铝合金搅拌摩擦焊及材料改性研究进展

王 耀

(山西机电职业技术学院材料工程系， 山西 长治 046011)

搅拌摩擦焊技术FSW 是英国焊接研究所（TWI）于1991年发明的材料固相连接新技术[1]。搅拌摩擦焊（FSW）相比钨极惰性气体保护焊（TIG）和熔化极惰性气体保护焊（MAG）工序较为简单，焊接前不需要特殊处理，焊时不需要焊接材料和保护气，并且焊后无需重新加工焊缝，其原理是使用旋转搅拌头插入待焊接的工件中，经摩擦工件塑性变形的热效应会导致焊接工件的温度升高发生热变形，并通过行进的搅拌头锻造和挤压作用完成热塑性变形焊接过程[6]。

FSW 目前已在航空航天、船舶制造、轨道交通装备等领域具有广阔的应用前景[2-3]。近年来，铝合金搅拌摩擦焊（FSW）、搅拌摩擦处理(FSP)的研究已成为热点[4-5]。本文总结了铝合金同种及异种材料的FSW、FSP 改性及复合材料制备研究现状。

1 FSW 工艺参数

FSW 装备中搅拌头是搅拌摩擦焊的关键因素，它直接影响材料流动及热量。D.G.Hattingh[7]针对搅拌头形状对焊接过程的影响进行了研究，得出搅拌头直径从肩到底逐渐减小，表面螺距大约为搅拌头直径的10%，表面具有凹槽，具备这些特点的搅拌头较为合理。Shanavas 等[8]使用中心组合设计响应面方法进行优化AA5052-H32 铝板FSW 工艺，使用方锥形搅拌头，焊接速度65 mm/min、转速600 r/min、倾角1.5°时，最佳焊接效率为93.51%。方差分析表明，测试数据和预测模型吻合良好。

搅拌摩擦焊FSW 的工艺参数有搅拌头转速、倾角、压入量、焊接速度。P.Cavaliere[9]在AA6082 上进行焊接试验，焊接速度在40～460 mm/min 之间变化，115 mm/min 时接头性能最好。郑会海等[10]针对厚度为8 mm 的5A06-O 焊接试验，结果表面，当压力为40 kN、转速为450 r/min、焊接速度为280 mm/min时，所得焊接接头成形良好且无缺陷。为使焊缝成形良好，当焊接压力和转速降低时，相应焊接速度也要降低。通过增大焊接压力或者增加转速，可消除表面犁沟缺陷，降低转速可消除内部孔洞缺陷。Hua-Bin Chen[11]研究了搅拌头焊接倾角对焊缝的影响，在1.5°～4.5°之间倾角较大和较小时，都会有缺陷产生，在3.5°时焊接性能良好。

搅拌头转速、焊接速度是FSW 研究中涉及的重要工艺参数。围绕搅拌头的材料随着旋转搅拌、混合，搅动的材料由于搅拌头移动从前向后移动，完成焊接。高旋转速度产生较高的温度，导致材料更剧烈的搅动和混合。热量输入由搅拌头与工件的摩擦决定，因摩擦系数会随着旋转转速的增加而变化，在一定范围内，增加转速度热量增加。但不会随着转速增加而单调增大。目前，经大量研究已基本清楚了FSW 焊接工艺参数对焊接接头的影响，工艺参数主要通过对热输入、晶粒尺寸、作用力对焊接接头成形产生影响。

2 传热及流动模型

FSW/FSP 导致焊缝区材料剧烈的塑性变形和温度的升高。这会导致显著的微观结构的演变，例如晶粒大小，晶界特性，析出物的溶解及粗化，弥散物的破碎及重新分布，和织构的发生。FSW/FSP 过程中机械和热过程的理解对优化工艺参数和控制焊缝的微观结构及性能是非常必要的。

2.1 温度分布

Brown[12]等人采用不同的搅拌头，分析了影响温度场的因素。结果显示，轴肩是影响产生热量多少的主要因素。Mahoney 等人对厚度6.35 mm 的7075-T651铝合金板进行了FSW 焊接试验，测量了焊接接头截面的温度分布情况，熔核边缘与上表面的相交处温度最高为475℃，距熔核区越远温度越低，熔核峰值从上表面到底部呈降低趋势。郭柱等采用6mm 厚7075-T7351 铝合金薄板进行试验，通过ANSYS 建立双热源三维有限元模型，分析了焊接速度、搅拌头转速对残余应力和温度场的影响规律。表明焊接速度不变时，残余应力随转速提升呈现先增后减的趋势，残余应力随搅拌头转速增大分布趋于均匀；当搅拌头转速不变时，焊接速度升高，峰值温度降低。

总之，在FSW 过程中，许多因素影响温度的产生。从大量的实验研究和工艺模型，可以得到以下结论：

1）焊接过程最高温度低于母材熔点。

2）轴肩对热量的产生有决定性的影响。

3）焊速和转速共同影响了焊接峰值温度。

4）最大温度的增加发生在焊缝的顶部。

2.2 金属流动

FSW 过程中，搅拌头形状、焊接工艺参数和母材众多因素的影响，焊接区材料的流动非常复杂。在实际生产中，了解材料流动特征是非常重要的，这有助于搅拌头优化和获得质量良好的焊接接头。Chen使用断针技术研究了螺纹针与剪切层作用，焊核呈现带状结构。Arbegast 指出搅拌摩擦焊过程中组织结构和流动特性与铝合金挤压和锻造的组织非常相似。A.Arora 等人通过建立三维模型计算了铝合金2524 的应变和应变速率，发现焊缝组织和性能受应变和应变速率影响。Huang 等使用铜箔作为标志材料对6082-T6 焊接过程中的材料流动行为进行了可视化研究，发现熔核的形状发生改变，过多的材料流动是影响焊接接头的关键。总之，搅拌头形状，焊接参数（转速和转向，焊速，下压量，倾角），材料种类，工件温度均会影响材料的流动等，所以在FSW 焊接过程中材料的流动是复杂的，目前对塑性变形过程的理解也是有限的。

3 焊缝性能

铝合金焊接接头性能主要从力学性能、残余应力、耐腐蚀性这几方面进行研究。一些研究人员发现沉淀硬化铝合金焊缝中心区域会出现软化现象，Hakan Aydin 等人通过搅拌摩擦焊接2024 铝合金试验研究焊缝的硬度规律，最小硬度值出现在热影响区，近母材处、焊核区硬度较高，沿焊缝宽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 等铝合金的疲劳性能，发现接头疲劳性能对焊缝、熔合区、热影响区三区组织结构非常敏感。在疲劳强度方面，5083-O 和7075-T6 和母材接近，而1050-O 和6061-T6 小于母材。1050-O、7075-T6 在热力影响区和热影响区之间产生疲劳断裂，5083-O 在母材处产生疲劳断裂，6061-T6 在热力影响区或热影响区产生疲劳断裂。王忠保等通过拉伸试验，利用DIC 方法研究了铝合金6061-T4（FSW）T 型接头的力学性能。发现热影响区材料软化、材料两侧强度差异较大，焊缝中存在弱连接缺陷，在载荷作用下该处的裂纹由于应力集中导致沿支撑板方向断裂。骆志捷等研究了铝合金5083 搅拌摩擦焊缝的抗腐蚀性能，由于晶粒等轴化、第二相细化及分布均匀化的作用，焊接接头的抗腐蚀性能较母材更好，腐蚀敏感性更低。

4 异种合金连接

搅拌摩擦焊相较于其他焊接方法在焊接异种铝合金方面有较大优势，其中影响异种铝合金FSW 焊接是材料种类和摆放位置。相关文献指出，硬和软两种铝合金焊接时，因硬度的不对称性，铝合金摆放位置会对材料流动、接头质量产生影响且会降低焊接效率。Lederich 等人的研究显示当焊接异种合金2024Al/D357 时，将强度高的2024 置于前进侧可获得质量较好的接头。P.Cavaliere 等利用FSW 焊接了6082 和2024 异种铝合金，结果表明，当焊接速度增加，下压力随之增大，存在以最佳焊接速度，获得的焊接接头拉伸强度和疲劳强度最佳。通过搅拌摩擦焊，可获得疲劳性能好、残余应力小的的焊接接头。虽然有些断裂发生在焊缝区，并非缺陷是导致为了避免断裂，而是因材料不均匀。这就需要合理设计搅拌头、优化焊接工艺减小薄板焊缝的厚度不均匀性。异种铝合金的FSW 工艺优化及组织与性能等有待进一步研究。

5 FSP 技术及应用

FSP 是一种固态处理技术，是制备表层金属基复合材料的有效方法，在材料改性和加工制造领域中有较大应用前景。Mishra 等人通过搅拌摩擦处理所得组织晶粒大小为3.3 μm 具有超塑性，其延伸率最高为1000%以上。表面复合层成型的关键因素是搅拌头形状、转速、焊速、复合层厚度，其中硬颗粒会对搅拌头产生较大磨损，Nelson 用硬度大于52 的工具钢对复合材料6061Al B4C 进行焊接，在约250 mm的焊缝中，搅拌头的螺纹已磨损消失，轴肩处也磨损了2 mm，所以耐磨搅拌工具的研究也势在必行。H.Badarinarayan 等人研究了退火状态5083 铝合金在不同形状搅拌头（圆柱形和三角形）下搅拌摩擦点焊（FSSW）性能的变化，搅拌头为三角形时，组织得以细化，其焊点抗拉强度是圆柱形的两倍。B.Zahmatkesh 等人研究了经FSP 处理后Al2024-T4 合金表面处组织结构和耐磨性，经处理其硬度和耐磨性提高。B.Zahmatkesh 等人用FSP 制备以Al2024 为基体，Al-10%Al2O3为表面强化的纳米复合材料，强化颗粒均匀分布在厚度范围600μm 内的基体表面上且连接牢固，复合层的硬度值较基体材料要高的多，且磨损程度和摩擦系数均降低。通过FSP 搅拌摩擦处理技术，可细化组织获得超塑性，但伴随晶粒尺寸的进一步细化强化颗粒粗化，所以合金的超塑性并不能进一步提升。

6 结语

目前，搅拌摩擦焊技术（FSW），已经广泛应用在很多工业领域。在搅拌摩擦焊（FSW）焊接的研究过程中，需要综合考虑基础理论、组织结构、材料性能的知识，通过智能过程控制模型的建立，得到消除缺陷、结构上合理与质量良好的焊接接头。摩擦系数、搅拌头和工件的滑动状态、工件表面的热传递系数、工件和搅拌头的温度分布、模型的非牛顿粘度计算值等均是搅拌摩擦焊中的影响因素，所以通过基础理论的研究，获得组织与性能良好的焊接接头仍然具有重要价值，所以关于搅拌摩擦焊的技术也有待进一步研究。