对各种新型 FSW 技术的开发，以便满足各种形状尺寸的高强铝合金焊接，同时注重提高焊接效率，如开发自动化 FSW、机器人辅助 FSW 工艺等。参考文献：1 吕晓丹，刘斌，刘岩，等.铝合金在海洋环境中的腐蚀行 为 研 究 进 展J.中 国 材 料 进 展，2022，41（6）：477-486.2 杜亮，闫福旭.铝合金焊接常见缺陷及预防措施研究J.中国金属通报，2021（7）：71-72.3 宋友宝，李龙，吕金明，等.7xxx系铝合金焊接研究现状 与 展 望J.中 国 有 色 金 属 学 报，2018，28（3）：492-501.4 MA Z Y，FENG A H，CHEN D L，et al.Recent advances in friction stir welding/processing of aluminum alloys：Microstructural evolution and mechanical 图 5静止轴肩 FSW 与传统 FSW 接头宏观组织形貌与相应的硬度面分布47Figure 5Weld cross sections and corresponding hardness contour maps of FSW and SS-FSW joints832 0 2 3材料研究与应用propertiesJ.Critical Reviews in 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