2195铝锂合金搅拌摩擦焊工艺

0 前言

铝合金具有密度低、比强度高、耐腐蚀性能好、导热导电较好、无磁性、塑性和加工性能良好、成本低等一系列优点，在航空航天等领域获得了广泛的应用[1-4]。其中，铝锂合金是近年来发展起来的新型铝合金，由于铝锂合金具有低密度、高比强度、高比刚度、优良的低温性能，用其取代常规铝合金，可使构件质量减轻15%，刚度提高15%～20%，特别是它的价格比先进的复合材料便宜得多，铝锂合金被认为是航空航天工业中的理想结构材料[5]。

搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding, FSW)是一种新的连接方法，是英国焊接研究所(TWI)于1991年发明的一种新型固态连接技术[6]，它是通过高速旋转的搅拌头插入被焊工件，将机械能转化为摩擦热而实现固相连接。搅拌摩擦焊接过程中无污染、无熔化、无飞溅、无辐射，没有严重的电磁干扰及有害物质的产生，没有有害气体和弧光。采用搅拌摩擦焊工艺焊接铝锂合金，焊接温度低，材料没有发生熔化，因而避免了合金中Li元素的挥发损失，接头缺陷少[7-8]，接头不易形成脆性相和热裂纹，接头残余应力低,强度系数高。搅拌摩擦焊缝不需要填充材料，焊后焊件的质量不会增加，这对于航空、航天需要减重的结构件来说具有重要意义[9]。

搅拌摩擦焊目前在许多领域中已经得到了应用，搅拌摩擦焊在铝锂合金的焊接上具有较大优势，是未来铝锂合金连接的一个主要发展方向，采用搅拌摩擦焊对2195-T8铝锂合金进行焊接，对其焊接工艺及接头力学性能进行了研究，为后续铝锂合金搅拌摩擦焊的工程应用奠定技术基础。

1 试验方法

1.1 试验材料

试验所用材料为2195铝锂合金板材，尺寸130 mm×650 mm×8.0 mm，热处理状态为T8态，其主要化学成分和力学性能分别见表1和表2。

NLR和LMR在流感病毒感染中，可能主要参与了一个促进机体炎症反应和抗病毒反应的平衡状态，在运用这些指标作为诊断预测指标时，要结合流行病史和综合情况，以免过度使用和产生不必要的治疗。虽然PLR作为许多疾病诊断和预后的一个判断指标，从本研究来看，OR和1很接近，在流感病毒的相关性有待进一步考证。但对于NLR和LMR的研究或许给甲、乙型流感病毒的早期检测、诊断和治疗的指导带来新思路。

等到人群散去，我才跑过去调侃他，说：“你现在跟以前完全不一样了，简直是脱胎换骨。看来大学把你改造得挺好啊！”

表1 2195铝锂合金化学成分(质量分数，%)

表2 2195铝锂合金力学性能

1.2 试验设备及装置

采用重载五轴龙门搅拌摩擦焊设备实施焊接，如图1所示。焊接方向平行于轧制方向。搅拌头轴肩直径为22 mm，采用圆锥形螺纹搅拌头+内凹锥面轴肩，针长7.7 mm，如图2所示。

图1 搅拌摩擦焊接主轴及试验平台

图2 搅拌头实物图

1.3 试验方法

搅拌摩擦焊主要的工艺参数有：搅拌针结构形式、焊接速度、搅拌针旋转速度、下压量等。该次试验为了提高工艺试验效率，将工艺研究过程分工艺参数摸索和工艺参数优化两个阶段进行：工艺参数摸索主要依据焊缝表面成形，即通过焊缝上表面、焊缝根部成形情况，确定焊接参数的可行范围；工艺参数优化阶段是在焊接工艺参数的可行范围内，根据焊缝X射线检测、相控阵检测、接头组织及力学性能检测结果，对焊接工艺参数进行进一步优化。

首先，采用平板对接的方式进行拼焊，试样焊接前先用汽油去除待焊两侧油污；然后，使用酒精擦拭；最后，使用刮刀机械清理焊接区氧化膜。利用焊接工装机械压钳固定压紧试板，保证对合间隙小于0.3 mm；焊后按照国家标准GB/T 228—2002《金属材料室温拉伸试验方法》沿垂直于搅拌摩擦焊缝方向各取5个试样，用于常温、低温拉伸试验。

自2001年起，科思创持续投资先进技术，上海一体化基地累计投资已超过30亿欧元，成为科思创全球最大的生产基地。在上海一体化基地，科思创采用气相法生产异氰酸酯工艺比液相法减少了高达60%的能源消耗和80%的溶剂消耗；运用氧去极化阴极技术生产氯气，使电耗和二氧化碳排放降低30%之多；上海基地还通过催化剂升级项目，成功将其硝酸工厂的氧化亚氮和氮氧化物排放分别降低了65%和30%。目前，上海基地拥有11座配备先进生产技术的工厂，覆盖科思创主要产品线，产品广泛应用于建筑、汽车和电子等行业。

2 试验结果与分析

2.1 搅拌针结构对比试验

搅拌针的结构设计是搅拌摩擦焊工艺研究的核心之一，搅拌头主要由搅拌针、轴肩及夹持区组成，其关键部分为搅拌针和轴肩结构设计。根据前期试验经验积累，根据铝合金的材料特点，首先,搅拌针的材料选择为时效硬化型镍基高温合金GH4169，然后,设计了2种结构形式的搅拌针进行了对比试验，搅拌针主要结构特点见表3。

表3 搅拌针结构形式对比

搅拌针型号轴肩结构搅拌针结构Ⅰ型内凹角斜面+同心圆圆锥螺纹Ⅱ型内凹角斜面+同心圆圆锥螺纹+三个斜面

在相同焊接参数条件下，Ⅰ型搅拌针和Ⅱ型搅拌针都能够获得表面成形良好的焊缝，对焊接完成的试样焊缝，进行剔除飞边，打磨焊缝表面及其根部后，采用超声相控阵检测设备对焊缝内部质量进行检测。检测结果发现，Ⅰ型搅拌针焊缝相控阵检测结果经常显示存在内部缺陷，如图3所示，缺陷波峰较高，属于超标缺陷；Ⅱ型搅拌针焊缝相控阵检测结果显示无超标缺陷，焊缝内部质量较好，如图4所示。分析该现象原因，可能是由于铝锂合金材料本身硬而脆的特性，塑性流动性较差，Ⅱ型搅拌针的三个斜面相对于Ⅰ型搅拌针而言，其斜面的存在更大程度的增加了材料的流动性，同时破坏并分散附着于工件表面上的氧化物，在焊接过程中搅拌能力、产热能力更强，所以Ⅱ型搅拌针焊接后焊缝内部质量更佳。

图3 Ⅰ型搅拌针焊缝相控阵显示有缺陷

图4 Ⅱ型搅拌针焊缝相控阵显示正常

2.2 焊接工艺试验

针对搅拌针旋转速度ω，焊接速度v等搅拌摩擦焊主要工艺参数开展工艺窗口摸索试验，研究其对接头成形和性能的影响。根据以往的试验积累，搅拌针倾角定为2.7°，搅拌针下压量为0.1～0.2 mm。结合铝锂合金材料特性及前期试验焊缝的整体成形情况，焊接旋转速度研究区间设定为300～800 r/min，焊接速度100～220 mm/min，焊接工艺参数见表4。

试验结果如图5所示，结果显示当搅拌针旋转速度ω > 400 r/min时，起焊时即开始出现严重的“起皮”、“毛刺”现象，直至焊接结束，整条焊缝表面无法正常成形，如图5a～5e所示。当搅拌针旋转速度ω ≤400 r/min时，焊缝表面成形明显好转；对比图5e、图5f，当焊接速度v = 200 mm/min时，焊缝表面中心仍然存在连续“起皮”现象；而焊接速度降至v = 100 mm/min时，焊缝成形明显变好，表面只是存在断续“起毛”现象。然后对比图5g和图5h，旋转速度ω = 300 r/min，v = 200 mm/min时，焊缝表面局部存在“起皮”现象；而旋转速度ω = 300 r/min，焊接速度v = 100 mm/min时，焊缝表面“起皮”、“起毛”现象完全消失，焊缝表面平整、光洁，纹路清晰一致性好，焊缝成形良好。

表4 焊接工艺参数

图5 不同焊接工艺参数下焊缝表面成形

所以可以初步得出8 mm铝锂合金搅拌摩擦焊工艺窗口：搅拌针旋转速度应为300 r/min左右，焊接速度应为100 mm/min左右，焊缝能够获得良好的表面成形。为进一步优化焊接工艺，进一步开展了工艺优化试验。

在搅拌针300 r/min旋转速度下，设定不同焊接速度，优化工艺参数见表5，试验结果如图6所示。

当焊接速度为60 mm/min，80 mm/min，100 mm/min时，焊缝表面成形良好，如图6a～6c所示；当焊接速度达到120 mm/min时，焊缝表面断续出现“毛糙”、“起毛”现象，如图6d所示；当焊接速度进一步提升至140 mm/min时，焊缝表面质量再度降低，“起毛”现象明显，局部出现严重“起皮”现象。由此试验结果可以得出，8 mm厚度2195-T8铝锂合金搅拌摩擦工艺窗口：搅拌针旋转速度应为300 r/min，焊接速度为60～120 mm/min。

表5 优化工艺参数

图6 300 r/min旋转速度下不同焊接速度对焊缝成形的影响

2.3 焊接接头力学性能测试

试样焊接完成后，加工试样子样，按照表5试验编号，进行拉伸测试，分别在室温、低温(-196 ℃)条件下测试焊接接头抗拉强度及断后伸长率，试验结果取平均值，见表6。

女性在经历妊娠与分娩之后，盆地支撑结构会加重女性盆底功能障碍疾病的发展，盆底整体理论主要是指由女性盆底肌肉、神经组织以及结缔组织共同组成的系统，在盆底解剖力学当中，肛提肌肌群扮演重要角色。而在肛提肌肌群当中，耻骨直肠肌是最为粗大的肌肉成分，主要走行包括腹侧骨盆内侧壁向肛直肠角的后部环绕，从而形成U型吊带并且构成肛直肠环。对于女性而言，经阴道分娩很容易造成肛提肌与耻骨直肠肌出现损伤，因此，针对这一情况选择科学的诊断方式较为重要。

通过表6可以看出，在室温和低温(-196 ℃)下，接头的抗拉强度和断后伸长率均低于母材；在低温(-196 ℃)下，接头的抗拉强度和断后伸长率明显高于室温，体现出了2195铝锂合金接头具有良好的低温使用性能。在搅拌针旋转速度ω = 300 r/min时，随焊接速度的增加，室温和低温(-196 ℃)下接头的抗拉强度和断后伸长率都明显呈现出先增大然后减小趋势，如图7、图8所示。当焊接速度v = 100 mm/min时，室温和低温(-196 ℃)下接头的抗拉强度达到最高值，分别为428 MPa，538 MPa；当焊接速度v=100 mm/min时，室温和低温(-196 ℃)下接头的断后伸长率达到最高值，分别为4.9%，7.4%。这是由于2195铝锂合金为热处理强化铝合金，主要靠强化相提高强度，因此当焊接速度为60 mm/min，80 mm/min，100 mm/min时，焊缝表面成形良好，如图6a～6c所示；当焊接速度达到120 mm/min时，焊缝表面断续出现“毛糙”、“起毛”现象，如图6d所示；当焊接速度进一步提升要提高其强度，就要减少强化相的溶解，焊接速度较低时，热输入较大， 易使强化相溶解，且热输入大导致接头组织粗大，因而强度较低。但是如果焊接速度过高，搅拌针后侧塑性软化材料填充空腔的能力降低，接头内易形成组织疏松，不利于接头强度的提高。

2.4 焊接接头断口组织分析

对焊接接头子样进行了拉伸试验，2195铝锂合金搅拌摩擦焊接头子样断裂位置位于热影响区附近，断裂面与受力方向呈45°，断裂部位有明显颈缩，宏观断口形貌如图9所示，断裂位置处于焊缝前进侧热影响区或者后退侧热影响区。

由表3可知，产城融合发展水平（ici）、市场化程度（mar）和农业发展水平（agr）存在单位根，科技进步（tec）、金融支持水平（fin）和人力资本（edu）则拒绝了“存在单位根”的原假设，而各个变量的一阶差分都拒绝了“存在单位根”或接受“平稳序列”的原假设，即残差项无单位根。

图10为断裂位置微观组织，从图中可以看出，由于热影响区组织在焊接过程中，经历了热循环作用，部分晶粒发生了粗化现象，且由于2195铝锂合金是一种时效强化铝合金，焊接过程中受焊接热量影响，使热影响区固溶强化粒子析出以及强化相发生了偏聚现象，而此部分组织距离搅拌针较远，受到搅拌针机械搅拌作用极小，无法有效将偏聚的强化相打碎，进而导致该区域成为性能的薄弱区，因此断裂在此处。

表6 力学性能试验结果

试验编号常温抗拉强度Rm/MPa断后伸长率A(%)低温(-196 ℃)抗拉强度Rm/MPa断后伸长率A(%)94023.74935.3104093.65185.7114284.95387.4124264.55326.4

图7 室温、低温(-196 ℃)下接头抗拉强度

图8 室温、低温(-196 ℃)下接头断后伸长率

图9 断口截面宏观形貌

图10 断裂位置微观组织

3 结论

(1)内凹角斜面+同心圆+圆锥螺纹结构搅拌针附加三个斜面的搅拌针，搅拌能力及产热能力强，搅拌针的三个斜面增加了焊接材料流动性，焊缝内部质量更好。

(2)2195铝锂合金搅拌摩擦焊接头低温(-196 ℃)下抗拉强度和断后伸长率均高于室温，具有良好的低温使用性能。在室温和低温(-196 ℃)下，接头抗拉强度和断后伸长率都呈现出随焊接速度的增加先增加后减少趋势，当焊接速度为v = 100 mm/min时，室温和低温(-196 ℃)下接头的抗拉强度达到最高值，分别为428 MPa，538 MPa;断后伸长率也达到最高值，分别为4.9%，7.4%。

(3)接头断裂位置位于热影响区，断口呈45°剪切断裂，断裂部位有明显颈缩。断口中热影响区组织晶粒发生粗化，且强化相发生析出偏聚现象，导致该区域成为性能的薄弱区。

本文在已有研究的基础上对溃坝生命损失估算公式中的风险人口死亡率作了如下调整：式中，f0为我国风险人口死亡率取值参考文献；α为灾害严重性程度系数；m1为生命损失直接影响因素的灾难程度影响因子，m1＜1；m2为生命损失间接影响因素的灾难程度影响因子，m2＜1；k 为权重系数，0.5＜k＜1；β 为修正系数，β=1.4。

参考文献

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