傅 田，李文亞，楊夏煒，李錦鋒，高大路

（西北工業(yè)大學(xué) 凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072）

傳統(tǒng)的點(diǎn)連接方式包括電阻點(diǎn)焊、激光焊和鉚接。然而，電阻點(diǎn)焊存在電能消耗大、熱變形嚴(yán)重、電極損耗快、工作環(huán)境差等重大缺點(diǎn)；激光焊存在激光束反射率大、易產(chǎn)生氣孔缺陷等問(wèn)題；而鉚接又會(huì)增加構(gòu)件的質(zhì)量，且鉚接技術(shù)需要在結(jié)構(gòu)件上開(kāi)孔，增加了生產(chǎn)工藝和成本［1－3］。因此，研究開(kāi)發(fā)新型點(diǎn)焊工藝對(duì)汽車、船舶等制造領(lǐng)域的發(fā)展以及提高航空航天運(yùn)載能力等方面具有十分重要的意義。

攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding，F(xiàn)SW）是1991年由英國(guó)焊接研究所（The Welding Institute，TWI）研發(fā)的一種新型固相連接技術(shù)。研究初期，由于其在鋁合金焊接方面可以降低能源消耗，得到結(jié)合強(qiáng)度良好的接頭而備受關(guān)注［4，5］。FSW 與傳統(tǒng)熔焊相比，焊接過(guò)程無(wú)飛濺、弧光和煙塵，無(wú)需焊絲和保護(hù)氣體，且接頭缺陷少、組織致密、綜合性能良好，是一種經(jīng)濟(jì)、高效、節(jié)能、環(huán)保的焊接技術(shù)［6］。隨著對(duì)FSW的進(jìn)一步研究，其在鎂、銅、鋼、鈦合金、高溫合金等材料焊接方面也取得了成功的進(jìn)展。由于FSW可以焊接一些傳統(tǒng)熔焊難焊或無(wú)法焊接的材料，被譽(yù)為“繼激光焊后又一革命性的焊接技術(shù)”［7－10］。

攪拌摩擦點(diǎn)焊（Friction Stir Spot Welding，F(xiàn)SSW）是在FSW基礎(chǔ)上發(fā)展的一種固相點(diǎn)連接技術(shù)。FSSW通過(guò)攪拌頭促使被焊材料的焊縫金屬流動(dòng)，形成均勻致密的焊核，從而獲得高質(zhì)量的FSSW接頭。與傳統(tǒng)的電阻點(diǎn)焊及鉚接等工藝相比，F(xiàn)SSW的工藝過(guò)程簡(jiǎn)單；接頭具有良好的結(jié)合強(qiáng)度和穩(wěn)定的焊接質(zhì)量；焊接工具壽命長(zhǎng)；工作環(huán)境清潔等［3］。其在航空、航天、汽車、船舶等制造領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，有望取代傳統(tǒng)的電阻點(diǎn)焊及鉚接等結(jié)構(gòu)件點(diǎn)連接技術(shù)，成為一種具有非常高的市場(chǎng)價(jià)值和應(yīng)用前景的新型點(diǎn)焊工藝［11］。該方法目前主要適用于焊接鋁合金等輕合金，特別適用于高強(qiáng)度鋁合金。關(guān)于FSSW的研究較多，主要集中在工藝方法、接頭組織、力學(xué)性能、失效形式等方面。

1 FSSW工藝方法及機(jī)理

傳統(tǒng)的FSSW（即直插式FSSW）是由日本的馬自達(dá)等公司發(fā)明的點(diǎn)焊工藝，該種工藝是目前研究和應(yīng)用最多的一種點(diǎn)焊方法［12］。FSSW與FSW的技術(shù)原理相似，依靠旋轉(zhuǎn)下壓的攪拌頭與工件接觸摩擦產(chǎn)生熱量，在摩擦熱和機(jī)械力的作用下使工件在低于材料熔點(diǎn)下達(dá)到塑性流動(dòng)狀態(tài)，經(jīng)充分?jǐn)嚢韬笮纬珊更c(diǎn)。具體的焊接過(guò)程可分為三個(gè)階段：壓入階段、連接階段和回撤階段［13］，如圖1所示。壓入階段，攪拌頭在主軸的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，并通過(guò)施加頂鍛壓力插入被焊工件，在壓力的作用下攪拌頭與工件摩擦產(chǎn)生熱量，使得焊點(diǎn)處的金屬軟化并被攪拌針剪切擠出；連接階段，攪拌頭持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)并完全插入工件，攪拌針帶動(dòng)工件材料流動(dòng)，軸肩使得被攪動(dòng)的材料擠壓在焊點(diǎn)內(nèi)，并有部分材料擠出形成飛邊，摩擦產(chǎn)熱和攪拌頭的旋轉(zhuǎn)、擠壓作用使得工件材料充分流動(dòng)并形成良好接頭；回撤階段，攪拌頭退出并在焊點(diǎn)處留下典型的“匙孔”［13］。該種焊接工藝最主要的缺點(diǎn)是接頭存在“匙孔”，不僅影響接頭的完整性和美觀性，更重要的是會(huì)嚴(yán)重降低接頭的耐腐蝕性和力學(xué)性能。

圖1 FSSW工藝過(guò)程［13］（a）壓入階段；（b）連接階段；（c）回撤階段Fig.1 Illustration of the FSSW process［13］（a）plunging；（b）bonding；（c）drawing out

因此，許多學(xué)者在傳統(tǒng)FSSW基礎(chǔ)上，在消除FSSW接頭固有的“匙孔”缺陷、提高接頭性能等方面做了大量工作。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，除了傳統(tǒng)的FSSW，目前主要的FSSW形式為回填式、無(wú)針插入式和擺動(dòng)式［11］。

1.1 回填式

回填式FSSW是由德國(guó)HZG（原GKSS）研究中心于1999年發(fā)明的［14］。其采用特殊的攪拌頭（圖2［15］），通過(guò)精確控制攪拌頭各部件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在攪拌頭回撤的同時(shí)填充攪拌頭在焊接過(guò)程中形成的“匙孔”缺陷。回填式FSSW的攪拌頭主要由三部分組成，分別為最內(nèi)部的攪拌針（pin）、中間層的攪拌套（sleeve）以及最外層的壓緊套（clamping ring）。其中，壓緊套在焊接時(shí)固定，不發(fā)生旋轉(zhuǎn)，而中間層的攪拌套和最內(nèi)層的攪拌針在焊接時(shí)既發(fā)生旋轉(zhuǎn)也發(fā)生沿軸向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。其相對(duì)運(yùn)動(dòng)形式分為兩種：一種是攪拌針扎入被焊材料，攪拌套回抽；另一種是攪拌套扎入被焊材料，攪拌針回抽。其焊接過(guò)程：首先，兩者相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生空腔，塑性材料被融合和攪動(dòng)，并填入到空腔內(nèi)，之后，空腔內(nèi)的塑性材料又被重新回填到焊接區(qū)域。該方法要完成復(fù)雜的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，填充“匙孔”將需要相對(duì)長(zhǎng)的焊接時(shí)間，對(duì)設(shè)備的剛性和控制精度要求嚴(yán)格，需要專門的焊接設(shè)備進(jìn)行焊接，前期投入成本較大。并且，接頭的形成依靠材料的融合和攪動(dòng)，要求焊接材料有較好的流動(dòng)性，對(duì)于流動(dòng)性不好的鋁合金，則很難采用回填式焊接出無(wú)缺陷的焊縫。因此，目前研究和應(yīng)用較少，但優(yōu)點(diǎn)是焊接后無(wú)“匙孔”，點(diǎn)焊縫平整，且接頭強(qiáng)度高、質(zhì)量好［3］。

圖2 回填式FSSW焊接過(guò)程［15］ （a）主軸旋轉(zhuǎn)階段；（b）攪拌套往下，攪拌針往上運(yùn)動(dòng)階段；（c）攪拌針及套均反向運(yùn)動(dòng)；（d）攪拌頭脫離階段Fig.2 Schematic illustration on the refill FSSW process［15］（a）clamping and spindle rotation；（b）sleeve plunges into the sheets while pin moves upwards；（c）both sleeve and pin move in the opposite direction；（d）pull－out of welding head

主要工藝參數(shù)包括壓緊套下壓時(shí)間t1、回填時(shí)間t2、旋轉(zhuǎn)速率n、下壓深度d1和焊接壓力P 等［15，16］。

1.2 無(wú)針插入式

無(wú)針插入式FSSW是一種新型點(diǎn)焊技術(shù)，其最大特點(diǎn)是攪拌頭僅有軸肩，沒(méi)有攪拌針，但是在軸肩的底部加工成渦旋凹槽［17，18］。其焊接過(guò)程類似于傳統(tǒng)的FSSW過(guò)程，包括壓入階段、連接階段及回撤階段（圖3［19］）。但成形原理與傳統(tǒng)的FSSW工藝有很大差別。焊接過(guò)程中沒(méi)有攪拌針的插入、攪拌和擠壓作用，僅依靠無(wú)針攪拌頭軸肩端面的凹槽擠壓、產(chǎn)熱并促使焊縫金屬流動(dòng)，形成一個(gè)塑性金屬流動(dòng)區(qū)，從而使焊接界面消失，且金屬流動(dòng)行為受軸肩端面凹槽形貌及其尺寸的影響［11］。該攪拌工具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不容易折斷；焊縫成形美觀，可有效避免部分冶金結(jié)合缺陷和“匙孔”缺陷；另外，焊接循環(huán)時(shí)間較短［20］。同時(shí)，相關(guān)研究表明，該成型焊點(diǎn)的性能與常規(guī)直插式相當(dāng)，甚至比其更優(yōu)［17－20］。

無(wú)針插入式FSSW的渦旋凹槽影響著接頭性能，Tozaki等［17］比較了6061鋁合金無(wú)針插入式FSSW接頭和無(wú)針且無(wú)渦旋凹槽攪拌頭形成的接頭，通過(guò)銅粉示蹤實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，使用無(wú)針且無(wú)渦旋凹槽攪拌頭時(shí)，接頭結(jié)合較弱。

圖3 無(wú)針FSSW焊接過(guò)程［19］（a）壓入階段；（b）連接階段；（c）回撤階段Fig.3 Illustration of the pinless FSSW process［19］（a）plunging；（b）bonding；（c）drawing out

1.3 擺動(dòng)式

擺動(dòng)式FSSW的主要特點(diǎn)：攪拌頭在插入待焊工件后，還能沿著預(yù)設(shè)的路徑移動(dòng)，最后回到原點(diǎn)。該方法的優(yōu)點(diǎn)是增加了焊點(diǎn)接觸面積，從而提高點(diǎn)焊接頭的抗剪強(qiáng)度。但該工藝不能消除傳統(tǒng)FSSW工藝的“匙孔”問(wèn)題，且在一些較精密的工件上，增大焊接區(qū)面積的方法可行性不足，具有一定的限制性。

擺動(dòng)式FSSW的運(yùn)動(dòng)是通過(guò)簡(jiǎn)單的機(jī)械運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，TWI利用ESAB點(diǎn)焊設(shè)備的CNC程序來(lái)控制系統(tǒng)，使攪拌頭按圖4所示的路徑移動(dòng)［21］。其中下壓速率為600mm／min，復(fù)合運(yùn)動(dòng)周期為0.3s，形成‘Squircle’圖。從實(shí)驗(yàn)得到的焊點(diǎn)橫截面中看出，焊接區(qū)域顯著增大。

圖4 擺動(dòng)式FSSW（Com－stirTM）的旋轉(zhuǎn)路線圖［21］Fig.4 Illustration of rotating path of swing FSSW with Com－stirTM［21］

1.4 FSSW的其他新型工藝

為了消除“匙孔”，學(xué)者們［22－25］采用一些新型FSSW工藝使材料再融合、攪動(dòng)，回填到焊接區(qū)域。圖5為新型FSSW的過(guò)程示意圖［23］。在第一步焊接過(guò)程中采用一種特殊設(shè)計(jì)的背部墊板，該種墊板有圓形的凹坑，焊接后接頭形成“匙孔”，并且，由于材料流入凹坑，接頭下板形成突起。第二步焊接采用無(wú)針攪拌頭和平滑的背部墊板，從而使接頭“匙孔”和突起都消失。接頭突起邊緣區(qū)域（圖5中A，B區(qū)域）發(fā)生強(qiáng)烈混合。該種技術(shù)已被成功應(yīng)用于焊接6061，5052鋁合金［23］以及6061－T6鋁合金和低碳鋼的異質(zhì)接頭［24］。

圖5 新型FSSW的過(guò)程示意圖［23］Fig.5 Schematic illustration of the novel FSSW［23］

對(duì)于該種焊接工藝，當(dāng)?shù)谝徊叫D(zhuǎn)速率較大時(shí)（大于700r／min），第二步焊接形成的焊核區(qū)和熱機(jī)影響區(qū)不能把第一步形成的焊核區(qū)和熱機(jī)影響區(qū)覆蓋，因此，接頭存在兩個(gè)焊核區(qū)和熱機(jī)影響區(qū)，且兩者相對(duì)于中心軸對(duì)稱分布［22，23］。

而Venukumar等［25］在直插式FSSW 的基礎(chǔ)上，采用了回填板，消除了“匙孔”，并提高了接頭強(qiáng)度，工藝過(guò)程如圖6所示。開(kāi)始的兩步與直插式FSSW工藝過(guò)程一樣，由于攪拌針的撤回，接頭形成“匙孔”。之后，在焊接試樣上放置一塊和焊接試樣同材料同厚度的回填板，在回填過(guò)程中采用無(wú)針攪拌頭，回填板的材料在壓力下攪拌并填充“匙孔”。

2 FSSW接頭組織

由于受到不同的溫度場(chǎng)、應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)及塑性金屬的流動(dòng)作用，攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭的不同部位形成不同的組織。而焊接接頭的力學(xué)性能依賴于接頭的組織結(jié)構(gòu)，因此，研究接頭組織的演變規(guī)律，實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)優(yōu)化，從而獲得高質(zhì)量接頭是FSSW研究的重要目標(biāo)。

2.1 接頭宏觀形貌

2.1.1 宏觀形貌及影響規(guī)律

由于攪拌針的插入和拔出，F(xiàn)SSW接頭存在“匙孔”，“匙孔”的斜率隨著攪拌針角度和螺紋的變化而變化［26］。在攪拌頭的擠壓作用下，軸肩下方的上板厚度減小，軸肩外圍的上板材料發(fā)生膨脹。然而，由于受到周圍材料的約束，上板發(fā)生彎曲，使上下板產(chǎn)生間隙，同時(shí)被擠壓出的材料聚集在軸肩外圍［27］。在6061－T6鋁合金［27］和微形焊件的FSSW接頭中都觀察到了類似的現(xiàn)象［28］。擺動(dòng)式FSSW的攪拌頭不僅圍繞主軸旋轉(zhuǎn)，同時(shí)，還繞一定半徑的圓弧行走，因此，接頭在原有的塑性環(huán)的外側(cè)形成一定厚度的第二層塑性環(huán)，即塑性環(huán)的厚度得到了一定程度的增加［29］。

FSSW接頭形貌隨著焊接溫度場(chǎng)和材料塑性變形的不同而不同，焊接參數(shù)（主要為旋轉(zhuǎn)速率，焊接時(shí)間，下壓力，下壓速率）影響焊接過(guò)程的摩擦熱，因此，Baek等［30］，Yuan等［31］，Li等［32］和王朗等［16］研究了焊接參數(shù)對(duì)接頭形貌的影響規(guī)律。Yuan等［31］在6016－T4鋁合金FSSW接頭中發(fā)現(xiàn)，接頭結(jié)合區(qū)域隨著旋轉(zhuǎn)速率的增加而減少，而焊核深度隨著旋轉(zhuǎn)速率的增加、焊接時(shí)間的延長(zhǎng)和下壓速率的增加而增加，這是因?yàn)槟Σ翢犭S著旋轉(zhuǎn)速率、下壓速率的增加和焊接時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，較大的摩擦熱提高了材料的流動(dòng)性，從而使焊核區(qū)材料減少。但較大摩擦熱使得接頭焊核深度增加。另外，Baek等［30］發(fā)現(xiàn)，隨著攪拌頭下壓量的增加，上下板間隙減小?；靥钍紽SSW中，壓緊套下壓時(shí)間影響接頭U型焊縫區(qū)的寬度，而其他參數(shù)會(huì)影響U型焊縫區(qū)的深度［16］。

作為一種固相焊接技術(shù)，F(xiàn)SSW可被用于焊接異種材料，鍍層的存在可以提高鋁合金和電鍍鋼板的焊接性［33］。對(duì)6062鋁合金和電鍍鋼板異質(zhì)FSSW接頭的研究中發(fā)現(xiàn)宏觀形貌和鍍層的熔點(diǎn)溫度有關(guān)。采用的四種電鍍鋼板分別為鍍純鋅（GI）、鋅合金（ZAM）、Al－Si合金（AS）以及含F(xiàn)e的鋅合金（GA），異質(zhì)接頭中出現(xiàn)了兩種接頭界面，如圖7所示［34］。對(duì)于ZAM和GI接頭，c結(jié)合區(qū)域出現(xiàn)在攪拌針外圍的有限區(qū)域，而在攪拌針下方的兩板界面d處存在間隙。然而，對(duì)于AS和GA接頭，結(jié)合區(qū)域包括攪拌針下方的兩板界面。這解釋為，ZAM和GI的鍍層熔點(diǎn)低于FSSW焊接溫度，因此，焊接時(shí)鍍層金屬熔化，在攪拌針下方形成鍍層金屬流，這阻止了上下板的接觸，隨著溫度的下降，鍍層金屬凝固，形成收縮空洞。而AS和GA接頭的鍍層熔點(diǎn)高于FSSW焊接溫度，因此出現(xiàn)相反的現(xiàn)象。

圖7 接頭界面示意圖［34］ （a）ZAM 和 GI；（b）AS和 GAFig.7 Schematic illustration of the joint interface［34］（a）ZAM and GI；（b）AS and GA

2.1.2 接頭分區(qū)

和FSW一樣，傳統(tǒng)的FSSW接頭分為三個(gè)區(qū)域：焊核區(qū)（Stirred Zone，SZ）、熱機(jī)影響區(qū)（Thermo－Mechanically Affected Zone，TMAZ）和熱影響區(qū)（Heat Affected Zone，HAZ），如圖8所示［27］?！俺卓住蓖鈬幕疑珔^(qū)域即為焊核區(qū)，在焊核區(qū)外緣依次為熱機(jī)影響區(qū)和熱影響區(qū)［27］。Rosendo等［35］，蔣若蓉等［36］也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象。而回填式FSSW接頭還存在上下板材料混合而形成的混合區(qū)（Mixed Zone，MZ）（圖9［16］）。在混合區(qū) MZ的晶粒比SZ的大，這和傳統(tǒng)FSSW接頭相反。原因是，MZ在填充過(guò)程中獲得了更多的熱量，因此晶粒長(zhǎng)大［15，37］。對(duì)于擺動(dòng)式FSSW接頭，嚴(yán)鏗等［29］研究表明，LF21鋁合金接頭除了熱機(jī)影響區(qū)和熱影響區(qū)，還存在塑性環(huán)區(qū)。

從“匙孔”到母材可將FSSW接頭依次分為三個(gè)區(qū)域：完全結(jié)合區(qū)，部分結(jié)合區(qū)以及非結(jié)合區(qū)。完全結(jié)合區(qū)是在攪拌頭的機(jī)械作用下，材料發(fā)生塑性變形形成的，在這個(gè)區(qū)域，氧化層破裂成為細(xì)小顆粒，這些顆粒隨機(jī)分散著；而在部分結(jié)合區(qū)，變形較小，界面的氧化層破裂為不連續(xù)的顆粒［38，39］。

圖8 典型的FSSW接頭橫截面圖［27］Fig.8 Typical micrograph of the cross－section of FSSW［27］

2.1.3 接頭缺陷和常見(jiàn)區(qū)域

在FSSW接頭中，常常發(fā)現(xiàn)以下區(qū)域：Hook缺陷、局部結(jié)合和結(jié)合韌帶。相關(guān)文獻(xiàn)表明，Hook是一種較弱的冶金結(jié)合，出現(xiàn)在部分結(jié)合區(qū)［35，38］。Hook為倒V型，許多學(xué)者發(fā)現(xiàn)了起源于兩板結(jié)合面的Hook缺陷［31，38，40］。Yuan 等［31］將其解釋為界面鋁合金氧化物的破裂，也有學(xué)者將Hook的形成歸因?yàn)檩^差的材料流動(dòng)性和不足的下壓力［40］。Hook的形貌和攪拌針的形貌相關(guān)，圓柱形的攪拌針使得接頭Hook連續(xù)，而三角形攪拌針使得Hook停留于焊核區(qū)外圍［38］；局部結(jié)合為上下板結(jié)合較弱的區(qū)域，其通常是一條短的不均勻的直線；結(jié)合韌帶為帶狀結(jié)構(gòu)，這與材料流動(dòng)性和焊接下壓力有關(guān)［38，41］。Shen等［40］研究發(fā)現(xiàn)，焊接時(shí)下板材料向上流動(dòng)，由于下板鋁合金存留在上板，從而形成了帶狀結(jié)構(gòu)的結(jié)合韌帶。

在FSSW接頭中，除了Hook缺陷，另一種常見(jiàn)的缺陷是孔洞缺陷。Shen 等［41］在 6061－T4 回填式FSSW接頭的Hook缺陷處發(fā)現(xiàn)了孔洞缺陷，作者將其解釋為較差的材料流動(dòng)性。也有學(xué)者將孔洞缺陷解釋為材料的熱收縮、接頭多余空氣的存留和發(fā)生了物理－化學(xué)變化［42］。

2.2 接頭顯微組織

FSSW接頭的焊核區(qū)在摩擦熱和攪拌頭的機(jī)械作用下，發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，成為細(xì)小的等軸晶粒［22，27，37，43］?；靥钍紽SSW 接頭混合區(qū)也發(fā)現(xiàn)類似規(guī)律［15，16］。隨著旋轉(zhuǎn)速率的增加，接頭摩擦熱增加，焊核區(qū)晶粒尺寸和第二相顆粒增大［43］。攪拌頭的形狀影響著接頭材料的流動(dòng)和變形，從而影響焊核區(qū)晶粒。由于三角形攪拌針的非對(duì)稱旋轉(zhuǎn)，加劇了接頭材料塑性變形，因此，形成的接頭焊核區(qū)晶粒比圓柱形攪拌針細(xì)?。?8，39］。由于再結(jié)晶，焊核區(qū)包含較低的位錯(cuò)密度［22］。硬化相在攪拌頭的攪拌作用下溶解或變成細(xì)小顆粒［40］。

熱機(jī)影響區(qū)在熱－力耦合作用下表現(xiàn)為大變形晶粒［43］，其雖然經(jīng)歷了較大的塑性變形，但由于較小的變形應(yīng)變沒(méi)有再結(jié)晶發(fā)生。7075－T6鋁合金回填式接頭的熱機(jī)影響區(qū)發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象［40］。由于FSSW過(guò)程的加熱速率較快，阻止了接頭第二相顆粒的溶解，因此，在AZ31接頭的熱機(jī)影響區(qū)可以發(fā)現(xiàn)部分再結(jié)晶的α－Mg晶粒［44］，在AZ91接頭的熱機(jī)影響區(qū)也發(fā)現(xiàn)了 Mg17Al12和α－Mg晶粒［45］。

熱影響區(qū)僅受到熱的作用，晶粒有粗化現(xiàn)象［16］，沉淀相發(fā)生溶解［46］。在7075－T6鋁合金回填式FSSW接頭熱影響區(qū)中，發(fā)現(xiàn)了比母材更粗糙的強(qiáng)化析出物［40］。

對(duì)于FSSW異質(zhì)接頭，由于焊接過(guò)程的機(jī)械混合，接頭可能存在混合薄層。Yin等［47］在AZ91－AZ31異質(zhì)接頭的焊核區(qū)發(fā)現(xiàn)了被混合的AZ91和AZ31薄層，并且該混合薄層的化學(xué)成分與焊接前AZ91和AZ31一樣，另外，EDX分析表明，在AZ91和AZ31界面處存在Al的擴(kuò)散。而溶質(zhì)元素的擴(kuò)散也在Al5754－Al6111的FSSW 接頭中被發(fā)現(xiàn)［48］。

3 FSSW接頭性能

焊接接頭的力學(xué)性能是評(píng)價(jià)接頭性能優(yōu)良與否的重要依據(jù)，對(duì)于提高焊接的工藝性及獲得優(yōu)良的焊接接頭具有重要的意義。

3.1 剪切性能

在剪切實(shí)驗(yàn)中，為了保證純剪切條件，常在試樣的兩端安裝和試樣同材料同厚度的墊片［35］。剪切實(shí)驗(yàn)常采用兩種接頭模式，搭接接頭（lap－shear specimen）和十字接頭（cross－tension specimen）。表1為FSSW接頭的抗剪強(qiáng)度?？梢钥闯?，同種材料下，板的厚度和接頭模式不同，接頭抗剪強(qiáng)度也各不相同。

表1 FSSW接頭的抗剪強(qiáng)度Table 1 Tensile／shear strength of FSSWed joints

3.1.1 抗剪強(qiáng)度及其影響因素

焊接的工藝參數(shù)決定了接頭的摩擦熱，從而影響點(diǎn)焊接頭的力學(xué)性能，因此，接頭的抗剪強(qiáng)度與焊接工藝參數(shù)密切相關(guān)［31，43，50］。表2總結(jié)了工藝參數(shù)對(duì)接頭抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律?？梢园l(fā)現(xiàn)，工藝參數(shù)對(duì)接頭剪切性能的影響與以下幾個(gè)因素有關(guān)：（1）摩擦熱，隨著旋轉(zhuǎn)速率的增加和焊接時(shí)間的延長(zhǎng)，F(xiàn)SSW接頭摩擦熱增加。晶粒變形程度的增加使得接頭再結(jié)晶晶粒尺寸減小，從而接頭強(qiáng)度提高［5，43］。聚乙烯板接頭的抗剪強(qiáng)度隨焊接時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，最后趨于不變，這和溫度隨焊接時(shí)間的變化趨勢(shì)一致［51］；（2）接頭結(jié)合區(qū)域，接頭結(jié)合區(qū)域越大，接頭抗剪強(qiáng)度越大［52］。Yuan等研究表明，對(duì)于傳統(tǒng)的圓柱形攪拌針，斷裂載荷隨著旋轉(zhuǎn)速率的增加先增加后減小，這和接頭結(jié)合區(qū)域的尺寸變化有關(guān)，并非由摩擦熱唯一決定（圖10［31］）。在高旋轉(zhuǎn)速率下，接頭Hook的延生使得結(jié)合區(qū)域減小，較容易產(chǎn)生裂紋擴(kuò)展源，從而抗剪強(qiáng)度有下降趨勢(shì)［30，43］。Lin等［50］研究表明，AZ61鎂合金接頭的抗剪強(qiáng)度隨著焊接時(shí)間的延長(zhǎng)而增加，而當(dāng)焊接時(shí)間超過(guò)6s時(shí)，抗剪強(qiáng)度有下降趨勢(shì)，這和結(jié)合區(qū)域與焊接時(shí)間的變化一致；（3）Hook缺陷，Hook形貌對(duì)接頭抗剪強(qiáng)度有很大的影響［53，54］。Hook缺陷對(duì)應(yīng)于應(yīng)力集中，使得材料的有效厚度減小，從而不利于接頭的剪切性能［19］。當(dāng)Hook尖端上翹時(shí)，會(huì)形成初始裂紋源，接頭強(qiáng)度下降，然而，當(dāng)Hook缺陷尖端呈圓滑過(guò)渡時(shí)，接頭的力學(xué)性能會(huì)得到極大的改善。蔣若蓉等［36］研究了2024鋁合金無(wú)針插入式FSSW接頭，結(jié)果表明，當(dāng)焊接速率一定時(shí)，隨著旋轉(zhuǎn)速率的增加，接頭Hook缺陷尖端由圓滑過(guò)渡變?yōu)樯下N嚴(yán)重而后又趨于圓滑過(guò)渡，因此，搭接接頭抗剪強(qiáng)度先降低后增大；（4）其他相關(guān)原因，Bilici等［26］將接頭抗剪強(qiáng)度隨焊接時(shí)間的變化解釋為“匙孔”的演變。Mustafa等［51］將當(dāng)旋轉(zhuǎn)速率大于710r／min時(shí)，聚乙烯板接頭抗剪強(qiáng)度隨旋轉(zhuǎn)速率的增加而減少解釋為與殘余應(yīng)力的存在有關(guān)，當(dāng)下壓量較大時(shí)，上板厚度減小，從而使得接頭強(qiáng)度降低［51］。Cox等［19］研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速率較大時(shí)，接頭可能會(huì)出現(xiàn)局部的冶金結(jié)合及上板熱變形導(dǎo)致的裂紋擴(kuò)展源，從而接頭抗剪強(qiáng)度降低。

表2 工藝參數(shù)對(duì)接頭抗剪強(qiáng)度的影響Table 2 Influence of parameters on tensile／shear strength of joints

圖10 不同旋轉(zhuǎn)速率下接頭的斷裂載荷和摩擦熱［31］Fig.10 Lap－shear separation load and frictional heat input as a function of tool rotation speed［31］

優(yōu)化工藝參數(shù)可以提高接頭剪切性能。Bilici等［55］的研究結(jié)果顯示，優(yōu)化參數(shù)下聚丙烯FSSW搭接接頭的抗剪強(qiáng)度比初始參數(shù)下的提高了47.7%。

接頭尺寸影響著FSSW接頭的抗剪強(qiáng)度。對(duì)于搭接接頭，Tozaki等［17，49］使用無(wú)針插入式FSSW 方法焊接了6061鋁合金板，發(fā)現(xiàn)接頭的抗剪強(qiáng)度由軸肩下方上板的厚度（t）和實(shí)際的焊核尺寸（d）決定（圖11［49］）。對(duì)于十字接頭，軸肩下方上板材料的厚度是接頭強(qiáng)度的主要影響因素，在6061鋁合金接頭中發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象［49］。

圖11 FSSW接頭橫截面的示意圖［49］Fig.11 Schematic illustration of the cross－section of FSSW joint［49］

同時(shí)，攪拌頭的形貌決定焊縫的形貌，從而影響接頭的性能。Badarinarayan等［38，39］發(fā)現(xiàn)，采用三角形攪拌針時(shí)，十字接頭的抗剪強(qiáng)度是采用圓柱形攪拌針時(shí)的兩倍，作者將其歸因于晶粒尺寸和接頭斷裂模式。Choi等［56］比較了三種攪拌頭下的5J32鋁合金FSSW搭接接頭的剪切性能，這三種攪拌頭分別是：帶螺紋的攪拌頭（Threaded Pin Tool，TPT）、圓柱形攪拌頭（Cylindrical Tool，CT）以及帶凸臺(tái)的圓柱形攪拌頭（Cylindrical Tool with Projection，CTP）。實(shí)驗(yàn)表明，采用CTP時(shí)接頭的抗剪強(qiáng)度比另外兩種接頭高，這是由于凸臺(tái)延遲了接頭的變形，因此，其抗剪強(qiáng)度隨著攪拌頭下壓量的提高而迅速提高，然而，當(dāng)采用TPT和CT兩種攪拌頭時(shí)，接頭上板厚度隨著下壓量的提高而減小，因此，抗剪強(qiáng)度并沒(méi)有提高［56］。Bilici等［26］也發(fā)現(xiàn)，接頭強(qiáng)度隨著軸肩凹面角度（軸肩直徑）的增加而增加，當(dāng)軸肩凹面角度為6°時(shí)，接頭強(qiáng)度最大。

對(duì)于異質(zhì)接頭，結(jié)果表明接頭的剪切性能與材料的上下位置有關(guān)［54，57，58］。研究金屬合金和金屬玻璃的異質(zhì)接頭時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)金屬合金為上板，金屬玻璃為下板時(shí)，斷裂失效需要的剪切載荷比金屬玻璃為上板時(shí)更高［57，58］。

3.1.2 斷裂模式

剪切實(shí)驗(yàn)中，常見(jiàn)的斷裂模式為沿著兩板界面的剪切斷裂、焊核脫離斷裂和上下板脫離斷裂。發(fā)生焊核脫離斷裂的接頭強(qiáng)度較高［51］。對(duì)于搭接接頭，剪切斷裂主要從上下板的間隙尖端開(kāi)始起裂，裂紋沿兩板之間的對(duì)接面延伸［50］。焊核脫離斷裂為在加載過(guò)程中，兩板在加載力下從部分結(jié)合區(qū)撕裂開(kāi)，從而形成了圍繞焊核的裂紋，裂紋的形成使接頭有效剪切面積減少。裂紋可能會(huì)在一塊或兩塊板上形成，對(duì)于上板，可能存在兩個(gè)裂紋源點(diǎn)，分別是Hook尖端和組織缺陷處，而下板的裂紋源點(diǎn)位于部分結(jié)合區(qū)和Hook的界面［35］。接頭斷裂方式主要與焊核區(qū)面積有關(guān)［54］，另外，Tozaki等［49］研究了搭接和十字接頭的斷裂模式，結(jié)果顯示，接頭斷裂模式與軸肩下方的上板厚度t（圖11）有關(guān)，當(dāng)焊接時(shí)間較短時(shí)t較大，沒(méi)有足夠大的焊核剝離能，因此發(fā)生剪切斷裂，然而，當(dāng)停留時(shí)間較大時(shí)t較小，裂紋沿軸肩外圍擴(kuò)展，焊核脫離斷裂［49］。

Wang等［28］對(duì)300μm的微小焊件的搭接接頭進(jìn)行剪切實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)接頭為焊核脫離斷裂，裂紋在鄰近熱機(jī)影響區(qū)處產(chǎn)生，這可以解釋為熱機(jī)影響區(qū)材料的不均勻性。另外，從硬度測(cè)試也可以發(fā)現(xiàn)，熱影響區(qū)和熱機(jī)影響區(qū)的邊界是接頭最軟的區(qū)域［28］。Tozaki等［49］研究了6061鋁合金搭接接頭，剪切實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)剪切斷裂和上板脫離斷裂兩種斷裂模式。對(duì)于十字接頭，Zhang等［43］的十字拉伸實(shí)驗(yàn)中的試樣斷裂方式與Tozaki等［49］的結(jié)果一致，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速率較低時(shí)，發(fā)生焊核脫離斷裂，整個(gè)焊核從下板被拔出；而在高旋轉(zhuǎn)速率下，發(fā)生焊核剪切斷裂，上下板界面被撕裂開(kāi)，斷裂表面比較平整［43，49］。

3.1.3 不同F(xiàn)SSW工藝方法比較

相比于直插式FSSW，回填式FSSW接頭的有效焊核橫截面積較大，裂紋延伸路徑較長(zhǎng)，接頭力學(xué)和冶金性能都優(yōu)于直插式接頭［59］。Uematsu等［37］發(fā)現(xiàn)，回填式FSSW接頭的抗剪強(qiáng)度比直插式FSSW接頭提高了30%。經(jīng)相關(guān)研究表明，無(wú)針插入式FSSW焊點(diǎn)的剪切性能與常規(guī)直插式相當(dāng)，甚至比其更優(yōu)［18，20，60，61］。Tozaki等［17］的研究結(jié)果顯示，在無(wú)針插入式FSSW接頭獲得的最高抗剪強(qiáng)度為4.6kN，遠(yuǎn)高于帶攪拌針的3.9kN。然而，Cox等［19］發(fā)現(xiàn)，無(wú)針插入式FSSW接頭的抗剪強(qiáng)度為傳統(tǒng)FSSW接頭的90%［19］。對(duì)于擺動(dòng)式 FSSW，嚴(yán)鏗等［29］發(fā)現(xiàn)，焊點(diǎn)的抗剪強(qiáng)度比直插式提高了40%。

通過(guò)優(yōu)化工藝，Zhang等［43］焊接了一段5mm長(zhǎng)的焊縫，由于焊縫長(zhǎng)度較短，故認(rèn)為是一種點(diǎn)焊工藝，并定義為“walking FSSW”，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這種工藝的搭接和十字接頭的力學(xué)性能均優(yōu)于傳統(tǒng)的FSSW工藝，但提升幅度不大。

3.2 疲勞性能

3.2.1 疲勞壽命

疲勞測(cè)試在搭接試樣和十字接頭試樣上進(jìn)行。研究表明，異質(zhì)接頭的疲勞壽命與材料的上下位置無(wú)關(guān)，在相同載荷下，5754－7075和7075－5754十字接頭的疲勞壽 命 相 似［62］。Uematsu 等［63］，Jordon 等［64］在 Al－鋼接頭中發(fā)現(xiàn)，同種接頭的疲勞強(qiáng)度與斷裂表面的實(shí)際焊核尺寸有關(guān)，而異種接頭的疲勞強(qiáng)度不僅與斷裂表面的實(shí)際焊核尺寸有關(guān)，還和斷裂表面的殘余鋁含量有關(guān)。

Hook缺陷的存在將會(huì)降低接頭的疲勞強(qiáng)度，為了提高接頭的疲勞壽命，Hassanifard等［65］采用一種新型的方法提高了7075－T6鋁合金FSSW接頭的疲勞壽命，該方法需要把接頭的“匙孔”鉆空，并對(duì)試樣進(jìn)行冷擴(kuò)張，以引入殘余壓應(yīng)力。疲勞實(shí)驗(yàn)表明，該方法提高了接頭的疲勞強(qiáng)度和疲勞壽命，但疲勞斷裂模式?jīng)]有發(fā)生變化。

Uematsu等［37］將高載荷下回填式FSSW接頭的疲勞強(qiáng)度比直插式FSSW略低歸因于疲勞斷裂模式的不同，回填式FSSW接頭為焊核脫離斷裂，而直插式FSSW 為剪切斷裂［37］。

3.2.2 疲勞裂紋

許多學(xué)者開(kāi)展了疲勞裂紋的相關(guān)研究［62－64，66－71］。疲勞裂紋從Hook處起源［64］。接頭組織、上板的有效厚度以及Hook形貌是鎂合金接頭失效模式的主要影響因素［66］。表3總結(jié)了所用的材料和裂紋擴(kuò)展行為。加載載荷對(duì)接頭斷裂模式的影響是復(fù)雜的。對(duì)于同種搭接接頭，研究表明，接頭的斷裂模式與載荷頻率無(wú)關(guān)［63，67］。A6061－T6搭接接頭裂紋均沿下板延伸［63］。然而文獻(xiàn)［64，68，69，71］發(fā)現(xiàn)，斷裂方式與加載載荷有關(guān)，對(duì)于十字接頭，Lin等［71］研究了6061－T6鋁合金十字接頭的疲勞性能，發(fā)現(xiàn)在靜態(tài)加載和低周期載荷下，焊核從上板被拔出；對(duì)于高周期載荷，焊核從下板被拔出。

表3 載荷大小對(duì)斷裂模式的影響Table 3 Influence of load levels on fracture mode

對(duì)于異質(zhì)接頭，疲勞行為與載荷頻率有關(guān)［63，67］。研究A6061－鋼板異質(zhì)搭接接頭發(fā)現(xiàn)，在高頻加載下，裂紋沿著上下板界面延伸；在低頻加載下，裂紋沿著上板延伸［67］。研究表明，異質(zhì)接頭的疲勞行為與材料的上下位置有關(guān)［70］。對(duì)于帶有膠漿夾層的5754－O鋁合金和AZ31B－H24鎂合金異質(zhì)搭接接頭，當(dāng)鋁合金為上板時(shí)（Al－Mg），接頭在高頻加載下發(fā)生焊核脫離斷裂。然而，在低頻加載下，裂紋沿著下板鎂合金的寬度方向延伸。但當(dāng)鋁合金為下板時(shí)（Mg－Al），在高或低頻加載下，接頭均發(fā)生焊核脫離斷裂［70］。Uematsu等［68］的研究結(jié)果與文獻(xiàn)［70］中 Mg－Al接頭現(xiàn)象相似。

4 FSSW數(shù)值模擬

為了優(yōu)化FSSW的工藝參數(shù)和更好地設(shè)計(jì)攪拌頭，許多學(xué)者采用數(shù)值模擬方法，這種方法可以用來(lái)預(yù)測(cè)FSSW接頭的疲勞裂紋擴(kuò)展模式、溫度分布、抗剪強(qiáng)度和熱量輸入［72］。常用的計(jì)算疲勞壽命的模式為，基于應(yīng)力強(qiáng)度因子建立的疲勞裂紋擴(kuò)展模型和基于封閉的結(jié)構(gòu)應(yīng)力建立的結(jié)構(gòu)應(yīng)力模式。Tran等［62］采用這兩種模式模擬計(jì)算裂紋擴(kuò)展路徑、接頭失效形式及疲勞壽命，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合較好。對(duì)5754－O和6111－T4搭接接頭也得到相同的結(jié)果［69］。而Wang等［73］采用應(yīng)力強(qiáng)度因子和Paris公式模擬6061鋁合金十字接頭的疲勞裂紋擴(kuò)展模式，并計(jì)算疲勞壽命，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全擬合，這和Lin等［71］的研究結(jié)果一致。

與其他研究學(xué)者不同的是，Ahmadi等［74］在測(cè)試接頭硬度的基礎(chǔ)上修訂了Morrow損傷方程，并計(jì)算了7075－T6鋁合金FSSW接頭的疲勞壽命，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合良好。因此，接頭硬度也可做為評(píng)價(jià)疲勞壽命的一個(gè)重要指標(biāo)。另外，Jordon等［64］對(duì)AZ31鎂合金搭接接頭的模擬結(jié)果表明，界面的Hook形貌是接頭疲勞壽命的主要決定因素。

對(duì)于FSSW過(guò)程的熱輸入，Awang等［75］用Johnson－Cook模型研究了6061－T6鋁合金FSSW焊接過(guò)程中的能量問(wèn)題，結(jié)果顯示，攪拌針尖端的最高溫度及散失的摩擦產(chǎn)熱量均與Gerlich等［76］的實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合，差值不超過(guò)5.1%；攪拌頭和被焊工件之間的摩擦產(chǎn)熱最多，達(dá)到整個(gè)產(chǎn)熱量的96.84%；旋轉(zhuǎn)速率是摩擦產(chǎn)熱的主要影響因素，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速率降低時(shí)摩擦產(chǎn)熱減少；下壓速率也會(huì)影響摩擦產(chǎn)熱。

為了優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，提高接頭的強(qiáng)度，常采用因子設(shè)計(jì)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)兩種方法優(yōu)化工藝參數(shù)，預(yù)測(cè)接頭剪切性能。Atharifar［77］采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)方法優(yōu)化FSSW的工藝參數(shù)，結(jié)果表明，該方法得到的最優(yōu)參數(shù)是有效的，采用這些參數(shù)可以獲得抗剪強(qiáng)度較高、而所需下壓力較低和焊接時(shí)間較短的FSSW接頭。而Kulekci等［78］比較了因子設(shè)計(jì)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)兩種方法，對(duì)于5005鋁合金FSSW搭接接頭抗剪強(qiáng)度的預(yù)測(cè)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法更有效。另外，作者還采用回歸分析法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法分別建立了抗剪強(qiáng)度和焊接工藝參數(shù)的關(guān)系，結(jié)果表明，兩種模型均能很好地?cái)M合二者的關(guān)系，攪拌針長(zhǎng)度是抗剪強(qiáng)度的最主要影響因子。但Karthikeyan等［79］模擬發(fā)現(xiàn)，下壓速率為影響抗剪強(qiáng)度的最主要因素，另外，作者模擬了一個(gè)可以預(yù)測(cè)AA2024鋁合金FSSW接頭抗剪強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，同時(shí)，運(yùn)用反應(yīng)曲面法優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，獲得了抗剪強(qiáng)度最大的接頭［79］。

Kim 等［80］采用兩種方法建立了5083－H18 和6022－T4鋁合金FSSW接頭的熱力模型，這兩種方法分別是基于拉格朗日的有限元法（Finite Element Method，F(xiàn)EM）和歐拉公式的有限體積法（Finite Volume Method，F(xiàn)VM）。采用這兩種方法分析了攪拌頭形狀對(duì)接頭強(qiáng)度和材料流動(dòng)性能的影響規(guī)律。當(dāng)使用FEM計(jì)算接頭強(qiáng)度時(shí)，其僅適用于圓柱形攪拌頭和三角形攪拌頭，而FVM模式將接頭強(qiáng)度的不同解釋為接頭不同的Hook形貌。

對(duì)于回填式FSSW，Muci－Küchler等［72］對(duì)其建立了一個(gè)耦合的熱力有限元模型，用它來(lái)預(yù)測(cè)焊接過(guò)程中的溫度，變形，應(yīng)力和應(yīng)變分布，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。Hook缺陷降低點(diǎn)焊接頭的性能，為了探索無(wú)針插入式FSSW接頭Hook的形成機(jī)制，Zhang等［81］建立了一個(gè)3D全耦合的熱力有限元模型，模擬結(jié)果顯示，Hook的形成是由于接頭不同區(qū)域材料的流動(dòng)行為的不同造成的。

5 FSSW的應(yīng)用

5.1 航空、航天工業(yè)中的應(yīng)用

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造過(guò)程中，如何減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量和降低制造成本已成為航空、航天工業(yè)制造領(lǐng)域普遍關(guān)注的問(wèn)題。由于傳統(tǒng)的鉚接緊固連接工藝存在一定的局限性，焊接工藝作為結(jié)構(gòu)組裝的關(guān)鍵技術(shù)，受到工程技術(shù)人員的重視。FSSW具有接頭質(zhì)量高、變形小以及節(jié)省能源等一系列優(yōu)點(diǎn)，在航空、航天結(jié)構(gòu)制造領(lǐng)域具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)［82］。美國(guó)AMP公司對(duì)平板與T型筋進(jìn)行回填式FSSW連接，具有焊后無(wú)“匙孔”、焊點(diǎn)成形美觀以及內(nèi)部無(wú)缺陷等優(yōu)點(diǎn)［83］。

FSSW除用于結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)外，還可對(duì)航空構(gòu)件缺陷進(jìn)行修復(fù)，如裂紋、破孔、缺口和斷裂等。AMP公司利用回填式FSSW技術(shù)對(duì)飛機(jī)機(jī)翼蒙皮結(jié)構(gòu)的鉚釘進(jìn)行修復(fù)，從而提高了結(jié)構(gòu)件的使用壽命［84］。相比于傳統(tǒng)的鉚接加強(qiáng)片等修復(fù)方法，采用FSSW對(duì)損傷構(gòu)件進(jìn)行修復(fù)，不但可以減少大量鉚釘、螺釘使用數(shù)量，簡(jiǎn)化修理工藝，還可以達(dá)到等強(qiáng)度修理的性能指標(biāo)［84］。

5.2 汽車工業(yè)中的應(yīng)用

目前，F(xiàn)SSW技術(shù)在國(guó)外的工業(yè)化應(yīng)用正處于發(fā)展中。Mazda公司在FSSW技術(shù)研究開(kāi)發(fā)方面處于世界領(lǐng)先地位［12］，2003年已將此技術(shù)用于RX－8的發(fā)動(dòng)機(jī)罩和后門的生產(chǎn)。對(duì)于鋁合金車身焊接，相比電阻點(diǎn)焊，F(xiàn)SSW可以節(jié)省40%的設(shè)備投資，同時(shí)減少99%的能源消耗。2005年，Oak Ridge國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Feng和Ford汽車公司Pan等采用FSSW技術(shù)進(jìn)行了AHSS薄板焊接的可行性研究［85］。研究表明，采用FSSW技術(shù)對(duì)600MPa的雙相鋼和1310MPa的馬氏體鋼進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)，可獲得良好的冶金連接接頭［85］。

6 結(jié)束語(yǔ)

FSSW作為一種新型的固相連接技術(shù)，與傳統(tǒng)的電阻點(diǎn)焊、鉚接等工藝相比，在航空、航天、汽車、船舶等工業(yè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)FSSW工藝進(jìn)行了大量的研究，F(xiàn)SSW主要有四種不同的形式：直插式，回填式，無(wú)針插入式和擺動(dòng)式；傳統(tǒng)的FSSW接頭分為三個(gè)區(qū)域：焊核區(qū)、熱機(jī)影響區(qū)和熱影響區(qū)；接頭形貌隨著焊接參數(shù)的變化而變化；剪切實(shí)驗(yàn)中，常見(jiàn)的斷裂模式為沿著兩板界面的剪切斷裂、焊核脫離斷裂和上下板斷裂；疲勞裂紋主要從Hook處起源，通常發(fā)生焊核脫離斷裂和上下板斷裂。但是，接頭可靠性的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，并沒(méi)有形成完善的理論和數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)指導(dǎo)應(yīng)用。

為了拓展FSSW的應(yīng)用，未來(lái)仍需要深入、系統(tǒng)地研究以下方面：（1）加強(qiáng)對(duì)無(wú)“匙孔”FSSW技術(shù)（包括回填式、無(wú)針插入式、新工藝等）的系統(tǒng)研究，論證其接頭的穩(wěn)定性和可靠性；（2）Hook缺陷目前仍是降低FSSW接頭性能及可靠性的主要因素，通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)、研發(fā)新工藝等方法消除焊接缺陷，提高接頭力學(xué)性能，促使FSSW技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的進(jìn)一步推廣和應(yīng)用；（3）擴(kuò)大FSSW的焊接材料領(lǐng)域，使其不僅適用于鋁、鎂合金等輕質(zhì)金屬材料，工程塑料等其他材料也需進(jìn)一步納入研究范圍；（4）研究FSSW與機(jī)器人相結(jié)合的技術(shù)，開(kāi)發(fā)出靈活、多用、可靠的FSSW設(shè)備，以便將FSSW技術(shù)更好地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。

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