航空发动机铝合金叶片的搅拌摩擦焊

王运会，黄春平，陈文亮，，梁养民，柯黎明

（1.驻四三〇厂军代表室，西安710021；2.南昌航空大学，南昌330063；3.西安航空发动机

（集团）有限公司，西安710021）

0 引 言

航空发动机低温段铝合金叶片由叶片本体和镶条组成，通常采用钎焊将这两者进行连接，但钎焊钎缝中存在的微小孔洞会影响钎缝的强度和致密性。搅拌摩擦焊（FSW）技术是英国焊接研究所于1991年发明的一种新型固相连接技术［1－2］，它利用一种特殊形式的搅拌头插入工件的待焊部位，通过高速旋转的搅拌头与工件间进行摩擦搅拌，产生的摩擦热使该部位金属处于热塑性状态，并挤压形成焊缝［3－4］。FSW过程中待焊金属不发生熔化，是一种固态焊接方法，避免了熔化焊时焊缝中可能出现的各种缺陷，且焊接质量稳定、焊后接头变形小、接头性能显著优于熔化焊接头的。与钎焊相比，FSW可明显提高焊缝的强度和致密性，焊接质量更加稳定，将FSW应用于航空发动机铝合金叶片的焊接对航空发动机的生产制造具有重要意义，而目前还未见相关报道。为此，作者尝试采用FSW对航空发动机铝合金叶片本体和镶条进行了焊接，并分析了工艺参数对焊缝成形的影响。

1 试样制备与试验方法

叶片本体和镶条材料均为6A02－T6铝合金，两者的连接接头形式如图1所示，镶条的厚度为9mm，镶条前端凸台的厚度为1.3mm。试验选用的搅拌头如图2所示，搅拌头的轴肩直径为12mm，带左螺纹的搅拌针直径为4mm，长度为4.5mm。由于焊接结构为锁底形式，为了减小搅拌针在焊接过程中受到的阻力并提高其稳定性和使用寿命，将搅拌针的端部设计成与搅拌针轴线成24°的锥圆台。

采用自制的龙门式数控搅拌摩擦焊机和工装夹具进行试验，为了减小镶条前端凸台的变形，搅拌头插入的位置偏向镶条一侧，并偏离叶片本体与镶条的界面结合中心线0.7mm。在FSW过程中，搅拌头的倾斜角为2°，搅拌头的旋转速度n为750～1 500r·min－1，焊接速度v为100～300mm·min－1，试验过程中采用相同的工艺参数对叶片本体和镶条分别进行了单面和双面焊接。焊接结束后，沿焊接的横截面截取试样，并制成金相试样，采用光学显微镜观察焊缝状形。

2 试验结果与讨论

2.1 旋转速度对焊缝成形的影响

由图3（f），（g）可见，在旋转速度n＝1 250r·min－1的双面焊（A区域）和n＝1 500r·min－1单面焊（B区域）的焊缝上部均发现了明显的孔洞型缺陷，如图4所示，且后者尺寸明显大于前者的。旋转速度n＝750r·min－1和n＝1 000r·min－1时的单面焊和双面焊均能得到无缺陷的焊缝，而且后者镶条前端凸台的变形相对较小。可见，将FSW应用于铝合金叶片本体与镶条之间的锁底连接能够很好地实现单面焊和双面焊，并且焊后镶条前端凸台的变形很小。这是由于在整个焊接过程中，焊缝金属都处于塑化状态，焊缝温度低于金属的熔点，焊缝附近金属传导的热量相对熔化焊的要低，因此，FSW焊后焊缝附近镶条前端凸台的变形要明显低于熔化焊的。在其它工艺参数不变的情况下，搅拌头的旋转速度较小时，单位时间内搅拌头与焊缝的摩擦产热较低，使焊缝金属不能达到完全塑化，焊缝金属的流动性变差，粘滞性也加大，FSW过程中焊缝塑性流动的金属对焊缝附近的金属具有挤压作用，因此，焊缝金属的不完全塑化加大了对焊缝附近金属的挤压力；同时，焊缝的产热低使得焊缝附近金属的温度较低，焊接过程中该部分金属对焊缝塑性流动具有阻碍作用，焊缝附近金属的温度越低，粘滞性越大，对焊缝塑性流动的金属阻碍力也越大，相反，焊缝塑性流动的金属对焊缝附近金属的反作用力越大。因此，搅拌头的旋转速度较小时，焊缝塑性流动的金属对焊缝附近金属的作用力较大，这也就解释了在旋转速度n＝750r·min－1时镶条前端凸台的变形较旋转速度n＝1 000r·min－1时大的原因。

图4 图3中A，B区焊接缺陷处的显微组织Fig.4 Microstructure of weld defects in zone A （a）and B（b）in Fig.3

但这并不意味着旋转速度越大越好，根据柯黎明等［5］提出的FSW焊缝金属塑性流动的“抽吸－挤压”理论，由于试验采用的为左螺纹搅拌针，在FSW过程中，搅拌针对周围的塑化金属有向下的综合作用力，使搅拌针周围的塑化金属呈现向下的迁移，而在焊缝底层，塑化金属受底部未塑化金属的阻碍而向周边流动，因此FSW过程中焊缝的上部出现瞬时的低压区或空腔，在焊缝的下部局部区域则形成较大的压力挤压焊核区外围的金属，导致外围金属受下部金属高压区和上部金属低压区的压力差作用向上运动，填充回之前产生的瞬时空腔。当搅拌头旋转速度过高时，单位时间内搅拌头与焊缝金属的摩擦增加，由于搅拌头的轴肩在FSW过程中产热占大部分，致使搅拌头轴肩所接触的焊缝上半部分金属温度过高，金属急剧软化，而底部金属温度相对较低，金属软化程度不够，使得脱离搅拌针端部的金属不能产生足够的压力挤压焊核区外围的金属，致使填充回之前产生瞬时空腔的压力差作用减弱；同时，搅拌针周围及轴肩底部的塑化金属温度过高，黏度过低，不能对更远处的金属产生足够的摩擦力使其与搅拌针和轴肩一起转动，使得没有足够的金属在搅拌针后方填充至搅拌头沿焊接方向运动时在其后方形成的空腔，因此，焊缝上部出现的瞬时空腔没能得到及时填充而成为孔洞型缺陷。并且随着旋转速度的进一步提高，填充瞬时空腔的压力差作用越弱以及填充至瞬时空腔的金属越少，导致瞬时空腔不能及时得到充足的塑化金属填充，因此，孔洞型缺陷有增大的趋势，这是旋转速度n＝1 500r·min－1时焊缝的孔洞缺陷明显大于n＝1 250r·min－1时的缘故。因此，综合各因素考虑，在搅拌头的旋转速度n＝1 000r·min－1时能够得到较好的焊缝接头，并且镶条前端凸台的变形最小。

2.2 焊接速度对焊缝成形的影响

图5 不同焊接速度下的接头横截面形貌（n＝1 000r·min－1）Fig.5 Macroscopic overviews of cross－section of joint at different welding rates

图5为在其它焊接参数不变时，不同焊接速度下的接头横截面形貌。从图中可以看出，在焊接速度为v＝100mm·min－1和v＝200mm·min－1时焊缝都无明显缺陷，而在焊接速度v＝300mm·min－1的焊缝中则出现了明显的隧道孔和孔洞缺陷，对比焊接速度v＝100mm·min－1和v＝200mm·min－1时的焊缝形貌可以得出，前者镶条前端凸台的变形较后者的小。

分析认为，在其它工艺参数不变的情况下，焊接速度较小时，焊缝金属在单位时间内与搅拌头的接触增加，致使焊缝的产热增多，焊缝金属得到了充分塑化，并且塑化金属的流动性较好，焊缝外围金属受下部金属高压区和上部金属低压区的压力差作用向上运动，在搅拌针后方由于塑化金属的离心运动所产生的空腔能够得到塑化金属及时充分的填充，因此，焊接速度较小时，几乎没有疏松和孔洞缺陷产生；随着焊接速度的提高，焊缝金属单位时间内与搅拌头的接触减小，焊缝产热降低，致使塑性金属得不到充分塑化，并且塑化金属的流动性变差，由于左螺纹搅拌针对焊缝金属存在两个方向的作用力，沿搅拌针圆周的力和垂直于搅拌针螺纹表面的力［6］，沿搅拌针圆周的力使焊缝金属产生圆周方向的流动，而垂直于搅拌针螺纹表面的力驱使焊缝金属产生向下的流动，当焊接速度过快时，沿圆周方向力的作用加剧，而垂直于搅拌针螺纹表面的力相对圆周方向力的增加要小很多，并且单位横截面上焊缝金属的流动主要表现为沿圆周方向的流动，塑化金属沿垂直于搅拌针螺纹表面的力还未来得及向下流动即随着搅拌头的快速移动很快形成焊缝；同时，焊接速度过快，焊缝的产热降低，特别是焊缝底端远离轴肩位置的产热较低，焊缝底部未参与焊缝塑性流动的金属的温度较低，对焊缝底部塑性流动的金属有阻碍的作用，焊缝底部未参与焊缝塑性流动金属的温度越低，粘滞性越大，对焊缝塑性金属力的作用越大，力的作用使得焊缝底部塑化的金属沿搅拌针两侧向上流动，并且焊接速度过快，单位横截面焊缝底部的金属来不及得到向下流动金属的补充，因此，在焊缝底部容易形成大的隧道孔缺陷。而且如果焊接速度过快，搅拌针后方由于塑化金属的离心运动在焊缝上方所产生的瞬时空腔得不到及时充分的填充，容易产生疏松和孔洞等缺陷。这解释了在焊接速度v＝300mm·min－1时，由于焊接速度过快使得FSW过程中叶片本体与镶条焊缝的下方产生了隧道孔缺陷，而在焊缝上方则由于FSW过程中产生的瞬时空腔得不到完全填充而形成了孔洞缺陷。

在其它工艺参数一定的条件下，随着焊接速度的逐渐提高，焊缝产热逐渐降低，焊缝金属的塑化程度逐渐变差，焊缝流动的塑化金属对焊缝附近金属的作用力加大；同时，焊缝产热的降低也使得焊缝附近金属的温度随之降低，增加了焊缝附近金属对焊缝塑性流动金属的束缚力，相反，焊缝塑性流动金属对焊缝附近金属的反作用力也得到了增加，因此，焊接速度的增加，加大了焊缝塑性流动的金属对焊缝附近金属的作用力，使得焊缝附近金属的变形增加，这也证明了在焊接速度v＝200mm·min－1时镶条前端凸台的变形量较焊接速度v＝100mm·min－1大的原因。因此，在焊接速度v＝100mm·min－1时，叶片本体与镶条的焊缝成形较好，并且镶条前端凸台的变形最小。对接头进行拉伸性能测试表明，FSW接头的强度远高于同类零件钎焊接头的强度。

3 结 论

（1）采用搅拌摩擦焊技术能够很好地实现铝合金叶片本体与镶条的锁底结构单面和双面连接，并且焊后镶条前端凸台的变形小，能保证焊接接头的结构稳定性。

（2）搅拌头的旋转速度越高，焊缝上部越易产生孔洞型缺陷，旋转速度越低，焊后镶条前端凸台的变形越大；焊接速度越快，焊缝上部越易出现孔洞缺陷，焊缝底部越易产生隧道孔缺陷，并且焊后镶条前端凸台的变形也相对较大。

（3）搅拌头的旋转速度n为1 000r·min－1，焊接速度v为100mm·min－1时能够获得无缺陷的铝合金叶片本体与镶条锁底连接接头，接头强度远高于同类零件钎焊接头的强度。

［1］THOMAS W M，NICHOLAS E D，NEEDHAM J C，et al.Friction stir butt welding：British，9125978.8［P］.1991－09－06.

［2］DAWES C J.Friction stir process welds aluminum alloy［J］.Welding Journal，1996，75（3）：41－45.

［3］KUMAR K，KAILAS S V.The role of friction stir welding tool on material flow and weld formation［J］.Materials Science and Engineering A，2008，485（1／2）：367－374.

［4］KE Li－ming，XING Li，INDACOCHEA J E.Material flow patterns and cavity model in friction－stir welding of aluminum alloys［J］.Metallurgical and Materials Transactions B，2004，35（1）：153－156.

［5］柯黎明，潘际銮，邢丽，等.搅拌摩擦焊焊缝金属塑性流动的抽吸－挤压理论［J］.机械工程学报，2009，45（4）：89－94.

［6］柯黎明，潘际銮，邢丽，等.焊缝金属厚度方向的流动与洋葱瓣花纹的形成［J］.焊接学报，2008，29（7）：39－42.