铝锂合金搅拌摩擦焊接头性能分析

何文博

凌海市不动产登记中心，辽宁凌海，121200

0 引言

在工业生产制造中，锂元素是制造低密度高强度合金的首选材料，将锂元素作为合金元素添加到金属铝中就能形成一种新材料：铝锂合金。铝锂合金被广泛应用于制造低密度、高比强度和高比刚度的材料，其耐腐蚀性能、耐疲劳性能、耐低温特性等诸多优点也使铝锂合金在航空航天建造业中成为越来越常见的原材料。其中，搅拌摩擦焊简称FSW焊接，在低熔点铝锂合金焊接中，搅拌摩擦焊接头的性能远优于传统的熔焊接头，因此在航天领域中，人们通常会使用FSW焊接铝锂合金。

1 铝锂合金焊接特性分析

对铝锂合金材料进行分类的主要依据是其材料性质和焊接特性，通常有1系、2系、8系，其各自的元素组成有所不同，在实际应用中表现出来的力学性能也就大不相同，目前在搅拌摩擦焊方面进行研究主要使用的是2系的铝锂合金，目前有关铝锂合金搅拌摩擦焊接的研究主要集中在2系铝合金上，如2195、2198、2A97等。锂的密度仅有0.534g/cm3，是密度最小的金属，而铝锂合金中每添加1%的锂元素就能使合金的密度降低3%，弹性模量增加6%，形成的铝锂合金如2195铝锂合金相比传统使用的铝铜合金结构重量降低10%-20%，结构刚度提升15%-20%。

铝的化学活泼性相对较强，其合金材料亦是如此，而铝与锂在物理性能上则存在较大差异，具体来讲铝的熔点比锂高出许多，热传导率也高于锂，但锂的线膨胀系数是铝的两倍之多，这就使得铝锂合金的焊接难度大大增加了。除此之外，铝锂合金在熔焊时还存在许多问题，如焊接气孔、焊接热裂纹、接头弱化等，大多数铝锂合金在焊接时都非常容易出现焊接气孔和接头弱化，这样的铝锂合金在熔焊后接头强度远低于母材金属，各方面的性能都难以达标，进而导致其在实际结构建造中无法充分发挥优势[1]。熔焊过程中锂的挥发、焊接接头产生的残余应力都是导致接头性能降低的主要原因。本文研究的搅拌摩擦焊接是一种不易发生金属熔化现象的焊接方法，针对你铝锂合金这样熔点差异大的合金，FSW在最高温度达到母材熔化温度80%时，金属都只发生塑性流动，而没有产生锂元素挥发的问题，焊接接头中的残余应力相应降低，焊接热裂纹发生的概率也就大大降低了。

2 铝锂合金搅拌摩擦焊工艺

在铝锂合金焊接中，热输入量的控制是关键，搅拌摩擦焊接工艺能够在铝锂合金材料焊接中得到广泛使用也正是得益于其较低的热输入量，焊接材料不会在焊接过程中发生熔化，金属只保持到塑性流动状态能够避免锂元素的挥发，能够提高焊接的成功率。在焊接过程中，搅拌摩擦焊接的热输入量受到摩擦系数、焊接压力、轴肩直径、搅拌针直径、搅拌头转速、焊接速度等多个数值的影响，对其相互之间的关系进行分析后可得出以下结论。

当搅拌头、摩擦系数与焊接压力相同时，搅拌头的转速越低，焊接热输入量也就越低，同时焊接速度也就越慢，那么就可以用搅拌头转速与焊接速度的比值表示焊接热输入量的大小，其比值通常称作“热输入因子”。这一参数在实际操作中还会受到铝锂合金板材厚度的影响，而铝锂合金不同牌号之间的差异却并不大。说明热输入因子数值的大小除了控制搅拌头转速与焊接速度，还应当根据铝锂合金板材的厚度做相应的调整。以4mm厚度的铝锂合金板材为例，其焊接旋转速度也相应地控制在600～1200r/min，此时的热输入因子在3～15之间；而焊接板的厚度小于3mm时，焊接旋转速度也就相应提高到了1500～2000r/min，此时的热输入因子为7～14之间。尽管热输入因子是搅拌摩擦焊接工艺中一项重要的工艺参数指标，但靠这一数值对实际焊接操作技术进行调整仍然是较为片面的。

上述论述中提到的搅拌针直径与轴肩直径对热输入数值产生的影响也是不可忽视的，在实验中发现接头材料的流动性数值也受到热输入的影响，通常来讲外观设计有明显螺纹的搅拌头配合制作了凹槽的轴肩能够将金属塑形流动的性能发挥出更好的效果。在焊接过程中选择规格符合要求的搅拌针，对搅拌针与轴肩的直径等储存系数进行优化，同时调整焊接倾角，能够使焊接材料的塑性流动性得到很大改善，能够使接头质量得到提高，这对于铝锂合金搅拌摩擦焊的工艺技术提升有很大帮助。

3 铝锂合金搅拌摩擦焊接头室温力学性能

本节分析中选用的材料来自2195-T8铝锂合金，重点研究在室温环境下搅拌摩擦焊接头的力学性能，通过对焊接头使用的母材进行拉伸试验来对其屈服强度和抗拉强度进行量化，并计算其伸长率，以备后续分析对比使用。在拉伸过程中，实验样品的弹性变形阶段表现几乎是一条直线，这也就表示其材料在拉伸发生屈服过后仍然能够保持较好的塑性变形，但抗拉强度达到最大时，样品先是发生了一定的颈缩，而后断裂。在此实验的基础上，本文以2195-T8铝锂合金为例，采用搅拌摩擦焊接实验的方式对搅拌摩擦焊接头的室温力学性能、室温断裂行为、低温力学性能、低温断裂行为进行了分析。

3.1 接头的室温力学性能

实验中准备了三份2195-T8铝锂合金样品，其中一份不对焊接表面进行任何预处理，另外两份分别进行常规预处理和搅拌摩擦焊接预处理（FSP），焊接实验完成后，三份样本的焊核内部都没有出现明显的缺陷，采用不同的焊接预处理方式并没有对接头的质量造成明显影响[2]。但在焊接中，通过对屈服强度、抗拉强度、伸长率与焊接效率的持续记录并分析后，发现三份样品材料的拉伸性能均随着走速提升而升高，屈服强度也随之增加；但三份材料中只有使用FSP进行处理的材料的抗拉强度与走速变化呈正比。未处理的材料在走速提升至300 mm/min时，抗拉长度与伸长率开始大幅度降低，而常规处理的材料则抗拉长度没有明显变化，仅伸长率略微下降。

通过绘制三份材料的工程应力应变曲线，并进行对比分析，可以发现三份材料的弹性模量之间并没有明显差异。但相比于未经处理的材料，常规处理的材料在伸长率与抗拉强度上有更好的表现。需要注意的是使用FSP处理的材料与常规处理的材料中并没有提前断裂的个别样本，而未经处理的样本中有一份铝锂合金过早断裂了，据分析是受走速过高的影响。由此可以证明搅拌摩擦焊接头在室温下拥有更好的抗拉强度，其屈服强度与伸长率也更加理想，在走速提升的情况下仍能保证接头质量。

3.2 接头的室温断裂行为

通常来讲，接头的断裂位置是整个接头中最为薄弱的部分，也就是整个接头中硬度最低的区域，这一处在拉伸过程中也会率先发生塑性形变，导致断裂。通过对断裂试验进行记录分析后发现，未经处理的材料在焊接过程中受到加热影响，材料的薄弱部分的沉淀发生粗化与溶解的速度更快，热影响区内的部分软化速度也更快些，因此在未经处理的材料中过早断裂的情况明显多于另外两份样本材料。而常规处理的材料在断裂试验中的表现明显优于未经处理的材料，其断裂模式具体分析来看是断裂处的沉积连接不够强，导致这一处相对较为薄弱。

未经处理的材料与常规处理的材料的断裂可以大致分为低硬度区断裂类型，尽管常规处理材料在力学性能上已然优于未经处理的材料，但在较为接近的热输入量情况下（指走速升高后的高热输入量情况），两种焊接样品的断裂模式也并没有呈现出较大的差异，但常规处理的材料的性能却仍旧明显优于未经处理的样本材料，这表明经过一定处理后再进行焊接能够使材料表面的氧化物颗粒含量减少，进而降低微裂纹的形成，对于防止材料提前断裂有明显作用。那么经过更加先进的FSP处理的材料则在低硬度区的强度上更是明显优于另外两份材料，其样品没有发生提前断裂现象，断裂位置也处于后退侧低硬度区，不难看出其屈服强度与抗拉强度都随着走速升高而逐渐升高。

4 铝锂合金搅拌摩擦焊接头低温力学性能

本节中的分析仍然是以2195-T8铝锂合金材料为例，在低温环境下对母材和接头的屈服强度、抗拉强度、伸长率、焊接效率、断裂模式等进行了分析，选取的三份材料处理方式与室温实验环境的相同，通过对其力学性能进行记录并分析后发现，在低温环境下，母材的强度明显高于室温。本次实验在与室温实验数据结果进行对比后计算了抗拉强度增强率，发现低温环境的母材抗拉强度增加了16.6%，断裂试验中，材料的断口也出现了新的断裂模式。

4.1 接头的低温力学性能

低温环境下，材料的工程应力应变曲线与室温环境的差距较小，变化曲线随焊接参数变化的趋势也与室温环境的基本类似，而未经处理的材料在低温环境中伸长率有明显降低，且发生了过早断裂，其抗拉强度明显下降，断裂位置也发生了变化。使用FSP处理的材料在低温环境下随着走速升高，焊接效率也有所增加，焊接效率的增幅也不断增加。对此现象分析后推测是由于低温环境下，接头的稳定性较室温更高，因此焊接效率的增幅也更大。

4.2 接头的低温断裂行为

使用FSP处理的接头在室温环境与低温环境下的断裂模式变化也有不同，对其断裂位置和断裂处的结构分析后发现，低温环境下FSP处理过的材料呈现典型的韧性断裂，其接头的性能能够在焊接中保持较好的一致性，同时随着走速升高，热输入量减少，低温环境下，FSP处理的材料的抗拉强度逐渐上升。低温环境下未经处理的材料仍然发生了过早断裂问题，性能受到影响后伸长率降低，焊接效率与室温环境对比并没有明显改善。在低温环境下，材料中原本的低硬度区的硬度其实是有所提升的，这也就使得实验中出现了低温环境下不同样品的断裂位置发生了改变，并非都是室温环境下的后退侧区域断裂。FSP处理的材料在低温环境下会在焊核区断裂，但其接头的性能却仍能保持较好的稳定性，这便证明FSP处理的材料在实际应用中将会由于另外两种材料，表明FSP处理方式和搅拌摩擦焊接头无论在室温环境还是在低温环境都确实具有一定的优势。

5 轴肩下压量对接头力学性能的影响

轴肩下压量在逐渐增加的过程中对接头的力学性能也会产生明显影响，具体表现为当轴肩下压量从0mm逐渐增加到 0.2mm时，接头的抗拉强度与延伸率均先增大后减小，其接头抗拉强度与延伸率的峰值均出现在轴肩下压量为0.1mm时，这一数据在实际焊接操作中参考作用明显[3]。由此也可以分析得出，在焊接中适当增加轴肩下压量能够使接头的拉伸性能有所提高，但若下压量过大则也会起到反作用。那么得出结论，在缓慢增加轴肩下压量的过程中，母材的金属塑性流动分别在前进侧区域与后退侧有所体现，与此同时接头的力学性能有明显提升，接头质量变得更加紧密。

6 工艺参数对铝锂合金搅拌摩擦焊接头力学性能的影响

搅拌摩擦焊接的工艺参数有旋转频率、焊接速度、旋转速度与焊接速度的比值（即热输入因子）、抗拉强度，本节仍以2195-T8铝锂合金材料为例，选择的材料厚度为5mm，研究其随着工艺参数变化，接头的抗拉性能与硬度的变化，探讨其力学性能。

6.1 工艺参数对接头抗拉强度的影响

6.1.1 搅拌头旋转频率对接头力学性能的影响

实验中将焊接速度固定在200mm/min，记录旋转频率分别为400r/min、600 r /min、800r/min、1000r/min、1200r/min时的抗拉强度，对实验数据进行分析后发现，随着旋转频率增加，接头的抗拉强度先是显著上升，最大值出现在600 r/min处，为432.8 MPa，继续将旋转频率提高则抗拉强度开始下降，旋转频率升高至800r/min后抗拉强度下降趋势更加明显。分析其成因，是由于热输入量不断增大，导致材料上的薄弱区软化程度加重，整个材料的强度也就随之降低。

6.1.2 搅拌头焊接速度对接头力学性能的影响

通过记录焊接速度为100mm/min、150mm/min、200mm/min、250mm/min、300mm /min时，材料的抗拉强度数据并进行分析，发现随着焊接速度的提升，材料的抗拉强度先是增加，而后降低，分水岭出现在200mm/min处，这时材料的抗拉强度达到最大值，此后抗拉强度显著下降。对此将焊接速度对接头抗拉强度产生的影响分两层进行分析，一是在焊接速度尚未达到200mm/min时，其抗拉强度与焊接速度是呈正比例的，焊接速度越快那么抗拉强度也越强；二是焊接速度超过200mm/min并持续增加时，接头的抗拉强度与焊接速度转为呈反比例趋势，先是随速度增加而缓慢降低，焊接速度持续攀升到超过250mm/min，材料的抗拉强度迅速降低。

6.2 工艺参数对接头硬度的影响

以一块2195-T8铝锂合金材料为例，其焊缝两侧与焊缝中心处的中间区域中存在一个硬度明显不足的区域，这一区域的面积与具体的硬度水平也是受焊接参数影响的。将材料的不同位置分为焊核区与热影响区，不难发现焊核区的微观硬度明显低于热影响区[4-5]，交界处硬度变化更加剧烈，但就整块材料来看，接头的硬度比母材低。具体来讲，其硬度数值绘制成折线图后大致呈一个并不对称的“W”形，其中前进侧硬度更高，因此也就能解释为何在不同温度的性能试验中，室温下经过FSP处理的材料断裂出现在其后退侧。

将旋转频率固定在600r/min，对焊接速度为100mm/min、150mm/min、250 mm /min时的显微维式硬度记录并分析。发现随着焊接速度提升，热输入量降低，焊核区的硬度会呈明显增长趋势。而随着焊核区温度降低，焊核区的动态回复再结晶的作用减弱，导致焊核区位错密度大于热输入较大的情况发生。这便得出结论：随着热输入量的降低，材料中部分区域的硬度将会升高。

7 结语

搅拌摩擦焊接应用在铝锂合金材料上有得天独厚的优势，通过研究其接头的各方面性能，研究在实践中采用不同的工艺参数会对焊接头的力学性能产生什么样的影响，研究在室温与低温环境下焊接头的力学性能将会发生怎样的变化，希望有助于工业制造中对焊接的热输入进行有效控制，能够使焊接接头具有更优异的力学性能。铝锂合金本身作为一种新型材料，通过不断研究实践使其在工业制造中发挥更大作用，一方面能够推动工业制造业进步，一方面也能为新材料的研发提供方向。