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摘要：鎂鋰合金作為一種低密度、高比強(qiáng)度、高比剛度的超輕結(jié)構(gòu)材料，在航天領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。用焊接代替?zhèn)鹘y(tǒng)的以鉚接為主的機(jī)械工藝來制備鎂鋰合金結(jié)構(gòu)件，可以進(jìn)一步減輕結(jié)構(gòu)重量、提高結(jié)構(gòu)剛度、節(jié)約能源以及節(jié)省裝配時(shí)間。綜述了鎂鋰合金目前的主要焊接方法、特點(diǎn)、存在的問題及其在航天領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，并對鎂鋰合金焊接技術(shù)未來的發(fā)展進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：鎂鋰合金；焊接；航天領(lǐng)域；研究

進(jìn)展鎂鋰合金是目前世界上能夠作為工業(yè)化應(yīng)用的最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，密度僅為1.35～1.65g/cm3，比鋁合金輕1/3～1/2，甚至比普通鎂合金還輕1/4～1/3，因此被稱為超輕合金[1]。此外，鎂鋰合金還具有較高的比剛度和比強(qiáng)度，良好的低溫韌性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性和延展性，優(yōu)良的抗震性能以及具有較高的抗高能粒子穿透能力等系列優(yōu)點(diǎn)，因此其在航空航天、國防軍工等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用得到了廣泛的關(guān)注[2-4]。其中，由于航天工業(yè)對結(jié)構(gòu)材料輕量化的需求更為突出，因此超輕鎂鋰合金在航天領(lǐng)域的應(yīng)用前景也更加廣闊。而用焊接代替?zhèn)鹘y(tǒng)的以鉚接等機(jī)械連接的工藝，可以進(jìn)一步減輕結(jié)構(gòu)重量、提高結(jié)構(gòu)剛度、節(jié)約能源和節(jié)省裝配時(shí)間[5-7]。因此焊接技術(shù)的發(fā)展無疑對鎂鋰合金的推廣，尤其是在航天領(lǐng)域的應(yīng)用產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

1鎂鋰合金的研究現(xiàn)狀

1.1鎂鋰合金的焊接性分析從鎂-鋰二元合金相圖中可以看出，鋰在鎂中的固溶度不隨溫度變化而發(fā)生改變。根據(jù)鋰在鎂中的固溶度與相的差異，可將鎂鋰合金分為三種類型[8]：第一種為密排六方結(jié)構(gòu)的鎂基α單相固溶體型鎂鋰合金（鋰的質(zhì)量分?jǐn)?shù)＜5.7%）；第二種為鎂基α+β雙相固溶體型鎂鋰合金（5.7%≤鋰的質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤11.5%）；第三種為體心立方結(jié)構(gòu)的鎂基β單相固溶體型鎂鋰合金（鋰的質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞11.5%）。雖然鎂鋰合金包含了較多的Li元素，但是其仍然是以鎂為基的合金，因此這種鎂合金的焊接工藝與其他鎂合金相比，有較多的相似之處[9-11]。例如，由于鎂合金結(jié)晶溫度區(qū)間較大，因此易于產(chǎn)生熱裂紋和氣孔；而因?yàn)殒V的沸點(diǎn)較低，約為1100℃，其蒸氣壓比較高，容易氧化，產(chǎn)生爆炸，形成飛濺；且鎂對氧的親和力大，其氧化物密度較大，容易形成夾雜[12]。此外，尤其需要特別指出的是，由于Li元素的存在[13]，使其表面氧化膜極易吸附環(huán)境中的水分，焊接時(shí)這些氧化膜中的水將分解析出氫，易在焊縫中產(chǎn)生氫氣孔；并且Li元素的化學(xué)活性大，極易燒損。因此鎂鋰合金相比于常規(guī)鎂合金，其焊接工藝更加困難。目前針對于常規(guī)鎂合金焊接技術(shù)的研究開展的較早，研究的也比較系統(tǒng)與深入，包括鎢極氬弧焊（TIG）、激光焊、電子束焊、電阻點(diǎn)焊、以及攪拌摩擦焊（FSW）等[14]，但針對于鎂鋰合金焊接技術(shù)的研究還尚處于起步階段，焊接方法也較少，主要包括TIG焊、激光焊以及FSW等少數(shù)幾種方法。

1.2鎂鋰合金焊接的研究現(xiàn)狀1.2.1鎢極氬弧焊（TIG焊）TIG焊技術(shù)具有操作靈活，焊接效率高，焊接適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于普通鎂合金的焊接中，并取得了良好效果[15-17]。然而，對于鎂鋰合金TIG技術(shù)而言，主要集中在針對α+β雙相固溶體型鎂鋰合金焊接的研究。研究表明[18-19]，采用堆焊的焊接方式對鎂鋰合金進(jìn)行焊接，接頭成形良好，無明顯缺陷（圖1），焊縫與母材相比，Li元素含量減少，接頭中熔合區(qū)由β相等軸晶構(gòu)成，內(nèi)部隨機(jī)分布了α相胞狀枝晶[19]，晶粒組織細(xì)小均勻；但熱影響區(qū)寬度較大，且晶粒組織粗大，拉伸性能為母材的85%左右，斷裂發(fā)生在熱影響區(qū)，呈混合型斷裂。然而在TIG焊時(shí)，當(dāng)高溫的TIG電弧作用于低熔沸點(diǎn)的鎂鋰合金時(shí)，容易引起表面的凹陷，減少接頭的承載面積（圖1）。為了彌補(bǔ)上述問題，有的研究采用填絲（填充絲材的成分與母材一致）TIG焊技術(shù)進(jìn)行了鎂鋰合金的對接結(jié)構(gòu)焊接。通過采用這種焊接方法，獲得了具有一定余高的接頭（圖2），從而提高了接頭的載荷。對于焊縫微觀組織的研究發(fā)現(xiàn)，焊縫區(qū)的晶粒組織也發(fā)生了明顯細(xì)化，Al和Ce元素富集在焊縫區(qū)內(nèi)晶粒的晶界處[20]，熱影響區(qū)組織特征同常規(guī)TIG焊時(shí)相似。此外，為了進(jìn)一步拓展TIG焊技術(shù)在鎂鋰合金焊接領(lǐng)域的應(yīng)用。有的學(xué)者嘗試采用TIG焊技術(shù)，進(jìn)行了鎂鋰合金與鋁合金異種金屬之間焊接的研究[21]。研究發(fā)現(xiàn)，接頭成形較好，但是在其內(nèi)部形成的大量Al-Mg金屬間化合物，嚴(yán)重危害了接頭的性能。因此對于如何控制接頭內(nèi)部脆性化合物的生成，提高接頭的性能，仍有待于進(jìn)一步研究。由上述分析可見，目前采用TIG技術(shù)進(jìn)行鎂-鋰合金的焊接，已經(jīng)取得一些成果，但是主要集中在第二種鎂基α+β雙相固溶體型鎂鋰合金TIG焊的研究，而對于第一種鎂基α單相固溶體和第三種鎂基β單相固溶體型鎂鋰合金TIG焊的研究還較少。可見，為了進(jìn)一步拓展鎂鋰合金在航天等領(lǐng)域的應(yīng)用，針對其TIG焊技術(shù)，還需要進(jìn)行更為系統(tǒng)化的研究。1.2.2激光焊激光焊是利用高能量密度激光束作為熱源進(jìn)行焊接的方法。與傳統(tǒng)焊接方法相比，激光焊具有熱量集中、熱輸入小、冷卻速度快以及焊接效率高等優(yōu)點(diǎn)，所以被廣泛應(yīng)用在鎂合金的焊接上。目前，針對鎂鋰合金的激光焊技術(shù)已經(jīng)開展了相關(guān)研究[22-26]。同鎂鋰合金的TIG焊類似，對于其激光焊的研究也主要針對α+β雙相固溶體型鎂鋰合金。其中，焊接過程中不填充金屬，激光的輸出功率為1000W，焊接速度為3m/min，保護(hù)氣（氬氣）氣流量為20L/min，焊接形式為對接焊接。焊后焊縫表面成形良好，無明顯焊接缺陷，焊縫內(nèi)由α和β相等軸晶粒和樹枝狀晶粒組成，有明顯的熔合線，但是由于激光的焊接速度較快，因此接頭的熱影響區(qū)較窄，如圖3所示。接頭硬度高于母材，激光焊接頭的斷裂甚至可以發(fā)生在母材區(qū)。有學(xué)者還發(fā)現(xiàn)[25]，接頭經(jīng)過250℃退火后，焊縫區(qū)形成了等軸晶粒，晶粒得到了細(xì)化，退火后接頭的塑性可以得到明顯改善。目前，鎂鋰合金激光焊的研究同樣存在鎂鋰焊接類型單一的問題。隨著鎂鋰合金在航天領(lǐng)域的應(yīng)用日漸廣泛，具有高精密特征的激光焊接技術(shù)在鎂鋰合金焊接領(lǐng)域的應(yīng)用也將顯得尤為重要，對其研究也亟待系統(tǒng)與深入。1.2.3攪拌摩擦焊（FSW）FSW作為固態(tài)焊接技術(shù)，由于其具有焊接工具與被焊材料自成封閉系統(tǒng)的特點(diǎn)，可以避免Li元素?fù)]發(fā)以及與其他氣體反應(yīng)等問題[27-31]。因此對于含有低沸點(diǎn)Li元素的鎂鋰合金而言，F(xiàn)SW在其焊接領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。目前，部分學(xué)者對α+β雙相固溶體型鎂鋰合金的FSW做了相關(guān)研究[27]。研究表明，采用FSW技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)鎂鋰合金搭接結(jié)構(gòu)的焊接，接頭表面成形良好，焊縫無明顯焊接缺陷，如圖4所示。接頭組織由α和β相組成，晶粒的尺寸隨熱輸入的增加而增大。同時(shí)，隨著熱輸入的增加，接頭的力學(xué)性能也有所提高。然而鎂鋰合金本身塑性較差，焊接后，接頭的塑性進(jìn)一步輕微變差。因此對接頭進(jìn)行了退火處理[27]，結(jié)果顯示，退火后的鎂鋰合金FSW接頭的塑性有所提高，可達(dá)母材的96%，焊核區(qū)和熱影響區(qū)都發(fā)生了軟化，斷后伸長率均有所提高。此外，部分學(xué)者對第三種β單相固溶體型鎂鋰合金的FSW進(jìn)行了研究[29-31]。結(jié)果顯示，F(xiàn)SW也可以實(shí)現(xiàn)這種鎂鋰合金的焊接，接頭表面成形良好，攪拌區(qū)在熱循環(huán)的作用下發(fā)生了再結(jié)晶，形成了等軸晶粒，可以觀察到密排六方結(jié)構(gòu)的α單相固溶體，攪拌區(qū)的硬度高于母材，拉伸性能也高于母材。由上分析可見，F(xiàn)SW這種固相焊技術(shù)，為鎂鋰合金的焊接提供了新方法，將這種方法高效地應(yīng)用在鎂鋰合金的焊接上，將會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)鎂鋰合金在航天領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

2鎂鋰合金在航天領(lǐng)域的應(yīng)用

鑒于超輕鎂鋰合金在航空領(lǐng)域的重要應(yīng)用前景，圍繞鎂鋰合金的制備、加工以及熱處理技術(shù)的研究均得到了快速的發(fā)展[32-34]。其中焊接技術(shù)是鎂鋰合金結(jié)構(gòu)件必不可少的加工成形手段，焊接過程中的工藝和產(chǎn)品質(zhì)量是決定其應(yīng)用的關(guān)鍵因素[35-36]。例如美國NASA通過弧焊技術(shù)，采用LA141和LA91A鎂鋰合金，成功制備了壓力容器[37]。研究還表明，在低溫條件下焊接件的強(qiáng)度和韌性良好，可用于一些中等負(fù)荷的航空航天結(jié)構(gòu)件，但是在高溫下焊接件的性能較差。另外，F(xiàn)SW比較適合于航天器中大型鎂合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)件坯料的焊接，如衛(wèi)星鎂合金承力底盤、安裝肼瓶用的鎂合金支架、大梁等[38-41]。隨著鎂鋰合金焊接技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，對減輕航天器質(zhì)量，促進(jìn)航天事業(yè)發(fā)展將起到更加重要的作用。

3結(jié)束語

鎂鋰合金的焊接技術(shù)直接影響著其作為新一代超輕合金在航天等領(lǐng)域應(yīng)用的深度與廣度。目前，鎂鋰合金的應(yīng)用尚處于起步階段，無論是用于焊接的鎂鋰合金類型，還是對于其焊接方法均有待于系統(tǒng)和深入的研究。此外，對于接頭性能的分析，尤其是疲勞等動(dòng)態(tài)性能分析的研究也還亟待完善。另外，對于鎂鋰合金在焊接過程中的組織演變機(jī)制也仍需進(jìn)一步探索和研究。隨著對鎂鋰合金焊接工藝、組織與性能等方面研究的系統(tǒng)與深入，必將促進(jìn)鎂鋰合金在航天等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，創(chuàng)造更好的社會(huì)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[4]栗麗，李煥喜，周鐵濤，等．鎂鋰系合金的研究進(jìn)展[J]．

作者：李慧 徐榮正 侯艷喜 國旭明 單位：沈陽航空航天大學(xué)