綠色焊接技術

摘 要：攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding，簡稱FSW）作為一項新型、綠色、節能的固相連接技術，近幾年已成為國內外焊接領域研究與探討的熱點。本文就攪拌摩擦焊的技術特點、微觀組織、應用現狀等，以及攪拌摩擦焊在鋁基合金、鎂基合金、其他合金等方面的研究現狀加以闡述，最后對攪拌摩擦焊在焊接技術領域中的發展前景進行展望。

關鍵詞：攪拌摩擦焊；鋁基合金；鎂基合金；發展前景

引言

英國焊接研究所于1991年發明了攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding）[1]，其過程原理見圖1，它由插入工件接縫內部的攪拌針（Pin）和軸肩與被焊工件的摩擦產生的摩擦熱共同作用，使得被焊工件加熱至高溫塑性狀態，該溫度一般低于材料熔點，約為熔點的80-90%[2]。在高速旋轉的攪拌頭作用下，處于高溫塑性狀態的材料被擠壓和攪拌，從而繞著攪拌頭從攪拌后退側（RS）繞過探針到攪拌頭攪拌前進側（AS）的尾部[3]。自攪拌摩擦焊發明以來，國內外焊接學者對其進行了大量的實驗與研究[4]，國外關于攪拌摩擦焊（FSW）的研究比較前沿與深入，英、美等國正在進行鋅、鈦、低碳鋼以及復合材料等的攪拌摩擦焊（FSW）研究。國內關于攪拌摩擦焊（FSW）的研究發展呈現起步晚的現象，不過近幾年許多專業研究機構與部分研究院校得到了長足的發展。本文就目前攪拌摩擦焊的國內外研究現狀進行綜述，為有志于進行攪拌摩擦焊的相關人員提供參考信息。

圖1 攪拌摩擦焊過程原理示意圖

1 鋁及鋁合金攪拌摩擦焊技術研究現狀

鋁及鋁合金作為一類應用非常廣泛的有色金屬材料，若采用傳統熔焊方法焊接鋁及鋁合金會出現諸如焊接接頭性能較差、焊接接頭的斷裂韌度較低、產生熱裂紋的傾向性較大等很多無法避免的問題，而攪拌摩擦焊可以很大程度上改善或解決鋁及鋁合金熔焊時存在的上述問題，使其在鋁及鋁合金中有著很好的應用前景[5]。鋁及鋁合金攪拌摩擦焊的研究主要集中在焊接接頭微觀組織及力學性能方面[6]。對鋁及鋁基合金攪拌摩擦焊過程，尤其是鋁及鋁基合金焊縫金屬在攪拌摩擦焊過程中的塑性流動方面的研究還不夠深入。

1.1 鋁及鋁合金攪拌摩擦焊接頭微觀組織研究現狀

目前對攪拌摩擦焊接頭形成機理和焊縫的微觀組織的研究較多。Murr L[7]等對1100鋁合金在攪拌速度和焊接速度分別為400rpm和60mm/min進行了相關顯微組織研究，結果表明焊核區的主要組織特征是等軸晶。Rhodnev C G[8]等研究了7075鋁合金板攪拌摩擦焊，結果表明焊縫為典型的再結晶組織。趙衍華[9]等采用2014鋁合金進行攪拌摩擦焊對接焊，試板尺寸為250×100×8mm， 攪拌速度、焊接速度和攪拌頭傾角分別為400rpm、50mm/min、2°，其斷口組織形貌如圖2所示，焊核區位于接頭的中心，受到攪拌針強烈的攪拌和焊接熱循環的雙重作用下發生動態再結晶，形成細小的等軸晶。由于熱-機影響區的位置距離攪拌針較遠，受到攪拌針作用遠小于焊核區組織，因此，這部分材料最終呈現回復晶粒組織。熱影響區組織在焊接過程中僅僅受到熱循環作用，所以該區組織相對于母材稍微有粗化現象。軸肩影響區情況和焊核區類似，所以軸肩影響區最終組織也為細小的等軸晶[10]。

1.2 鋁及鋁合金攪拌摩擦焊接頭力學性能研究現狀

關于鋁及鋁合金攪拌摩擦焊接頭力學性能的研究，國內外出現了大量的參考文獻與理論成果，蘭州理工大學的一篇碩士學位論文就鋁合金的攪拌摩擦焊接工藝進行了較為深入全面的研究[10]，結果表明，轉速一定時焊速過高或過低，都會影響接頭強度。趙衍華[9]等進行的2014鋁合金進行攪拌摩擦焊對接焊，得出結論：焊接接頭的抗拉強度、抗彎強度大約相當于母材力學強度指標的70%～80%。國外學者也對鋁及鋁合金攪拌摩擦焊接頭力學性能進行了大量深入的研究，Y J Chao[11]等通過南卡羅萊納大學機械工程學院科研團隊的技術支持，采用分離式霍普金森壓桿系統（the split Hopkinson presure bar，簡稱SHPB）對AA2024-T3和AA7075-T7351兩種鋁合金進行相關力學性能測試。

2 鎂及鎂合金攪拌摩擦焊技術研究現狀

采用常規的焊接方法焊接鎂合金存在許多問題：焊縫及近焊縫區金屬易發生過熱和晶粒長大、在焊接過程中易引起較大的熱應力、焊件變形大、產生裂紋和晶粒間過燒的傾向大、焊接時還易生產氫氣孔等[12]。采用攪拌摩擦焊可以避免這些缺陷，但是相對于攪拌摩擦焊在鋁及鋁合金材料方面的研究，攪拌摩擦焊在鎂及鎂基合金方面的研究還不夠深入[13]。

張華[12]等采用AZ31鎂合金作為實驗材料，且提出應用攪拌頭旋轉速度R與焊接速度V的比值R/V作為評定參數，實驗得出結論：R/V值的大小與焊接接頭強度指標呈類似“高斯”分布的關系，即在一定范圍內，隨著R/V值的增大攪拌摩擦焊焊接接頭的抗拉強度增加，超過這個范圍，R/V值的增加反而會降低接頭強度，然后對實驗材料進行拉伸斷裂處理，進而進行斷口形貌掃描，顯示拉伸斷裂的位置為熱影響區，斷口機制為準解理斷裂和韌性斷裂的組合。由攪拌摩擦焊焊接鎂及鎂合金得到的接頭微觀組織與攪拌摩擦焊焊接鋁及鋁合金得到的接頭微觀組織及各區微觀組織的演變機理大體類似。

3 其他合金攪拌摩擦焊技術研究現狀

攪拌摩擦焊在鋁及鋁基合金方面應用于研究較為深入，也相應的得到了一些理論或實際的結果，攪拌摩擦焊在鎂合金方面的研究在不斷的探索與實踐過程中，同時由于工程上應用合金的多樣性，攪拌摩擦焊在其他合金方面的研究也都有涉及，如攪拌摩擦焊在不銹鋼、微合金鋼的應用研究等[14]，但這些研究尚不完善，得到的一些結論也處于質疑與待證階段。所以雖然攪拌摩擦焊在其他多種合金材料都有所涉及，但其研究尚待深入。

4 攪拌摩擦焊技術發展前景展望

作為革命性的綠色焊接技術，攪拌摩擦焊的出現對連接技術的發展產生了巨大的沖擊和推動[15]。攪拌摩擦焊（FSW）因其在鋁、鎂合金良好的可焊性，促使攪拌摩擦焊（FSW）自發明以來在鋁合金、鎂合金等傳統熔焊難以焊接成形的材料中得到了快速的推廣，鋁、鎂合金以及各種鋼材的攪拌摩擦焊（FSW）技術已被廣泛的應用于航天、航空、電氣、船舶、電子、汽車、核工業等領域，同時在高熔點材料焊接領域也獲得了一定的發展。研究、實踐表明攪拌摩擦焊（FSW）焊接技術已經能夠用來焊接多種有色金屬， 如鉛合金、鋅合金、鎂合金、銅及銅合金、鈦合金和鋁基復合材料等， 甚至能夠用于焊接黑色金屬，如鋼等。

隨著焊接設備的發展，可應用攪拌摩擦焊焊接的材料會更加廣泛，同時可通過工藝優化接頭性能，降低生產成本，而且容易實現自動化生產。攪拌摩擦焊加工技術最近在復合材料的制備、材料合成等方面也顯示出了良好的應用前景。展望攪拌摩擦焊這種高效、綠色的焊接技術將在今后的發展中得到更好的研究與應用。

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作者簡介：楊延廷（1991-），西南石油大學材料科學與工程學院材料科學與工程專業2010級在校學生。