摘要
对2219C10S状态铝合金进行搅拌摩擦焊接试验，发现焊缝中存在聚集物的异常聚集现象，聚集相在X光检测中显示为亮白色聚集物，主要形态分为团块状、线状和指状三种，聚集相处焊缝的力学性能与无聚集相焊缝的力学性能基本相同。各形态聚集相的分布位置受搅拌头焊接影响区域的不同而不同，团块状聚集相主要存在于焊核中心或偏焊缝上表面位置处，线状和指状聚集相主要存在于焊核中心或偏焊缝根部位置处。对异常聚集相进行能谱分析知，聚集相主要组成元素为Al和Cu，原子百分比近似为2∶1，确定聚集相主要成分为Al2Cu。对聚集相的成因进行分析认为，聚集相的产生主要受搅拌摩擦焊接热输入及搅拌头机械搅拌作用的影响，在焊接过程中，塑态软化金属中的Al2Cu在填补搅拌针后方空腔的过程中出现了聚集行为，随着塑态金属的凝固，聚集行为开始变得缓慢并结束。
一种新的焊接技术，从发明到原理验证，从技术实现到在航天工业中的应用，往往要经过几十年的时间，而搅拌摩擦焊技术（FSW）却是个特例。从1991年由英国焊接技术研究所（TWI）发明搅拌摩擦焊接技术到1999年美国在Delta运载火箭中间舱段焊接生产中的首次应用，仅经过了8年时间，可见搅拌摩擦焊接技术在航天产品工程应用中备受青睐，目前已在在航空航天、轨道交通、汽车及船舶制造等领域得到了广泛的应
搅拌摩擦焊技术是一种基于微区锻造的绿色固态焊接工
采用10 mm厚度的2219铝合金，材料状态为C10S，采用平板对接焊方式，试验板材规格为600 mm×150 mm，2219铝合金主要化学成分及力学性能如
| Cu | Mn | Ti | Zr | Si | Fe | Al |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 6.38 | 0.32 | 0.064 | 0.18 | 0.084 | 0.18 | - |
| 抗拉强度Rm/MPa | 屈服强度ReL/MPa | 断后伸长率A/% |
|---|---|---|
| 455 | 372 | 11 |
搅拌头采用高温合金加工制造，焊接试验前，对搅拌针长度进行修磨，使搅拌针长度小于试片最小板厚0.15~0.25 mm，搅拌头形貌如
图1 搅拌头形貌
Fig.1 Morphology of mixing head
焊接前，使用汽油对焊接工装及待焊板材焊接区进行擦拭除油，并对待焊板材正、反面待焊区域及对接端面区域进行打磨和刮削清理，对搅拌头使用酒精清洗。试验焊接参数如
| 主轴转速/min | 焊接速度mm/min | 主轴倾角/(°) |
|---|---|---|
| 800 | 150 | 2.5° |
为得到充足的聚集相样本，进行了多组焊接试验，焊接完成后，剔除正面焊缝的飞边，并对焊缝进行打磨圆滑处理，之后对焊缝背面进行打磨处理，打磨深度0.15~0.25 mm，去除未连接及弱结合缺陷。打磨处理完成后，对焊缝进行超声相控阵检测和X光检测，对无聚集相焊缝及存在聚集相的位置处焊缝分别选取3个拉伸子样，在MTS-810电子拉伸试验机上进行拉伸试验。根据无损检测结果，对不同形貌的焊缝聚集相进行剖切截取金相试样，用混合酸（1mL HF+1.5mL HCl+2.5mL HNO3+95mL H2O）溶液对抛光后的试样进行腐蚀，在OLYM-PUS光学显微镜下进行典型区域金相组织分析，并对聚集相进行能谱分析。
无聚集相搅拌摩擦焊缝和聚集相位置处的搅拌摩擦焊缝力学性能如
| 焊缝状态 | 抗拉强度Rm/MPa | 断后伸长率A/% |
|---|---|---|
| 无聚集相处焊缝 | 333.7 | 6.7 |
| 聚集相位置焊缝 | 329 | 6.3 |
通过对焊缝聚集相样本进行无损检测分析后得出，聚集相的形态主要分为团块状、线状和指状三种，
图2 聚集相X光透视形貌
Fig.2 X-ray view of the aggregate phase
可看出显示为亮白色聚集物，部分聚集相边界明显。受搅拌针机械搅拌作用的影响，大部分线状和指状聚集相的分布存在一定方向性，呈现环形分布的趋势。
图3 聚集相超声相控阵信号
Fig3 Aggregated phase ultrasonic phased array
（a） 团块状 （b） 线状
2219C10S状态铝合金母材为10%变形量的轧制板材，
图4 母材显微组织形貌
Fig.4 Microstructure of base material
图5 母材SEM图像
Fig.5 SEM image of base material
| O | Cu | Al | Fe | 总量 |
|---|---|---|---|---|
| 9.89 | 25.03 | 63.87 | 1.22 | 100.00 |
对焊缝聚集相进行金相观察及能谱分析，发现可以明显观察到团块状、线状和指状聚集相的截面形态，与周围的铝基体存在明显的界面，聚集相仅存在于搅拌摩擦焊缝焊核区，在搅拌针搅拌作用下部分呈破碎状。对聚集相的成因分析认为，聚集相的产生及不同的形态特点主要受搅拌摩擦焊接热输入及搅拌头机械搅拌作用的影响。在焊接过程中，塑态软化的金属在搅拌头旋转搅拌的作用下向搅拌针后方的空腔进行流动填充，在金属保持塑态软化的状态下Al2Cu相出现了聚集行为，随着塑态金属的凝固，聚集行为开始变得缓慢并结束。在焊缝截面方向上由于从搅拌头轴肩到搅拌针端头热输入呈逐渐减小的趋势，因此聚集相的尺寸从搅拌头轴肩到搅拌针端头也呈逐渐减小的趋势。对聚集相尺寸的测量如
| 聚集相状态 | 长度/μm | 宽度/μm |
|---|---|---|
| 团块状 | 2050 | 472 |
| 线状 | 662 | 121 |
| 指状 | 392 | 109 |
团块状聚集相尺寸大于线状和指状聚集相，主体聚集相形状较为规则，且与周围Al基体界面清晰，在搅拌头的机械搅拌作用下，部分呈破碎状，分散在一块团状区域内，如
图6 母材聚集相位置能谱分析
Fig.6 Energy spectrum analysis of aggregate phase of base material
图7 团块状聚集相
Fig.7 Agglomerated aggregate phase
线状聚集相主要呈细长的条状，长度一般不超过1 mm，在超声相控阵检测中特征信号微弱或无信号显示，在X光射线检测中呈亮白色线形特征，如
图8 线状聚集相
Fig.8 Linear aggregation phase
指状聚集相主要呈短棒状，长度一般不超过0.5 mm，一般情况下指状聚集相周围会弥散分布若干破碎的点状聚集相，如
图9 指状聚集相
Fig.9 Finger aggregate phase
在超声相控阵检测中无特征信号显示，在X光射线检测中呈亮白色短棒状特征。指状聚集相受搅拌针端头部分机械搅拌作用和搅拌针热输入的影响较大，主要存在于焊核中心偏焊缝根部位置处。能谱分析表明聚集相主要组成元素及原子百分比与团块状和线状聚集相相同，确定为Al2Cu聚集相。
（1）聚集相是母材基体中的Al2Cu相在焊接热循环和搅拌头机械搅拌的综合作用下产生的聚合行为；
（2）对2219C10S状态铝合金搅拌摩擦焊缝无聚集相位置和有聚集相位置进行力学性能分析，结果 表明无聚集相处和有聚集相处焊缝的力学性能差别不大，抗拉强度均达到母材强度的70%以上，断后伸长率均达到6.0%以上；
（3）聚集相的形态主要分为团块状、线状和指状三种，在X光射线透视照片中显示为亮白色聚集物，在超声相控阵检测中，团块状聚集相可观察到信号反映，而线状和指状聚集相特征信号微弱或无信号显示；
（4）团块状聚集相尺寸大于线状和指状聚集相，部分聚集相尺寸可超过1 mm，受搅拌头结构及机械搅拌作用影响，团块状聚集相主要分布在焊核中心或偏焊缝上表面位置处，线状和指状聚集相主要分布在焊核中心或偏焊缝根部位置处；
（5）对聚集相进行能谱分析表明，聚集相主要组成元素为Al和Cu，原子百分比近似为2∶1，与2219铝合金母材中的聚集相成分相同，可以确定为Al2Cu聚集相。
参考文献
范平章.摩擦塞焊研发与关键问题[J].航天制造技术，2007(2):37-40. [百度学术]
邢美源，姚君山，刘杰.新一代运载贮箱搅拌摩擦焊应用研究[J].上海航天，2006(4):39-43. [百度学术]
XING Mei yuan,YAO Jun shan,LIU Jie.Application research of fsw welding process for joining propellant tanks in new generation launch vehicle[J].Aerospace Shanghai,2006(4):39-43. [百度学术]
宋建岭，李超.搅拌摩擦焊在运载火箭贮箱制造中的应用与发展[J].焊接，2018（5）:21-27. [百度学术]
SONG Jian ling,LI Chao.The Application and development of FSW technology in the manufacture of launch vehicle fuel tank[J].Welding ＆ Joining,2018（5）:21-27. [百度学术]
RAO C V，REDDY G，RAO K S.Microstructure and pitting corrosion resistance of AA2219 Al-Cu alloy friction stir welds-effect of tool profile[J].Defence Technology，2015(11):123-131. [百度学术]
