攪拌摩擦孔道加工技術發展及應用展望

馮杏梅

摘要：攪拌摩擦孔道加工技術（FSCP）是一種直接在鋁合金材料上加工成形內部通道的固相加工專利技術，可用于結構減重及內部液體流道成形等。介紹了FSCP技術專利的技術進展及英國焊接研究所采用靜軸肩FSC技術制備鋁合金液冷流道的加工技術原理及應用問題，通過分析焊接過程及X射線斷層掃描檢測表明：攪拌工具形狀及攪拌工具旋轉速度、焊接前進速度、軸向力等工藝因素是影響液冷通道成形的關鍵工藝因素，攪拌摩擦加工過程中攪拌工具對金屬的攪拌、擠壓及塑化流動使回退側金屬的截面呈現參差不齊的界面形狀。

關鍵詞：攪拌摩擦孔道加工;固相加工;加工工藝參數;鋁合金通道冷板;靜軸肩FSC技術

中圖分類號：TG453+.9文獻標志碼：A文章編號：1001-2303（2020）04-0024-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.04.03

0 前言

攪拌摩擦孔道加工技術（簡稱FSCP）是在攪拌摩擦焊（FSW）基礎上發展的一項衍生技術，是一種在鋁合金材料上制造通道的高效加工技術。攪拌摩擦焊加工過程中當焊接參數不當時，在焊縫中可能出現孔洞缺陷，如圖1所示，當孔洞缺陷沿著焊縫走向一直分布時便在工件內部中形成了連續隧道，在攪拌摩擦焊隧道缺陷的啟發下，美國密蘇里大學Mishra R. S.博士于2005年提出了首個FSCP技術專利[1]。

FSCP技術是采用一種特制的旋轉攪拌工具插入工件表面，通過高速旋轉將內部材料導出，同時將流道上部的金屬焊合封閉，在工件內部形成具有一定軌跡的連續通道，圖2為在板材及圓管上制造的通道示意，該技術可用于結構內部減重、內部布線孔道制造及內部液冷流道的快速成形。

FSCP被提議作為緊湊型換熱器行業中使用的通道制造工藝[2-4]。在汽車和航空航天工業中，緊湊、輕量化的冷卻系統是必不可少的，而高集成度和高熱流密度的電子工業需要更高的傳熱途徑[5]，微型通道散熱提供了更高的表面積體積比，從而提高了傳熱速率，采用微型攪拌工具，根據結構要求編程設定軌跡，一次性實現微通道成型?？梢钥闯?，相比機加工再焊接的傳統工藝，采用FSCP技術制造微型冷卻通道更具加工柔性，效率更高。

1 攪拌摩擦孔道加工技術原理及其專利發展狀況

攪拌摩擦孔道加工技術屬于金屬固相加工技術，其原理如圖3所示。采用一個內凹形狀軸肩及帶有螺旋線的柱狀探針的攪拌頭插入工件內部，攪拌工具沿著一定的路徑高速旋轉行進，通過左手螺紋的反時針運動或右手螺紋的順時針運動，加工過程中工件內部的塑性金屬順著攪拌頭的螺紋向上運動并從工件內部被排除，同時焊合封閉上端金屬，一次性在工件內部形成一定形狀的內部通道。在此過程中，向前移動的旋轉刀具使材料變形，使材料沿前緣從前進側（AS）移動，并在刀具背面形成空腔。沿刀具后緣的空腔由回退側（RS）沿刀具周邊的材料流填充[6-10]。在垂直方向上也有物料流動，物料在刀具前緣附近向上移動，在刀具后緣附近向下移動。

被加工金屬被加工區域金屬流動及攪拌摩擦孔道宏觀截面示意如圖4所示，其中虛線表示孔道加工過程中材料的流動路徑，與攪拌摩擦焊技術相似，FSCP接頭材料也分為A、B、C、D四個區，B區域中金屬的晶格方向及流向方向相比母材A區中沒有顯著變化，C、D區域的金屬在攪動過程中材料的晶粒及塑性方向發生了顯著的變化。

2005年最初的FSCP技術專利示意如圖5所示，軸肩與工件上表面之間須保持一定的間隙，非消耗性的攪拌工具沿著一定的路徑高速旋轉行進，工件內部的塑性金屬隨著攪拌頭的螺紋向上運動，填滿內凹形狀的軸肩間隙，因此加工后的工件厚度因內部金屬的向上引出及堆積是高于原始金屬厚度的。

2011年的FSCP技術專利[11]示意如圖6所示，經過進一步的研究和工具改進，改進后的專利增加了攪拌工具對擠出材料的流動控制，攪拌工具的軸肩與工件頂面之間保持緊密壓緊狀態，加工過程中從工件內部導出的塑性金屬以飛邊形式從軸肩周圍被擠出并自動脫離工件表面，加工后工件表面與原始金屬厚度相同，無向上的金屬堆積高度。

2018年英國焊接研究所TWI將靜軸肩技術應用于FSCP并申請了新的FSC技術專利[12]，其主要的改進是采用沿工件表面滑動的軸肩及特制的金屬導出裝置（見圖7），將攪拌、塑化后的金屬向上擠壓并從焊接裝置的特定導出孔擠出形成柱狀線材，靜軸肩技術沒有表面飛邊及表面旋轉波紋，加工后的工件表面光滑平整，如圖8所示。

2 攪拌摩擦通道形狀及工藝影響因素

攪拌摩擦通道剖面形狀如圖9所示，通道幾何形狀的形狀參數有a、b、c、φ。

相比于攪拌摩擦焊，影響孔道成形的工藝因素更加復雜，其中主要的影響因素有攪拌工具形狀（軸肩形狀及攪拌針螺紋距離、長度）、前進速度、旋轉速度及過程中的軸向垂直壓力等。其中重點介紹加工工具形狀、旋轉速度、前進速度及軸向力對孔道成形形狀的影響。

2.2.1 加工工具形狀對孔道成形形狀的影響

加工工具的形狀是攪拌摩擦孔道成型工藝的核心。加工工具的軸肩和攪拌針一般做成分體結構，軸肩與材料面緊密接觸為上部金屬層的焊接閉合提供摩擦熱量使金屬塑化并控制表面成型，軸肩的上方設計出內凹的漩渦螺旋線，驅動下方移動金屬的導出和分離;攪拌針的形狀、長度及螺距決定了制造流道的形狀、深度及金屬的移除量。圓柱螺紋和錐形螺紋攪拌針成形的隧道形狀如圖10所示，攪拌針的直徑基本與圖9中通道的c值一致。

相比于軸肩形狀和攪拌針形狀，兩者合理的組合可以改善RS側參差不齊的現象及AS側的垂直度。

攪拌針的長度顯著影響加工工藝參數的窗口范圍，較長的攪拌針長度導致窄的加工工藝窗口，較短的針長減少了加工過程中塑化金屬的數量，保證了攪拌針的力學穩定性和機械強度;另外較長的攪拌針使設備加工過程中產生有害震動。

2.2.2 加工工具的旋轉速度及前進速度對通道成形形狀的影響

如圖11所示，a、b兩列試件剖面顯示在相同的加工工具形狀、軸向壓力及旋轉速度條件下，隨著攪拌工具前進速度的增加，從內部導出的金屬量減少，形成的通道面積減小，攪拌針從底部剪切推動材料的作用增強，孔道頂部厚度a值增加，上部閉合金屬的空洞缺陷減少，前進側AS垂直度變差。

如圖11所示，b、c兩列試件剖面顯示在相同的工具形狀、軸向壓力及前進速度下，隨著旋轉速度的增加，孔道內腔導出金屬量增加，孔道面積增加，孔道頂部厚度a值減少，上部閉合金屬中的空洞缺陷增加。

試驗表明，加工過程中加工工具的前進速度和旋轉速度影響著塑化金屬的流動狀況和產熱，從而影響著孔道的成型面積、上部的閉合深度及回退RS側的剖面形狀，受攪拌工具螺紋形狀的影響，孔道的RS側界面多呈現參差不齊的形狀，AS側界面呈現較光滑的形狀;孔道面積的變化與工具的前進速度及旋轉速度變化并非線性關系，在一定的參數下有一個最大值[13]。

2.2.3 軸向垂直力

試驗表明，攪拌摩擦孔道加工過程對軸向垂直力非常敏感，在相同的工藝條件下，極小的軸向力變化會帶來孔道面積及孔道形狀的整體性變化。文獻[13]介紹當軸向力從1.5 kN變化到2 kN時，通道RS側金屬的界面形狀、垂直度發生極大的變化，這可能是由于高的軸向壓力使得軸肩螺旋線壓入工件較深，導致加工過程中上部金屬過熱和材料向下沉積，而低的軸向壓力無法提供上部金屬閉合的壓緊力和使金屬足夠塑化的熱量，因此軸向力也是加工過程的關鍵參數之一。

3 攪拌摩擦孔道加工技術在冷板結構上的應用展望及存在問題分析

FSCP技術可以在板材及柱狀材料內部一次加工出連續的通道，采用該技術可應用于電子結構鋁合金流道冷板的制造，對比目前的鋁合金液冷冷板的攪拌摩擦焊加工工藝（見圖12），FSCP技術無需分別加工出冷板底板與蓋板，零件的加工費用和材料消耗大幅下降，制造效率顯著提升。

經過幾輪專利的推進，FSCP技術已從初步原理設計走向試驗研究階段，圖 13為TWI采用靜軸肩FSCP技術加工出的鋁合金冷板試驗件，通過X射線斷層掃描顯示了冷板通道的截面形狀及流道分布。由圖13可知，孔道的截面形狀基本一致，AS側的側壁界面平整光滑，RS側側壁呈凸凹不規則形狀，收尾位置有退出孔。

目前采用FSCP技術已經可以實現鋁合金內部通道的初步制造，但距離鋁合金冷板尤其是微孔道鋁合金冷板工程化制造還有一定的距離，主要存在以下問題：

（1）需要通過大量的試驗研究攪拌工具形狀、工藝參數與通道形狀的對應規律，掌握通道設計與攪拌工具選用規范以及加工工藝規范的對應關系。

（2）由于孔道一次成型，其內部表面無法加工，RS側界面成形精度仍需進一步優化，以實現RS側界面光滑成形，保證流道散熱的對稱性。

（3）與攪拌摩擦焊相似，伴隨著加工過程中溫度場的差異，通道內部金屬各質點的金屬的塑性流動存在隨機性，造成不同位置金屬的結合力不盡相同，尤其是回退側不規則界面的突出尖端金屬的脫落會造成流道多余物的隱患。

（4）加工退出孔位置布局及后處理工藝是實現冷板結構完整性及密封性的重要保障。

4 結論

（1）攪拌摩擦孔道加工技術起源于攪拌摩擦焊技術的隧道缺陷，可直接在一整塊實體材料上制造出連續、完整的內部通道。攪拌摩擦孔道加工過程同時控制孔道金屬的導出和孔道上端金屬的焊合，成為更高效的冷板通道制造新技術，在航空航天、電子等行業具有廣闊的應用前景。

（2）英國焊接研究所發明的靜軸肩攪拌摩擦孔道加工專利裝置已將攪拌摩擦孔道加工技術從原理設計跨入試驗研究階段，攪拌工具形狀、軸向力及焊接工藝參數對通道成形起到至關重要的影響。

（3）目前攪拌摩擦孔道加工技術的研究重點是提高工藝成熟度，為制造出完整、對稱的冷板通道打下工藝基礎，不斷推進FSCP工藝技術的工程化應用。

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