航天领域中镁锂合金的焊接技术的运用范文

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摘要：镁锂合金作为一种低密度、高比强度、高比刚度的超轻结构材料，在航天领域具有重要的应用前景。用焊接代替传统的以铆接为主的机械工艺来制备镁锂合金结构件，可以进一步减轻结构重量、提高结构刚度、节约能源以及节省装配时间。综述了镁锂合金目前的主要焊接方法、特点、存在的问题及其在航天领域的应用现状，并对镁锂合金焊接技术未来的发展进行了展望。

关键词：镁锂合金；焊接；航天领域；研究

进展镁锂合金是目前世界上能够作为工业化应用的最轻的金属结构材料，密度仅为1.35～1.65g/cm3，比铝合金轻1/3～1/2，甚至比普通镁合金还轻1/4～1/3，因此被称为超轻合金[1]。此外，镁锂合金还具有较高的比刚度和比强度，良好的低温韧性、导热性、导电性和延展性，优良的抗震性能以及具有较高的抗高能粒子穿透能力等系列优点，因此其在航空航天、国防军工等诸多领域的应用得到了广泛的关注[2-4]。其中，由于航天工业对结构材料轻量化的需求更为突出，因此超轻镁锂合金在航天领域的应用前景也更加广阔。而用焊接代替传统的以铆接等机械连接的工艺，可以进一步减轻结构重量、提高结构刚度、节约能源和节省装配时间[5-7]。因此焊接技术的发展无疑对镁锂合金的推广，尤其是在航天领域的应用产生深远的影响。

1镁锂合金的研究现状

1.1镁锂合金的焊接性分析从镁-锂二元合金相图中可以看出，锂在镁中的固溶度不随温度变化而发生改变。根据锂在镁中的固溶度与相的差异，可将镁锂合金分为三种类型[8]：第一种为密排六方结构的镁基α单相固溶体型镁锂合金（锂的质量分数＜5.7%）；第二种为镁基α+β双相固溶体型镁锂合金（5.7%≤锂的质量分数≤11.5%）；第三种为体心立方结构的镁基β单相固溶体型镁锂合金（锂的质量分数＞11.5%）。虽然镁锂合金包含了较多的Li元素，但是其仍然是以镁为基的合金，因此这种镁合金的焊接工艺与其他镁合金相比，有较多的相似之处[9-11]。例如，由于镁合金结晶温度区间较大，因此易于产生热裂纹和气孔；而因为镁的沸点较低，约为1100℃，其蒸气压比较高，容易氧化，产生爆炸，形成飞溅；且镁对氧的亲和力大，其氧化物密度较大，容易形成夹杂[12]。此外，尤其需要特别指出的是，由于Li元素的存在[13]，使其表面氧化膜极易吸附环境中的水分，焊接时这些氧化膜中的水将分解析出氢，易在焊缝中产生氢气孔；并且Li元素的化学活性大，极易烧损。因此镁锂合金相比于常规镁合金，其焊接工艺更加困难。目前针对于常规镁合金焊接技术的研究开展的较早，研究的也比较系统与深入，包括钨极氩弧焊（TIG）、激光焊、电子束焊、电阻点焊、以及搅拌摩擦焊（FSW）等[14]，但针对于镁锂合金焊接技术的研究还尚处于起步阶段，焊接方法也较少，主要包括TIG焊、激光焊以及FSW等少数几种方法。

1.2镁锂合金焊接的研究现状1.2.1钨极氩弧焊（TIG焊）TIG焊技术具有操作灵活，焊接效率高，焊接适应性强等优点，已被广泛应用于普通镁合金的焊接中，并取得了良好效果[15-17]。然而，对于镁锂合金TIG技术而言，主要集中在针对α+β双相固溶体型镁锂合金焊接的研究。研究表明[18-19]，采用堆焊的焊接方式对镁锂合金进行焊接，接头成形良好，无明显缺陷（图1），焊缝与母材相比，Li元素含量减少，接头中熔合区由β相等轴晶构成，内部随机分布了α相胞状枝晶[19]，晶粒组织细小均匀；但热影响区宽度较大，且晶粒组织粗大，拉伸性能为母材的85%左右，断裂发生在热影响区，呈混合型断裂。然而在TIG焊时，当高温的TIG电弧作用于低熔沸点的镁锂合金时，容易引起表面的凹陷，减少接头的承载面积（图1）。为了弥补上述问题，有的研究采用填丝（填充丝材的成分与母材一致）TIG焊技术进行了镁锂合金的对接结构焊接。通过采用这种焊接方法，获得了具有一定余高的接头（图2），从而提高了接头的载荷。对于焊缝微观组织的研究发现，焊缝区的晶粒组织也发生了明显细化，Al和Ce元素富集在焊缝区内晶粒的晶界处[20]，热影响区组织特征同常规TIG焊时相似。此外，为了进一步拓展TIG焊技术在镁锂合金焊接领域的应用。有的学者尝试采用TIG焊技术，进行了镁锂合金与铝合金异种金属之间焊接的研究[21]。研究发现，接头成形较好，但是在其内部形成的大量Al-Mg金属间化合物，严重危害了接头的性能。因此对于如何控制接头内部脆性化合物的生成，提高接头的性能，仍有待于进一步研究。由上述分析可见，目前采用TIG技术进行镁-锂合金的焊接，已经取得一些成果，但是主要集中在第二种镁基α+β双相固溶体型镁锂合金TIG焊的研究，而对于第一种镁基α单相固溶体和第三种镁基β单相固溶体型镁锂合金TIG焊的研究还较少。可见，为了进一步拓展镁锂合金在航天等领域的应用，针对其TIG焊技术，还需要进行更为系统化的研究。1.2.2激光焊激光焊是利用高能量密度激光束作为热源进行焊接的方法。与传统焊接方法相比，激光焊具有热量集中、热输入小、冷却速度快以及焊接效率高等优点，所以被广泛应用在镁合金的焊接上。目前，针对镁锂合金的激光焊技术已经开展了相关研究[22-26]。同镁锂合金的TIG焊类似，对于其激光焊的研究也主要针对α+β双相固溶体型镁锂合金。其中，焊接过程中不填充金属，激光的输出功率为1000W，焊接速度为3m/min，保护气（氩气）气流量为20L/min，焊接形式为对接焊接。焊后焊缝表面成形良好，无明显焊接缺陷，焊缝内由α和β相等轴晶粒和树枝状晶粒组成，有明显的熔合线，但是由于激光的焊接速度较快，因此接头的热影响区较窄，如图3所示。接头硬度高于母材，激光焊接头的断裂甚至可以发生在母材区。有学者还发现[25]，接头经过250℃退火后，焊缝区形成了等轴晶粒，晶粒得到了细化，退火后接头的塑性可以得到明显改善。目前，镁锂合金激光焊的研究同样存在镁锂焊接类型单一的问题。随着镁锂合金在航天领域的应用日渐广泛，具有高精密特征的激光焊接技术在镁锂合金焊接领域的应用也将显得尤为重要，对其研究也亟待系统与深入。1.2.3搅拌摩擦焊（FSW）FSW作为固态焊接技术，由于其具有焊接工具与被焊材料自成封闭系统的特点，可以避免Li元素挥发以及与其他气体反应等问题[27-31]。因此对于含有低沸点Li元素的镁锂合金而言，FSW在其焊接领域具有较好的应用前景。目前，部分学者对α+β双相固溶体型镁锂合金的FSW做了相关研究[27]。研究表明，采用FSW技术可以实现镁锂合金搭接结构的焊接，接头表面成形良好，焊缝无明显焊接缺陷，如图4所示。接头组织由α和β相组成，晶粒的尺寸随热输入的增加而增大。同时，随着热输入的增加，接头的力学性能也有所提高。然而镁锂合金本身塑性较差，焊接后，接头的塑性进一步轻微变差。因此对接头进行了退火处理[27]，结果显示，退火后的镁锂合金FSW接头的塑性有所提高，可达母材的96%，焊核区和热影响区都发生了软化，断后伸长率均有所提高。此外，部分学者对第三种β单相固溶体型镁锂合金的FSW进行了研究[29-31]。结果显示，FSW也可以实现这种镁锂合金的焊接，接头表面成形良好，搅拌区在热循环的作用下发生了再结晶，形成了等轴晶粒，可以观察到密排六方结构的α单相固溶体，搅拌区的硬度高于母材，拉伸性能也高于母材。由上分析可见，FSW这种固相焊技术，为镁锂合金的焊接提供了新方法，将这种方法高效地应用在镁锂合金的焊接上，将会进一步促进镁锂合金在航天领域的广泛应用。

2镁锂合金在航天领域的应用

鉴于超轻镁锂合金在航空领域的重要应用前景，围绕镁锂合金的制备、加工以及热处理技术的研究均得到了快速的发展[32-34]。其中焊接技术是镁锂合金结构件必不可少的加工成形手段，焊接过程中的工艺和产品质量是决定其应用的关键因素[35-36]。例如美国NASA通过弧焊技术，采用LA141和LA91A镁锂合金，成功制备了压力容器[37]。研究还表明，在低温条件下焊接件的强度和韧性良好，可用于一些中等负荷的航空航天结构件，但是在高温下焊接件的性能较差。另外，FSW比较适合于航天器中大型镁合金复杂结构件坯料的焊接，如卫星镁合金承力底盘、安装肼瓶用的镁合金支架、大梁等[38-41]。随着镁锂合金焊接技术的进一步发展，对减轻航天器质量，促进航天事业发展将起到更加重要的作用。

3结束语

镁锂合金的焊接技术直接影响着其作为新一代超轻合金在航天等领域应用的深度与广度。目前，镁锂合金的应用尚处于起步阶段，无论是用于焊接的镁锂合金类型，还是对于其焊接方法均有待于系统和深入的研究。此外，对于接头性能的分析，尤其是疲劳等动态性能分析的研究也还亟待完善。另外，对于镁锂合金在焊接过程中的组织演变机制也仍需进一步探索和研究。随着对镁锂合金焊接工艺、组织与性能等方面研究的系统与深入，必将促进镁锂合金在航天等领域的广泛应用，创造更好的社会价值和经济效益。

参考文献：

[4]栗丽，李焕喜，周铁涛，等．镁锂系合金的研究进展[J]．

作者：李慧 徐荣正 侯艳喜 国旭明 单位：沈阳航空航天大学