摘要：在航空领域，不断追求结构重量减轻与性能提高的平衡，这对于降低能耗、提高安全性至关重要。在机身材料的选用上，主要有复合材料与金属材料。复合材料虽具备一定的力学性能优势，但存在易分层、制造成本高、损伤检测复杂以及可回收性不佳等问题。金属材料，特别是高强度铝合金，因

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应用背景

在航空领域，不断追求结构重量减轻与性能提高的平衡，这对于降低能耗、提高安全性至关重要。在机身材料的选用上，主要有复合材料与金属材料。复合材料虽具备一定的力学性能优势，但存在易分层、制造成本高、损伤检测复杂以及可回收性不佳等问题。金属材料，特别是高强度铝合金，因良好的可回收性在机身应用中占据重要地位，并且在减重方面与复合材料潜力相近。

在连接技术方面，高强度铝合金传统上多采用铆接工艺。但铆接存在诸多局限性，比如材料用量大，不利于实现减重目标；制造过程依赖大量手工操作，导致时间成本高，且自动化改进空间有限；同时，铆接时材料的重叠会额外增加结构重量，作为结构组件装配成本的重要部分，铆接的成本效益较低。激光焊（LBW）和搅拌摩擦焊（FSW）作为极具潜力的焊接技术，为解决上述问题提供了新的选择。图1所示为传统铆接T型接头和焊接T型接头的对比。

02

飞机结构常用高强铝合金

①常用铝合金系列

飞机机身结构广泛使用可热处理的2xxx、6xxx和7xxx系高强铝合金。

传统的AA2024和AA7075铝合金应用范围广泛，如AA2024铝合金在T351热处理状态下，因其具备较高的延展性，常被用于机身蒙皮，为飞机提供基本的外形覆盖与保护。而AA7075铝合金在T6511状态时，凭借高强度特性，适用于制造桁条等结构部件，承担机身的主要承载任务。

②新型铝合金应用

为应对复合材料在航空领域的竞争，新型铝合金不断涌现并投入应用。

如AA6013与AA6110铝合金组合，经验证，适用于机身下部面板的激光焊接。在实际生产中，此类组合展现出良好的焊接性能与结构适应性，能够满足飞机机身对于强度和稳定性的要求。

AA2139铝合金则是专为激光焊接开发的铝合金。实际应用中，AA2139铝合金激光焊接后，接头强度和抗疲劳性能等关键指标均达到飞机结构设计要求，为飞机制造提供了新的材料选择。

③Al-Li合金与Al-Mg-Sc合金

第三代Al-Li合金，如AA2198、AA2196铝合金等，以及Al-Mg-Sc合金展现出替代传统铝合金的潜力。

Al-Li合金由于锂元素的加入，密度降低，同时保持较高的强度，在飞机减重方面具有显著优势。试验表明，AA2198铝合金在特定焊接工艺下，接头强度约为母材的69%。可用于机翼的部分结构件。

Al-Mg-Sc合金因含有钪元素，具有良好的强度和焊接性能。

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机身铝合金结构焊接：激光焊（LBW）

①工艺原理与激光器

⑴ 特点：能量密度高，具有变形小、强度高与焊速快等特点，适用于高强铝合金焊接。但需注意铝合金的反光率较高。

⑵ 焊接模式：有激光热导焊和激光深熔焊两类，由于固态铝合金反射系数高，而铝液的激光吸收率有一定程度提高，因此常采用深熔焊模式。

⑶ 激光器：固体激光器，如Nd:YAG激光器波长为1.06μm，传输灵活适用于复杂形状焊接；CO2激光器波长10.6μm，在焊接铝合金时表面反射率较高；光纤激光器、碟片激光器在高功率焊接状态下，其光束参数积（BPP）较低，意味着光束质量更好（BPP越高，光束质量越差），目前光纤激光器已在国内大量应用。

a. 激光焊常用的激光器及焊接模式（图2所示）

激光焊常用的激光器包括：固体激光器（图2a）和CO2激光器（图2b）。

激光焊的焊接模式包括：热导焊（图2c）和深熔焊（图2d）。

图2

b. 不同类型激光器的光束参数积BPP（图3所示）从图3可以看出，单模光纤激光器的光束质量最好。

② 机身激光焊典型接头形式和常用的机身材料

⑴ 机身激光焊典型接头形式如图4所示

⑵机身常用材料的焊接特点

a. Al-Cu-Mg合金：

Al-Cu-Mg合金作为机身结构主要用材， 2xxx系列Al-Cu合金含Mg时，经沉淀强化获得高强度，损伤容限性能优越。该系列合金焊接时易开裂，使用填充焊丝可改善焊接性。

b. Al-Cu-Mg-Ag合金：

相比2xxx系列其他合金，Al-Cu-Mg-Ag合金机械性能和热稳定性更优，但成本较高。其中AA2139在T8状态下热稳定性出色，焊接性良好，已有研究成功实现了该合金的对接T型接头激光焊接。

c. Al-Cu-Li合金：

Al-Cu-Li合金比强度和刚度高，在航空领域潜力巨大。然而，激光焊接此类合金时易出现孔隙和热裂纹问题。通过特定填充焊丝可减少凝固裂纹，通过优化工艺参数和采用预热等方法可降低热裂纹敏感性。

d. Al-Mg-Li合金：

Al-Mg-Li合金密度极低，能有效减轻飞机结构重量，但存在延展性差的缺点。激光焊接该合金时同样面临焊接裂纹问题，且缺乏商用填充焊丝。

e. Al-Mg-Sc合金：

因具有高韧性、良好的机械和疲劳性能以及轻质等优势，Al-Mg-Sc合金在航空领域应用逐渐增多。该合金焊接性良好，适用于新型制造工艺。

f. Al-Mg-Si合金：

6xxx系列Al-Mg-Si合金焊接性良好，其中AA6013有望替代AA2024。该合金激光焊时，使用含Si量高的AA4047填充焊丝可抑制热裂纹，但会出现孔隙问题。采用高功率的平顶光束激光器可降低孔隙率。

g. Al-Zn-Mg-Cu合金：

7xxx系列合金在航空领域应用广泛，但激光焊接时易产生孔隙、裂纹等缺陷（图5），且锌的挥发会降低硬度。

③ 焊接接头几何形状

激光焊接不同接头时呈现出多样的几何形状。AA6013、AA2198、AA2024和AA7050铝合金激光焊接对接接头和T型接头的典型焊缝形状如图6所示。

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铝合金搅拌摩擦焊（FSW）

①什么是搅拌摩擦焊？

搅拌摩擦焊（FSW）技术是英国焊接研究所发明的一种固相连接技术，通过旋转搅拌头与工件摩擦产热及塑性变形实现连接，如图7所示。在焊接高强铝合金时，能避免凝固缺陷、减少变形和残余应力，但对工装要求高、接头几何形状受限。

②接头结构

对接接头应用最多，适合直线连接；T型接头采用常规FSW难以获得全熔透且无缺陷的接头；搭接接头通过特定工艺（如静轴肩搅拌摩擦焊）可获得无表面缺陷的接头。典型接头形式如图8所示。

③高强铝合金FSW焊接

图9所示为高强铝合金常用搅拌摩擦焊焊缝截面的金相图。图9a为传统搅拌摩擦焊宏观截面，图9b为双轴肩搅拌摩擦焊EBSD宏观截面，图c-图d为前进侧、后退侧的金相图片。

图10所示为AA6013合金与AA7050合金激光焊、搅拌摩擦焊对接接头的显微硬度分布。

对于Al-Cu-Mg合金，搅拌摩擦焊接后，强化相发生溶解或粗化，导致硬度下降。

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激光焊VS搅拌摩擦焊

激光焊和搅拌摩擦焊都已成功应用于飞机机身高强铝合金的连接。自从2015年英国焊接研究所搅拌摩擦焊专利到期后，搅拌摩擦焊装备及技术快速发展，如一些商业航天的火箭贮箱已用上了搅拌摩擦焊。

①微观组织

激光焊接头的焊缝区（FZ）因材料熔化再凝固，冷却速度快，组织与母材差异大；搅拌摩擦焊的搅拌区（SZ）在固相下通过动态再结晶形成细小等轴晶，组织更均匀细小。

如AA6013合金激光焊接头的焊缝区为枝晶结构，而搅拌摩擦焊的搅拌区是细小等轴晶。

②疲劳性能

两种焊接工艺的接头疲劳强度与传统铆接相当。

激光焊AA2198-AA2196 T型接头疲劳强度为80MPa，比铆接的AA2024-AA7075接头高23%。但激光焊焊缝区易引发裂纹，而铆接结构更为稳定。

③接头结构

⑴ 搅拌摩擦焊适用于飞机结构中的长距离对接接头或搭接接头，可实现高质量长距离对接接头。但传统FSW在焊接T型接头内角时易损伤外蒙皮，新型静轴肩搅拌摩擦焊（SSFSW）虽可解决这一问题，但FSW在焊接复杂结构和控制公差方面仍存在困难。

⑵ 激光焊接在焊接T型接头时优势明显，可从桁条侧进行焊接，避免损伤蒙皮表面，且能实现复杂几何形状的焊接，适用于新型高强铝合金等焊接。

【文献信息】

标题 Prospects of laser beam welding and friction stir welding processes for aluminum airframe structural applications

作者 SNikolai Kashaeva；Volker Ventzkea；Gürel Çam

DOI 10.1016/j.jmapro.2018.10.005

网址 https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S1526612518309605

来源：焊接之家WELDHOME