通过一种新型的水下辅助双旋转摩擦搅拌焊接方法，抑制700 MPa级别Al-Zn-Mg-Cu合金中的微观结构偏析和软化现象

《Journal of Materials Science & Technology》：Inhibiting microstructure segregation and softening in a 700 MPa grade Al-Zn-Mg-Cu alloy by a novel underwater-assisted dual-rotation friction stir welding method

Al-Zn-Mg-Cu合金焊接性优化；水下辅助双旋转摩擦搅拌焊；微结构偏析消除；接头强度提升至514MPa；热影响区软化抑制；粉末冶金材料焊接难题突破

　　本文探讨了700 MPa级超高强度Al-Zn-Mg-Cu合金在焊接过程中面临的主要挑战，并提出了一个创新的解决方案——水下辅助双旋转摩擦搅拌焊（UWDR-FSW）技术。这类合金因其高强度和轻量化特性，在航空航天、汽车制造等领域具有广阔的应用前景。然而，由于其合金元素含量较高，特别是锌（Zn）的含量超过10 wt.%，这些材料在焊接过程中容易出现塑性变形能力下降、微观结构偏析以及焊接接头软化等问题，严重影响其焊接质量与性能。传统摩擦搅拌焊（FSW）技术虽能有效避免熔融缺陷，但由于高Zn含量导致的高温环境和材料流动受限，仍然无法完全解决上述问题。本文通过引入UWDR-FSW技术，实现了对焊接热输入的精确控制，从而显著提升了接头性能。

### 超高强度Al-Zn-Mg-Cu合金的焊接挑战

Al-Zn-Mg-Cu合金因其优异的强度和耐腐蚀性，已成为轻量化材料研究的重要方向。700 MPa级的Al-Zn-Mg-Cu合金通常通过喷雾成形或粉末冶金等特殊工艺制备，以减少铸造过程中可能产生的裂纹。然而，这些材料在焊接过程中表现出独特的挑战。首先，高Zn含量会显著降低材料的塑性变形能力，使得焊接参数窗口变得狭窄，尤其是在焊接速度方面。其次，焊接过程中的高温环境会导致微观结构偏析，特别是在焊核区（NZ）中，次级析出相沿晶界（GBs）重新分布，形成所谓的析出相贫乏区（PFZ），这不仅影响材料的微观结构均匀性，还可能导致焊接接头性能的下降。

此外，焊接热循环还会引发析出相粗化，这是导致接头软化的关键因素之一。Al-Zn-Mg-Cu合金的析出相演化顺序通常为：过饱和固溶体（SSS）→Guinier-Preston区（I/II）→η'相→η相。在摩擦搅拌焊接过程中，焊接峰值温度和冷却速率对析出相的演变起着决定性作用。较高的峰值温度和较低的冷却速率会促进析出相的粗化，进而降低接头硬度和强度。而在传统的FSW过程中，由于焊接参数的限制，往往难以同时满足材料流动性和热输入控制的需求，这使得焊接接头的性能提升变得困难。

### 水下辅助双旋转摩擦搅拌焊（UWDR-FSW）技术的创新性

为了解决上述问题，本文提出了一种全新的焊接方法——水下辅助双旋转摩擦搅拌焊（UWDR-FSW）。该技术结合了水下辅助摩擦搅拌焊（UW-FSW）和双旋转摩擦搅拌焊（DR-FSW）的优点，旨在通过精确控制焊接过程中的峰值温度和冷却速率，实现对微观结构偏析和析出相粗化的有效抑制。

在UW-FSW技术中，流动的冷却水能够迅速带走摩擦热，从而降低焊接热输入。这种方法已被证明可以显著减少β''相的粗化，提高焊接接头的硬度和强度。然而，对于Zn含量超过10 wt.%的超高强度Al-Zn-Mg-Cu合金，仅依靠UW-FSW仍然存在一定的局限性。一方面，高Zn含量导致材料流动能力下降，使得焊缝表面质量难以保障；另一方面，水冷可能进一步加剧材料流动的不均匀性，从而影响焊接接头的整体性能。

因此，本文引入了DR-FSW技术，通过独立控制肩部和探针的旋转方向与速率，实现了对材料流动和热输入的协同优化。在DR-FSW过程中，高探针旋转速率可以促进材料流动，而低肩部旋转速率则有助于减少摩擦热的产生。这种双旋转机制可以有效打破传统FSW中材料流动与热输入之间的矛盾关系，从而在保证焊接质量的同时，提升接头强度。

将DR-FSW与UW-FSW相结合，形成了UWDR-FSW技术。该技术通过降低肩部旋转速率和采用水冷措施，显著减少了焊接过程中的热输入，避免了焊缝表面因过热而产生的材料粘附和缺陷。同时，较低的峰值温度和较高的冷却速率抑制了析出相的粗化，使得热影响区（HAZ）的硬度值高于焊核区。这种独特的工艺设计不仅提高了焊接接头的均匀性，还显著增强了接头的力学性能。

### 实验方法与结果分析

为了验证UWDR-FSW技术的有效性，本文采用了喷雾成形法制备的Al-11.3Zn-2.6Mg-1.1Cu（AA7034）合金板作为焊接基材。这些合金板在T6热处理状态下具有极高的抗拉强度（UTS），但其延展性较低，这进一步增加了焊接过程的难度。

实验过程中，使用了一台摩擦搅拌焊机，对AA7034合金板进行了不同参数下的焊接试验。通过对比传统FSW（C-FSW）和双旋转FSW（DR-FSW）的焊接结果，发现UWDR-FSW技术在多个方面表现出显著优势。首先，焊缝外观得到了显著改善，没有出现传统FSW中常见的表面缺陷，如隧道和吻合缺陷。其次，微观结构的均匀性得到了提高，焊核区的析出相分布更加均匀，且晶粒尺寸显著细化。这种细小的晶粒结构不仅提高了焊缝的硬度，还增强了其力学性能。

在力学性能方面，UWDR-FSW接头的抗拉强度达到了514 MPa，远高于传统FSW接头的414 MPa。这一结果表明，UWDR-FSW技术能够有效克服高Zn含量带来的焊接性能瓶颈，显著提升接头强度。同时，接头的延展性也得到了改善，表明该技术在提升接头综合性能方面具有巨大潜力。

### 焊接热输入的控制与优化

焊接热输入是影响焊接质量的关键因素之一。在传统FSW过程中，较高的热输入会导致材料过热，进而引发微观结构偏析和析出相粗化。而UWDR-FSW技术通过降低肩部旋转速率和采用水冷措施，有效减少了焊接过程中的热输入。这种热输入的控制不仅有助于避免焊缝表面因过热而产生的缺陷，还能够减少析出相的粗化，从而提高接头硬度和强度。

此外，焊接速度和旋转速率的优化也是提升接头性能的重要手段。较高的焊接速度可以减少热输入，但过高的速度可能导致材料流动不足，从而引发焊接缺陷。而较低的旋转速率虽然有助于减少热输入，但可能影响材料的流动性和焊接质量。因此，在UWDR-FSW技术中，通过合理调整焊接速度和旋转速率，实现了对材料流动和热输入的平衡，从而确保了焊接接头的质量和性能。

### 焊接接头的微观结构分析

通过显微镜观察和电子探针分析，本文对UWDR-FSW焊接接头的微观结构进行了详细研究。结果表明，UWDR-FSW技术能够有效抑制微观结构偏析，使得焊缝区域的析出相分布更加均匀。在焊核区，析出相的细小化和均匀分布显著提高了该区域的硬度和强度。而在热影响区，由于较低的峰值温度和较高的冷却速率，析出相的粗化得到了有效控制，使得该区域的硬度值高于焊核区。

这种微观结构的优化不仅提高了焊接接头的硬度，还增强了其整体力学性能。通过对比不同焊接参数下的微观结构变化，发现UWDR-FSW技术在多个方面表现出显著优势，包括焊缝外观的改善、微观结构的均匀化以及析出相的细化。这些优势共同作用，使得焊接接头的强度和延展性得到了显著提升。

### 结论与意义

本文的研究结果表明，UWDR-FSW技术能够有效解决700 MPa级超高强度Al-Zn-Mg-Cu合金在焊接过程中面临的诸多问题。通过降低肩部旋转速率和采用水冷措施，该技术不仅提高了焊接接头的硬度和强度，还改善了焊缝外观和微观结构的均匀性。此外，该技术还能够有效抑制析出相的粗化，从而避免焊接接头软化的问题。

UWDR-FSW技术的引入为超高强度铝合金的焊接提供了一种新的解决方案，尤其是在高合金含量的材料中，传统FSW技术难以兼顾材料流动性和热输入控制的需求。因此，本文的研究不仅为实际工程应用提供了重要的技术支持，还拓展了对Al-Zn-Mg-Cu合金焊接特性的理解。未来，随着该技术的进一步推广和优化，有望在更多高要求的工业领域中发挥重要作用。