飞机机身镁合金的搅拌摩擦焊接工艺研究

收稿日期：20240516

基金项目：陕西省教育厅2022年度青年创新团队建设科研计划项目“高温合金叶片气膜孔精整技术的研究”（编号22JP035）。

作者简介：王炳坤，讲师，主要从事飞行器制造及维修方面的研究。

摘 要：为提升ZM5镁合金的焊接性能，实现该材料在机翼整体壁板中的有效应用，采用搅拌摩擦工艺对该材料实施焊接处理，并通过扫描电子显镜和维氏硬度计对焊接接口进行微观形貌观测和硬度测试。结果表明，当搅拌摩擦焊的搅拌头旋转速度为800r/min，焊接速度为120mm/min时，ZM5镁合金接头硬度达到85HV的最高水平，约为母材硬度的90%，焊接效果最为理想。断裂形貌表现为少量韧窝和解理面，断裂形式为准解理断裂。根据分析结果可知，在参数合适的情况下，搅拌摩擦焊接工艺能够实现ZM5镁合金的有效粘接，可用于机翼壁板中镁合金材料的焊接与成型。

关键词：焊接速度；旋转速度；ZM5镁合金；微观形貌

中图分类号：TG241

文献标志码：A

Research on friction stir welding process of magnesium alloy for aircraft fuselage

WANG Bingkun

（Xian Aeronautical Polytechnic Institute， Xian 72703 ""Shaanxi， China）

Abstract： In order to improve the welding performance of ZM5 magnesium alloy， the effective application of this material in the repair of the external shell and parts of the aircraft fuselage was realized. In this study， the material was welded by friction stirring process， and the microscopic morphology observation and hardness test of the welding interface were carried out by scanning electron microscope and Vickers hardness tester. After observation and testing， it is found that when the friction stir welding stir welding stir welding stir head rotation speed is 800r/min and the welding speed is 120mm/min， the hardness of ZM5 magnesium alloy joint reaches the highest level of 85HV， which is about 90% of the hardness of the base metal， and the welding effect is the most ideal. The fracture morphology showed a small number of dimples and cleavage planes， and the fracture form was quasi-cleavage fracture. According to the analysis results， it can be seen that the friction stir welding process can achieve effective bonding of ZM5 magnesium alloy under the condition of appropriate parameters， which can be used to repair cracks and corrosion defects in the external shell of the fuselage.

Key words： welding speed； rotation speed； ZM5 magnesium alloy； microscopic morphology

0 引 言

铝镁合金因其轻质高强的特性，在飞机制造中有着广泛的应用。用铝镁合金制造飞机机身、翼面、机翼桁架、梁等部件，不仅可以保证飞机结构强度，还能显著减轻飞机重量，从而提高飞机的性能。与传统的铝合金相比，铝镁合金的密度更低，强度更高，因此在飞机制造中更为常见。ZM5镁合金通常用于飞机机身的外部壳体和零部件修复工作，由于该材料存在化学稳定性差、比刚度高、比强度高等特征，常规的焊接方法容易出现热裂纹缺陷、气孔等问题。采用搅拌摩擦焊的方式对ZM5镁合金实施焊接处理可一定程度上改善上述问题，但仍需要对该焊接方法的工艺参数进行改良与优化^［12］。魏艺涵等^［3］对7075铝合金与AZ31镁合金进行搅拌摩擦焊接实验，集中分析了搭接接头的微观组织与拉剪强度，发现搅拌摩擦焊接技术能够在两种材料之间形成一定的机械互锁结构，可提升搭接接头的剪切强度；陈平^［4］采用搅拌摩擦焊对铝板进行焊接，发现在搅拌头的旋转速度为1000r/min且焊接速度为100mm/min的情况下，焊接接头的抗拉强度高达140MPa，断裂伸长率为17.1%，接头综合性能优良。在现有成果的启发下，本文研究通过搅拌摩擦焊接工艺对ZM5镁合金进行处理，同样取得了较为理想的焊接效果。

1 搅拌摩擦焊接的试验准备

1.1 试验所需材料与设备

研究所采用的焊接材料为ZM5镁合金板材（洛阳巨申高性能合金材料有限公司），规格为300mm×150mm×6mm，其化学成分如表1所示。该材料的抗拉强度和屈服强度分别为301MPa和194MPa，断裂伸长率为3.3%，硬度为93HV。试验所需设备有ZEM20型台式扫描电镜（北京天耀科技有限公司）和HV550型维氏硬度计（上海奕纵精密仪器有限公司）。

1.2 ZM5镁合金板材的焊接

首先对ZM5镁合金板材实施打磨和清洗处理，完成装夹和对中后设定搅拌头的倾斜角度为2.5°，下压量为0.2mm，在焊接过程中调整焊接速度与搅拌头转速^［56］。

1.3 试验方法

通过扫描电子显镜观察焊接截面的组织特征；通过维氏硬度计测试焊接接头的硬度。

2 ZM5镁合金摩擦焊接工艺分析

2.1 焊缝表面形貌分析

当焊接速度为120mm/mim时，在各搅拌头旋转速度下，ZM5镁合金板材焊接接头的表面形貌如图1所示。根据图1可知，当旋转速度为400r/min和600r/min时，接头无裂纹、孔洞等缺陷且表面光滑；当旋转速度为800r/min时，接头存在飞边缺陷，均匀性较差且表面粗糙；在进一步增加旋转速度的情况下，接头存在严重的飞边缺陷且表面十分粗糙。出现该现象的原因在于，接头热量的输入与搅拌头旋转速度有关，过高的旋转速度会大幅增加接头位置的热输入，烧损板材表面^［79］。

当旋转速度为800r/min时，各焊接速度下ZM5镁合金板材焊接接头的表面形貌如图2所示，根据图2可知，当焊接速度为80mm/min和120mm/min时，接头存在飞边缺陷和起皮现象；当焊接速度为160mm/min时，接头表面均匀且无飞边现象；在进一步增加焊接速度的情况下，接头无明显表面缺陷，均匀性良好且表面平整光滑。出现该现象的原因在于，焊接速度同样会影响到接头的热输入。在焊接速度过慢的情况下，接头热输入过高，致使接头出现飞边、起皮等现象。

2.2 焊接硬度分析

当焊接速度为120mm/mim时，在搅拌头各旋转速度下，ZM5镁合金板材焊接接头的硬度测试结果如图3所示。根据图3可知，在不改变焊接速度且逐渐提升搅拌头旋转速度的情况下，接头硬度呈先升后降的趋势。当旋转速度为400r/min时，过低的旋转速度会降低焊缝的热输入，进而抑制金属的流动性，降低接头硬度；在旋转速度为800r/min时，焊缝热输入适中，接头硬度得到改善；而在进一步增加旋转速度的情况下，金属内部晶粒扩张^［1011］，接头硬度随之下降。

当旋转速度为800r/min时，各焊接速度下ZM5镁合金板材焊接接头的硬度测试结果如图4所示。根据图4可知，在不改变搅拌头旋转速度且逐渐提升焊接速度的情况下，接头硬度同样呈先升后降的趋势。焊接速度过慢，则焊缝热输入过多，进而引起晶粒扩张，降低接头硬度。焊接速度过快，则焊缝热输入过少，抑制金属流动^［1213］，同样会降低焊缝硬度。整体来看，当搅拌头旋转速度为800r/min、焊接速度为120mm/min时，接头硬度为85HV，可达到母材硬度的90%。

2.3 微观形貌分析

当焊接速度为120mm/min时，各旋转速度下ZM5镁合金板材焊接接头的断口形貌如图5所示。根据图5（a）可知，在不改变焊接速度的情况下，过低的旋转速度会降低接头的热输入，影响接头成型，使接头内部形成不均匀的孔洞缺陷，加速裂纹扩展，降低接头的力学性能。在图5（b）中，虚线的右侧表现为犁沟缺陷断口，左侧表现为内部断口。由此可知，在旋转速度较高的情况下，接头表面所产生的犁沟缺陷会逐渐发展为裂纹，大幅降低接头质量^［14］。

根据图5（c）可知，母材的断口形貌主要由解理台（晶体沿一定结晶方向裂开成光滑平面）和撕裂棱组成，表现为沿晶脆性断裂。根据图5（d）～5（f）可知，当旋转速度为600， 800， 1000r/min时，三组试件表面形貌基本一致，均由解理面和少量韧窝组成，表现为准解理断裂，其塑性较母材略有增强。

当旋转速度为800r/min时，各焊接速度下ZM5镁合金板材焊接接头的断口形貌如图6所示。根据图6可知，当焊接速度为80mm/min时，接头断口表现为脆性断裂，微观形貌以片层状解理面为主；当焊接速度为120mm/min时，接头断口表现为准解理断裂，微观形貌以细小韧窝和小解理面为主，提升了接头的塑性；在进一步提升焊接速度的过程中，接头断口韧窝被拉长^［15］，同样表现为准解理断裂，但塑性有所下降。

2.4 拉伸性能分析

ZM5镁合金板材焊接接头的抗拉强度测试结果如图7所示。根据图7（a）可知，当搅拌头旋转速度为800r/min、焊接速度为120mm/min时，焊接接头的综合力学性能最为理想，最大抗拉强度达到285.8MPa，最大伸长率达到5.7%。进一步验证了该焊接参数下ZM5镁合金板材焊接接头的力学性能优势。

3 结 语

本文介绍了搅拌摩擦焊接工艺在ZM5镁合金焊接工作中的应用方法，从宏观形貌、微观形貌和维氏硬度三个方面对该工艺的综合性能加以测试。经试验分析发现，在搅拌头旋转速度过快或焊接速度过慢的情况下，接头热输入过大，宏观上引起板材表面烧损，微观上会造成晶粒扩张，降低接头硬度；而在搅拌头旋转速度过慢或焊接速度过快的情况下，接头热输入过小，宏观上引起飞边缺陷和起皮现象，微观上会造成金属流动性不足，降低了接头硬度。整体来看，当搅拌头旋转速度为800r/min，焊接速度为120mm/min时，接头硬度为85HV，可达到母材硬度的90%，焊接效果较为理想。

参考文献：

［1］芦甜.顶锻压力对异种金属连续驱动摩擦焊接头力学性能的影响研究［J］.煤矿机械，2024，45（4）：6972.

LU T. Study on the effect of forging pressure on the mechanical properties of dissimilar metal continuous drive friction welding joint ［J］. Coal Mining Machinery， 2024，45（4）：6972.

［2］高辉，张楷，林渊浩，等.纳米SiC颗粒对镁合金搅拌摩擦焊接头性能影响研究［J］.制造技术与机床，2024（3）：108114.

GAO H， ZHANG K， LIN Y H， et al. Research on the effect of nano-SiC particles on the performance of magnesium alloy friction stir welding joint ［J］. Manufacturing Technology and Machine Tools， 2024（3）：108114.

［3］魏艺涵，汪晟钰，周雪，等.铝/镁异种材料搅拌摩擦焊接头组织与拉剪强度［J］.机械工程与自动化，2024（3）：101102.

WEI Y H， WANG S Y， ZHOU X， et al. Microstructure and tensile shear strength of friction stir welding joint made of aluminum/magnesium dissimilar materials ［J］. Mechanical Engineering and Automation， 2024（3）：101102.

［4］陈平.2系铝合金的搅拌摩擦焊接接头微观组织与力学性能研究［J］.北京印刷学院学报，2024，32（3）：3237.

CHEN P.Study on microstructure and mechanical properties of friction stir welded joints of 2 series aluminum alloys ［J］. Journal of Beijing Institute of Graphic Communication， 2024，32（3）：3237.

［5］张昌青，王烨，史煜，等.热循环下铝/钢连续驱动摩擦焊接接头应力应变分析［J］.电焊机，2024，54（2）：2429.

ZHANG C Q， WANG Y， SHI Y， et al. Stress-strain analysis of aluminum/steel continuous drive friction welded joints under thermal cycling ［J］. Electric Welding Machine， 2024，54（2）：2429.

［6］雷声，崔召杰，李云，等.WE43/Zn/1060异种金属搅拌摩擦焊接头组织及性能研究［J］.兵器材料科学与工程，2024，47（2）：6469.

LEI S， CUI Z J， LI Y， et al.WE43/Zn/1060 dissimilar metal friction stir welding joint microstructure and properties ［J］. Ordnance Materials Science and Engineering， 2024，47（2）：6469.

［7］唐林波，王向东，温欢，等.6005A5083搅拌摩擦焊接接头的组织与性能研究［J］.轨道交通材料，2024，3（1）：4650，55.

TANG L B， WANG X D， WEN H， et al.Study on the structure and properties of 6005A5083 friction stir welded joints ［J］. Rail Transit Materials， 2024，3（1）：4650，55.

［8］郝政扬，王晨曦，王快社，等.焊接速度对QP980钢搅拌摩擦焊接头组织和性能的影响［J］.塑性工程学报，2024，31（1）：165171.

HAO Z Y， WANG C X， WANG K S， et al. Effect of welding speed on microstructure and properties of QP980 steel friction stir welding joint ［J］. Chinese Journal of Plastic Engineering， 2024，31（1）：165171.

［9］高潘，曾卫东，张传臣，等.双重退火对TC4DT/TC21线性摩擦焊接头组织及力学性能影响［J］.稀有金属，2024，48（1）：110.

GAO P， ZENG W D， ZHANG C C， et al. Effect of double annealing on microstructure and mechanical properties of TC4DT/TC21 linear friction welding joint ［J］. Rare Metals， 2024，48（1）：110.

［10］侯俊良，周博芳，周友涛，等.工艺参数对异种铝合金搅拌摩擦焊接头组织与力学性能的影响［J］.湖北汽车工业学院学报，2023，37（4）：7075.

HOU J L， ZHOU B F， ZHOU Y T， et al. Effect of process parameters on microstructure and mechanical properties of friction stir welding joints of dissimilar aluminum alloys ［J］. Journal of Hubei Institute of Automotive Industry， 2023，37（4）：7075.

［11］吴嘉，杨昭，范纲衔，等.T6热处理与焊接顺序对A356铝合金搅拌摩擦焊接头组织和力学性能的影响［J］.矿冶工程，2023，43（6）：157161.

WU J， YANG Z， FAN G X， et al.Effect of T6 heat treatment and welding sequence on microstructure and mechanical properties of A356 aluminum alloy friction stir welding joint ［J］. Mining and Metallurgical Engineering， 2023，43（6）：157161.

［12］马俊雅，张振，李静静，等.焊后热处理对70550.1Sc铝合金搅拌摩擦焊接头的组织与力学性能的影响［J］.材料研究学报，2023，37（11）：809817.

MA J Y， ZHANG Z， LI J J， et al. Effect of post-weld heat treatment on microstructure and mechanical properties of 70550.1Sc aluminum alloy friction stir welding joint ［J］. Chinese Journal of Materials Research， 2023，37（11）：809817.

［13］方晨，刘胜胆，易铁，等.电阻辅助加热对2519A铝合金搅拌摩擦焊接成形性的影响［J］.焊接学报，2023，44（11）：5966，132.

FANG C， LIU S D， YI T， et al. Effect of resistance-assisted heating on formability of 2519A aluminum alloy friction stir welding ［J］. Journal of Welding Society， 2023，44（11）：5966，132.

［14］张鑫，吴鸿燕，陈玉华，等.中间层Ni对TC4/2A14异种金属搅拌摩擦焊接头组织和性能的影响［J］.精密成形工程，2023，15（11）：140146.

ZHANG X， WU H Y， CHEN Y H， et al. Effect of Ni in the middle layer on the microstructure and properties of TC4/2A14 dissimilar metal friction stir welding joint ［J］. Precision Forming Engineering， 2023，15（11）：140146.

［15］邓彩艳，祝汉基，刘秀国，等.高强铝合金搅拌摩擦焊接头疲劳起裂机理及应力比的影响研究［J］.天津大学学报（自然科学与工程技术版），2023，56（11）：11641170.

DENG C Y， ZHU H J， LIU X G， et al. Study on fatigue cracking mechanism and stress ratio of high-strength aluminum alloy friction stir welding joint ［J］. Journal of Tianjin University （Natural Science and Engineering Technology），2023，56（11）：11641170.