王龍權,周海濤

(1.中國機械總院集團哈爾濱焊接研究所有限公司，哈爾濱 150028；2.上海航天精密機械研究所，上海 201600)

0 前言

7xxx 高強鋁合金是以Zn 為主要合金元素的可熱處理強化鋁合金，在合適的熱處理條件下，其強度可媲美一些高強鋼，故稱為高強鋁合金。7xxx 高強鋁合金具有低密度、高比強度、高比剛度、易成形及優(yōu)良的力學性能，被廣泛應用于航空航天、船舶制造和軌道交通等領域[1-3]。7xxx 高強鋁合金按合金元素可劃分為Al-Zn-Mg 系鋁合金[4]和Al-Zn-Mg-Cu 系鋁合金[5]，Zn 和Mg 元素起主要強化作用，Cu 元素主要是為了提高鋁合金的耐蝕性，但這些合金元素導致材料焊接性下降，故7xxx 高強鋁合金也稱為高強難焊鋁合金。

攪拌摩擦焊（Friction stir welding,FSW）是英國焊接研究所（TWI）開發(fā)的一種新型固相連接技術，該技術具有接頭質量高、焊接變形小及焊接過程綠色無污染等優(yōu)點，是鋁、鎂等合金優(yōu)選的焊接方法，在船舶、航空、航天等制造領域具有廣闊的應用前景[6]。采用FSW 焊接7xxx 高強鋁合金時，可避免熔化焊中常見的凝固裂紋、變形、氣孔及合金元素燒損等冶金問題，但也容易導致接頭出現(xiàn)弱結合、孔洞等焊接缺陷[7-8]；而接頭軟化、疲勞性能及耐蝕性問題也是需要引起重視的。各專家學者對此進行了大量研究，以改善7xxx 高強鋁合金的焊接性，保證焊接接頭質量，使其在各個領域得到充分的應用。

該文就靜止軸肩攪拌摩擦焊（Stationary shoulder friction stir welding,SSFSW）、攪拌摩擦點 焊（Friction stir spot welding,FSSW）、回填式攪拌摩擦點焊（Refilled friction stir spot welding,RFSSW）、可變轉速回填式攪拌摩擦點焊（Variable rotation speed-refill friction stir spot welding,V-RFSSW）微攪拌摩擦焊、（Micro friction stir welding,μFSW）等FSW 技術進行了介紹，主要研究了焊接缺陷、攪拌針形狀的選擇、接頭軟化特征、接頭疲勞性能及接頭耐蝕性等方面的內容。

1 焊接缺陷

攪拌摩擦焊接頭缺陷可分為2 類[9]：①表面缺陷，主要包括飛邊、匙孔、表面下凹、毛刺、起皮、背部黏連及表面犁溝等；②內部缺陷，主要包括弱結合、未焊透、孔洞型缺陷（隧道型缺陷、孔洞及趾根缺陷）、和結合面氧化物殘留等。然而，這些缺陷的存在會惡化FSW 接頭的力學性能，學者們對此展開了研究。

趙華夏等學者[10]研究了隧道缺陷及未焊透缺陷對7050 鋁合金FSW 接頭性能的影響，發(fā)現(xiàn)：根部未焊透缺陷比隧道缺陷對FSW 接頭性能的影響更大；下壓量對這2 種缺陷有重要影響，而攪拌針長度對未焊透缺陷有重要影響。因此，控制攪拌針長度和下壓量，有利于改善FSW 接頭的力學性能。Xu 等學者[11]采用雙面攪拌摩擦焊（Double-sided friction stir welding,DS-FSW）對7085-T7452 鋁合金進行了焊接，焊縫中出現(xiàn)了隧道型缺陷和S 線，如圖1[11]所示，導致接頭的強度系數(shù)下降。佘思越等學者[12]研究了焊接速度對2A12/7075 異種鋁合金FSW 接頭成形和力學性能的影響，發(fā)現(xiàn)：隨著焊接速度的增大，焊縫表面毛刺減少，隧道型缺陷的傾向增大，F(xiàn)SW 接頭的韌性下降。侯艷喜等學者[13]研究了攪拌針偏移位置對A7N01PT4 鋁合金FSW 接頭性能的影響，發(fā)現(xiàn)：FSW 接頭中存在鉤狀（hook）缺陷、S 線和冷搭接缺陷，如圖2[13]所示，而攪拌針偏移位置會影響相關缺陷的產生，進而影響FSW 接頭的性能。Zhao 等學者[14]研究了7N01鋁合金FSW 過程中轉速、塑化區(qū)域和缺陷形成之間的關系，分析了FSW 過程中隧道型及空腔型孔洞缺陷的形成機理，發(fā)現(xiàn)：在較低轉速下，隧道型缺陷的形成與塑化區(qū)尺寸變化較大且超過板厚有關；在較高轉速下，圍繞攪拌針的旋轉和縱向流動不平衡導致了空腔型缺陷。Chen 等學者[15]研究了AA7150-AA2524 異質鋁合金FSW 搭接接頭的細節(jié)疲勞額定值，發(fā)現(xiàn)：疲勞裂紋起源于AA2524 側焊縫中心下表面附近區(qū)域，此處存在弱結合缺陷；接頭中存在大量鉤狀缺陷，為裂紋擴展提供了有利的方向，并引起應力集中，是接頭斷裂的主要原因；鉤狀缺陷和弱結合缺陷對FSW 搭接接頭的疲勞性能有明顯影響，嚴重降低了疲勞強度。Ni 等學者[16]研究了無攪拌針和有攪拌針對AA7075-T6 鋁合金μFSW 接頭性能的影響，發(fā)現(xiàn)：無攪拌針的接頭軟化程度更小，而攪拌針的接頭存在根部弱結合缺陷，對拉伸性能不利。盧振洋等學者[17]采用RFSSW 對7475 鋁合金進行了焊接，發(fā)現(xiàn)：攪拌區(qū)/焊核區(qū)（Stir zone,SZ or welding nugget zone,WNZ）內存在對稱分布且呈現(xiàn)鏈狀的孔洞，如圖3～圖5[17]所示；攪拌套下壓深度和焊具轉速與鏈狀孔洞密集程度呈正相關關系，而攪拌套運動速率與鏈狀孔洞密集程度呈負相關關系。由此可見，優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，減少接頭的中焊接缺陷，改善焊縫成形質量，有利于改善接頭的力學性能及疲勞性能。

圖1 隧道型缺陷和S 線[11]

圖2 鉤狀（hook）缺陷、S 線和冷搭接缺陷[13]

圖4 不同焊具轉速下的鏈狀孔洞[17]

2 攪拌針形狀的選擇

有學者針對攪拌針形狀進行了優(yōu)化，以改善接頭的力學性能。Swaminathan 等學者[18]采用2 種不同形狀攪拌針（圓柱形和圓錐形）的FSW 制備AA7075 和AA6101 異種鋁合金焊縫，研究攪拌頭轉速、移動速度和軸向力等工藝參數(shù)對其力學性能和冶金性能的影響，發(fā)現(xiàn)：在攪拌頭轉速為1 200 r/min、移動速度為45 mm/min、軸向力為6 kN 時，接頭具有較好的力學性能；采用圓柱形攪拌針制備的接頭具有較好的力學性能和冶金性能。Safari 等學者[19]對AA6061-T6 和AA7075-T6 異種鋁合金攪拌摩擦焊接過程進行了有限元模擬研究，并研究了較硬材料（AA7075-T6）位置和攪拌針形狀（圖6[19]）對焊縫金屬和熱影響區(qū)（HAZ）的溫度分布和材料流動的影響，發(fā)現(xiàn)：采用直溝槽攪拌針可以提高攪拌針周圍的材料速度；對于所有類型的攪拌針，與材料放置在后退側時的估計溫度相比，將較硬的材料放置在前進側時，會導致工藝溫度略低；AA7075-T6 鋁合金在前進側時，在攪拌頭軸肩下方的薄層中發(fā)生了混合，較硬材料對后退側的滲透受到限制。Catkin 等學者[20]采用圓錐形和三角形攪拌針對AA7075 鋁合金進行了FSW，發(fā)現(xiàn)：圓錐形攪拌針的顯微組織優(yōu)于三角形攪拌針，且圓錐形攪拌針的接頭力學性能非常好。由此可見，攪拌針的形狀對FSW 接頭的組織和性能有很大影響，選擇合適形狀的攪拌針，有利于改善FSW 接頭的力學性能。

圖6 圓錐形攪拌針形狀[19]

3 接頭軟化特征

與熔化焊接頭相比，7xxx 鋁合金FSW 接頭也存在軟化的問題，詳見表1[21-39]。但相比于熔化焊，F(xiàn)SW更容易獲得軟化傾向小的接頭。由表可知，接頭形式主要是對接接頭和搭接接頭；而搭接接頭主要檢測接頭的拉剪失效載荷，例如，趙運強等學者[21]采用采用V-RFSSW 對7B04-T74 鋁合金進行了焊接，與常規(guī)RFSSW 接頭進行了比較，結果表明：V-RFSSW 接頭拉剪失效載荷為8.835 kN，高于RFSSW 接頭的8.162 kN。對于7xxx 同質鋁合金的FSW，接頭強度系數(shù)出現(xiàn)極低值66.5%，主要原因是焊核區(qū)（WNZ）頂部區(qū)域存在顯著的應變集中現(xiàn)象，產生了不均勻變形，導致接頭異常斷裂[26]；接頭強度系數(shù)出現(xiàn)了極高值106.5%，主要是因為母材7075-O 是退火狀態(tài)，強度最低，在FSW 下，攪拌針偏心0.2 mm 時，改善了材料的塑性流動，導致晶粒細化及沉淀相的再析出，提高了動態(tài)再結晶程度和大角度晶界數(shù)量，最終促進了應變硬化[33]，提高了接頭的強度。同時，張華等學者[24]采用SSFSW 對7050-T7451 進行了焊接，與常規(guī)FSW 相比，SSFSW 接頭成形美觀，表面光滑，焊縫無減薄現(xiàn)象；焊縫組織也有明顯的不同；接頭強度系數(shù)可達91.0%。對于7xxx 異質鋁合金（7xxx 鋁合金與其他系鋁合金）的FSW，接頭強度系數(shù)極低值52.0%，極高值90.0%。無論是7xxx 同質鋁合金還是異質鋁合金的FSW，均可以獲得較高的接頭強度系數(shù)，即減少接頭的軟化傾向，綜合表1 的文獻可知，優(yōu)化焊接工藝及焊接工藝參數(shù)，獲得優(yōu)質無缺陷的焊接接頭，優(yōu)化焊縫組織，有利于改善接頭軟化問題。

表1 7xxx 鋁合金FSW 接頭軟化問題

4 接頭疲勞性能

鄧彩艷等學者[40]對7050-T7451 鋁合金FSW 接頭的疲勞性能進行了研究，發(fā)現(xiàn)：試件的斷裂位置多為接頭的TMAZ 和HAZ，且斷裂位置與接頭組織不均勻密切相關。Sun 等學者[41]對2024-T4 和7075-T6鋁合金FSW 接頭的短疲勞裂紋進行了研究，發(fā)現(xiàn)：短疲勞裂紋容易在焊核區(qū)的次表面缺陷處萌生，并以準解理斷裂方式擴展。Kubit 等學者[42]對7075-T6 鋁合金RFSSW 接頭的疲勞性能進行了研究，發(fā)現(xiàn)：氧化鋁的存在加劇了焊核周邊材料的不均勻性，是裂紋形核的來源。Rodriguez 等學者[43]研究了腐蝕缺陷對AA6061-AA7050 鋁合金FSW 接頭低周疲勞性能的影響，發(fā)現(xiàn)：在熱力影響區(qū)和熱影響區(qū)存在局部腐蝕損傷，裂紋在腐蝕缺陷處萌生，使接頭疲勞壽命降低。馬青娜等學者[44]研究了7075-T6 鋁合金FSW 接頭的疲勞性能，發(fā)現(xiàn)：腐蝕疲勞斷口存在多個裂紋源，如圖7[44]所示，裂紋源萌生于腐蝕坑處。由此可見，焊核區(qū)次表面缺陷、焊核區(qū)氧化膜、接頭的腐蝕缺陷及腐蝕坑都會引起局部的應力集中，促進疲勞裂紋的萌生和擴展，進而降低接頭的疲勞壽命。

圖7 腐蝕疲勞斷口宏觀形貌圖[44]

針對7xxx 鋁合金FSW 接頭的疲勞性能，有學者通過改善接頭組織的均勻性，也有學者通過后處理技術改善接頭表面應力狀態(tài)，以改善接頭的疲勞性能。Jia 等學者[45]研究了7 085 鋁合金中微量Sc 對FSW接頭疲勞性能的影響，發(fā)現(xiàn)：微量Sc 導致晶粒細化，改善了WNZ 強化相的再析出形態(tài)及分布狀態(tài)，進而改善了接頭的疲勞性能。Dong 等學者[46]對7075-T651鋁合金FSW 接頭進行了表面機械滾壓處理（Surface mechanical rolling treatment,SMRT），致使接頭上產生了近似拋光的梯度納米結構表面和高殘余壓應力，進而改善了接頭的疲勞性能。而李輝等學者[47]認為，超 聲沖擊處理（Ultrasonic impact treatment,UIT）改善高強鋁合金FSW 接頭表面的應力集中狀態(tài)，產生殘余壓應力,進而改善了接頭的疲勞性能。

綜上所述，優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，獲得優(yōu)質無缺陷的焊接接頭，改善接頭組織的均勻性，通過后處理改善接頭表面的應力狀態(tài)，有利于改善接頭的疲勞性能。

5 接頭耐蝕性

7xxx 鋁合金FSW 接頭的腐蝕問題主要從應力腐蝕開裂、晶間腐蝕及點蝕3 個方面進行了介紹。

周青華等學者[48]分別研究了7 005 鋁合金冷金屬過渡焊（Cold metal transition welding,CMT）接頭、TIG 接頭及FSW 接頭的應力腐蝕性能，發(fā)現(xiàn)：3 種工藝下，都能獲得無缺陷的接頭；與其他2 種接頭相比，F(xiàn)SW 接頭的晶粒更均勻細小，應力腐蝕敏感性更低。張華等學者[49]研究了7050-T7451 鋁合金FSW 接頭的應力腐蝕敏感性，發(fā)現(xiàn)：單純通過焊接過程本身的控制很難改善7050-T7451 鋁合金的應力腐蝕敏感性。而Zhang 等學者[50]對7050-T7451 鋁合金FSW 接頭進行了雙級時效處理，WNZ 沉淀相分布均勻，HAZ 和TMAZ 晶界變得不連續(xù)，阻斷了腐蝕通道，因此降低了接頭的應力腐蝕敏感性。

Cabrini 等學者[51]研究了AA 7075-T6 合金FSW接頭的晶間腐蝕行為，發(fā)現(xiàn)：HAZ 優(yōu)先發(fā)生腐蝕，腐蝕在軋制方向上沿著晶界進行擴展。方振邦等學者[52]研究了7N01s-T5 鋁合金FSW 接頭的晶間腐蝕行為，發(fā)現(xiàn)：HAZ 腐蝕最嚴重，歸因于晶界連續(xù)分布的沉淀相和不均勻的晶粒尺寸；而TMAZ 晶界沉淀相部分熔解，阻斷了部分腐蝕通道，降低了晶間腐蝕傾向；攪拌區(qū)（焊核區(qū)）形成了細小的等軸晶，晶界強化相完全熔解，阻斷了腐蝕通道，晶間腐蝕傾向性最低。

Prabhuraj 等學者[53]研究了AA7075-T651 鋁合金FSW 接頭的點蝕行為，發(fā)現(xiàn)WNZ 晶界強化相會引發(fā)AA7075-T651 鋁合金的微電池腐蝕過程。Liu 等學者[54]研究了7075-T6 鋁合金FSW 接頭HAZ 和TMAZ 的點蝕性能，發(fā)現(xiàn)：HAZ 和TMAZ 的腐蝕機理完全不一致，這與強化相和晶粒特征的差異有關。

綜上所述，針對7xxx 鋁合金FSW 接頭的腐蝕問題，優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，必要時進行適當?shù)暮负鬅崽幚?，改善接頭中強化相形態(tài)、分布狀態(tài)及晶粒特征，有利于改善接頭的耐蝕性。

6 結束語

（1）對于7xxx 鋁合金的FSW，焊接缺陷及焊縫成形質量都會導致接頭軟化、疲勞壽命降低及耐蝕性變差等問題。因此，優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，減少焊接缺陷，改善焊縫成形質量，有利于改善接頭的軟化、疲勞壽命降低及耐蝕性變差等問題。

（2）選擇合適形狀的攪拌針，有利于改善7xxx 鋁合金FSW 接頭的力學性能。

（3）對7xxx 鋁合金FSW 接頭進行表面機械滾壓處理和超聲沖擊處理，改善接頭表面的應力狀態(tài)，有利于改善接頭的疲勞性能。

（4）對7xxx 鋁合金FSW 接頭進行適當?shù)暮负鬅崽幚恚纳平宇^中強化相形態(tài)、分布狀態(tài)及晶粒特征，有利于改善接頭的耐蝕性。