2219鋁合金TIG和FSW接頭力學(xué)及疲勞性能

楊子涵，劉德博，楊思愚，韓永典,3

2219鋁合金TIG和FSW接頭力學(xué)及疲勞性能

楊子涵1，劉德博1，楊思愚2，韓永典2,3

（1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076；2.天津大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300350；3.天津市現(xiàn)代連接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300350）

研究鎢極氬弧焊（TIG）和攪拌摩擦焊（FSW）對2219鋁合金（母材）力學(xué)及疲勞性能的影響。通過拉伸試驗(yàn)，得到了母材、TIG和FSW接頭的抗拉強(qiáng)度和伸長率；通過疲勞性能試驗(yàn)測試了母材、TIG和FSW接頭在不同應(yīng)力下相應(yīng)的疲勞壽命，根據(jù)疲勞試驗(yàn)結(jié)果繪制了其試樣的曲線；使用掃描電子顯微鏡觀察并分析了疲勞斷口的形貌特征。未焊接的鋁合金母材抗拉強(qiáng)度和伸長率最高，分別為506 MPa和15.92%；TIG接頭抗拉強(qiáng)度和伸長率分別為330 MPa和7.65%，F(xiàn)SW接頭抗拉強(qiáng)度和伸長率分別為310 MPa和8.74%。母材、TIG和FSW接頭等3種疲勞試樣在2×106次循環(huán)下的疲勞強(qiáng)度分別為129、108、115 MPa，其疲勞斷口均可分為裂紋源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬間斷裂區(qū)，疲勞裂紋分別起始于試樣表面的局部變形區(qū)、第二相夾雜物和“吻接”缺陷。疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)的主要形貌為疲勞輝紋和二次裂紋，瞬間斷裂區(qū)以脆性斷裂為主。TIG和FSW等2種焊接工藝均導(dǎo)致了2219鋁合金的強(qiáng)度、塑韌性和疲勞性能降低，其接頭表面的第二相夾雜物和“吻接”缺陷促進(jìn)了疲勞裂紋的萌生。

2219鋁合金；拉伸性能；疲勞性能；斷口形貌特征；鎢極氬弧焊；攪拌摩擦焊

2219鋁合金是一種具有良好焊接性的高強(qiáng)度鋁合金材料，常用在航空航天等領(lǐng)域[1-3]。在建造鋁合金結(jié)構(gòu)件時(shí)，常用焊接將鋁合金連接起來。鎢極氬弧焊（tungsten inert-gas arc welding, TIG）是目前常用的焊接方法之一，工藝成熟、自動化程度高，容易得到綜合性能優(yōu)良的焊縫，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的焊接連接[4-6]。Arunkumar等[7]研究了真空鑄造鋁合金TIG接頭的力學(xué)性能。TIG接頭的抗拉強(qiáng)度和伸長率分別為237 MPa和8.1%，與母材（base metal, BM）相比，TIG接頭強(qiáng)度和伸長率分別增加了8%和15%。陳澄等[8]改進(jìn)了5083鋁合金的TIG工藝，在最佳焊接工藝參數(shù)下得到的TIG接頭的抗拉強(qiáng)度達(dá)到了母材的91.8%，并且具有優(yōu)良的抗彎曲性能。攪拌摩擦焊（friction stir welding, FSW）也是一種常用的鋁合金焊接工藝，是一種固相連接，通過攪拌頭的摩擦帶動母材的塑性流動實(shí)現(xiàn)鋁合金連接[9-11]。與熔焊工藝相比，F(xiàn)SW熱輸入較低，在焊接過程中鋁合金母材不熔化，得到焊接接頭的強(qiáng)度和塑韌性通常強(qiáng)于熔焊接頭。趙亞東等[12]分析了1060鋁合金FSW和TIG接頭的組織和力學(xué)性能，F(xiàn)SW接頭組織晶粒明顯小于TIG接頭，F(xiàn)SW接頭的抗拉強(qiáng)度為TIG接頭的1.5倍。Behrouz等[13]通過拉伸試驗(yàn)測試了FSW頭和TIG接頭的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)FSW接頭的抗拉強(qiáng)度、硬度和韌性均高于TIG接頭。

在鋁合金結(jié)構(gòu)件服役過程中，疲勞破壞是一種不可忽視的失效形式。雖然焊接是一種高質(zhì)量的鋁合金連接工藝，但焊接接頭往往是鋁合金結(jié)構(gòu)件中疲勞性能最薄弱的位置[14-16]。Hugo等[17]研究了6061鋁合金TIG接頭的疲勞性能，在循環(huán)次數(shù)為1×107次時(shí)，母材的疲勞強(qiáng)度為70 MPa，是TIG接頭疲勞強(qiáng)度的2.3倍。方大鵬等[18]開展了LC4-T4鋁合金FSW接頭的疲勞性能測試試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在循環(huán)次數(shù)為2×106次時(shí)，F(xiàn)SW接頭的疲勞強(qiáng)度為80 MPa，相較于母材的疲勞強(qiáng)度降低了14%。因此，在鋁合金結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)中，必須考慮焊接接頭部分的疲勞性能。通過拉伸試驗(yàn)得到了2219鋁合金母材、TIG和FSW接頭的抗拉強(qiáng)度、伸長率，分析了2種焊接方法對2219鋁合金力學(xué)性能的影響；通過疲勞試驗(yàn)得到了母材、TIG和FSW接頭的–曲線，并通過觀察疲勞斷口的形貌特征，分析了TIG和FSW對2219鋁合金疲勞性能和疲勞斷裂機(jī)制的影響。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)選用厚度為6 mm的2219鋁合金板，其化學(xué)成分Cu、Mn、Si、Fe、Zr、V的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為6.48、0.32、0.49、0.23、0.20、0.08，Al為余量。鋁合金板的焊接形式為對接焊接，焊接方法選用TIG和FSW。試驗(yàn)選用優(yōu)化后的焊接工藝對鋁合金板進(jìn)行對接焊接，并采用無損檢測技術(shù)檢測了焊接接頭的質(zhì)量，得到的2種沒有缺陷的焊接接頭見圖1。TIG的焊接工藝參數(shù)見表1；FSW的焊接工藝參數(shù)轉(zhuǎn)速、傾角、下壓量、焊接速度分別為600 r/min、2.5°、0.2～ 0.3 mm、200 mm/min。從母材和2種對接焊接板上切取尺寸為40 mm × 15 mm × 6 mm的金相觀察試樣，用砂紙將其表面打磨至3 000目，之后使用拋光機(jī)拋光試樣，清洗并干燥后用Keller試劑（190 mL蒸餾水+5 ml HF+2.5 mL HCl+2.5 mL HNO3）腐蝕試樣，腐蝕時(shí)間為20 s。采用金相顯微鏡觀察并分析母材、TIG和FSW接頭等3種試樣的金相組織。

圖1 焊接接頭宏觀形貌

表1 TIG焊接工藝參數(shù)

Tab.1 TIG welding process parameters

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM E8M–04相關(guān)規(guī)定制備了拉伸試樣，其尺寸見圖2（單位：mm。下同）。拉伸試驗(yàn)在DDL300拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。通過試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算得到試樣的抗拉強(qiáng)度和伸長率。對比母材、TIG和FSW試樣的力學(xué)性能，分析不同焊接方法對力學(xué)性能的影響。

圖2 拉伸試樣尺寸

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IIW XIII–2460–13/XV–1440–13制備疲勞試樣，沿垂直于焊接方向切取狗骨狀疲勞試樣，其尺寸見圖3。疲勞測試實(shí)驗(yàn)在不同應(yīng)力水平下進(jìn)行，使用GPS100高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)開展疲勞試驗(yàn)。所有疲勞試驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，交變載荷應(yīng)力比=0.1，載荷波形為正弦波。在每個(gè)應(yīng)力水平下測試3個(gè)試樣，并用測試結(jié)果的平均值繪制曲線，分析TIG和FSW等2種焊接方法對試樣疲勞性能的影響。

圖3 疲勞試樣尺寸

采用線切割從疲勞試驗(yàn)斷裂的試樣斷口處切取1 cm長的斷口形貌觀察試樣。用ZEISS Sigma300掃描電鏡觀察疲勞試樣的斷口形貌，分析TIG和FSW等2種焊接方法對試樣疲勞斷裂機(jī)制的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 金相組織

母材的晶粒形貌見圖4a，其組織晶粒呈板條狀，平均晶粒長度約為150 μm。TIG接頭熔合線附近的焊縫區(qū)（weld，WZ）和熱影響區(qū)（heat affected zone，HAZ）的微觀組織形貌見圖4b，可見，WZ區(qū)域金屬發(fā)生重熔再結(jié)晶，在重熔過程中靠近熔合線金屬的冷卻速度快[19]，熔合線附近的晶粒尺寸較小，而內(nèi)部靠近中心的晶粒尺寸較大。熔合線的HAZ組織受到焊接熱影響而長大，平均晶粒尺寸約為200 μm。WZ和HAZ等2區(qū)域內(nèi)的晶粒內(nèi)部和晶界處均析出了大量的Al2Cu（θ）相顆粒[20]；FSW接頭的焊核區(qū)(weld nugget zone，WNZ)、熱力影響區(qū)(thermo mechanically affected zone，TMAZ)和HAZ見圖4c。在焊接過程中，WNZ區(qū)域內(nèi)的鋁合金受到攪拌針的劇烈摩擦與擠壓，其晶粒組織經(jīng)熱循環(huán)和塑性變形發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶[21-22]，形成了晶粒尺寸約為5 μm的細(xì)小等軸晶。攪拌針對鋁合金的攪拌作用隨合金與攪拌針距離的增加而減弱，TMAZ區(qū)域內(nèi)的鋁合金受到的機(jī)械作用和熱作用較小，區(qū)域內(nèi)攪拌力只能使晶粒發(fā)生變形，同時(shí)晶粒受熱長大，不再發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，形成了粗大的彎曲變形晶粒[23]。位于HAZ區(qū)域的晶粒不再受到攪拌力的影響，晶粒受到焊接熱循環(huán)的影響而長大，晶粒長度約為220 μm。

圖4 金相組織

2.2 拉伸性能

拉伸試驗(yàn)得到的2219鋁合金試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖5。試樣的力學(xué)性能見表2，其中，所有數(shù)據(jù)均為3個(gè)試驗(yàn)測量值的平均值。未焊接鋁合金母材的抗拉強(qiáng)度為506 MPa。在2種焊接接頭中，TIG接頭的抗拉強(qiáng)度最高為330 MPa，表明TIG導(dǎo)致了鋁合金強(qiáng)度下降（34.8%）；FSW接頭表現(xiàn)出最低的抗拉強(qiáng)度（310 MPa），強(qiáng)度比TIG接頭低6.1%、比母材低38.7%。2種焊接接頭的強(qiáng)度均低于鋁合金母材，說明焊接會導(dǎo)致鋁合金強(qiáng)度下降。由表2可知，F(xiàn)SW接頭的伸長率比TIG接頭高出14.2%，TIG與FSW接頭試樣的伸長率相較于母材分別降低了51.9%和45.1%，說明焊接降低了鋁合金的延展性。

圖5 應(yīng)力?應(yīng)變曲線

表2 拉伸力學(xué)性能

Tab.2 Tensile mechanical properties

2.3 疲勞性能

疲勞試驗(yàn)得到了母材、TIG和FSW接頭等3種試樣在5個(gè)應(yīng)力水平下的疲勞壽命，每個(gè)應(yīng)力水平開展3次疲勞試驗(yàn)，以保證試驗(yàn)結(jié)果的合理性。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)處理母材、TIG和FSW接頭試樣的疲勞試驗(yàn)結(jié)果，得到?曲線，其表達(dá)式為lg=lg?lg Δ（為試樣疲勞失效循環(huán)次數(shù)，Δ為疲勞試驗(yàn)應(yīng)力范圍，lg為–曲線在對數(shù)坐標(biāo)系中的截距，為–曲線在對數(shù)坐標(biāo)系中的斜率）。

利用最小二乘法擬合腐蝕疲勞試驗(yàn)結(jié)果得到的–曲線見圖6，–曲線方程及參數(shù)見表3。使用給定循環(huán)次數(shù)的應(yīng)力范圍來表示疲勞強(qiáng)度，用來對比承受相同載荷的不同試樣的疲勞強(qiáng)度。參考國際常用鋁合金–曲線設(shè)計(jì)規(guī)范，選擇2×106次循環(huán)為參考疲勞壽命，未焊接的2219鋁合金母材、FSW和FSW接頭的疲勞強(qiáng)度分別為129、115、108 MPa，F(xiàn)SW和TIG接頭的疲勞強(qiáng)度分別比母材低了10.9%和16.3%?？梢姡?種焊接工藝都降低了2219鋁合金的疲勞強(qiáng)度。

圖6 S?N曲線

表3?曲線方程

Tab.3 Equation of S-N curves

2.4 疲勞斷口形貌特征

2219鋁合金母材、TIG及FSW接頭等3種試樣的疲勞斷口宏觀形貌見圖7，其疲勞斷口都可以分為裂紋源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬間斷裂區(qū)。3種試樣的裂紋源區(qū)都靠近試樣表面，母材和TIG接頭的裂紋源區(qū)都位于試樣棱角附近，F(xiàn)SW接頭裂紋源區(qū)內(nèi)有一明顯的凹坑。疲勞裂紋在循環(huán)應(yīng)力的作用下不斷長大，當(dāng)裂紋源區(qū)內(nèi)疲勞裂紋的長度超過裂紋萌生長度時(shí)，擴(kuò)展速度急劇增大，疲勞裂紋快速擴(kuò)展形成平坦的裂紋擴(kuò)展區(qū)。疲勞裂紋的不斷長大導(dǎo)致試樣有效承載面上的應(yīng)力不斷增大，最終承載面上的應(yīng)力超過試樣的抗拉強(qiáng)度，試樣發(fā)生瞬間斷裂而破壞。

母材、TIG和FSW接頭等3種試樣的疲勞源區(qū)的微觀形貌見圖8。母材試樣的疲勞裂紋起始于試樣表面的滑移條帶。母材疲勞試樣在循環(huán)載荷的作用下表面發(fā)生局部形變，形變區(qū)域晶粒之間的擠壓和滑移產(chǎn)生了滑移帶?；茙У拇嬖谑沟媒饘倩w不連續(xù)，在滑移帶周圍產(chǎn)生了應(yīng)力集中，促進(jìn)了疲勞裂紋的萌生[24]。TIG接頭試樣的疲勞裂紋起始于靠近試樣表面的第二相夾雜物。在TIG焊接過程中，2219鋁合金的金相組織發(fā)生變化，其內(nèi)部有大量的第二相析出。采用EDS分析疲勞裂紋源區(qū)內(nèi)的第二相夾雜物成分，得到Al與Cu的原子百分比約為69∶31，接近于2∶1。根據(jù)Al?Cu二元相圖可知，第二相夾雜物為Al2Cu，這種金屬間化合物硬度高、塑韌性低。在循環(huán)應(yīng)力的加載過程中，由于第二相夾雜物和鋁合金基體組織的塑韌性存在較大差異，導(dǎo)致2種組織在相同應(yīng)力下的變形程度不同，造成晶粒之間出現(xiàn)微裂紋，促進(jìn)了疲勞裂紋的萌生。在FSW試樣疲勞源區(qū)出現(xiàn)了2條“細(xì)線”，這種“細(xì)線”是攪拌摩擦焊中的“吻接”缺陷?！拔墙印比毕莸某霈F(xiàn)說明了焊接接頭中出現(xiàn)了弱連接區(qū)域，造成該區(qū)域周圍出現(xiàn)了應(yīng)力集中，促進(jìn)了疲勞裂紋的萌生[25]。

圖7 疲勞斷口宏觀形貌

母材、TIG和FSW接頭等3種試樣的疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)微觀形貌見圖9，其擴(kuò)展區(qū)中都存在著疲勞輝紋和二次裂紋。2219鋁合金母材裂紋擴(kuò)展區(qū)內(nèi)部的疲勞輝紋分布面積小，二次裂紋短而??；TIG和FSW接頭裂紋擴(kuò)展區(qū)內(nèi)部的疲勞輝紋分布面積大，二次裂紋長而深，并且TIG接頭裂紋擴(kuò)展區(qū)中出現(xiàn)了第二相夾雜物。疲勞裂紋尖端存在應(yīng)力集中，在循環(huán)應(yīng)力的持續(xù)作用下，裂紋尖端的金屬垂直于裂紋擴(kuò)展方向被撕裂[26]。在理想狀態(tài)的單個(gè)晶體內(nèi)，每次循環(huán)會產(chǎn)生1條垂直于裂紋擴(kuò)展方向的疲勞條紋，隨著疲勞循環(huán)次數(shù)的增加，系列平行的疲勞條紋構(gòu)成了疲勞輝紋。但鋁合金內(nèi)部的組織存在著諸如晶粒曲線、晶界角度等差異，在疲勞裂紋擴(kuò)展過程中遇到這些差異時(shí)，其擴(kuò)展方向和擴(kuò)展平面會發(fā)生改變，因此，在裂紋擴(kuò)展區(qū)中出現(xiàn)了多種擴(kuò)展方向和分布高度不同的疲勞輝紋。在裂紋擴(kuò)展過程中，當(dāng)疲勞裂紋尖端遇到鋁合金內(nèi)塑韌性較差的組織時(shí)，尖端金屬從塑性變形撕裂轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔?，產(chǎn)生了垂直于裂紋擴(kuò)展方向的二次裂紋，這些二次裂紋分布在疲勞輝紋之間。

圖8 疲勞試樣裂紋源區(qū)微觀形貌

母材、TIG和FSW接頭等3種試樣疲勞瞬間斷裂區(qū)微觀形貌見圖10。在循環(huán)應(yīng)力作用下疲勞裂紋不斷長大，試樣有效承載截面的面積不斷減小，應(yīng)力持續(xù)增大。當(dāng)應(yīng)力超過剩余有效承載截面的承載極限時(shí)，試樣發(fā)生瞬間斷裂。試樣瞬間斷裂的斷裂形式與試樣組織的塑韌性有關(guān)。在2219鋁合金母材的瞬間斷裂區(qū)內(nèi)存在著大量冰糖狀顆粒和大而深的二次裂紋，呈脆性斷裂特征，組織塑韌性差；TIG接頭在瞬間斷裂區(qū)內(nèi)存在大量解理臺階和大而深的二次裂紋，呈脆性斷裂特征，組織塑韌性差；FSW接頭在瞬間斷裂區(qū)內(nèi)存在韌窩和冰糖狀顆粒，表明FSW接頭內(nèi)同時(shí)存在著韌性和脆性組織。

圖9 裂紋擴(kuò)展區(qū)微觀形貌

圖10 瞬間斷裂區(qū)微觀形貌

3 結(jié)論

1）TIG接頭的WZ區(qū)金屬在焊接過程中重熔再結(jié)晶，晶粒尺寸減小；HAZ區(qū)的晶粒受熱長大，晶粒長度約為200 μm。該2區(qū)域內(nèi)晶粒內(nèi)部和晶界處均析出了大量的Al2Cu(θ)相。FSW接頭的WNZ區(qū)金屬受到攪拌頭的攪拌摩擦作用發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，晶粒尺寸顯著減小，約為5 μm；TMAZ區(qū)金屬受到的攪拌力和熱循環(huán)不再滿足動態(tài)再結(jié)晶條件，內(nèi)部晶粒受熱長大和受力變形；HAZ區(qū)晶粒只受到焊接熱循環(huán)影響，區(qū)域內(nèi)晶粒受熱長大，晶粒長度約為220 μm。

2）2219鋁合金母材、TIG和FSW接頭的抗拉強(qiáng)度分別為506、330、310 MPa。拉伸試驗(yàn)后測量試樣伸長率，焊接鋁合金母材、TIG和FSW接頭的伸長率分別為15.92%、7.65%、8.74%。焊接降低了鋁合金的強(qiáng)度和延展性。

3）以2×106次循環(huán)為參考疲勞壽命，2219鋁合金母材、TIG和FSW接頭的疲勞強(qiáng)度分別為129、115、108 MPa。焊接導(dǎo)致2219鋁合金的疲勞性能降低。

4）母材、TIG及FSW接頭等3種試樣的疲勞斷口都可分為裂紋源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬間斷裂區(qū)。母材的疲勞裂紋起始于試樣表面的滑移條帶，TIG接頭的疲勞源起始于靠近試樣表面的第二相夾雜物，F(xiàn)SW接頭的疲勞裂紋起始于靠近試樣表面的“吻接”缺陷。

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Mechanical Properties and Fatigue Properties of 2219 Aluminum Alloy TIG Joints and FSW Joints

YANG Zi-han1, LIU De-bo1, YANG Si-yu2, HAN Yong-dian2,3

(1. Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering, Beijing 100076, China; 2. School of Materials Science and Engineering, Tianjin University, Tianjin 300350, China; 3. Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining, Tianjin 300350, China)

The work aims to study the effects of TIG and FSW on the mechanical properties and fatigue properties of 2219 aluminum alloy. The tensile strength and elongation of three specimens (BM, TIG and FSW joints) were tested through tensile test. The fatigue life of the three specimens under different stresses was tested by fatigue test. According to the results of fatigue test,-curves of the three specimens were drawn, and the morphology characteristics of the fatigue fracture were observed and analyzed by SEM. The tensile strength and elongation of unwelded aluminum alloy were the highest, which were 506 MPa and 15.92% respectively, The tensile strength and elongation of TIG joint were 330 MPa and 7.65% respectively. The tensile strength and elongation of FSW joint were 310 MPa and 8.74% respectively. For three specimens, the fatigue strength at 2×106cycles was 129, 108 and 115 MPa respectively. The fatigue fracture surfaces of the three specimens can be divided into crack source, crack propagation area and transient fracture area. The fatigue cracks of the three specimens originated from the local deformation area, second phase inclusions and "kissing" defects on the surface of the sample, respectively. The main morphology of fatigue crack growth area was fatigue striation and secondary crack, and the transient fracture area was mainly brittle fracture morphology. Both TIG and FSW processes reduce the strength, plastic toughness and fatigue performance of 2219 aluminum alloy. The second phase inclusions and "kissing" defects on the joint surface promote the initiation of fatigue cracks.

2219 aluminum alloy; tensile properties; fatigue properties; fracture morphology characteristics;tungsten inert-gas arc welding; friction stir welding

10.3969/j.issn.1674-6457.2023.01.003

TG405

A

1674-6457(2023)01-0017-08

2022–07–25

2022-07-25

國家自然科學(xué)基金（51974198）

National Natural Science Foundation of China (51974198)

楊子涵（1996—），女，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)橥七M(jìn)劑貯箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

YANG Zi-han (1996-), female, master, engineer, Research focus: structural design technology of propellant tank.

韓永典（1983—），男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)楹附咏Y(jié)構(gòu)疲勞、腐蝕及斷裂。

HAN Yong-dian (1983-), male, doctor, associate professor, Research focus: fatigue, corrosion and fracture of welded structures.

楊子涵, 劉德博, 楊思愚, 等. 2219鋁合金TIG和FSW接頭力學(xué)及疲勞性能[J]. 精密成形工程, 2023, 15(1): 17-24.

Yang Zi-han, Liu De-bo, Yang Si-yu, et al. Mechanical properties and fatigue properties of 2219 aluminum alloy TIG joints and FSW joints[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(1): 17-24.