陳振中，王 月

(沈陽航空航天大學(xué) 航空航天工程學(xué)部(院)，沈陽 110136)

名家綜述

攪拌摩擦焊接技術(shù)研究進(jìn)展

陳振中，王 月

(沈陽航空航天大學(xué) 航空航天工程學(xué)部(院)，沈陽 110136)

繼激光焊后，攪拌摩擦焊成為具有革命性的焊接技術(shù)。因焊接溫度峰值低于材料熔點(diǎn)，攪拌摩擦焊可避免常規(guī)熔化焊所產(chǎn)生的熱裂紋、大變形和組織粗大等缺點(diǎn)。對(duì)攪拌摩擦焊接技術(shù)進(jìn)行了全面系統(tǒng)的介紹，主要包括焊接原理、焊接設(shè)備、焊接工具、可焊材料、焊接接頭形式及焊接接頭靜載/動(dòng)載性能等。對(duì)由攪拌摩擦焊演變而來的常規(guī)攪拌摩擦點(diǎn)焊、回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊也進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。最后對(duì)攪拌摩擦焊技術(shù)在航空航天、汽車、輪船等領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行介紹和展望。

攪拌摩擦焊；焊接設(shè)備；焊接工具；力學(xué)性能

攪拌摩擦焊接(Friction Stir Welding,FSW)是由英國焊接研究所于1991年發(fā)明的一種固相焊接方法[1-2]。與傳統(tǒng)熔化焊相比，F(xiàn)SW焊接過程中沒有煙塵、飛濺，熱輻射等且可避免熱裂紋、大變形及粗大組織等缺點(diǎn)[3-4]。因此繼激光焊接技術(shù)后，F(xiàn)SW被譽(yù)為最具革命性的綠色無污染的連接技術(shù)[1,5]。近年來隨著FSW技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)SW已被廣泛應(yīng)用于焊接各種牌號(hào)的鋁合金、鎂合金等低熔點(diǎn)材料[6-7]。對(duì)于鋼、鈦等高熔點(diǎn)材料的焊接也得到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[8-9]。作為一種革命性的綠色焊接技術(shù)，F(xiàn)SW已在航空航天、軌道車輛、造船等方面得到應(yīng)用。本文將從FSW焊接設(shè)備、可焊材料、焊接工具、接頭力學(xué)性能及FSW應(yīng)用與展望等方面介紹FSW的研究現(xiàn)狀。

1 焊接原理

1.1 FSW焊接原理

FSW是通過圓柱形、錐型或其他形狀的攪拌工具扎入到待焊工件內(nèi)部，在攪拌工具的摩擦、攪拌與頂鍛作用下并相對(duì)于待焊工件運(yùn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)工件焊接的一種連接方法[10]。其焊接原理如圖1所示。焊接過程主要包括三個(gè)階段：(1)高速旋轉(zhuǎn)的攪拌工具插入到工件內(nèi)部，并下扎到固定深度；(2)高速旋轉(zhuǎn)的攪拌工具相對(duì)于待焊工件移動(dòng)，且軸肩給予工件一定的頂鍛力；(3)焊接結(jié)束，攪拌工具撤離工件。因此影響焊接質(zhì)量的主要因素包括攪拌工具的轉(zhuǎn)速、焊速、下壓量、頂鍛力、主軸傾角等。經(jīng)FSW所得焊縫表面光滑美觀(圖2)。在FSW過程中使材料達(dá)到塑化狀態(tài)的熱主要來自于攪拌工具與材料摩擦及焊縫材料塑性變形。焊接過程中所產(chǎn)生的熱僅使材料達(dá)到塑性狀態(tài)，而低于材料熔點(diǎn)，因此相比于其他熔焊具有以下特點(diǎn)：

(1)焊前準(zhǔn)備工作少，焊接過程簡(jiǎn)單;

(2)無飛濺、綠色無污染;

(3)接頭抗拉性能好；

(4)焊接變形小；

(5)焊接缺陷少；

(6)無需填絲，能耗少。

圖1 FSW焊接原理圖

圖2 FSW焊縫表面形貌

由FSW發(fā)展的靜軸肩FSW、雙軸肩FSW等的工作原理與FSW相似，均是通過攪拌工具與材料的摩擦產(chǎn)熱完成焊接，此處不再贅述。

1.2 攪拌摩擦點(diǎn)焊焊接原理

由FSW發(fā)展而來的一種新型固相點(diǎn)焊技術(shù)——常規(guī)攪拌摩擦點(diǎn)焊(Friction Stir Spot Welding,FSSW)，與常規(guī)FSW焊接原理類似。FSSW利用攪拌工具與待焊材料的摩擦產(chǎn)熱完成焊接。與FSW不同的是，F(xiàn)SSW無需直線或曲線運(yùn)動(dòng)，僅在固定位置高速旋轉(zhuǎn)并停留一定時(shí)間而完成焊接，即焊接速度為零，工作原理如圖3所示。FSSW所用攪拌頭與常規(guī)FSW所用攪拌頭相似，基本無磨損，但FSSW更多用來焊接搭接結(jié)構(gòu)。

圖3 常規(guī)FSSW工作原理

繼FSSW之后，填充式攪拌摩擦點(diǎn)焊是Mazda公司于2003年發(fā)明的固相焊接技術(shù)，其所用攪拌頭由軸肩與攪拌針兩部分組成。焊接過程主要分為五個(gè)部分：(1)攪拌針高速旋轉(zhuǎn)并下扎到指定深度；(2)攪拌針回抽留下匙孔；(3)攪拌針與軸肩同時(shí)下扎消除匙孔；(4)攪拌針與軸肩回到焊點(diǎn)表面；(5)攪拌針與軸肩撤離表面，焊點(diǎn)形成。具體實(shí)驗(yàn)過程如圖4所示[11]。雖然填充式攪拌摩擦點(diǎn)焊所形成的焊點(diǎn)無匙孔，但因軸肩與攪拌針同時(shí)下壓，且無外圍套筒的保護(hù)，在焊點(diǎn)表面會(huì)有輕微飛邊形成。

圖4 填充式FSSW

因此，既無匙孔又可避免飛邊產(chǎn)生的回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊(Refill Friction Stir Spot Welding,RFSSW)應(yīng)運(yùn)而生。RFSSW焊接工具包括三部分，即壓緊環(huán)，套筒與攪拌針。在焊接過程中，壓緊環(huán)緊壓工件表面，不僅起到固定作用，還可以防止焊點(diǎn)表面飛邊的產(chǎn)生。RFSSW通過套筒與攪拌針的相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)焊接，按攪拌工具的下扎方式不同，可分為套筒下扎式與攪拌針下扎式。因攪拌針下扎方式在焊核底部易出現(xiàn)缺陷，因此套筒下扎式RFSSW研究居多。RFSSW焊接過程可分為四個(gè)階段：(1)摩擦生熱。焊接開始時(shí)，攪拌頭三件套緊壓試板表面，將工件固定在工作臺(tái)上，與此同時(shí)高速旋轉(zhuǎn)使焊點(diǎn)材料達(dá)到塑性狀態(tài)；(2)套筒下扎，攪拌針回抽。此過程中軸套始終緊壓試板以防止塑性材料外溢，套筒與攪拌針高速旋轉(zhuǎn)并相對(duì)運(yùn)動(dòng)到設(shè)定位置；(3)攪拌針下扎，套筒回抽。當(dāng)套筒下扎至設(shè)定深度，套筒與攪拌針交換垂向運(yùn)動(dòng)方向，并同時(shí)運(yùn)動(dòng)到試板表面；(4)焊點(diǎn)形成。攪拌針與套筒到達(dá)試板表面后，攪拌工具三件套同時(shí)離開試板表面，形成焊點(diǎn)，其工作原理圖見5。RFSSW不僅解決了FSW焊后退出孔問題，而且因綠色無污染等優(yōu)點(diǎn)可逐漸代替鉚接、電阻點(diǎn)焊等傳統(tǒng)點(diǎn)焊技術(shù)。

圖5 套筒下扎式工作原理圖[12]

2 焊接設(shè)備研究[1,13-18]

2.1 FSW設(shè)備研究

迄今為止，為適應(yīng)焊接結(jié)構(gòu)形式的多樣化，攪拌摩擦焊設(shè)備種類很多。美國MTS公司開發(fā)了兩臺(tái)液壓驅(qū)動(dòng)FSW設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)多種形式接頭的焊接。美國西雅圖MCE也生產(chǎn)了FSW焊機(jī)，可實(shí)現(xiàn)航天飛機(jī)燃料筒體的縱、環(huán)縫焊接。美國Ohio州Cineinnati的通用工具公司首次研制具有真空夾緊裝置的FSW設(shè)備。挪威造船廠使用Power stir TM設(shè)備進(jìn)行快艇鋁合金結(jié)構(gòu)件的焊接?？湛?、波音、日本川崎等公司均對(duì)系列化FSW設(shè)備進(jìn)行研制和開發(fā)。2002年北京航空制造工程研究所取得FSW專利技術(shù)許可，并成立北京賽福斯特技術(shù)有限公司，意味著FSW技術(shù)正式步入中國。北京賽福斯特技術(shù)有限公司研制生產(chǎn)臺(tái)式、龍門型(圖6)和專用型3個(gè)系列設(shè)備，可焊接縱縫、環(huán)縫、平面二維、空間三維等多種形式接頭[15]。為適應(yīng)三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的FSW焊接，北京賽福斯特技術(shù)有限公司成功研制出機(jī)器人攪拌摩擦焊設(shè)備，目前已實(shí)現(xiàn)平面二維、空間三維等復(fù)雜軌跡的FSW焊接，如圖7所示[18]。FSW設(shè)備只有提供足夠的載荷和保證精準(zhǔn)度條件下方可確保焊接過程的順利進(jìn)行。機(jī)器人FSW設(shè)備采用多模式控制，可有效保證焊接過程的穩(wěn)定性及焊接接頭的質(zhì)量。

除此之外，上海航天設(shè)備制造總廠及金鳳切割等國內(nèi)多家制造廠均對(duì)FSW設(shè)備進(jìn)行研制和開發(fā)。

圖6 FSW設(shè)備

圖7 FSW機(jī)器人

2.2 FSSW設(shè)備研究

雖然常規(guī)FSSW焊后存在匙孔，但與電阻點(diǎn)焊及鉚接相比，焊接接頭具有質(zhì)量高、壽命長、能耗低和效率高等優(yōu)點(diǎn)。Mazda公司的RX-8型汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩和后門均使用了常規(guī)FSSW技術(shù)。FSSW可使用常規(guī)FSW設(shè)備，因此工藝過程簡(jiǎn)單，操作方便；焊接過程中不需要焊接時(shí)間控制器、變壓器等輔助設(shè)備，因此投入少。與此不同的是，RFSSW焊接過程中除了主軸控制外，還需攪拌針與軸肩的相對(duì)運(yùn)動(dòng)才可完成焊接。上海航天設(shè)備制造總廠于2009年成功制造出第一臺(tái)攪拌摩擦點(diǎn)焊設(shè)備。此后，北京賽福斯特有限公司與KUKA機(jī)器人合作，開發(fā)出十軸聯(lián)動(dòng)且工作半徑為2.8 m的RFSSW機(jī)器人(圖8)，并亮相于21屆埃森國際切割與焊接展會(huì)。

圖8 攪拌摩擦點(diǎn)焊設(shè)備

2.3 焊接設(shè)備存在問題及發(fā)展方向

目前，為擴(kuò)大FSW的應(yīng)用范圍，由FSW發(fā)展而來的焊接機(jī)器人如靜止軸肩FSW機(jī)器人、雙軸肩FSW機(jī)器人等均在開發(fā)和研制中。國內(nèi)外對(duì)FSW設(shè)備的開發(fā)和利用，使FSW技術(shù)將逐漸大規(guī)模應(yīng)用于軌道交通、航空航天等各個(gè)領(lǐng)域。

但焊接設(shè)備過于龐大，對(duì)于小尺寸焊件使用性不佳。因焊接過程中需要提供足夠的頂鍛力，已裝配的焊接結(jié)構(gòu)件必須同時(shí)配有工裝。因此，為使FSW更進(jìn)一步應(yīng)用于生產(chǎn)線工作，提高工作效率，F(xiàn)SW設(shè)備需朝著智能化、輕便化等方向發(fā)展。此外，國內(nèi)外對(duì)平面二維FSW的研究已較為成熟，而空間多曲面焊接設(shè)備需進(jìn)一步優(yōu)化。同時(shí)，為節(jié)約工裝成本，提高工作效率，可設(shè)計(jì)FSW的柔性工裝配合焊接。

3 焊接材料

3.1 同種材料的連接

鋁合金因密度小、強(qiáng)度高、剛性大，在航空航天、汽車、輪船等領(lǐng)域的應(yīng)用較為廣泛。傳統(tǒng)的熔化焊焊接溫度峰值高于材料熔點(diǎn)，易產(chǎn)生熱裂紋、大變形、氣孔等缺陷，而FSW焊接過程中金屬不熔化且焊后變形小于熔焊，可成功解決鋁合金的焊接問題。因此，自FSW發(fā)展以來，被廣泛應(yīng)用于有色金屬的焊接。

到目前為止，有關(guān)鋁合金FSW的研究最多，主要包括2系列(Al-Cu)、5系(Al-Mg)、6系(Al-Mg-Si)、7系(Al-Zn)、8系(Al-Li)等。FSW初始用于連接同種鋁合金材料，史耀武等人[19]指出幾種不同鋁合金厚度的FSW焊接速度。隨著鎂合金在各領(lǐng)域的應(yīng)用，對(duì)鎂合金FSW的發(fā)展得到越來越多的關(guān)注。邢麗等人[20]對(duì)航空用MB8鎂合金的接頭成形、微觀組織、力學(xué)性能進(jìn)行研究。目前，對(duì)AZ61、AZ31等鎂合金同種材料的研究越來越廣泛。對(duì)于高熔點(diǎn)合金的FSW研究一直是國內(nèi)外研究的難題，但不乏鈦及其合金[2-3,5,8]、銅[9]、鋼[21]等的微觀組織、拉伸性能、微觀硬度、疲勞性能、裂紋擴(kuò)展性能等方面的報(bào)道。不僅如此，具有高強(qiáng)度的復(fù)合材料FSW的研究也日趨廣泛，如張?zhí)飩}等人[22]試驗(yàn)了鋁基復(fù)合材料的焊接，結(jié)果表明FSW不僅可實(shí)現(xiàn)顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的焊接，而且焊接過程穩(wěn)定、可靠。由于攪拌頭的攪拌作用，顆粒重新分布，基體具有復(fù)雜的流變特性，何宇等人[23]研究了工藝參數(shù)對(duì)鎂基復(fù)合材料的FSW接頭的微觀組織和力學(xué)性能的影響，結(jié)果顯示在軸肩直徑為10 mm、攪拌頭傾角為2°、焊速為25 mm/min時(shí)，只有轉(zhuǎn)速為700 rpm下方可獲得最優(yōu)的抗拉強(qiáng)度及延伸率。

3.2 異種材料的連接

在實(shí)際的生產(chǎn)實(shí)踐中，由于異種材料的熱物性能差異，焊縫中容易出現(xiàn)脆性的金屬間化合物，因此除了同種材料的連接，異種材料的連接也是一大難題。由FSW所得接頭具有擴(kuò)展不規(guī)則的交界面，可阻止裂紋的產(chǎn)生，尤其是對(duì)于導(dǎo)電材料的過渡接頭。經(jīng)研究表明，對(duì)銅鋁、鋼鋁、鋼銅、熱固性材料與熱塑性材料等異種材料的FSW焊接均可獲得滿意的結(jié)果[24]。無論何種材料，焊接接頭形式均多種多樣。與傳統(tǒng)熔焊相比，F(xiàn)SW也可以焊接對(duì)接、角接、搭接等接頭。圖9是華盛頓大學(xué)的Edwards等人[25]對(duì)6 mm厚TC4鈦合金FSW對(duì)接接頭的研究，圖10是搭接接頭的焊接方式。不同于對(duì)接形式，F(xiàn)SW搭接試板的相對(duì)位置及攪拌頭旋轉(zhuǎn)方向均會(huì)影響其受力方式，進(jìn)而影響到搭接接頭的力學(xué)性能。

圖9 FSW對(duì)接形式

圖10 FSW搭接形式

3.3 存在問題及研究方向

從前文陳述中可知，F(xiàn)SW技術(shù)可實(shí)現(xiàn)金屬材料和復(fù)合材料的同種、異種材料的對(duì)接、角接、搭接等。與傳統(tǒng)焊接方式相比，F(xiàn)SW接頭具有較優(yōu)的連接性能。從焊接原理上分析，F(xiàn)SW通過攪拌頭與材料的摩擦產(chǎn)熱實(shí)現(xiàn)接頭的連接。因此對(duì)于無機(jī)非金屬材料的FSW連接研究甚少。

未來可通過改善攪拌頭的材料嘗試其他不同材料的連接，擴(kuò)大FSW的使用范圍。

4 攪拌工具研究

4.1 工具材料的選擇

在FSW過程中，通過攪拌工具與待焊板材的摩擦與攪拌產(chǎn)生焊接所需要的大部分熱，因此攪拌工具是影響FSW成功的關(guān)鍵技術(shù)，攪拌工具也被譽(yù)為FSW的心臟[14]。攪拌工具也稱為攪拌頭，由攪拌針、軸肩及套筒組成，如圖11所示。攪拌針不僅提供焊接所需要的熱，還會(huì)帶動(dòng)周圍材料的流動(dòng)形成焊縫；軸肩是與工件表面摩擦產(chǎn)生焊接熱且對(duì)塑性材料起包裹作用。FSW是一個(gè)集熱、力與機(jī)械于一體的焊接過程，因此要求攪拌頭材料耐高溫、耐磨損以及良好的抗高溫軟化性能和抗沖擊性能等。

圖11 常規(guī)攪拌工具組成

FSW初期以焊接鋁鎂低熔點(diǎn)材料為主，軸肩與攪拌針材料的選擇主要為工具鋼、高溫合金等。隨FSW技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，焊接逐步擴(kuò)展到鈦、鋼等高熔點(diǎn)材料，因此對(duì)攪拌頭材料提出了更高

的要求。Wu等[26]，Cam等[27]，Wang等[28]及Farias等[29]使用純鎢、硬質(zhì)合金、多晶立方氮化硼及金屬陶瓷等材料焊接高熔點(diǎn)合金，但攪拌頭磨損嚴(yán)重且加工較為困難。通過往純鎢中添加錸元素可提高延性、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及耐高溫性能等特點(diǎn)，鎢錸合金被用來作為高熔點(diǎn)的材料焊接的攪拌頭材料[30]。

4.2 工具形貌研究

眾所周知，攪拌頭形貌決定了焊縫材料的流動(dòng)，從而決定焊縫橫截面成型，因此對(duì)攪拌頭形貌優(yōu)化至關(guān)重要。攪拌針形貌與軸肩形貌的不同組合構(gòu)成了多種攪拌頭形貌。攪拌針形貌主要包括圓柱形光頭、柱形螺紋、錐形螺紋、三槽錐形螺紋及更復(fù)雜的偏心圓攪拌針、偏心圓螺紋攪拌針、非對(duì)稱攪拌針等等。隨后為適應(yīng)焊接要求，系列化Whorl Tool攪拌頭(圖12a)，具有3條螺旋溝槽的可不斷變化溝槽深度、角度的Triflute攪拌頭(圖12b)、更大焊接厚度的MX-Triflute攪拌頭等陸續(xù)被發(fā)明[31]。Yue等人[32]為促進(jìn)攪拌摩擦搭接面處沿水平方向材料流動(dòng)和減小垂直方向的材料流動(dòng)，設(shè)計(jì)了錐形正反螺紋攪拌針。

圖12 攪拌針形貌

除了攪拌針，軸肩對(duì)于焊縫成型也起至關(guān)重要的作用。軸肩作用有兩個(gè)：與待焊材料摩擦產(chǎn)熱、對(duì)待焊表面施壓。軸肩的發(fā)展經(jīng)歷了平面—凹面—同心圓凹槽—渦狀線—其他更復(fù)雜的形狀等過程(圖13)。無論何種形貌的軸肩，其目的不僅使金屬塑化、增加材料流動(dòng)，還要提供頂鍛力，最大范圍防止焊接接頭底部缺陷的產(chǎn)生。對(duì)于薄板來說，通常會(huì)使用無針攪拌頭進(jìn)行焊接。Bakavos等人[33]使用不同軸肩形貌的無針攪拌頭(圖14)焊接0.93 mm厚的6111-T4鋁合金，結(jié)果表明使用無針攪拌頭進(jìn)行FSSW試驗(yàn)可得到高剪切強(qiáng)度(3.4 kN)的焊點(diǎn)，且焊接效率高。

4.3 復(fù)合工具研究

為擴(kuò)大FSW的應(yīng)用范圍，復(fù)合攪拌頭得到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛研究。因FSW對(duì)工裝卡具要求極高，Thomas等人[34]、劉會(huì)杰等人[35]、黃永憲等人[36]分別設(shè)計(jì)了固定分體式雙軸肩攪拌頭，通過改變軸肩形貌、尺寸、旋轉(zhuǎn)方向等，順利完成了焊接。Edwards等人[37]設(shè)計(jì)了自適應(yīng)雙軸肩攪拌頭，不僅提高了焊接速度，也可實(shí)現(xiàn)更薄鋁合金的焊接。攪拌頭因沿板厚方向的產(chǎn)熱不同，造成焊核區(qū)組織不均勻。同時(shí)也為降低焊接過程中扭矩和力，美國工程咨詢服務(wù)公司Statesville的Callahan提出了最外圍軸肩靜止的FSW(SSFSW)。此后，Davies等人[38]研究了鈦合金SSFSW，結(jié)果表明，在焊接參數(shù)為400 rpm/60 mm/min時(shí)，SiC的靜止軸肩使焊縫僅次于上表面的組織為完全的等軸晶，焊核中部為完全的片層狀組織。具體的復(fù)合工具形貌如圖15所示。

圖13 軸肩形狀

圖14 無針攪拌頭

圖15 復(fù)合攪拌工具

4.4 存在問題及發(fā)展方向

攪拌頭作為制約FSW發(fā)展的核心技術(shù)，其材料的選擇及形貌的設(shè)計(jì)對(duì)焊縫成形至關(guān)重要。對(duì)低熔點(diǎn)材料而言，攪拌頭材料的選擇較為固定，因此對(duì)于薄板和厚板的攪拌針和軸肩的優(yōu)化顯得更為重要。而對(duì)于高熔點(diǎn)材料而言，鎢錸合金的攪拌頭成本太高，并且磨損也較為嚴(yán)重，而攪拌頭的磨損問題將限制其在各領(lǐng)域的發(fā)展。

對(duì)于低熔點(diǎn)材料的FSW工具，其突破點(diǎn)主要在于對(duì)厚板焊接的攪拌頭形貌的優(yōu)化；對(duì)于高熔點(diǎn)材料，其重點(diǎn)應(yīng)歸結(jié)為材料的制備及成本的優(yōu)化方面，既要防止攪拌頭的過度磨損，同時(shí)也要降低成本。為焊接更廣泛的低、高熔點(diǎn)材料，提高焊接效率需對(duì)攪拌頭材料及形貌進(jìn)一步優(yōu)化。

5 微觀組織及力學(xué)性能的研究

縱觀國內(nèi)外學(xué)者有關(guān)FSW研究成果，焊接接頭的微觀組織是決定其力學(xué)性能的關(guān)鍵因素，而力學(xué)性能是評(píng)價(jià)焊接質(zhì)量好壞的主要指標(biāo)之一。因FSW過程中溫度峰值低于材料熔點(diǎn)，可避免常規(guī)熔化焊所產(chǎn)生的缺點(diǎn)；另一方面，由于攪拌針的強(qiáng)烈攪拌作用，焊核區(qū)由細(xì)小的等軸晶組成。以上兩個(gè)原因使得FSW接頭的力學(xué)性能普遍高于普通熔焊力學(xué)性能。因此，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同金屬材料的FSW工件的拉伸、硬度及動(dòng)載下疲勞性能進(jìn)行廣泛研究[49-52]。

5.1 微觀組織

FSW初期以焊接鋁鎂等低熔點(diǎn)材料為主，橫截面形貌均呈碗型(圖16)，且與攪拌針形狀類似。FSW焊縫可分為母材(Base Material,BM)、熱影響區(qū)(Heat Affected Zone,HAZ)、熱機(jī)影響區(qū)(Thermo-Mechanically Affected Zone,TMAZ)及焊核區(qū)(Nugget Zone,NZ)。只受到熱循環(huán)作用的HAZ組織發(fā)生回復(fù)，與母材相比，晶粒明顯粗大；而TMAZ經(jīng)歷熱循環(huán)及攪拌針輕微機(jī)械攪拌的雙重作用，組織有明顯被拉長或扭曲的特點(diǎn)，如圖16為6061鋁合金各區(qū)域組織。但是在雙相鈦合金FSW中，劉會(huì)杰等人[39]、王文等人[40]、李繼忠等人[41]、Yoon等人[42]并沒有觀察到TMAZ，相反王快社等[43]、Esmaily等[44]、趙強(qiáng)等[45]等人卻發(fā)現(xiàn)了熱機(jī)影響區(qū)。因此TMAZ在鋁合金總是存在而在鈦合金中因試驗(yàn)參數(shù)等因素TMAZ并不明顯。NZ位于焊縫中心，由于較高的熱循環(huán)及攪拌針強(qiáng)烈攪拌作用，NZ區(qū)組織發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，形成細(xì)小的等軸晶。

圖16 橫截面形貌

但是對(duì)于雙相鈦合金來說，過高的溫度可能使焊核區(qū)組織發(fā)生相變。Liu等[35,39]研究了焊接溫度峰值低于β相變點(diǎn)的TC4鈦合金FSW，得出NZ由雙態(tài)或完全等軸的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒組成。Zhang等[46]研究了焊接溫度峰值高于相變點(diǎn)的TC4鈦合金FSW，NZ由完全片層狀組織構(gòu)成。因TC4鈦合金的低熱導(dǎo)率，沿板厚將產(chǎn)生不一樣的溫度峰值，從而導(dǎo)致微觀組織形態(tài)各異。姬書得等人[3]通過FSW得出2 mm厚TC4鈦合金接頭NZ區(qū)雙態(tài)及片層狀的微觀組織，通過背部加熱輔助工藝，減小上下板面的溫度梯度，從而獲得完全的片層狀組織[47]。

對(duì)于異種材料的對(duì)接焊，若采用同種材料的焊接方法將攪拌針置于焊縫中心則很難成型，焊核區(qū)容易形成缺陷。對(duì)于熱物性能不同的合金，在FSW過程中攪拌針的偏移量及材料的相對(duì)位置均會(huì)影響其力學(xué)性能。因此，對(duì)于高低熔點(diǎn)FSW的對(duì)接焊，因兩種金屬熔點(diǎn)相差較大，為防止低熔點(diǎn)材料過熱，將攪拌針偏向低熔點(diǎn)材料一邊，在焊縫中易出現(xiàn)裂紋、孔洞等缺陷，NZ內(nèi)容易生成金屬間化合物等。圖17是6061鋁合金與鋼的FSW對(duì)接接頭橫截面。圖17a中孔洞缺陷清晰可見；圖17b中一層的鋼屑鑲嵌在鋁合金中且界面結(jié)合良好。鋁和鐵不但形成固溶體還可以形成金屬間化合物，接頭性能與化合物的數(shù)量、分布和形態(tài)密切相關(guān)。雖然脆性金屬間化合物屬于高硬脆相，并以針狀或片層狀出現(xiàn)在界面處，割裂集體，嚴(yán)重增加焊接接頭的脆性斷裂傾向，導(dǎo)致接頭力學(xué)性能惡化。如果金屬間化合物數(shù)量小且彌散分布，不僅不會(huì)惡化接頭性能反而可以起到強(qiáng)化作用。商等人[48]指出Ag3Sn細(xì)小的組織有利于提高焊料強(qiáng)度，但是樹枝狀形態(tài)卻不利于力學(xué)性能的提高。由此可知金屬間化合物并不是完全有害于力學(xué)性能，而如何調(diào)控金屬間化合物的生成和分布卻是至關(guān)重要。

5.2 靜載力學(xué)性能

Fahimpour等人[49]比較了6061鋁合金GTAW與FSW的力學(xué)性能，得出FSW工件的抗拉強(qiáng)度稍高于GTAW，但延伸率超過GTAW的一半多；FSW橫截面硬度均大于GTAW工藝所得焊縫硬度(圖18)。Shukla等人[50]得出2195-T8鋁鋰合金焊縫區(qū)硬度低于母材，最小硬度值出現(xiàn)在前進(jìn)側(cè)熱影響區(qū)，但焊縫抗拉強(qiáng)度、NZ硬度幾乎不受焊接參數(shù)的影響。對(duì)于高熔點(diǎn)材料而言，劉會(huì)杰等人[51]研究得出TC4鈦合金FSW接頭的抗拉強(qiáng)度達(dá)到母材的92%，但NZ硬度低于母材，拉伸工件斷裂在NZ。相反，Zhang等人[46]的研究得到NZ硬度高于母材，最小的硬度值出現(xiàn)在前進(jìn)側(cè)；焊核內(nèi)工件的抗拉強(qiáng)度與延伸率均高于母材。

圖17 鋁鋼FSW對(duì)接橫截面

圖18 FSW與GTAW工藝硬度對(duì)比

NZ因發(fā)生動(dòng)態(tài)在結(jié)晶形成細(xì)小的晶粒具有細(xì)晶強(qiáng)化作用，因此NZ硬度高于母材(圖19a)。當(dāng)熱輸入過高時(shí)，反而使NZ發(fā)生軟化，硬度降低(圖19b)。HAZ因只受熱循環(huán)作用，組織明顯粗大，一般為硬度最低點(diǎn)，惡化了力學(xué)性能。當(dāng)受拉伸載荷時(shí)，因焊縫表面有輕微凹陷，拉伸工件易在軸肩作用區(qū)產(chǎn)生應(yīng)力集中而產(chǎn)生初始裂紋，當(dāng)NZ硬度大于HAZ，裂紋朝著HAZ擴(kuò)展(圖20a)；當(dāng)NZ發(fā)生軟化時(shí)，則向NZ區(qū)擴(kuò)展(圖20b)，最后直至斷裂。斷裂面由大量韌窩組成，呈現(xiàn)韌性斷裂(圖21)。為獲得拉伸性能及硬度較高的FSW接頭，應(yīng)合理控制焊接熱輸入。

圖19 FSW焊縫微觀硬度

圖20 斷裂位置

圖21 拉伸斷口

5.3 疲勞性能研究

眾所周知，靜載下的破壞取決于結(jié)構(gòu)整體，動(dòng)載下疲勞破壞則由應(yīng)力或應(yīng)變較高的局部開始萌生，逐漸積累并擴(kuò)展，最終導(dǎo)致破壞。Edwards等人[53]研究發(fā)現(xiàn)FSW工件的疲勞數(shù)據(jù)明顯優(yōu)于熔化焊接接頭，不同板厚的FSW疲勞工件均萌生于表面。Wu等人[54]指出TC4鈦合金高周疲勞壽命主要與焊核區(qū)組織有關(guān)；而疲勞強(qiáng)度按照雙態(tài)微觀組織、片層微觀組織及等軸微觀組織逐漸降低。Edwards等人[55]通過焊后熱處理，使疲勞壽命只有母材50%的FSW工件提高到母材的80%左右。疲勞斷裂不同于拉伸斷裂，疲勞斷口有三個(gè)明顯的特征：裂紋源、裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)(圖22)。裂紋源一般是一個(gè)，也可為多個(gè)，一般位于高應(yīng)力或焊接缺陷處。材料表面附近為高應(yīng)力區(qū)，而焊接缺陷表現(xiàn)為焊縫內(nèi)部的孔洞、隧道等，而對(duì)于會(huì)生成金屬間化合物或具有第二相粒子的合金，裂紋通常也會(huì)在此處萌生。裂紋擴(kuò)展區(qū)最明顯的特征是疲勞輝紋，一般是晶粒級(jí)別，必須借助高倍顯微鏡才能觀察到。瞬斷區(qū)形貌類似于拉伸斷口，具有大量韌窩。

目前對(duì)不同合金FSW接頭靜載和動(dòng)載的力學(xué)性能研究很多，通過優(yōu)化工藝參數(shù)，優(yōu)化攪拌工具等獲得具有較優(yōu)力學(xué)性能的焊接接頭，為FSW在各領(lǐng)域的發(fā)展應(yīng)用提供了完善的理論支持。

6 應(yīng)用與展望

FSW過程中無飛濺、無煙塵、無熱輻射，焊接溫度峰值低于材料熔點(diǎn)，可避免傳統(tǒng)熔焊所產(chǎn)生的熱變形、高殘余應(yīng)力、熱裂紋等一系列缺點(diǎn)，是一種綠色環(huán)保的連接方式，在航空航天、造船、軌道交通等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。

在航空領(lǐng)域[56]，2007年，中航工業(yè)北京賽福斯特技術(shù)有限公司承擔(dān)了運(yùn)-20軍用運(yùn)輸機(jī)大型結(jié)構(gòu)件的FSW研制任務(wù)。2009年，成功實(shí)現(xiàn)運(yùn)-20軍用運(yùn)輸機(jī)大型壁板結(jié)構(gòu)件的FSW制造，使大飛機(jī)制造技術(shù)達(dá)到了國際水平。2014年，F(xiàn)SW結(jié)構(gòu)件進(jìn)入批產(chǎn)。于2016年7月6日，我國最新研發(fā)的運(yùn)-20大型軍用運(yùn)輸機(jī)正式列裝空軍航空部隊(duì)，標(biāo)志著FSW技術(shù)正式應(yīng)用于我國航空領(lǐng)域。運(yùn)-20運(yùn)輸機(jī)大型壁板結(jié)構(gòu)件的FSW制造，使中國大飛機(jī)技術(shù)達(dá)到國際水平。圖23為大型動(dòng)龍門FSW設(shè)備及運(yùn)-20運(yùn)輸機(jī)。

圖22 疲勞斷口

圖23 大型動(dòng)龍門FSW設(shè)備及大飛機(jī)

目前中航工業(yè)賽福斯特公司已成功實(shí)現(xiàn)飛機(jī)機(jī)身、艙體、地板結(jié)構(gòu)和雷達(dá)冷板等部件的FSW焊接?？v觀國外航空工業(yè)，以英國焊接研究所、波音、空客及美國月蝕公司為代表的FSW技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用已取得豐碩成果。美國月蝕公司在第一架商用噴氣客機(jī)Eclipse-500型飛機(jī)上采用FSW全面替代鉚釘連接，其中包括飛機(jī)蒙皮、翼肋、地板甚至結(jié)構(gòu)件，圖24為Eclipse-500型飛機(jī)結(jié)構(gòu)件之一。FSW技術(shù)在飛機(jī)上的應(yīng)用，其制造效率比自動(dòng)鉚接快6倍，比手動(dòng)鉚接快60倍。美國采用FSW技術(shù)制造的載貨斜坡地板，減重180 kg；制造的軍用大型運(yùn)輸機(jī)C-17也降低了制造成本。洛克希德馬丁公司使用FSW焊接C-130J壓力艙壁板、地板及隔板。波音公司試驗(yàn)FSW成功焊接F-15戰(zhàn)機(jī)尾翼整流罩。因此FSW技術(shù)在未來國內(nèi)外飛機(jī)制造領(lǐng)域?qū)⒂泻艽髢?yōu)勢(shì)。

圖24 Eclipse-500型飛機(jī)結(jié)構(gòu)件之一

在航天領(lǐng)域[56]，箭體結(jié)構(gòu)是航天運(yùn)載工具的重要結(jié)構(gòu)件，主要包括推進(jìn)劑貯箱、級(jí)間段和整流罩等艙段。若使用傳統(tǒng)熔化焊連接國外箭體結(jié)構(gòu)材料常用的第三代鋁鋰合金，容易造成鋰元素的燒結(jié)，而FSW技術(shù)的發(fā)展為鋁鋰合金的連接提供了關(guān)鍵技術(shù)。自FSW發(fā)展以來，美國波音公司首先將FSW應(yīng)用于火箭部件的連接。目前FSW已成功應(yīng)用于美國Delta系列、Atlas系列火箭貯箱、航天飛機(jī)外貯箱的縱縫高質(zhì)量連接。圖25為歐洲Fokker宇航公司使用FSW制造的Ariane 5發(fā)動(dòng)機(jī)主承力框。焊接材料為高強(qiáng)7系鋁合金，主體結(jié)構(gòu)為12塊帶翼板加強(qiáng)平板連接，用FSW替代鉚釘連接，大大減輕了質(zhì)量。

FSW技術(shù)在各領(lǐng)域的成功應(yīng)用不僅降低成本，而且縮短了制造周期，大大提高了接頭強(qiáng)度。基于FSW技術(shù)的焊接優(yōu)勢(shì)以及產(chǎn)品需要，中航工業(yè)賽福斯特公司及航天設(shè)備總廠等均開展了系統(tǒng)的科研攻關(guān)。中航工業(yè)使用FSW技術(shù)焊接直徑為2.25 m的火箭燃料貯箱模擬件且完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求(圖26)。航天設(shè)備總廠從2005年開始研究至2014年年初，采用FSW生產(chǎn)的箱底、筒段、短殼縱縫的長征四號(hào)火箭發(fā)射成功。

圖25 Ariane 5發(fā)動(dòng)機(jī)主承力框

圖26 火箭燃料貯箱模擬件

在軌道車輛領(lǐng)域[57]，地鐵車輛中多使用比強(qiáng)度高、耐腐蝕的鋁合金，而傳統(tǒng)熔化焊焊接鋁合金接頭易出現(xiàn)氣孔、夾雜、熱裂紋等缺點(diǎn)，且焊接結(jié)構(gòu)變形大，而FSW技術(shù)的發(fā)展無疑是焊接鋁合金最好的選擇。采用熔化極氣體保護(hù)焊焊接地鐵車輛底架、車頂及側(cè)墻等構(gòu)件時(shí)焊接質(zhì)量難于控制，且焊接過程復(fù)雜，焊接成本高，而使用FSW可實(shí)現(xiàn)小變形，高生產(chǎn)效率的焊接。日本日立公司、住友輕金屬公司采用FSW焊接地鐵車體側(cè)墻、車頂，接頭形式也從簡(jiǎn)單的單面單層發(fā)展到雙面雙層。瑞典SAPA公司向所有生產(chǎn)商(Alstom/Bombardier/CAF/Siemens等)提供FSW制造的鋁合金擠壓型材焊接件。為適應(yīng)國際大趨勢(shì)，國內(nèi)株洲電力機(jī)車有限公司、青島四方股份有限公司、北車長春軌道客車股份有限公司、南車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司等均將FSW技術(shù)應(yīng)用到高速列車、地鐵車輛中。焊接結(jié)構(gòu)也從最初的側(cè)墻板延伸到車頂空調(diào)板、底架地板等部位。

在船舶領(lǐng)域，日本SLM公司使用FSW完成了夾層結(jié)構(gòu)和海水防護(hù)平板的制造；瑞典SAPA公司利用FSW完成了中空鋁合金型材的連接；澳大利亞Adalaide大學(xué)開發(fā)了用于輕型高速海洋游船的曲面壁板焊接的輕便設(shè)備。國內(nèi)多家造船廠對(duì)船體結(jié)構(gòu)中的甲板、壁板、隔板均使用了FSW技術(shù)。

此外，F(xiàn)SW在汽車制造業(yè)中主要應(yīng)用于某些汽車零件的制造，如汽車輪轂，電池托盤等。

由FSW發(fā)展而來的攪拌摩擦點(diǎn)焊在諸多領(lǐng)域得到應(yīng)用，如日本Mazda公司在RX-8型汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)罩和后門均使用了點(diǎn)焊技術(shù)，美國AMP公司用攪拌摩擦點(diǎn)焊技術(shù)連接機(jī)身平板與K型筋等。隨著焊接技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)SW可逐步取代傳統(tǒng)熔化焊、電阻點(diǎn)焊、鉚接等工藝。

7 結(jié)論

FSW自發(fā)展以來，便得到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。截止到目前為止，F(xiàn)SW焊接設(shè)備已從簡(jiǎn)單的臺(tái)式二維發(fā)展到大型動(dòng)龍門焊機(jī)、空間三維焊機(jī)和機(jī)器人焊接設(shè)備等?？珊覆牧弦矎牡腿埸c(diǎn)過渡到高熔點(diǎn)。為解決焊接過程中出現(xiàn)的缺陷等問題，一些復(fù)雜形狀的焊接工具被發(fā)明。更重要的是，F(xiàn)SW接頭的力學(xué)性能明顯高于傳統(tǒng)熔化焊。

“中國制造2025”提出以后，中國制造業(yè)提出了智能工廠，構(gòu)建綠色制造體制，建設(shè)綠色工廠，提高生產(chǎn)效率。FSW作為綠色焊接技術(shù)，完全符合中國制造所要求的大趨勢(shì)。然而在焊接的主體工具包括焊接設(shè)備及焊接工具等方面仍需要進(jìn)一步優(yōu)化。在既能滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，增加設(shè)備的智能化，靈活性以及延長焊接工具壽命，在保證焊縫質(zhì)量的前提下，提高工作效率。相信在不久的將來，F(xiàn)SW必將對(duì)我國制造業(yè)發(fā)展起巨大的推動(dòng)作用。

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(責(zé)任編輯：陳素清 英文審校：趙歡)

Research Progress of Friction Stir Welding Technology

CHEN Zhen-zhong,WANG Yue

(Faculty of Aerospace Engineering,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China)

Friction Stir Welding(FSW)is regarded as a revolutionary joining method to replace laser beam welding.In view of the lower peak temperature compared to the melting point of materials during welding process,FSW technology can avoid the disadvantages(e.g.hot crack,large deformation and coarse microstructures)caused by traditional fusion welding technology.FSW technology was introduced comprehensively and systematically in this paper,mainly including welding principle,welding equipment,welding tools,welding materials,joint form and static/ kinetics mechanical properties.Friction stir spot welding(FSSW)and refill friction stir spot welding(RFSSW)evolved from FSW were also presented briefly.Finally,some applications of FSW in the fields of aerospace,automobile,shipping were stated.

friction stir welding;welding equipment;welding tool;mechanical properties

2016-11-22

遼寧省教育廳科研基金(項(xiàng)目編號(hào)：L2010415)

陳振中(1963-)，男，遼寧沈陽人，教授，博士，主要研究方向：結(jié)構(gòu)疲勞斷裂與可靠性分析，E-mail：zhenzhong_chen@hotmail.com

2095-1248(2017)01-0001-14

TG453.9

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2017.01.001