攪拌摩擦連接技術應用及其過程作用力研究

左敦穩，張圣斌

(南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016)

攪拌摩擦連接技術應用及其過程作用力研究

左敦穩，張圣斌

(南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016)

攪拌摩擦連接是一種先進的連接技術，應用前景十分廣闊。在分析攪拌摩擦連接原理及特點的基礎上，介紹了該技術的應用及其作用力研究現狀，并以兩種鋁合金板材為對象，采用自制的八角環測力儀對攪拌摩擦連接過程中的三維作用力開展了實驗研究。分析了攪拌摩擦連接作用力在連接過程中的變化特點，得到了攪拌頭轉速、進給速度對穩定階段作用力的影響趨勢。

攪拌摩擦連接;應用;作用力

0 引言

攪拌摩擦連接(friction stir joining，FSJ)，通稱攪拌摩擦焊(friction stir welding，FSW)是由英國焊接研究所(TWI)于 1991年發明的一種新型固相連接技術[1]，被認為是世界焊接技術發展史上從發明到工業應用時間跨度最短、發展最快的一項連接新技術，被譽為繼激光焊接后最為革命性的連接方法[2-3]。FSJ 以其自身獨特的技術優勢，已經被廣泛用于多種材料的連接加工，尤其對導熱性高、焊接性較差的鎂合金、鋁合金等材料，其技術優勢更加突出。

FSJ技術自發明以來，一直受到國際學術界與工業界的高度重視。一方面，圍繞連接機理、連接區域的微觀組織結構、接頭強度及耐磨耐蝕性能等開展了廣泛的基礎研究，同時針對應用中的連接設備主機、專用工裝、攪拌頭以及工藝參數優化等也開展了較為系統的研究與開發工作。目前，世界上已有超過200家企業、研究院所等機構從英國TWI獲得了專利許可，圍繞該技術應用的各種專利已有2000多件。

在FSJ裝備設計以及連接品質控制過程中，攪拌頭與工件的相互作用力是個十分重要的基礎參數。一方面，它可以為裝備的強度和剛度設計提出依據，同時還可以為FSJ過程監測、應力及變形分析等提供基礎數據[4-6]。目前，還沒有用于計算作用力的理論公式，研究中需采用實驗與仿真相結合的方法獲得相關作用力數據。

1 FSJ的技術特點及應用

1.1 技術特點

FSJ過程中，旋轉的攪拌頭在一定的下壓量條件下扎入兩塊被連接板材的結合處，并以一定速度前進。工件材料在與軸肩和攪拌針接觸的區域受到摩擦和塑性變形的作用，而產生熱量并軟化；在攪拌針旋轉作用下，軟化的材料被擠壓變形產生流動，填充攪拌針后方所形成的空腔，從而將兩塊板材連接起來。其原理如圖1所示。

圖1 攪拌摩擦連接原理圖

研究表明，FSJ最佳條件下整個攪拌區域的溫度會低于工件材料的熔點溫度，與粉末冶金的溫度相近。因此，它不會在工件連接處產生“熔池”，也無需使用焊料，所以不同于傳統意義上的“焊接”，是一種固相連接方法。與需要熔化材料的“焊接”技術相比，FSJ具有以下特點：

1) 由于連接過程中沒有材料的熔化凝固過程，不產生凝固缺陷，連接熱影響區小，故接頭外觀美觀，性能優于一般焊接，且適于難焊材料的連接；

2) 連接產生的殘余應力與熱變形小，可以實現大型框類等復雜結構件的連接制造；

3) 連接過程中無煙塵、輻射、飛濺、弧光等有害物質產生，需要的總輸入能量低，節能環保，具有綠色制造技術屬性；

4) 連接板材的厚度范圍寬，前后處理簡單，100mm厚度范圍內不需要開坡口，一次連接成功，自動化程度高；

5) 攪拌頭與工件直接接觸并作相對運動，需克服很大阻力，尤其在高硬度高強度材料連接時攪拌頭磨損問題突出；

6) 連接過程中工件必須牢固夾緊，且不同形式的接縫需要專用的工裝夾具，故連接設備的通用性差。

以上特點中，前4點屬于優勢，而且非常突出，是FSJ技術迅速發展的關鍵原因。但第5點屬于劣勢，限制了FSJ在高硬度高強度材料連接中的應用。因此，FSJ技術目前主要應用于鋁合金、鎂合金、銅合金等低硬度材料的連接。

1.2FSJ技術的工業應用

FSJ技術的應用涉及到機床裝備、攪拌頭、工裝夾具以及工藝等多個方面，如圖2所示。對于不同的工件材料、板厚需要不同的攪拌頭和工藝參數；對于復雜的空間對接縫，則需要專用的工裝夾具和數控裝備等。通過自1991年發明以來20多年的發展，FSJ技術已經在航空、航天、船舶、軌道交通、汽車等行業獲得了成功應用，是目前最引人注目和最具開發潛力的連接技術之一，如圖3所示。

圖2 FSJ應用關鍵技術

圖3 FSJ技術主要應用領域

在航空航天領域，美國波音公司與TWI合作，將FSJ技術成功應用于1999年發射的Delta II型火箭中間艙段制造中。其中，接頭強度提高了30%～50%，制造成本下降了60%。歐洲Fokker公司將FSJ技術用于阿里安5發動機主承力框的制造中代替傳統的螺栓連接，不僅為零部件裝配提供了較大的空間裕度，而且減輕了整機質量。FSJ技術在火箭貯箱環縫連接中也得到很好應用，如美國的波音公司、NASA，還有日本等均開發成功了用于貯箱環縫制造的FSJ技術。特別值得一提的是，對用于航空航天的多種型號的不可焊高強鋁合金，如2000系列(Al-Cu)、5000系列(Al-Mg)、6000系列(Al-Mg-Si)、7000系列(Al-Zn)、8000系列(Al-Li)等，采用FSJ技術均可以獲得較高的連接品質，并滿足實際使用要求[7]。

造船業也是最早采用FSJ技術的行業之一。1995年，挪威Hydro Marine公司就將FSJ技術應用于雙體快艇和巡航班輪等結構件的制造，包括鋁板、殼體、船艙壁部位、直升機起降平臺等的制造。1996年，SLM日本公司利用FSJ技術實現了船舶夾層結構件和海水防護壁板的制造。2000年，澳大利亞將FSJ技術應用于輕型高速海洋游船的曲面壁板的連接，船體材料是厚度為5mm的5038-H321鋁合金板材。

FSJ技術還在汽車、輕軌、地鐵、快速列車和高速列車等車輛制造中得到了很好應用。日本日立公司開發成功用于地鐵車輛制造的單層和雙層擠壓件的FSJ連接技術；住友公司生產的FSJ連接地板已用于日本新干線車輛的制造，車輛時速可達285km/h，品質完全達到高速列車的技術要求。法國的Alstom公司和丹麥的DanStir公司也在車輛部件制造中成功應用FSJ技術。

2002年4月18日，北京航空制造工程研究所(BAMTRI)與英國TWI在北京正式簽署攪拌摩擦焊專利許可協議，成立了中國攪拌摩擦焊中心，標志著FSJ技術正式進入中國。目前，國內已具備各種規格型號FSJ設備的設計制造能力，在大飛機、火箭、雷達、高速列車、地鐵、船舶等研制生產中均獲得了應用。北京航空制造工程研究所、哈爾濱工業大學、南昌航空大學、西北工業大學、大連鐵道學院、上海交通大學、清華大學、中南大學、蘭州理工大學、南京航空航天大學等多家單位都擁有穩定的FSJ技術研究團隊。隨著研究和開發工作的進一步深入，FSJ技術必將在我國得到更加廣泛的應用。

2 FSJ過程作用力研究

2.1 研究現狀

FSJ過程中，運動的攪拌頭進入工件內部，從而與工件材料之間產生摩擦和擠壓變形作用。摩擦力與彈塑性變形抗力的合力成為FSJ作用力。作用力的大小一方面反映出連接過程中攪拌區域摩擦生熱的高低以及該區域材料變形流動的程度，另一方面會引起機床主軸、攪拌頭、夾具以及工件的變形，從而對連接過程產生直接影響。因此，開展對FSJ作用力的研究具有十分重要意義。

Johnson等[8]采用Kistler 9124型測力儀對FSJ作用力開展了較早的實驗研究，針對不同的連接參數和攪拌頭形狀，分別對6082-T6，5083-H111，2014-T6和7075-T7351等鋁合金FSJ過程中的下壓力、扭矩等進行了測試分析。結果表明：下壓力隨著下壓量的增加而增大；扭矩隨著攪拌頭轉速的增加明顯變大，但是與進給速度幾乎無關；攪拌頭軸肩尺寸的大小對于連接扭矩的影響，比攪拌針尺寸更為顯著。Carl等[9]實驗研究了攪拌針長度對下壓力以及攪拌頭附近應力場的影響。結果表明：下壓力隨著攪拌針長度的增加而增加最終達到一個臨界值，在臨界值以下作用力較為穩；攪拌頭軸肩對下壓力的貢獻超過50%以上；攪拌針周圍作用力的分布，隨著距離攪拌頭軸肩距離的變化呈線性關系。Kumar等[10]通過改變待連接試件表面與攪拌頭軸線之間的角度，使得連接時下壓力發生變化，從而研究下壓力對接頭強度的影響。結果表明：FSJ下壓力存在一個最佳值，此時接頭內部沒有出現缺陷，其抗拉強度達到最大值。

在國內，張昭等[11]利用有限元方法模擬了FSJ過程中不同連接參數下攪拌頭的受力情況。結果表明：連接過程中攪拌頭上的最大應力產生在攪拌針前進側靠接縫中心的接觸點附近，并且隨著進給速度的增加而增加，隨轉速的增加而減小。胡禮木等[12]利用壓力傳感器對攪拌頭受到的徑向力進行了動態檢測，對影響其變化的因素進行了分析研究。結果表明：徑向力經歷了先急劇上升，再迅速下降，最后達到相對穩定的階段；在其他參數不變的情況下，隨著攪拌頭轉速的增加徑向力會有所下降；隨著進給速度的提高，峰值力將大幅度提高，而穩態阻力變化不大，達到穩態阻力的時間會有所延長。王希靖等[13]研究了連接工藝參數對下壓力的影響。結果表明：當進給速度一定時，下壓力隨著轉速的增加而減小；整個連接過程中，攪拌頭軸肩與工件剛接觸時，下壓力達到最大值；攪拌頭的旋轉速度、下壓量和下壓速度對下壓力的影響較大。南京航空航天大學與北京航空制造工程研究所合作，在國內率先開展了多種高強鋁合金FSJ三維作用力的研究工作[14]。

2.2 作用力的測試及特點分析

為了實驗研究FSJ過程中的三維作用力，作者自行研制了應變片式八角環測力儀。測力儀由4個八角環及上下底板組成，八角環分兩組互相垂直安置，如圖4所示。測力實驗中，工件固定在測力儀上底板上，如圖5所示。實驗過程中作用力通過八角環轉變為電壓信號，再通過數據采集卡由計算機自動采集處理。

圖4 八角環測力儀

圖5 測力實驗

所使用的工件材料為2024和7072兩種鋁合金，其厚度有3.2mm，6mm，10mm等三種。采用的下壓量均為0.3mm，攪拌頭轉速ω的范圍為200～1400r/min，進給速度v的范圍為40～400mm/min。得到的典型三維作用力曲線如圖6、圖7所示。圖中，x方向表示進給抗力，y方向表示側向力，z方向表示下壓力。其中，圖6代表連接過程正常、平穩，連接過程中未出現異常情況；而圖7所對應的連接過程中，均出現了異常情況。其中，圖7(a)的實驗結束后發現工件底部沒有放平，一端下面有金屬屑，相當于工件有一端低而另一端高。因此，在連接過程中相當于下壓量逐漸增大，從而引起下壓力逐漸增大。圖7(b)的實驗中，由于板材較厚作用力很大，超過了工件一端的夾緊力，因此出現了兩塊待連接板材被攪拌頭撐開間隙，最終導致作用力逐漸下降。此時接頭的強度很低，連接失敗。

圖6 正常連接時作用力曲線(3.2 mm厚2024鋁合金，ω/v = 500/300)

(a)6 mm厚2024鋁合金，ω/v = 400/100

(b)10 mm厚7022鋁合金，ω/v= 600/80圖7 連接出現異常時作用力曲線

由圖6可知，正常連接過程中的作用力曲線表現出一定的特點，可將其劃分為以下4個階段：

1) S1階段：即攪拌針和軸肩旋轉壓入工件階段，在此過程中下壓力隨著攪拌針的旋入不斷增大，進給力和側向力相對于下壓力波動較小。

2) S2階段：沿x方向進給前的短暫停頓階段，這時隨著攪拌頭的旋轉，材料溫度快速升高并發生塑性軟化，下壓力逐漸減小，進給力和側向力在該階段結束時產生拐點。

3) S3階段：穩定連接階段，三向力處于相對穩定狀態，波動均較小。在討論作用力影響因素時一般采用該階段的平均值。

4) S4階段：連接完成階段，連接快完成時，攪拌頭停止進給并緩慢上升，進給力突降為0，側向力和下壓力也逐漸降低到0。

2.3 攪拌頭轉速與進給速度的影響

通過上一節分析可知，在穩定連接階段，作用力的三個分量均比較平穩，波動相對較小。以下對這一階段作用力的平均值進行分析，研究攪拌頭轉速以及進給速度改變后對作用力產生的影響。

圖8表示2024和7022兩種鋁合金板材在不同條件下三向作用力隨攪拌頭進給速度的變化趨勢。其中，圖8(a)表示攪拌頭轉速為1000r/min時3.2mm厚2024鋁合金板材的連接作用力，而圖8(b)表示攪拌頭轉速為400r/min時10mm厚7022鋁合金板材的連接作用力。

圖8 進給速度對作用力的影響

由圖8可知，從絕對值看，下壓力(z方向)最大，且高出其它兩個分量很多；進給力(x方向)次之，稍大于側向力(y方向)。同時板厚的增加會引起作用力急劇增大。雖然所連接材料與轉速均不相同，但在攪拌頭轉速一定的條件下，隨著進給速度的提高，三個方向的作用力均呈現逐漸增大趨勢。其中，y方向由于是負值，所以從圖中表現出的是逐漸“下降”，但實質還是反映出側向力逐漸增大。進給速度的提高意味著單位時間內攪拌頭需要“攪拌”更多的工件材料，因此攪拌頭與工件相互間摩擦與彈塑性變形抗力也會增大，從而最終導致三向作用力均呈增大趨勢。

攪拌頭轉速對作用力的影響如圖9所示，其中圖9(a)表示進給速度為400mm/min時3.2mm厚2024鋁合金板材的連接作用力，而圖9(b)表示進給速度為100mm/min時6mm厚7022鋁合金板材的連接作用力。

圖9 轉速對作用力的影響

由圖9可知，當進給速度一定時，隨著攪拌頭轉速的增加，下壓力會呈現下降趨勢，而進給力與側向力變化較小。在固定進給速度條件下提高攪拌頭轉速，意味著攪拌頭單位時間內與攪拌區域材料的相互摩擦及擠壓次數增加，會引起作用力上升。但同時，由于摩擦及擠壓加劇，從而產生大量的熱量，引起攪拌區域溫度升高[15]。溫度的升高會引起材料的軟化，從而起到降低變形抗力的作用，所以會導致作用力下降。作用力測試結果表明，溫度的作用最終占據了主導作用。如果此時進一步提高轉速，會引起工件連接處溫度過高，反而使連接品質下降。通過提高進給速度可以改善散熱條件，在輸入熱量相同的情況下，可以使溫度得到下降。因此，攪拌頭的轉速需要與進給速度進行匹配；只有在兩者合理匹配的條件下，才能獲得最佳的連接品質。

3 結語

攪拌摩擦連接技術是一種不需要“熔化”材料的固相連接方法。由于其突出的優點，自發明之日起便引起了世界學術界和產業界的高度關注，從而得到了飛速發展。在我國，隨著工業技術的快速發展，為滿足高端制造的需要，FSJ技術已經在航空、航天、軌道交通等領域得到了成功應用。它不僅可以獲得很好的連接完整性、連接品質高，而且解決了焊接過程中的有害排放問題，具有綠色制造屬性。因此，其應用領域一定會越來越廣泛。

由于FSJ技術還比較年輕，在基礎研究、裝備設計制造、工藝及應用等方面還有很多工作需要繼續開展深入系統的研究工作；在FSJ技術的高速化、微細化以及在異種、高強度材料連接應用等方面仍有很多難題需要攻克。隨著研究開發工作的不斷深入，FSJ技術必將在推動我國高端制造技術進步中更好地發揮其強大的優勢。

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Study on Its Application and Forces During Friction Stir Joining

ZUO Dun-wen, ZHANG Sheng-bin

(College of Mechanical & Electrical Engineering, Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, Nanjing 210016, China)

Friction Stir Joining (FSJ) is a type of advanced joining technology with broad application prospects. In this paper, after analyzing the principle and characteristics of FSJ, its application and the study on the processing forces are introduced. Then, a self-developed octagonal ring type dynamometer is used to investigate the 3-dimensional forces experimentally, where two types of Al alloy plates are used as workpiece. The force variation during the FSJ process is discussed, and the effects of the rotation and the feed rate of the stir tool are made clear in the stable stage.

friction stir joining; application;processing force

國家自然科學基金資助項目(No.51175255)

左敦穩(1962-)，男，安徽廬江人，博士，南京航空航天大學機電學院教授，博士生導師，兼任中國刀具協會切削先進技術研究分會學術委員會主任，享受國務院政府特殊津貼，國防工業“511人才工程”學術技術帶頭人，江蘇省“青藍工程”新世紀學術帶頭人。獲國家科技進步二等獎1項，省部科技進步獎11項；獲國家發明專利授權40余件；發表學術論文300余篇。主要研究方向為切削加工、材料加工、超硬涂層與刀具等。 張圣斌(1988-)，男，山東萊蕪人，南京航空航天大學機電學院博士研究生，主要研究方向為連接技術、超硬涂層等。

TG4

A

1671-5276(2014)02-0001-05

2013-01-17