2195-F态铝锂合金TIG焊与FSW焊后残余应力测量对比研究的学习体会

文献概况与研究背景

罗传光等学者在《焊接学报》2018年第39卷第11期发表的这篇论文，采用盲孔法和压痕法对2195-F态铝锂合金手工TIG焊和搅拌摩擦焊（FSW）后的残余应力进行了系统测量和对比分析。铝锂合金是第三代航空铝合金，具有密度低、比强度高、模量大的特点，广泛应用于航空航天结构件。焊接残余应力是铝锂合金接头服役性能的关键影响因素，直接关系到接头的疲劳寿命、应力腐蚀敏感性和尺寸稳定性。本文通过两种测量方法的对比，揭示了不同焊接工艺对残余应力分布的影响规律，为铝锂合金焊接工艺选择提供了重要依据。

残余应力测量方法对比

盲孔法与压痕法的原理差异

盲孔法（Strain Gauge Method）通过在试样表面钻取小孔，释放局部残余应力，通过粘贴在孔周的应变片测量应变释放量，进而计算残余应力。该方法属于破坏性测量，但精度较高，是国际公认的残余应力测量标准方法（如ASTM E837）。压痕法（Indentation Method）通过在试样表面施加压痕，通过测量压痕周围应变变化推算残余应力。该方法属于半破坏性测量，对试样损伤较小，但精度相对较低。

文献指出，盲孔法的测量值普遍高于压痕法。这一差异可能与两种方法的测量原理和应力释放机制有关：盲孔法通过钻孔完全释放局部应力，测量结果更接近真实值；压痕法通过压痕引起局部应力重分布，测量结果可能受到压痕尺寸和加载速率的影响。

测量结果对比

两种方法均表明，近焊缝区的纵向应力均高于横向应力；横向应力整体表现为压应力或小于50 MPa的拉应力；纵向应力在热影响区附近表现为大于焊缝的拉应力。这一分布特征符合焊接残余应力的一般规律：焊接过程中，熔池金属凝固收缩受到周围冷金属的约束，产生拉应力；焊接完成后，应力重新分布，焊缝区及近焊缝区形成纵向拉应力，横向压应力。

TIG焊与FSW残余应力对比分析

焊缝区残余应力差异

文献指出，焊缝区附近，手工TIG焊纵向残余应力大于FSW，且纵向残余应力表现为较大的拉应力，最大值接近于接头的屈服强度。这一结果具有重要工程意义：当残余拉应力接近屈服强度时，接头在服役过程中极易产生应力集中，诱发疲劳裂纹萌生和扩展。TIG焊作为熔化焊，熔池凝固收缩大，热输入高，导致残余应力显著；FSW作为固相连接，无熔化凝固过程，塑性变形主导应力形成，残余应力相对较低。

焊缝区外残余应力对比

焊缝区外，手工TIG焊和FSW残余应力值相差不大，其横向残余应力基本表现为很小的拉应力或者压应力。这一结果表明，远离焊缝区域，两种焊接工艺的残余应力分布趋于一致，主要受整体约束条件影响。

残余应力分布特征总结

工程应用启示

对焊接工艺选择的指导

本文的研究结果明确表明，对于2195-F态铝锂合金，FSW在残余应力控制方面优于TIG焊。在航空航天结构中，疲劳性能是结构设计的关键指标，残余拉应力会显著降低疲劳寿命。因此，对于承受交变载荷的铝锂合金结构件，应优先选择FSW作为连接工艺。然而，FSW设备成本高、适用厚度有限，对于厚板或复杂结构，TIG焊仍是重要选择。此时，必须采取焊后热处理（如消除应力退火）或机械方法（如锤击、滚压）来降低残余应力。

对残余应力控制的建议

从PDCA循环角度，铝锂合金焊接残余应力控制应遵循以下流程：

1. 计划阶段：根据接头服役条件确定残余应力控制目标，例如疲劳关键区域残余拉应力不超过100 MPa；
2. 执行阶段：优先选择FSW，或采用低热输入TIG焊工艺，严格控制热输入和焊接顺序；
3. 检查阶段：采用盲孔法进行残余应力测量，验证控制效果；
4. 改进阶段：根据测量结果调整工艺参数，必要时实施焊后热处理或机械应力消除。

对标准规范的思考

当前航空铝合金焊接标准（如HB/Z 151-2006《铝合金焊接技术条件》）对残余应力有定性要求，但缺乏定量指标。本文的研究数据可为标准修订提供参考，建议在标准中增加铝锂合金焊接接头残余应力的定量要求，特别是疲劳关键区域的残余拉应力上限值。

学习心得与总结

这篇文献的核心贡献在于通过两种测量方法的对比，系统揭示了TIG焊和FSW对2195-F态铝锂合金残余应力的影响差异。研究结果表明，FSW在残余应力控制方面明显优于TIG焊，焊缝区残余拉应力显著降低，有利于提升接头疲劳性能。对于从事航空铝合金焊接的技术人员，本文的启示是：焊接工艺选择必须综合考虑残余应力水平，不能仅凭接头强度或外观质量做出判断。在实际工程中，应建立残余应力测量-评估-控制的闭环管理体系，确保铝锂合金接头在服役过程中安全可靠。同时，随着新型焊接工艺（如激光-MIG复合焊、搅拌摩擦螺柱焊）的发展，残余应力控制将成为焊接工艺评价的重要维度，值得持续关注和研究。