攪拌摩擦釬焊（FSB）新工藝及其在Al/Ti搭接焊與Al/Fe復合管制備中的應用

張貴鋒，楊小輝，趙歡，石盛

西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室焊接與涂層研究所 陜西西安 710049

1 釬焊新方法發展概述

釬焊主要用于大面積搭接、工件厚度與尺寸過大或過小、母材易于熱裂或冷裂、異種金屬、先進材料等電弧焊無法勝任的焊接工況；釬焊界面冶金的核心是去膜、潤濕（決定致密性）、適度合金化（決定界面相與釬縫組織）；其接頭設計常采用搭接或套接形式以增大承載面積；接頭性能受控于界面反應優劣（組織因素）與熱應力（力學因素）。釬焊方法通常以加熱方式命名。在釬焊熱源發展方面，有采用電弧熱源的電弧釬焊（如MIG-Brazing）與采用光能的激光釬焊（Laser-brazing）等。

自2000年以來，釬焊方法也出現了若干行之有效的新方法，主要有：①2005年報道的熔-釬焊（Welding-brazing）。②2007年報道的超聲波輔助的釬焊與液相擴散焊（Ultrasonic-assisted Brazing/Transient Liquid Phase Bonding）。③2011年報道的攪拌摩擦釬焊（FSB：Friction Stir Brazing/Soldering）。其中前者是由德國研究人員首先報道，后兩種是我國研究人員發明的新型焊接方法。在上述釬焊改進方法中，其目的、應用場合、難點有所不同。

1.1 熔-釬焊

2005年，德國H. Laukant（University of Bayreuth）與奧迪（Audi）公司合作，在單邊加熱激光焊（另一側母材靠熱傳導）的基礎上，最早提出了激光熔-釬焊方法（LWB：Laser Weldingbrazing Process）：采用Zn-2Al焊絲，用LWB工藝焊接0.9mm厚鍍鋅鋼板與1.1mm厚鋁板（AA6016）的搭接角焊縫與雙卷邊法蘭對接焊縫[1]。國內哈爾濱焊接研究所林尚揚院士課題組的雷振、秦國梁等較早關注到此技術動態并開展研究[2，3]。最近，在熱源改進方面，陳樹海將熔-釬焊與CMT結合起來，可進一步降低對熔池的熱輸入[4]；在母材拓展方面，張林杰等將熔-釬焊用于難熔金屬Mo（熔點2623℃）的焊接：對Mo/304L異種金屬組合，證明了添加0.03mm厚Ni箔的LWB比無添加直接LWB（同時激光斑點移向SUS一側0.1mm），接頭抗拉強度可由110MPa大幅提高到280MPa[5]。

熔-釬焊用于兩種熔點相差較大的異種金屬的對接或角焊縫搭接，其目的是為了抑制異種金屬焊接熔池結晶后出現過量金屬間化合物脆性相，途徑是通過優化加熱位置與溫度場分布僅熔化低熔點母材而不熔化高熔點母材。熔-釬焊利用異種金屬母材熔點的差異，通過適當調整熱源位置，形成非對稱加熱使低熔點母材一側熔化獲得了熔焊界面，同時在高熔點母材一側因高熔點母材保持固相而獲得釬焊界面。

熔-釬焊的難點在于如何確保釬焊一側界面的潤濕性，常需配套使用合適的釬劑來改善低熔點液態母材對高熔點母材的潤濕性，或者采用預鍍、預覆層處理后的母材。尤其是熱輸入更低的CMT熔-釬焊在異種金屬“薄板”（如Al/Fe）的焊接方面潛力更大。

1.2 超聲波輔助釬焊與超聲波輔助液相擴散焊

超聲波輔助釬焊是由哈爾濱工業大學閆久春教授于2007—2009年發明的，該方法獲得了國內與美國專利授權[6-9]。超聲波輔助釬焊具有大氣環境下施焊、母材熔解明顯、界面潤濕性改進明顯、施振時間與保溫時間短暫的優點。特別在軟釬焊方面，突破了釬劑化學反應去膜和真空環境防氧化的條件限制，尤為適用于潤濕性差的母材以及復雜結構件的精密焊接。

施加超聲波振動的目的是為了改善在大氣環境下釬焊時母材的潤濕性。其特點在于超聲波振動施加在釬縫之外的母材上（并非液相釬料上），同樣可在液相內部獲得超聲波空化等效果，可促進去膜、潤濕與填縫。這種將超聲波振動施加于固態母材表面的方法比早期將超聲波振動施加于釬料池具有使用方便的優越性。其熱源多為外加熱源，并非超聲波摩擦熱源，加熱方面具有很大靈活性。

閆久春在證明了施加超聲波振動強化了母材表面氧化膜的破碎與母材向釬料中的熔解之后，進一步提出了“聲能活化促進界面潤濕”的思想[6]。目前，超聲波復合軟釬焊研究取得了如下成果：一是液態金屬聲空化熱力效應作用基礎機制；二是聲場作用下鋁合金潤濕性與結合機制；三是陶瓷與金屬低溫活化連接機理與方法；四是鋁基復合材料低溫低應力連接方法。在潤濕性改善方面，該方法能使鋁基復合材料基體熔解，大量陶瓷顆粒增強相進入釬縫中，并能被基體熔解進入釬料的新液相完全潤濕，改進了潤濕性與陶瓷顆粒分布的均勻性[10，11]。同時，在Ti-6Al-4V/Al1060組合的超聲波釬焊中（所用釬料為Al-12Si），觀察到了TC4向釬料中迅速熔解的小坑（深約5μm）；Al/Ti（L/S）界面反應加快[12]。

圖1 超聲波輔助釬焊工藝原理[6]

1.3 攪拌摩擦釬焊（FSB）

攪拌摩擦釬焊是由西安交通大學張貴鋒于2011年發明報道的[13，14]，采用無攪拌針工具并輔之以能與母材反應的釬料（見圖2），能以冶金反應（共晶反應為主）代替塑性流動實現去膜并拓寬焊幅，是攪拌摩擦搭接焊與釬焊的改進工藝，可用于大氣環境下搭接焊、復合板制備與復合管制備。

FSB繼承了FSW以表面摩擦熱為熱源的優點，但因攪拌針被取消后（為了消除匙孔與鉤型而取消了攪拌針）攪拌作用退居次要地位，故在導入釬料后（以彌補攪拌針被取消后導致的機械攪拌破膜功能喪失的不足），以冶金反應（釬料/母材的共晶反應→母材/母材的擴散反應）代替塑性流動實現去膜并拓寬焊幅，可解決攪拌摩擦搭接焊存在的攪拌針磨損、匙孔、焊幅狹窄、鉤狀缺陷等問題。

圖2 攪拌摩擦釬焊（無攪拌針）技術示意[14]

2 攪拌摩擦釬焊工藝及其優點

2.1 攪拌摩擦搭接焊（FSLW）的主要問題

盡管FSW工藝在工具設計（螺紋針、內凹肩、帶棱軸肩輪廓）與安裝（傾斜）兩方面采取了方方面面的技術方案來強化工具對塑性流動的驅動效果，這些方法對于攪拌摩擦對接焊能起到較好的效果（除了根部弱連接缺陷），但仍難以克服攪拌摩擦搭接焊（FSLW：Friction Stir Lap Welding）的固有問題，導致FSLW質量遠不及攪拌摩擦對接焊。FSLW的固有問題主要有以下5個方面。

（1）攪拌區內部豎向分散去膜與豎向混合效果差 主要原因在于攪拌針的旋轉方向與待焊界面的相對運動方向不同。在FSBW中，攪拌針的旋轉方向垂直于對接面，可對界面逐層剪切（每轉一圈焊道中心處沿焊接方向的剪切厚度為v/n；該值即為表面氧化膜沿焊接方向的寬度），并可將剪切下來的氧化膜在攪拌針后沿其半個周長的弧形范圍進行重新分布，氧化膜分散范圍被擴大化，分散效果好（由連續的膜狀變成分散的粒狀）。

但在FSLW中，攪拌針的旋轉方向平行于搭接面，即使材料被剪切并從攪拌針前轉移至攪拌針后，雖然在平面內發生了較大位移，即從攪拌針的前半部“圓周”轉移到后半部“圓周”，但分散范圍并沒有擴大，且在豎向的位移幅度較小，導致氧化膜雖然可被破碎，但氧化膜碎屑分散效果有限，仍局限于某一水平面及其附近。

（2）攪拌區邊緣有鉤狀（Hook）缺陷及其向攪拌核心內的延伸 攪拌區邊緣的鉤狀缺陷主要是溫度低而強度高的下板的攪拌區邊緣母材，在攪拌針的前移過程中因承受朝前擠壓而向上流動，嵌入溫度高而較軟的上板中。一般前進側的鉤狀缺陷較后退側明顯（后退側的鉤狀缺陷受攪拌針前待轉移金屬的向外擠壓以及攪拌針平移引起的前推，攪拌針旋轉引起的后拽，軸肩豎向擠壓的綜合作用而模糊）。當鉤狀缺陷嵌入上板過深時，不但減小上板有效承載厚度，還存在被軸肩的扭轉運動拖入延伸到攪拌核內的風險。雖然攪拌針的螺紋與傾角有利于強化豎向流動，但同時加大了大型鉤狀缺陷延伸入攪拌核內的風險。

（3）單道焊幅狹窄，僅為攪拌針的直徑 由于FSLW的氧化膜破碎（不等于清除）范圍僅限于被攪拌針攪拌過的區域，因此單道FSLW的焊合寬度（有效焊幅）僅為攪拌針的直徑，遠小于軸肩的直徑。

（4）攪拌針端位置的敏感性 攪拌針的尖端是否穿透上下板界面對搭接面機械去膜效果與重復性有較大的影響；故對操作水平要求更高。

（5）匙孔和空洞缺陷與攪拌針磨損、斷針 下板為強度較高的高強母材時，堅硬下板的高流變應力與高軟化溫度易引起界面空洞與攪拌針磨損；此外，攪拌針尖端易受磨損變細，繼而發生斷針。

2.2 FSB的提出與要點

攪拌摩擦釬焊正是為了解決上述FSLW固有問題而提出的。FSB通過導入焊材（釬料）以冶金反應去膜（釬料/母材共晶反應+擠出共晶液相帶走氧化膜）代替塑性流動去膜，從而解決了上述FSLW的固有問題。但FSB由于又有別于普通釬焊，軸肩的高速、強力旋轉為機械破膜創造了有利條件，可認為是一種“扭轉輔助的壓力釬焊”。

FSB要點主要有以下三方面。

（1）工具方面 采用無攪拌針工具是為了消除匙孔、鉤狀缺陷。

（2）導入焊材 采用預置釬料的目的是為了彌補無攪拌針工具因攪拌針的取消導致的機械破膜功能的喪失，借助冶金反應（共晶反應）實現更大范圍的去膜，同時拓展了單道焊幅幅寬，可提高至接近軸肩直徑的范圍，遠高于FSLW焊幅寬度為攪拌針直徑的范圍。

（3）搭接界面應位于軸肩的熱力影響范圍之內 由于在FSB中，旋轉軸肩并不能直接攪拌搭接面，而是隔著上板對搭接界面進行間接扭轉破膜，因此搭接面不能距離扭轉面（即上表面）太遠，否則會影響搭接面的機械破膜能力與效果。

2.3 FSB優點

與FSLW相比，FSB除了能消除上述缺點之外，還可利用釬料調控、優化界面相。對Al/Mg[15]與Al/Fe[16]組合分別引入Zn釬料與Ni電渡層，可防止由母材組成的金屬間化合物，優化IMC類型。釬料與過渡層等焊材的引入與優化為改善FSLW去膜與界面IMC提供了新的途徑。

與傳統爐中釬焊相比，FSB的優點如下。

1）FSB具有較強又密集的機械破膜能力：高速、強力旋轉的軸肩（非靜止軸肩）具有機械破碎固相母材表面氧化膜改善界面潤濕性的特殊能力。

不同于普通靜壓釬焊與靜壓擴散焊，高速旋轉的軸肩不僅是“熱源”，而且是一寶貴的“力源”。它不僅可以提供擠壓力，而且可以提供扭轉作用，兩者的作用方向不同，后者借助旋轉可連續重復地對界面施加微剪切作用，去膜效果更顯著。隨軸肩直徑的增大，力偶矩成比例增加，扭轉作用增強。大直徑軸肩的扭轉作用不僅有利于驅動高溫熱塑性材料的流動（特別是表層母材），也有利于旋轉軸肩以“間接扭轉（軸肩與搭接面之間隔有上板）”方式機械破碎界面氧化膜。因此，FSB可視為一種“扭轉預破膜”輔助的釬焊。

2）大氣環境下施焊，不需要釬劑與保護氣氛。

3）適于去膜困難、難潤濕的母材組合。

4）在氧化膜隨低熔低強共晶被擠出后，所得界面組織為母材擴散組織。

3 FSB的應用研究

FSB的應用主要有異種金屬板材的搭接焊以及層狀復合板、復合管的制備。尤其在復合管的制備方面與傳統爆炸復合、軋制復合相比具有界面冶金結合質量優、變形小、靈活方便等優點，在制備中小口徑復合管方面具有一定應用前景。

3.1 異種輕金屬鋁與鈦合金（Al/TC4）的攪拌摩擦釬焊

Al/Ti搭接組合可改善鋁材表面的耐磨性與耐蝕性，也可改善鈦材的散熱性與鈦薄片的剛度。Al/Ti搭接組合釬焊的難點在于高熔點、高活性的鈦母材側難以潤濕，不管采用Al基釬料還是Zn基釬料。馬志鵬研究了當采用Zn-Al-Cu-Si軟釬料（熔化范圍：380～399℃）在420℃用超聲波輔助釬焊時，鋁母材一側能發生明顯的熔解，去膜效果理想，但在TC4一側，釬料與TC4界面出現連續的縫隙，表明超聲波作用下仍然不能破壞TC4表面的氧化膜，無法潤濕TC4母材[17]。為此，必須采用超聲波預涂覆釬焊工藝，焊前需在600～800℃下在鈦表面制備純鋁層[18]。

筆者所在課題組于2013年進行了鋁與鈦合金（Al/TC4）異種金屬板材組合的FSB試驗，獲得了較為理想的試驗結果，表現在母材表面去膜理想；界面IMC幾乎觀察不到；窗口參數較寬[19，20]。由此證明了功率大、壓力大、轉速高的FSB在大氣環境下能機械去膜的優勢。

FSB搭接試焊條件如下：1060Al純鋁板與TC4板厚度均為2mm，釬料為0.1mm厚鋅箔；工具為φ20mm的45鋼無攪拌針的攪拌頭，傾角3°，轉速固定為1500r/min。

圖3為1060Al/TC4組合FSB接頭外觀與界面組織，表面成形光滑良好，可觀察到擠出的釬料珠，表面釬料熔化順利；界面致密，能譜點分析未發現殘留Zn層與金屬間化合物（IMC）層。對于固定的1500r/min轉速，該組合在各焊接速度條件下（23.5～475mm/min）的外觀均光滑平整。在個別急停試驗中發現了焊道被扭裂的情況（見圖4），證明了旋轉軸肩具備對搭接界面施加扭轉去膜的機械作用，特別在鋁邊緣無拘束的情況下，鋁材的外展越趨于明顯，這有利于通過剪切變形破除Al表面與TC4表面的氧化膜。

圖3 1060Al/TC4組合FSB接頭外觀與界面組織

圖4 急停試驗中焊道被扭裂：證明了工具可扭轉破膜

圖5 為焊接速度對接頭拉剪載荷的影響，可在較寬的參數窗口內獲得拉剪測試斷裂于Al母材的熱影響區（見圖6），并未斷裂于界面的牢固接頭。焊接接頭在150mm/min與375mm/min不同焊接速度下獲得了相近的斷裂載荷峰值，前者應得益于熱輸入的強化；后者應得益于高焊接速度情況下，豎向擠壓力的提高。上述試驗結果表明，即使對于活潑高強金屬Al/TC4組合，FSB也能在大氣環境下、在較寬參數窗口間，可靠地實現兩者之間的接合（界面潔凈致密，Zn被擠出；無IMC相）。

圖5 焊接速度對Al/TC4攪拌摩擦釬焊接頭拉剪載荷的影響[19]

圖6 1060Al/TC4組合FSB接頭拉剪測試斷裂位置 [20]

最近，為進一步增強FSB接頭，張忠科提出對FSB接頭進行焊后熱處理的思路[21]。其試驗結果表明，對于6082Al/Zn/TC4組合（Zn為FSB釬料）與6082Al/Ni/TC4（Ni為FSB釬料）組合，FSB所得界面IMC層厚度分別為1.9μm、5.5μm；經焊后熱處理后剪切強度分別由154MPa和142MPa提高到194MPa、166MPa，證明了焊后熱處理的有效性。Chen等提出“高速低壓FSB”參數組合以避免釬料完全擠出導致母材直接接觸形成IMC過厚[22]。

3.2 鋁包鋼（Al/Fe）復合方管的制備

與Al/Ti系IMC生長緩慢不同，Al/Fe系IMC易于生長。對于界面IMC易于生長的母材組合，金屬間化合物IMC的種類、厚度、熱膨脹系數失配引起的熱應力、工件所受拘束應力都對裂紋的萌生與擴展有顯著影響，焊接難度增大。特別與平板型母材相比，方管型母材受熱面的變形受到與之相連的另外三個面制約，導致受熱面難以自由變形，所受拘束增大，即非加熱面對受熱面有較強的自約束作用。

采用FSB制備鋁包鋼（Al/Fe）復合方管的難度遠大于采用FSB制備Al/Fe復合板。主要問題表現在雖然去膜易于實現，但因易生長IMC與拘束應力的影響，焊后界面容易立即產生裂紋，并能聽到裂紋擴展的聲音。西安交通大學焊接研究所通過優化設計，成功開發了消除復合方管界面裂紋的技術（待批專利）。圖7為實驗室采用FSB制備的鋁包鋼復合方管原始外觀，并未出現焊后立即開裂的失效行為。顯微觀察表明，界面金屬間化合物厚度被抑制在2～3μm（見圖8）。接頭在拉剪測試中已具備較明顯的變形能力（見圖9），在較寬的焊接速度范圍內，剪切強度可達42～56MPa，遠優于機械結合復合管的界面結合強度。

圖7 采用FSB制備的鋁包鋼復合方管原始外觀

圖8 采用FSB制備的鋁包鋼復合方管界面組織

圖9 FSB制備的鋁包鋼復合方管界面拉剪測試結果

4 結束語

攪拌摩擦釬焊采用無攪拌針工具并輔之以能與母材反應的釬料，能以冶金反應（共晶反應為主）代替塑性流動實現去膜并拓寬焊幅，可認為是一種扭轉輔助的壓力釬焊，從而解決了攪拌摩擦搭接焊中出現的4項主要問題：攪拌區內上下混合困難；攪拌區邊緣存在鉤狀缺陷并易延伸入攪拌核區內；焊幅狹窄；存在匙孔與攪拌針的磨損。相比傳統爐中釬焊，軸肩的高速、強力旋轉賦予了FSB較強的機械去膜能力，可改善潤濕性，能在大氣環境下進行Al/Al、Al/X異種組合（包括高強或活性基板）的釬焊、復合板與復合管制備。