陶瓷顆粒增強鋁基復合材料攪拌摩擦焊接研究現狀綜述

王珂 孫煥煥 梁子劍 劉易麟

摘要：陶瓷顆粒增強鋁基復合材料是一種新興的工程應用材料，在眾多工業領域中具有廣闊的應用前景。在對陶瓷顆粒增強鋁基復合材料連接的過程中，使用綠色環保、安全可靠的攪拌摩擦焊接技術，可獲得力學性能良好的焊接接頭。文章從焊接接頭宏觀及微觀組織特點、接頭力學性能及斷裂特征、攪拌頭對焊接效果的影響3個方面綜述陶瓷顆粒增強鋁基復合材料攪拌摩擦焊接在國內的研究現狀，并從焊接材料種類、焊接工藝穩定性、高性能焊接工具開發3個方面展望陶瓷顆粒增強鋁基復合材料攪拌摩擦焊接研究未來的發展方向。

關鍵詞：陶瓷顆粒；鋁基復合材料；攪拌摩擦焊接

中圖分類號：TG457? 文獻標識碼：A? ?文章編號：1674-0688（2023）03-0032-04

0 引言

鋁基復合材料與鋁合金相比是一種具有多項優勢的工程材料，尤其是陶瓷顆粒增強的鋁基復合材料，其力學性能優勢更為突出。近年來，陶瓷顆粒增強鋁基復合材料的制備研究已經取得很大進展。目前，材料中的陶瓷顆粒增強相包括SiC、Al2O3、TiB2等，由于增強相的加入，該類材料在連接過程中采用傳統焊接方法存在較多困難與問題，使其在眾多工程領域中的應用受到了限制。因此，探索可靠、穩定的陶瓷顆粒增強鋁基復合材料連接方法已成為國內廣大焊接科研工作者的研究熱點之一。

作為一種固相連接方法，攪拌摩擦焊接在顆粒增強鋁基復合材料的焊接方面具有獨特的優勢［1］。近年來，我國科研工作者在開發與材料特點相適應的攪拌摩擦焊工藝、改進攪拌頭形狀與尺寸、分析焊接區微觀組織與接頭性能的關系等方面做了大量細致的研究與分析，也取得了較大的進展，很多工藝方法日趨成熟并逐漸應用于工業生產。本文從接頭組織特點、接頭力學性能、攪拌頭的影響3個方面對國內陶瓷顆粒增強鋁基復合材料攪拌摩擦焊接的研究現狀進行綜述分析，并展望該類材料攪拌摩擦焊接研究未來的發展方向。

1 接頭宏觀形貌及微觀組織特點

焊接接頭的宏觀形貌和微觀組織是評價陶瓷顆粒增強鋁基復合材料攪拌摩擦焊接質量好壞的重要指標。

1.1 接頭宏觀形貌特征

陶瓷顆粒增強鋁基復合材料攪拌摩擦焊后，焊縫一般可分成4個區域：軸肩擠壓區（shoulderaffected zone，SAZ）、焊核區（weld nugget，NZ）、熱機影響區（thermo-mechanical affected zone，SMAZ）和熱影響區（heat-affected zone，HAZ）。

馮濤等人［2］研究SiCp/2024Al攪拌摩擦焊接接頭時發現，其焊核區為橢圓形，整個焊縫區域下面窄上面寬，呈 “V”字形，可區分出明顯的SAZ、SMAZ和HAZ（如圖1所示）。任益博［3］對原位自生TiB2/7050鋁基復合材料進行攪拌摩擦焊接，獲得的焊縫呈盆狀，其HAZ和SMAZ的邊界不明顯（如圖2所示）。

1.2 接頭微觀組織及顆粒特點

李敬勇等人［4］在進行原位自生TiB2/A356鋁基復合材料攪拌摩擦焊時，研究焊接接頭不同區域的微觀組織，得到如下發現：①焊核區晶粒非常細小，焊縫中的Al-Si共晶相呈顆粒狀均勻地分布在鋁合金基體上。②攪拌摩擦焊時，軸肩與焊件表面發生摩擦，攪拌針與焊件之間發生摩擦，因此在焊接區產生大量的熱；同時，焊接金屬發生明顯的塑性變形，熱量使焊縫區溫度升高，達到某一溫度時，發生動態再結晶，剛生成的晶粒由于攪拌針攪拌作用的影響，沒來得及長大就被擊碎成細小的等軸晶粒，與此同時，焊縫內開始不斷生成僅能有限長大的再結晶晶核，最后得到細小的焊核區晶粒組織。③在接頭的前進側，焊縫與母材之間有清晰的分界線；在接頭的后退側，焊縫與母材的分界線則不明顯。④熱機影響區在焊核區的影響下，金屬會發生塑性變形；熱影響區幾乎沒有受到攪拌頭機械攪拌的影響，基本不會發生再結晶過程，但會受到焊接熱循環的作用，晶粒易于長大。

陳華斌等人［5］研究了SiCp/6066Al的攪拌摩擦焊接，發現攪拌針與復合材料接觸部分相互嚙合、粘接、剪切，塑性變形程度很大，最終導致晶粒破碎，獲得晶粒細小的焊縫組織；熱影響區晶粒粗大，并且隨著與焊縫間距離的增加，晶粒尺寸也逐漸增大。

增強顆粒的尺寸變化和分布特點，也在很大程度上影響接頭的力學性能。眾多研究證明顆粒增強鋁基復合材料攪拌摩擦焊接后，增強顆粒在焊核區的分布相對均勻，團聚現象減弱［6］，且在部分焊接接頭中發現了顆粒的斷裂。焊接過程中，強烈的攪拌作用使增強顆粒團聚體減少、彌散分布，也降低了應力集中。馮濤等人［2］對SiCp/2024Al復合材料進行攪拌摩擦焊接研究，觀察焊縫發現：焊縫處SiC分布并不均勻，焊核區增強相顆粒數量較少，熱機影響區會發生增強相顆粒堆積，SiC受到攪拌針的攪拌作用而發生破碎。任益博［3］研究TiB2/7050鋁基復合材料拌摩擦焊接時，發現焊核區TiB2顆粒的團聚現象徹底消失，TiB2呈彌散態均勻地分布在鋁合金基體中，部分TiB2顆粒邊棱消失，顆粒尺寸變細小。分析發現，原因是攪拌頭旋轉引起的剪切應力與鋁基體的塑性流動使復合材料中團聚的TiB2顆粒被打散，進一步使顆粒之間、顆粒與基體之間產生擠壓、摩擦等現象，從而造成部分大尺寸顆粒在剪切應力作用下發生斷裂。

綜上所述，顆粒增強鋁基復合材料攪拌摩擦焊接接頭的微觀組織和顆粒分布特點為：焊縫中心處焊核區受到劇烈的攪拌作用，組織發生明顯的塑性變形和再結晶現象；復合材料中的陶瓷增強顆粒攪拌后重新分布，部分大尺寸顆粒發生破碎；熱機影響區因緊鄰焊核區，受到的攪拌作用相對較弱，晶粒會沿某特定方向拉長，發生明顯的扭曲變形；熱影響區因僅受到摩擦熱的作用，會發生晶粒的略微長大。若需要保證焊接質量，則必須選擇合適的焊接參數，保證合理的熱輸入，以此得到優良的接頭宏觀形貌及微觀組織。

2 焊接接頭力學性能及斷裂特征

焊接接頭的力學性能一直是國內學者研究陶瓷顆粒增強鋁基復合材料攪拌摩擦焊接關注的熱點，也是復合材料應用企業關注的重點。

2.1 焊接參數對接頭性能的影響

攪拌頭旋轉速度和行進速度是攪拌摩擦焊接中最重要的兩個參數。對于不同的顆粒增強鋁基復合材料，這兩個參數的影響也存在一定差異［1，7］。

現有研究發現，大部分顆粒增強鋁基復合材料的攪拌摩擦焊接接頭的力學性能隨著攪拌頭旋轉速度的加快而提高，直至達到極限水平。旋轉速度過慢，易導致焊接熱輸入不足；旋轉速度過快，將造成焊接熱輸入較大。熱輸入的不足及過大均會影響接頭材料軟化程度或混合程度，最終影響接頭性能，同時攪拌頭的行進速度對焊縫強度也有一定的影響。行進速度對接頭熱量產生的影響較小，對焊縫金屬的冷卻速度影響較大。行進速度過小，焊核區冷卻較慢，容易導致晶粒長大；行進速度過大，材料難以填充，焊縫成形效果較差。隨著攪拌頭行進速度的提高，接頭抗拉強度增大，直至達到最大值；如再繼續提高其行進速度，抗拉強度則會下降。

孫汝繼等人［8］在SiCp/Al基復合材料進行攪拌摩擦焊實驗的過程中，研究了焊接速度與接頭顯微硬度和抗拉強度之間的關系，發現焊接速度較低時，熱影響區的顯微硬度值也相對較低。增加焊接速度，熱影響區的最低硬度逐漸增加，焊核區的顯微硬度基本保持不變。隨著焊接速度增大，熱影響區的硬度也有所提高。當焊接速度大于300 mm/min時，焊核區與熱影響區的顯微硬度相差基本不大。在焊接轉速改變時，焊接接頭的抗拉強度變化相對較小。焊接速度大于300 mm/min時，接頭抗拉強度最大達到500 MPa。

2.2 接頭斷裂特點

陶瓷顆粒增強鋁基復合材料攪拌摩擦焊接試樣的拉伸試驗大多數斷在焊縫處。

姚婷婷［9］研究TiB2顆粒增強鋁基復合材料攪拌摩擦焊接頭的斷口形貌，發現接頭斷口處存在很多韌窩，韌窩底部發現TiB2顆粒的分布，在母材斷口顆粒呈團簇狀分布，在接頭斷口呈均勻分布，原因為攪拌針的攪拌作用粉碎了TiB2顆粒，并使其均勻分布。因為TiB2顆粒具有較高的斷裂強度，故在拉伸試驗過程中，拉伸載荷不會造成其斷裂破碎，只在基體界面與增強相顆粒結合較薄弱的位置產生裂紋，在載荷作用下裂紋不斷擴展延伸，最終導致顆粒與金屬基體在界面處脫粘，使材料進一步發生斷裂。

綜上所述，通過合理匹配旋轉速度和焊接速度可以使焊接接頭的強度和硬度得到明顯提升。最優的焊接工藝可帶入焊接區最適量的熱輸入，提高復合材料達到完全塑性狀態后的流動性，促進增強相顆粒的均勻分布，從而有效提高接頭的力學性能。

3 攪拌頭對焊接效果的影響

攪拌頭是攪拌摩擦焊接的工具。攪拌頭的軸肩和攪拌針的幾何形貌和尺寸直接影響焊接過程中的摩擦生熱，進一步控制接頭熱塑化材料流動和接頭的形成，決定接頭質量和焊接效率［1］。攪拌頭的選取應保證焊接區產生足夠的摩擦熱且能給予發生塑性流動的金屬有效的擠壓力，這樣在攪拌針和軸肩共同作用下發生塑化的金屬才能有效地在攪拌區流動，形成無缺陷的焊接接頭。

攪拌頭在焊接過程中很容易出現磨損的現象，破損狀況越嚴重，產生缺陷的概率越大，對焊縫接頭材質產生嚴重影響。陶瓷顆粒增強鋁基復合材料中加入的強化相，硬度、強度都很高，且陶瓷顆粒與攪拌頭在焊接過程中發生摩擦，很容易造成攪拌頭出現嚴重的磨損。

劉光錚等人［10］通過對比W9鋼攪拌頭和GT35攪拌頭在攪拌摩擦焊接過程中的磨損程度，選定了采用GT35鋼攪拌頭進行焊接SiCp/2014Al的焊接試驗，并提出“一字凹凸槽”的攪拌頭設計（如圖4所示）。試驗結果表明，通過改變攪拌頭材料、改善攪拌頭的形狀能有效降低攪拌頭的磨損程度，提高使用壽命。

綜上所述，選擇合適的攪拌頭材料，設計合理的攪拌頭形狀，再配合穩定、可靠的焊接參數，才能實現顆粒增強鋁基復合材料的高效連接。

4 結語

總的來看，陶瓷顆粒增強鋁基復合材料的攪拌摩擦焊接研究是一項系統而復雜的工程。進行陶瓷顆粒增強鋁基復合材料攪拌摩擦焊接應用研究，既有重大的應用意義，也面臨著極大的挑戰。在已有研究成果的基礎上，仍有許多需要補充和加強的方面。

（1）焊接的材料種類有待擴大。目前，大多數關于陶瓷顆粒鋁基復合材研究的攪拌摩擦焊研究都是針對Al2O3、SiC、TiB2等顆粒作為增強相的低體積分數的復合材料，對其他顆粒作為增強相的鋁基復合材料以及增強顆粒體積分數較高的材料的研究仍然甚少。

（2）焊接工藝穩定性有待完善。很多顆粒增強鋁基復合材料的焊接工藝還處于實驗室研究階段，工藝的穩定性仍需完善，與真正實現工業化應用有較大距離。未來還需深入分析焊接過程參數對接頭塑性變形程度、微觀組織的影響規律，揭示攪拌摩擦焊接過程中焊縫區金屬的溫度特征和流變機理，建立接頭組織演變與焊接工藝的內在關聯，達到通過優化焊接工藝改善接頭組織，進而提高接頭強度、耐蝕性、抗疲勞等性能的目的。

（3）高性能焊接工具有待開發。現在，關于陶瓷顆粒增強鋁基復合材料攪拌摩擦焊接工藝的研究主要集中在攪拌頭磨損的狀況方面，針對如何改變攪拌頭外形和材質的研發工作相對較少。研究攪拌頭形狀及材料對攪拌頭磨損的影響，開發適用于增強顆粒體積分數較大的陶瓷顆粒增強鋁基復合材料焊接的高硬度、高強度、耐磨損、耐高溫攪拌頭是一個重要的研究方向。

5 參考文獻

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