王 耀

(山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院材料工程系， 山西 長治 046011)

攪拌摩擦焊技術(shù)FSW 是英國焊接研究所（TWI）于1991年發(fā)明的材料固相連接新技術(shù)[1]。攪拌摩擦焊（FSW）相比鎢極惰性氣體保護(hù)焊（TIG）和熔化極惰性氣體保護(hù)焊（MAG）工序較為簡單，焊接前不需要特殊處理，焊時(shí)不需要焊接材料和保護(hù)氣，并且焊后無需重新加工焊縫，其原理是使用旋轉(zhuǎn)攪拌頭插入待焊接的工件中，經(jīng)摩擦工件塑性變形的熱效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致焊接工件的溫度升高發(fā)生熱變形，并通過行進(jìn)的攪拌頭鍛造和擠壓作用完成熱塑性變形焊接過程[6]。

FSW 目前已在航空航天、船舶制造、軌道交通裝備等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[2-3]。近年來，鋁合金攪拌摩擦焊（FSW）、攪拌摩擦處理(FSP)的研究已成為熱點(diǎn)[4-5]。本文總結(jié)了鋁合金同種及異種材料的FSW、FSP 改性及復(fù)合材料制備研究現(xiàn)狀。

1 FSW 工藝參數(shù)

FSW 裝備中攪拌頭是攪拌摩擦焊的關(guān)鍵因素，它直接影響材料流動(dòng)及熱量。D.G.Hattingh[7]針對(duì)攪拌頭形狀對(duì)焊接過程的影響進(jìn)行了研究，得出攪拌頭直徑從肩到底逐漸減小，表面螺距大約為攪拌頭直徑的10%，表面具有凹槽，具備這些特點(diǎn)的攪拌頭較為合理。Shanavas 等[8]使用中心組合設(shè)計(jì)響應(yīng)面方法進(jìn)行優(yōu)化AA5052-H32 鋁板FSW 工藝，使用方錐形攪拌頭，焊接速度65 mm/min、轉(zhuǎn)速600 r/min、傾角1.5°時(shí)，最佳焊接效率為93.51%。方差分析表明，測試數(shù)據(jù)和預(yù)測模型吻合良好。

攪拌摩擦焊FSW 的工藝參數(shù)有攪拌頭轉(zhuǎn)速、傾角、壓入量、焊接速度。P.Cavaliere[9]在AA6082 上進(jìn)行焊接試驗(yàn)，焊接速度在40～460 mm/min 之間變化，115 mm/min 時(shí)接頭性能最好。鄭會(huì)海等[10]針對(duì)厚度為8 mm 的5A06-O 焊接試驗(yàn)，結(jié)果表面，當(dāng)壓力為40 kN、轉(zhuǎn)速為450 r/min、焊接速度為280 mm/min時(shí)，所得焊接接頭成形良好且無缺陷。為使焊縫成形良好，當(dāng)焊接壓力和轉(zhuǎn)速降低時(shí)，相應(yīng)焊接速度也要降低。通過增大焊接壓力或者增加轉(zhuǎn)速，可消除表面犁溝缺陷，降低轉(zhuǎn)速可消除內(nèi)部孔洞缺陷。Hua-Bin Chen[11]研究了攪拌頭焊接傾角對(duì)焊縫的影響，在1.5°～4.5°之間傾角較大和較小時(shí)，都會(huì)有缺陷產(chǎn)生，在3.5°時(shí)焊接性能良好。

攪拌頭轉(zhuǎn)速、焊接速度是FSW 研究中涉及的重要工藝參數(shù)。圍繞攪拌頭的材料隨著旋轉(zhuǎn)攪拌、混合，攪動(dòng)的材料由于攪拌頭移動(dòng)從前向后移動(dòng)，完成焊接。高旋轉(zhuǎn)速度產(chǎn)生較高的溫度，導(dǎo)致材料更劇烈的攪動(dòng)和混合。熱量輸入由攪拌頭與工件的摩擦決定，因摩擦系數(shù)會(huì)隨著旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的增加而變化，在一定范圍內(nèi)，增加轉(zhuǎn)速度熱量增加。但不會(huì)隨著轉(zhuǎn)速增加而單調(diào)增大。目前，經(jīng)大量研究已基本清楚了FSW 焊接工藝參數(shù)對(duì)焊接接頭的影響，工藝參數(shù)主要通過對(duì)熱輸入、晶粒尺寸、作用力對(duì)焊接接頭成形產(chǎn)生影響。

2 傳熱及流動(dòng)模型

FSW/FSP 導(dǎo)致焊縫區(qū)材料劇烈的塑性變形和溫度的升高。這會(huì)導(dǎo)致顯著的微觀結(jié)構(gòu)的演變，例如晶粒大小，晶界特性，析出物的溶解及粗化，彌散物的破碎及重新分布，和織構(gòu)的發(fā)生。FSW/FSP 過程中機(jī)械和熱過程的理解對(duì)優(yōu)化工藝參數(shù)和控制焊縫的微觀結(jié)構(gòu)及性能是非常必要的。

2.1 溫度分布

Brown[12]等人采用不同的攪拌頭，分析了影響溫度場的因素。結(jié)果顯示，軸肩是影響產(chǎn)生熱量多少的主要因素。Mahoney 等人對(duì)厚度6.35 mm 的7075-T651鋁合金板進(jìn)行了FSW 焊接試驗(yàn)，測量了焊接接頭截面的溫度分布情況，熔核邊緣與上表面的相交處溫度最高為475℃，距熔核區(qū)越遠(yuǎn)溫度越低，熔核峰值從上表面到底部呈降低趨勢。郭柱等采用6mm 厚7075-T7351 鋁合金薄板進(jìn)行試驗(yàn)，通過ANSYS 建立雙熱源三維有限元模型，分析了焊接速度、攪拌頭轉(zhuǎn)速對(duì)殘余應(yīng)力和溫度場的影響規(guī)律。表明焊接速度不變時(shí)，殘余應(yīng)力隨轉(zhuǎn)速提升呈現(xiàn)先增后減的趨勢，殘余應(yīng)力隨攪拌頭轉(zhuǎn)速增大分布趨于均勻；當(dāng)攪拌頭轉(zhuǎn)速不變時(shí)，焊接速度升高，峰值溫度降低。

總之，在FSW 過程中，許多因素影響溫度的產(chǎn)生。從大量的實(shí)驗(yàn)研究和工藝模型，可以得到以下結(jié)論：

1）焊接過程最高溫度低于母材熔點(diǎn)。

2）軸肩對(duì)熱量的產(chǎn)生有決定性的影響。

3）焊速和轉(zhuǎn)速共同影響了焊接峰值溫度。

4）最大溫度的增加發(fā)生在焊縫的頂部。

2.2 金屬流動(dòng)

FSW 過程中，攪拌頭形狀、焊接工藝參數(shù)和母材眾多因素的影響，焊接區(qū)材料的流動(dòng)非常復(fù)雜。在實(shí)際生產(chǎn)中，了解材料流動(dòng)特征是非常重要的，這有助于攪拌頭優(yōu)化和獲得質(zhì)量良好的焊接接頭。Chen使用斷針技術(shù)研究了螺紋針與剪切層作用，焊核呈現(xiàn)帶狀結(jié)構(gòu)。Arbegast 指出攪拌摩擦焊過程中組織結(jié)構(gòu)和流動(dòng)特性與鋁合金擠壓和鍛造的組織非常相似。A.Arora 等人通過建立三維模型計(jì)算了鋁合金2524 的應(yīng)變和應(yīng)變速率，發(fā)現(xiàn)焊縫組織和性能受應(yīng)變和應(yīng)變速率影響。Huang 等使用銅箔作為標(biāo)志材料對(duì)6082-T6 焊接過程中的材料流動(dòng)行為進(jìn)行了可視化研究，發(fā)現(xiàn)熔核的形狀發(fā)生改變，過多的材料流動(dòng)是影響焊接接頭的關(guān)鍵?？傊?，攪拌頭形狀，焊接參數(shù)（轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，焊速，下壓量，傾角），材料種類，工件溫度均會(huì)影響材料的流動(dòng)等，所以在FSW 焊接過程中材料的流動(dòng)是復(fù)雜的，目前對(duì)塑性變形過程的理解也是有限的。

3 焊縫性能

鋁合金焊接接頭性能主要從力學(xué)性能、殘余應(yīng)力、耐腐蝕性這幾方面進(jìn)行研究。一些研究人員發(fā)現(xiàn)沉淀硬化鋁合金焊縫中心區(qū)域會(huì)出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，Hakan Aydin 等人通過攪拌摩擦焊接2024 鋁合金試驗(yàn)研究焊縫的硬度規(guī)律，最小硬度值出現(xiàn)在熱影響區(qū)，近母材處、焊核區(qū)硬度較高，沿焊縫寬度方向的硬度分布呈“W”型。Y.Uematsu 研究了1050-O、5083-O、6061-T6 和7075-T6 等鋁合金的疲勞性能，發(fā)現(xiàn)接頭疲勞性能對(duì)焊縫、熔合區(qū)、熱影響區(qū)三區(qū)組織結(jié)構(gòu)非常敏感。在疲勞強(qiáng)度方面，5083-O 和7075-T6 和母材接近，而1050-O 和6061-T6 小于母材。1050-O、7075-T6 在熱力影響區(qū)和熱影響區(qū)之間產(chǎn)生疲勞斷裂，5083-O 在母材處產(chǎn)生疲勞斷裂，6061-T6 在熱力影響區(qū)或熱影響區(qū)產(chǎn)生疲勞斷裂。王忠保等通過拉伸試驗(yàn)，利用DIC 方法研究了鋁合金6061-T4（FSW）T 型接頭的力學(xué)性能。發(fā)現(xiàn)熱影響區(qū)材料軟化、材料兩側(cè)強(qiáng)度差異較大，焊縫中存在弱連接缺陷，在載荷作用下該處的裂紋由于應(yīng)力集中導(dǎo)致沿支撐板方向斷裂。駱志捷等研究了鋁合金5083 攪拌摩擦焊縫的抗腐蝕性能，由于晶粒等軸化、第二相細(xì)化及分布均勻化的作用，焊接接頭的抗腐蝕性能較母材更好，腐蝕敏感性更低。

4 異種合金連接

攪拌摩擦焊相較于其他焊接方法在焊接異種鋁合金方面有較大優(yōu)勢，其中影響異種鋁合金FSW 焊接是材料種類和擺放位置。相關(guān)文獻(xiàn)指出，硬和軟兩種鋁合金焊接時(shí)，因硬度的不對(duì)稱性，鋁合金擺放位置會(huì)對(duì)材料流動(dòng)、接頭質(zhì)量產(chǎn)生影響且會(huì)降低焊接效率。Lederich 等人的研究顯示當(dāng)焊接異種合金2024Al/D357 時(shí)，將強(qiáng)度高的2024 置于前進(jìn)側(cè)可獲得質(zhì)量較好的接頭。P.Cavaliere 等利用FSW 焊接了6082 和2024 異種鋁合金，結(jié)果表明，當(dāng)焊接速度增加，下壓力隨之增大，存在以最佳焊接速度，獲得的焊接接頭拉伸強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度最佳。通過攪拌摩擦焊，可獲得疲勞性能好、殘余應(yīng)力小的的焊接接頭。雖然有些斷裂發(fā)生在焊縫區(qū)，并非缺陷是導(dǎo)致為了避免斷裂，而是因材料不均勻。這就需要合理設(shè)計(jì)攪拌頭、優(yōu)化焊接工藝減小薄板焊縫的厚度不均勻性。異種鋁合金的FSW 工藝優(yōu)化及組織與性能等有待進(jìn)一步研究。

5 FSP 技術(shù)及應(yīng)用

FSP 是一種固態(tài)處理技術(shù)，是制備表層金屬基復(fù)合材料的有效方法，在材料改性和加工制造領(lǐng)域中有較大應(yīng)用前景。Mishra 等人通過攪拌摩擦處理所得組織晶粒大小為3.3 μm 具有超塑性，其延伸率最高為1000%以上。表面復(fù)合層成型的關(guān)鍵因素是攪拌頭形狀、轉(zhuǎn)速、焊速、復(fù)合層厚度，其中硬顆粒會(huì)對(duì)攪拌頭產(chǎn)生較大磨損，Nelson 用硬度大于52 的工具鋼對(duì)復(fù)合材料6061Al B4C 進(jìn)行焊接，在約250 mm的焊縫中，攪拌頭的螺紋已磨損消失，軸肩處也磨損了2 mm，所以耐磨攪拌工具的研究也勢在必行。H.Badarinarayan 等人研究了退火狀態(tài)5083 鋁合金在不同形狀攪拌頭（圓柱形和三角形）下攪拌摩擦點(diǎn)焊（FSSW）性能的變化，攪拌頭為三角形時(shí)，組織得以細(xì)化，其焊點(diǎn)抗拉強(qiáng)度是圓柱形的兩倍。B.Zahmatkesh 等人研究了經(jīng)FSP 處理后Al2024-T4 合金表面處組織結(jié)構(gòu)和耐磨性，經(jīng)處理其硬度和耐磨性提高。B.Zahmatkesh 等人用FSP 制備以Al2024 為基體，Al-10%Al2O3為表面強(qiáng)化的納米復(fù)合材料，強(qiáng)化顆粒均勻分布在厚度范圍600μm 內(nèi)的基體表面上且連接牢固，復(fù)合層的硬度值較基體材料要高的多，且磨損程度和摩擦系數(shù)均降低。通過FSP 攪拌摩擦處理技術(shù)，可細(xì)化組織獲得超塑性，但伴隨晶粒尺寸的進(jìn)一步細(xì)化強(qiáng)化顆粒粗化，所以合金的超塑性并不能進(jìn)一步提升。

6 結(jié)語

目前，攪拌摩擦焊技術(shù)（FSW），已經(jīng)廣泛應(yīng)用在很多工業(yè)領(lǐng)域。在攪拌摩擦焊（FSW）焊接的研究過程中，需要綜合考慮基礎(chǔ)理論、組織結(jié)構(gòu)、材料性能的知識(shí)，通過智能過程控制模型的建立，得到消除缺陷、結(jié)構(gòu)上合理與質(zhì)量良好的焊接接頭。摩擦系數(shù)、攪拌頭和工件的滑動(dòng)狀態(tài)、工件表面的熱傳遞系數(shù)、工件和攪拌頭的溫度分布、模型的非牛頓粘度計(jì)算值等均是攪拌摩擦焊中的影響因素，所以通過基礎(chǔ)理論的研究，獲得組織與性能良好的焊接接頭仍然具有重要價(jià)值，所以關(guān)于攪拌摩擦焊的技術(shù)也有待進(jìn)一步研究。