铝锂合金的搅拌摩擦焊接技术研究与应用现状

张 琪

(中国铝业集团有限公司，北京 100082)

铝锂合金作为一种低密度、高弹性模量、高比强度和比刚度的合金，在航空航天领域具有广阔的应用前景。采用铝锂合金替代传统铝合金结构材料，可使构件质量减轻15%，刚度提高15%～20%，被认为是21世纪航空航天最理想的结构材料[1-3]。铝锂合金的研究和开发至今已有80多年历史，已先后开发了三代铝锂合金，其中第三代1460、2198、2199、2050等铝锂合金已在先进大型客机和航天器上广泛应用[4]。

铝锂合金的传统焊接方法主要为熔化焊，包括钨极氩弧焊、熔化极氩弧焊、变极性等离子弧焊、电子束焊、激光焊等[5，6]。由于熔化焊接过程中，焊接温度高于合金的熔点，加之铝锂合金本身的焊接特性，采用传统熔化焊接方法焊接很难有效避免焊接气孔、锂元素挥发、焊接热裂纹和接头软化等突出问题[7-9]，在一定程度上限制了铝锂合金的应用。

搅拌摩擦焊(Friction stir welding， FSW)作为一种革命性的新型固相连接技术，非常适用于铝合金尤其是时效强化铝合金的焊接[10]。与传统的熔化焊相比，搅拌摩擦焊接过程中不发生金属熔化，可以成功避免铝锂合金焊接过程中锂元素的挥发损失和焊接气孔、热裂纹等缺陷的形成；同时与熔化焊相比，搅拌摩擦焊的热输入大大减少，从而最大限度的降低了接头的软化，因此搅拌摩擦焊接铝锂合金接头一般具有较高的强度系数[11-13]。近年来，铝锂合金的搅拌摩擦焊接技术已逐步实现产业化应用，极大的拓宽了铝锂合金的应用范围。本文综述了近年来铝锂合金搅拌摩擦焊研究和应用的最新进展，以期为我国铝锂合金的应用推广提供参考。

1 铝锂合金搅拌摩擦焊微观组织

此前的大量研究表明，采用FSW可以在广泛的参数下实现Al-Li合金的无缺陷焊接。与搅拌摩擦焊常规铝合金接头相似，在合理的焊接参数下，铝锂合金搅拌摩擦焊接头一般分为焊核区(NZ)、热机械影响区(TMAZ)、热影响区(HAZ)和母材区(BM)四个典型区域[14]，如图1所示。不同区域所经历的热循环和机械变形不同，因此产生截然不同的微观组织。

(焊接参数：工具转速1600rpm，行进速度200mm/min)图1 2198-T8 搅拌摩擦焊接头的横截面宏观形貌[15]Fig.1 Cross-sectional macroscopic topography of stirring friction welding head of 2198-T8

Li 等人[16]研究冷轧态 2198板材FSW接头，微观组织表征表明，BM为沿轧制方向分布的粗拉长板条状晶粒，HAZ晶粒结构与 BM类似，TMAZ晶粒仍保持板条状但沿搅拌针旋转方向弯曲，而NZ由细等轴再结晶晶粒组成。陶瑶[15]研究了不同焊接参数下2198-T8焊核区的晶粒组织(图2)，结果发现，在广泛的焊接参数下，焊核区均为细小的等轴晶组织，但焊核区晶粒尺寸随着焊接参数的变化而变化。旋转速度增加或行进速度降低，焊核区的晶粒尺寸增加，这主要是由于焊接热输入增加导致的再结晶晶粒长大所致。

(a)旋转速度800rpm，行进速度200mm/min； (b) 旋转速度1600rpm，行进速度200mm/min； (c) 旋转速度1200rpm，行进速度400mm/min；(d) 旋转速度1200rpm，行进速度500mm/min图2 2198-T8不同焊接参数下NZ的微观组织[15]Fig.2 Microorganization of NZ under different welding parameters of 2198-T8

搅拌摩擦焊焊核区的另外一个微观组织特征是“S”线。对于常规铝合金，一般认为“S”线由很多细小的 Al2O3颗粒聚集而成，且大部分颗粒分布在晶界，他们认为这些 Al2O3颗粒来源于被焊工件对接面上的原始氧化膜[17]。TAO[18，19]对2198和2060铝锂合金进行了广泛的搅拌摩擦焊接工艺参数研究发现，在所选的焊接参数范围内，焊核区的“S”线普遍存在，且随旋转速度增加或行进速度降低，S线的破碎及分散程度增加，作者认为这是由于搅拌头搅拌作用增强带来的焊核区材料所经受的塑性变形程度增加所致。“S”的存在将对铝锂合金搅拌摩擦焊接接头的拉伸和疲劳等行为产生重要影响。

对于时效强化铝合金，在FSW过程中，在机械变形和热暴露的双重作用下，不同区域的析出相将发生不同的变化。原有的析出相将完全回溶，并随着焊接后的自然冷却、自然时效析出部分过渡相。对于铝锂合金，除了传统的θ′(A12Cu)、S′(Al2CuMg)等强化相外，还存在 δ′(Al3Li)、T1(Al2CuLi)等强化相，因此铝锂合金FSW过程中不同区域的析出相演变更为复杂。Shukla 等人[20，21]研究了2195-T8 板材从BM到NZ各区域的析出相演变规律，发现BM由T1、θ′ (Al2Cu)、S′ (Al2CuMg)和 δ′/β′ (Al3Zr)相组成，从HAZ到HAZ/TMAZ界面，θ′和S′相溶解程度逐渐增加，在NZ区，所有析出相完全溶解并在自然时效过程中析出δ′相。对于15mm厚2050-T8板材FSW接头，Geuser等人[22]发现，在BM区域，除了含有T1强化相外，还存在粗大的含Mn弥散相；在HAZ区域，T1相粗化并发生部分溶解；在NZ区域 T1完全溶解，但Mn 弥散相仍然存在。

2 铝锂合金搅拌摩擦焊的力学性能

铝锂合金的一般材T6、T8态使用，不同铝合金时效相析出冷却速率的敏感性也不同。对于铝锂合金搅拌摩擦焊，由于不同区域的时效析出相经历了不同的溶解和再析出过程，直接影响了其力学性能和焊接系数。

对于Al-Mg-Li系合金，如苏联开发的1420铝锂合金，搅拌摩擦焊的焊接系数可以达到85%以上。郭晓娟等人[23]研究了2.8mm 1420铝锂合金搅拌摩擦焊的力学性能，结果表明，较大的焊接热输入有利于进一步提高搅拌摩擦焊接头的强度系数，在优化焊接参数条件下，1420铝锂合金的搅拌摩擦焊接头抗拉强度和断后伸长率均能够达到母材的90%。

对于Al-Cu-Li系合金，由于常用的T8或T8X状态，且具有较高的淬火敏感性，目前报道的搅拌摩擦焊的焊接系数一般可以达到70%～85%。Shukla等[24]研究了焊接参数对FSW 2195-T8合金接头拉伸性能的影响，结果表明,焊接参数对接头UTS和延伸率的影响几乎可以忽略，平均焊接系数为70%左右，接头一般断在HAZ与TMAZ交界区域或NZ区域。

Tao[25]研究了2060-T8搅拌摩擦焊接头的力学性能，当固定行进速度为200mm/min，随旋转速度从400rpm增加至1200rpm，接头的抗拉强度和延伸率均增加；当固定旋转速度1200 rpm时，随行进速度从200mm/min减小至50mm/min，接头的抗拉强度和延伸率均减小，这也对应于接头硬度随行进速度的变化趋势。在优化参数下，接头的最高焊接系数达84.5%，此时接头断裂在TMAZ区域。

由于铝锂合金主要应用在航空航天领域，因此铝锂合金焊接接头疲劳性能也是研究者关注的一个重点。Moreira等人[26]在 FSW 2195-T8合金接头高周疲劳行为的研究中发现，当应力比为0.1时，FSW接头与BM在疲劳寿命为105周时所对应的最大应力分别为260MPa～280MPa和350MPa～400 MPa，即接头与 BM相比疲劳强度降低约30%。在所选应力水平下，绝大部分疲劳试样从FSW接头表面轴肩的边界处起裂，而仅有少数试样从NZ底部起裂。董春林等人[27]研究了工艺参数对T8态Al-Cu-Li合金疲劳性能的影响，结果表明，在优化参数下，铝锂合金搅拌摩擦焊接头200万次疲劳极限可达170MPa为母材的81%(图3)。

(焊接参数：工具转速1600rpm，行进速度200mm/min)图3 搅拌摩擦焊铝锂合金接头与母材的S-N曲线[27]Fig.3 S-N curve of aluminum lithium alloy joint and parent material

研究还发现，铝锂合金FSW接头疲劳断裂大部分从焊缝表面起裂，这可能与FSW过程中金属材料的周期性流动和周期性微观组织使焊缝内部出现强度薄弱区或应力集中有关。

3 铝锂合金搅拌摩擦焊的工程应用

美国波音公司最早实现了实际产品的搅拌摩擦焊工艺技术应用，将搅拌摩擦焊技术应用在Delta系列运载火箭铝合金贮箱中间舱段的连接制造，并成功发射升空。搅拌摩擦焊技术在Delta Ⅳ型火箭中心助推器上的应用使焊缝接头强度提高30%～50%，Delta Ⅳ和Delta Ⅱ的制造费用节省了60%，生产周期由原来的23d减少为6d[28]。洛克希德·马丁公司积极开展搅拌摩擦焊接在航天飞机外贮箱(储存液氢燃料和加压液氧化剂)上的应用研究，以提高产品焊接质量，已经采用FSW焊接完成2195铝锂合金航天飞机外贮箱(直径为8.4m、长达47m)生产[28]。

按照NASA的计划，在美国航天飞机退役后，战神(Ares)系列火箭(战神-Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ)将成为执行美国空间探索的新型运输基础设施的重要单元。据报道，战神-Ⅰ火箭上面级的液氢、液氧贮箱将全部采用2195铝锂合金材料，并采用搅拌摩擦焊制造。战神-Ⅰ火箭将运载的“猎户座”载人飞船的乘员舱和服务舱也都将采用铝锂合金。“猎户座”飞船是NASA研发的新一代载人航天器，在“火星之旅”任务中将航天员送往深空目的地发挥重要作用。2016年1月，NASA在米丘德装配厂完成“猎户座”飞船乘员舱铝锂合金的搅拌摩擦焊连接，标志着NASA在“火星之旅”计划中又前进了一步。“猎户座”乘员模块总共需要进行33次FSW焊接，其中包括一些迄今为止使用FSW尝试的最长的圆周焊接(图4)。通用焊接系统II(UWS II)在米乔德装配厂(MAF)完成焊接操作，该系统包括直径为6.7m的转盘、FSW机头和模块化T型格栅地板。该系统可在固定装置的硬件上进行五轴焊接，并实现极其精确的焊接。

图4 “猎户座”乘员模块及局部搅拌摩擦焊Fig.4 Orion occupant module and local mixing and friction welding

美国太空探索技术(Space X)公司的猎鹰9号火箭燃料箱采用搅拌摩擦焊技术制成。在箭体结构和材料上，猎鹰9号是世界上第一种全面应用高强的2195铝锂合金的火箭。猎鹰9号火箭第一级的贮箱箱体和封头均由铝锂合金制成，采用强度高、可靠性高的全搅拌摩擦焊工艺制造。搅拌摩擦焊的高可靠性也推动了铝锂合金在民用航空的应用。空客A380的机身蒙皮、地板梁、机翼前后缘应用了铝锂合金。波音747客机、777客机、麦道飞机应用铝锂合金制造燃料箱、隔框、机翼蒙皮、整流罩等。空客A350采用搅拌摩擦焊制造2198机身蒙皮，减重效果明显，A340-600采用搅拌摩擦焊制造2050客机翼肋，减重5%，成本降低21%。

我国铝锂合金的研究起步较晚，铝锂合金的生产能力也与美国、欧洲存在较大差距，国产铝锂合金的搅拌摩擦焊应用案例也比较少。2020年底，中国运载火箭技术研究院采用了国产的铝锂合金，结合搅拌摩擦焊和整体旋压技术成功试制了3.35m直径铝锂合金火箭贮箱，标志着我国铝锂合金搅拌摩擦焊的技术取得了阶段性进展。

4 结束语

《中国制造2025》重点领域关键共性技术中的大型轻量化整体及高强金属结构制造技术，明确将以机身壁板、机翼壁板以及起落架、框梁肋等部件为主要对象，重点开展钛合金、铝合金、铝锂合金、高强钢等金属结构的制造工艺研究。搅拌摩擦焊作为铝锂合金一种高可靠性连接工艺，将在我国航空航天高端装备制造技术水平提升方面发挥越来越重要的作用。我国应加快铝锂合金搅拌摩擦焊接头可靠性评价和验证工作，建立相应的搅拌摩擦焊接标准和应用数据库，为铝合金搅拌摩擦焊接的工程应用提供强有力的支撑。