王 耀

(山西機電職業技術學院材料工程系， 山西 長治 046011)

攪拌摩擦焊技術FSW 是英國焊接研究所（TWI）于1991年發明的材料固相連接新技術[1]。攪拌摩擦焊（FSW）相比鎢極惰性氣體保護焊（TIG）和熔化極惰性氣體保護焊（MAG）工序較為簡單，焊接前不需要特殊處理，焊時不需要焊接材料和保護氣，并且焊后無需重新加工焊縫，其原理是使用旋轉攪拌頭插入待焊接的工件中，經摩擦工件塑性變形的熱效應會導致焊接工件的溫度升高發生熱變形，并通過行進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、軌道交通裝備等領域具有廣闊的應用前景[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[4-5]。本文總結了鋁合金同種及異種材料的FSW、FSP 改性及復合材料制備研究現狀。

1 FSW 工藝參數

FSW 裝備中攪拌頭是攪拌摩擦焊的關鍵因素，它直接影響材料流動及熱量。D.G.Hattingh[7]針對攪拌頭形狀對焊接過程的影響進行了研究，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，具備這些特點的攪拌頭較為合理。Shanavas 等[8]使用中心組合設計響應面方法進行優化AA5052-H32 鋁板FSW 工藝，使用方錐形攪拌頭，焊接速度65 mm/min、轉速600 r/min、傾角1.5°時，最佳焊接效率為93.51%。方差分析表明，測試數據和預測模型吻合良好。

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

攪拌頭轉速、焊接速度是FSW 研究中涉及的重要工藝參數。圍繞攪拌頭的材料隨著旋轉攪拌、混合，攪動的材料由于攪拌頭移動從前向后移動，完成焊接。高旋轉速度產生較高的溫度，導致材料更劇烈的攪動和混合。熱量輸入由攪拌頭與工件的摩擦決定，因摩擦系數會隨著旋轉轉速的增加而變化，在一定范圍內，增加轉速度熱量增加。但不會隨著轉速增加而單調增大。目前，經大量研究已基本清楚了FSW 焊接工藝參數對焊接接頭的影響，工藝參數主要通過對熱輸入、晶粒尺寸、作用力對焊接接頭成形產生影響。

2 傳熱及流動模型

FSW/FSP 導致焊縫區材料劇烈的塑性變形和溫度的升高。這會導致顯著的微觀結構的演變，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，和織構的發生。FSW/FSP 過程中機械和熱過程的理解對優化工藝參數和控制焊縫的微觀結構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。結果顯示，軸肩是影響產生熱量多少的主要因素。Mahoney 等人對厚度6.35 mm 的7075-T651鋁合金板進行了FSW 焊接試驗，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℃，距熔核區越遠溫度越低，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 鋁合金薄板進行試驗，通過ANSYS 建立雙熱源三維有限元模型，分析了焊接速度、攪拌頭轉速對殘余應力和溫度場的影響規律。表明焊接速度不變時，殘余應力隨轉速提升呈現先增后減的趨勢，殘余應力隨攪拌頭轉速增大分布趨于均勻；當攪拌頭轉速不變時，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生。從大量的實驗研究和工藝模型，可以得到以下結論：

1）焊接過程最高溫度低于母材熔點。

2）軸肩對熱量的產生有決定性的影響。

3）焊速和轉速共同影響了焊接峰值溫度。

4）最大溫度的增加發生在焊縫的頂部。

2.2 金屬流動

FSW 過程中，攪拌頭形狀、焊接工藝參數和母材眾多因素的影響，焊接區材料的流動非常復雜。在實際生產中，了解材料流動特征是非常重要的，這有助于攪拌頭優化和獲得質量良好的焊接接頭。Chen使用斷針技術研究了螺紋針與剪切層作用，焊核呈現帶狀結構。Arbegast 指出攪拌摩擦焊過程中組織結構和流動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算了鋁合金2524 的應變和應變速率，發現焊縫組織和性能受應變和應變速率影響。Huang 等使用銅箔作為標志材料對6082-T6 焊接過程中的材料流動行為進行了可視化研究，發現熔核的形狀發生改變，過多的材料流動是影響焊接接頭的關鍵。總之，攪拌頭形狀，焊接參數（轉速和轉向，焊速，下壓量，傾角），材料種類，工件溫度均會影響材料的流動等，所以在FSW 焊接過程中材料的流動是復雜的，目前對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性能、殘余應力、耐腐蝕性這幾方面進行研究。一些研究人員發現沉淀硬化鋁合金焊縫中心區域會出現軟化現象，Hakan Aydin 等人通過攪拌摩擦焊接2024 鋁合金試驗研究焊縫的硬度規律，最小硬度值出現在熱影響區，近母材處、焊核區硬度較高，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，發現接頭疲勞性能對焊縫、熔合區、熱影響區三區組織結構非常敏感。在疲勞強度方面，5083-O 和7075-T6 和母材接近，而1050-O 和6061-T6 小于母材。1050-O、7075-T6 在熱力影響區和熱影響區之間產生疲勞斷裂，5083-O 在母材處產生疲勞斷裂，6061-T6 在熱力影響區或熱影響區產生疲勞斷裂。王忠保等通過拉伸試驗，利用DIC 方法研究了鋁合金6061-T4（FSW）T 型接頭的力學性能。發現熱影響區材料軟化、材料兩側強度差異較大，焊縫中存在弱連接缺陷，在載荷作用下該處的裂紋由于應力集中導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。相關文獻指出，硬和軟兩種鋁合金焊接時，因硬度的不對稱性，鋁合金擺放位置會對材料流動、接頭質量產生影響且會降低焊接效率。Lederich 等人的研究顯示當焊接異種合金2024Al/D357 時，將強度高的2024 置于前進側可獲得質量較好的接頭。P.Cavaliere 等利用FSW 焊接了6082 和2024 異種鋁合金，結果表明，當焊接速度增加，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度和疲勞強度最佳。通過攪拌摩擦焊，可獲得疲勞性能好、殘余應力小的的焊接接頭。雖然有些斷裂發生在焊縫區，并非缺陷是導致為了避免斷裂，而是因材料不均勻。這就需要合理設計攪拌頭、優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 工藝優化及組織與性能等有待進一步研究。

5 FSP 技術及應用

FSP 是一種固態處理技術，是制備表層金屬基復合材料的有效方法，在材料改性和加工制造領域中有較大應用前景。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。表面復合層成型的關鍵因素是攪拌頭形狀、轉速、焊速、復合層厚度，其中硬顆粒會對攪拌頭產生較大磨損，Nelson 用硬度大于52 的工具鋼對復合材料6061Al B4C 進行焊接，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）下攪拌摩擦點焊（FSSW）性能的變化，攪拌頭為三角形時，組織得以細化，其焊點抗拉強度是圓柱形的兩倍。B.Zahmatkesh 等人研究了經FSP 處理后Al2024-T4 合金表面處組織結構和耐磨性，經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為表面強化的納米復合材料，強化顆粒均勻分布在厚度范圍600μm 內的基體表面上且連接牢固，復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均降低。通過FSP 攪拌摩擦處理技術，可細化組織獲得超塑性，但伴隨晶粒尺寸的進一步細化強化顆粒粗化，所以合金的超塑性并不能進一步提升。

6 結語

目前，攪拌摩擦焊技術（FSW），已經廣泛應用在很多工業領域。在攪拌摩擦焊（FSW）焊接的研究過程中，需要綜合考慮基礎理論、組織結構、材料性能的知識，通過智能過程控制模型的建立，得到消除缺陷、結構上合理與質量良好的焊接接頭。摩擦系數、攪拌頭和工件的滑動狀態、工件表面的熱傳遞系數、工件和攪拌頭的溫度分布、模型的非牛頓粘度計算值等均是攪拌摩擦焊中的影響因素，所以通過基礎理論的研究，獲得組織與性能良好的焊接接頭仍然具有重要價值，所以關于攪拌摩擦焊的技術也有待進一步研究。