水下搅拌摩擦焊研究进展

张涛ZHANG Tao

（重庆交通大学，重庆400067）

0 引言

搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding，FSW）是一项由英国研究所发明的新型固相连接技术，是通过搅拌针旋转，将金属塑化流动焊接在一起的一项技术。母相在焊接过程中不融化，避免了产生气孔、裂缝等缺陷[1]。作为一种新型技术非常适合用于各种有色金属的焊接，但焊接时必不可免地因为温度过高产生金属间化合物，金属间化合物是引起焊缝脆性断裂的主要因素。水下搅拌摩擦焊（Underwater Friction Stir Welding，UFSW）是一种将焊接件完全浸入水中焊接的方式，有利于降低焊接温度，减少金属间化合物的形成，提高焊接接头的质量[2-3]。

基于水下搅拌摩擦焊的实际应用价值和巨大发展潜力，文中对水下搅拌摩擦焊的研究进展进行概述，简要阐明了水下搅拌摩擦焊在铝合金、镁/铝合金的研究进展，以及不同的工艺参数对焊缝的影响，为未来的研究和实际运用提供参考。

1 铝合金水下搅拌摩擦焊研究

铝合金密度低、重量轻、比强度高、比模量高且导电导热性好，常用于追求轻质承载结构的领域，如航空航天、轨道交通、汽车船舶等。随着船舶、海下工程的发展，铝合金的水下搅拌摩擦焊得到极大的运用[8]。

Mohd Atif Wahid 等人[4]对3 铝合金6082-T6 水下摩擦搅拌焊展开研究，开发一种数学模型，以优化水下摩擦搅拌焊接工艺参数以获得最大抗拉强度。结果表明，搅拌头直径（d），搅拌速度（ω），焊接速度（v）和搅拌速度的二阶项（ω2），会显著影响接头的抗拉强度；在焊接参数的情况下，样品最大拉伸强度为241MPa，是基体材料强度的79%，比常规搅拌焊接接头的拉伸强度高10.7%。

Emad Eldin Kishta 等人[5]研究了4mm 厚度的5083 船用铝合金的水下搅拌摩擦焊接，测量并分析了焊接合金样品的空隙率，显微硬度和拉伸性能。研究表明与常规的FSW 相比，UFSW 需要更高的转速才能产生高质量的焊缝；与基体材料相比，UFSW 样品中搅拌的材料中的空隙率明显降低，几乎为基体材料的1/3；UFSW 样品的拉伸强度非常接近基体材料的拉伸强度，且UFSW 样品的伸长率是基体材料伸长率约两倍。

Farzad Heirani 等人[6]对5mm 厚度5083 合金在各种工艺参数下进行了搅拌摩擦焊接，并研究了焊接环境（水冷和风冷）对显微组织和力学性能的影响。研究表明，在转速为600rpm，焊接速度为30mm/min 时，水冷试样中的热影响区（HAZ）消失了；此外，搅拌区（SZ）中温度峰值的存在使显微组织发生变化，因此每个样品的晶粒和沉淀物尺寸完全不同；与风冷焊接试样相比，水冷试样的抗拉强度由于细晶粒结构引起的搅拌区硬度的增加而增加；研究还表明，水冷试样搅拌区的硬度值比空气中冷却的试样高得多，在相同焊接参数（转速为600rpm，焊接速度为30mm/min）下，搅拌区的硬度值提高了25%。

S. Shanavas 等人[7]研究了6mm 厚度的AA 5052 H32铝合金水下摩擦搅拌焊接比普通摩擦搅拌焊接更能改善接头性能的可行性，分析并比较了工具转速和焊接速度对水下和普通摩擦搅拌焊接极限抗拉强度的影响。研究表明，在500rpm 以外的转速，水下焊接接头的抗拉强度均高于普通焊接接头的强度；在700rpm 的转速和65mm/min的焊接速度下，水下搅拌摩擦焊接获得的最大抗拉强度为208.9MPa；将常规搅拌摩擦焊达到最大拉伸强度的最佳工艺参数与水下搅拌摩擦焊进行了比较。结果表明，水下搅拌摩擦焊获得的极限抗拉强度比常规搅拌摩擦焊高约2%；在水下和空气焊接过程中，都出现最大抗拉强度的接头在焊接接头的后退侧断裂。

H.J. Liu 等人[8]研究了固定转速800rpm 和50-200mm/min 不同焊接速度对7.5mm 厚度的2219 铝合金进行水下摩擦搅拌焊接，以阐明焊接速度对水下摩擦搅拌性能的影响。结果表明随着焊接速度的增加，热机械影响区和受热影响区的析出物减弱，导致软化区变窄，最低硬度值增加；拉伸强度首先随着焊接速度的增加而增加，但由于出现沟槽缺陷，在200mm/min 的焊接速度下其抗拉强度急剧下降；在拉伸试验中，以较低焊接速度焊接的接头在后退侧的热影响区断裂；在较高的焊接速度下，无缺陷的接头在前进侧的受热机械影响的区域中破裂。

综上所述，对于铝合金，水下搅拌摩擦焊能提供比常规摩擦焊更优的力学性能，硬度和抗拉强度有所提升，焊缝具有更好的抗腐蚀性能。

2 镁/铝合金水下搅拌摩擦焊研究

镁合金拥有质量轻、熔点低、比强度比刚度较高、抗震性能好、导热性高、电磁屏蔽性能好等特点，被称为“21 世纪的绿色材料”。镁/铝合金同属于轻质有色金属，工程上的交叉应用非常多，但镁/铝合金的线膨胀系数大，普通的熔焊容易引起变形、产生裂纹等缺陷[9-11]。水下搅拌摩擦焊可有效避免熔焊缺陷，获得高质量接头。

国内学者[12]对2mm 厚度的6061 铝合金/AZ31 镁合金分别在水下和空气中进行搭接试验，通过各项工艺参数的改变，以得到高质量焊接接头工艺参数范围。研究结果表明：水下焊接中，在转速和焊接速度为900rpm 和80mm/min时，获得最大抗拉强度为181.63MPa，约为母材的70%；而在空气焊接中，最大抗拉强度出现在转速和焊接速度为750rpm 和60mm/min 处，为176.23MPa，约为母材的67.8%；水下焊接需要更高的转速来提供充足的热输入量，且接头的性能比常规焊接稍好；硬度分布呈非对称的“W”型，且水下焊接中搅拌头磨损较常规的少。

Zhengping Lu 等人[13]对2.5mm 厚度的AZ21 镁合金/6013 铝合金水下搅拌摩擦焊进行研究，并通过光学显微镜，扫描电子显微镜和能量色散X 射线光谱等方法分析了焊接接头的组织，力学性能，元素分布和断裂面。研究结果表明：水下搅拌摩擦焊可以得到力学性能较好的焊接接头；在6013 铝合金/AZ31 镁合金的界面处观察到金属间化合物层比在空气焊接样品中观察到的层薄得多；水下摩擦搅拌焊接接头的抗拉强度高达152.3MPa，相当于AZ31 Mg 合金强度的63.3%。

Hamed A Derazkola 等人[14]研究了4 厚度的铝镁合金（AA5005）/低碳钢（ASTM A283）接头结构的水下异种搅拌摩擦焊。研究表明：介质的冷却效应会导致的峰值温度降低和细晶粒结构降低；尽管在热水中进行搅拌会产生更好的表面质量，但在常规搅拌的样品中，材料的表面更为平滑；水下搅拌摩擦焊还可以减小界面的厚度；异种焊接接头的强度分别在铝合金和钢的62-72%和19-23%范围；通过在温水中进行搅拌还可以提高浸入式焊接中较低的硬度。

镁/铝合金焊接产生的金属间化合物是引起焊缝断裂的主要因素，水下搅拌摩擦焊能够降低焊接温度，减少金属间化合物产生，提高接头强度，增强焊缝性能。

3 结束语

水下搅拌摩擦焊相较于常规搅拌摩擦焊，由于峰值温度的降低，可以有效减少金属间化合物的产生，提高焊接接头的质量。水下搅拌摩擦焊为了获得更好的接头，需要更高的转速和焊接速度。

目前关于水下搅拌摩擦焊的研究不足，对于焊缝中材料的流动、刀具的几何形状对焊缝结构的形成、异质合金分别位于前进侧与后退侧对焊缝质量的影响知之甚少，可以作为未来的研究方向。

随着船舶、海事工程的发展，水下搅拌摩擦焊的应用会得到极大的发展，对水下搅拌摩擦焊的研究及改进，会很大程度上提高焊接接头的性能，带来巨大的经济效应与社会效应，为我国未来的焊接发展带来启发。