陶瓷颗粒增强铝基复合材料搅拌摩擦焊接研究现状综述

王珂 孙焕焕 梁子剑 刘易麟

摘要：陶瓷颗粒增强铝基复合材料是一种新兴的工程应用材料，在众多工业领域中具有广阔的应用前景。在对陶瓷颗粒增强铝基复合材料连接的过程中，使用绿色环保、安全可靠的搅拌摩擦焊接技术，可获得力学性能良好的焊接接头。文章从焊接接头宏观及微观组织特点、接头力学性能及断裂特征、搅拌头对焊接效果的影响3个方面综述陶瓷颗粒增强铝基复合材料搅拌摩擦焊接在国内的研究现状，并从焊接材料种类、焊接工艺稳定性、高性能焊接工具开发3个方面展望陶瓷颗粒增强铝基复合材料搅拌摩擦焊接研究未来的发展方向。

关键词：陶瓷颗粒；铝基復合材料；搅拌摩擦焊接

中图分类号：TG457  文献标识码：A   文章编号：1674-0688（2023）03-0032-04

0 引言

铝基复合材料与铝合金相比是一种具有多项优势的工程材料，尤其是陶瓷颗粒增强的铝基复合材料，其力学性能优势更为突出。近年来，陶瓷颗粒增强铝基复合材料的制备研究已经取得很大进展。目前，材料中的陶瓷颗粒增强相包括SiC、Al2O3、TiB2等，由于增强相的加入，该类材料在连接过程中采用传统焊接方法存在较多困难与问题，使其在众多工程领域中的应用受到了限制。因此，探索可靠、稳定的陶瓷颗粒增强铝基复合材料连接方法已成为国内广大焊接科研工作者的研究热点之一。

作为一种固相连接方法，搅拌摩擦焊接在颗粒增强铝基复合材料的焊接方面具有独特的优势［1］。近年来，我国科研工作者在开发与材料特点相适应的搅拌摩擦焊工艺、改进搅拌头形状与尺寸、分析焊接区微观组织与接头性能的关系等方面做了大量细致的研究与分析，也取得了较大的进展，很多工艺方法日趋成熟并逐渐应用于工业生产。本文从接头组织特点、接头力学性能、搅拌头的影响3个方面对国内陶瓷颗粒增强铝基复合材料搅拌摩擦焊接的研究现状进行综述分析，并展望该类材料搅拌摩擦焊接研究未来的发展方向。

1 接头宏观形貌及微观组织特点

焊接接头的宏观形貌和微观组织是评价陶瓷颗粒增强铝基复合材料搅拌摩擦焊接质量好坏的重要指标。

1.1 接头宏观形貌特征

陶瓷颗粒增强铝基复合材料搅拌摩擦焊后，焊缝一般可分成4个区域：轴肩挤压区（shoulderaffected zone，SAZ）、焊核区（weld nugget，NZ）、热机影响区（thermo-mechanical affected zone，SMAZ）和热影响区（heat-affected zone，HAZ）。

冯涛等人［2］研究SiCp/2024Al搅拌摩擦焊接接头时发现，其焊核区为椭圆形，整个焊缝区域下面窄上面宽，呈 “V”字形，可区分出明显的SAZ、SMAZ和HAZ（如图1所示）。任益博［3］对原位自生TiB2/7050铝基复合材料进行搅拌摩擦焊接，获得的焊缝呈盆状，其HAZ和SMAZ的边界不明显（如图2所示）。

1.2 接头微观组织及颗粒特点

李敬勇等人［4］在进行原位自生TiB2/A356铝基复合材料搅拌摩擦焊时，研究焊接接头不同区域的微观组织，得到如下发现：①焊核区晶粒非常细小，焊缝中的Al-Si共晶相呈颗粒状均匀地分布在铝合金基体上。②搅拌摩擦焊时，轴肩与焊件表面发生摩擦，搅拌针与焊件之间发生摩擦，因此在焊接区产生大量的热；同时，焊接金属发生明显的塑性变形，热量使焊缝区温度升高，达到某一温度时，发生动态再结晶，刚生成的晶粒由于搅拌针搅拌作用的影响，没来得及长大就被击碎成细小的等轴晶粒，与此同时，焊缝内开始不断生成仅能有限长大的再结晶晶核，最后得到细小的焊核区晶粒组织。③在接头的前进侧，焊缝与母材之间有清晰的分界线；在接头的后退侧，焊缝与母材的分界线则不明显。④热机影响区在焊核区的影响下，金属会发生塑性变形；热影响区几乎没有受到搅拌头机械搅拌的影响，基本不会发生再结晶过程，但会受到焊接热循环的作用，晶粒易于长大。

陈华斌等人［5］研究了SiCp/6066Al的搅拌摩擦焊接，发现搅拌针与复合材料接触部分相互啮合、粘接、剪切，塑性变形程度很大，最终导致晶粒破碎，获得晶粒细小的焊缝组织；热影响区晶粒粗大，并且随着与焊缝间距离的增加，晶粒尺寸也逐渐增大。

增强颗粒的尺寸变化和分布特点，也在很大程度上影响接头的力学性能。众多研究证明颗粒增强铝基复合材料搅拌摩擦焊接后，增强颗粒在焊核区的分布相对均匀，团聚现象减弱［6］，且在部分焊接接头中发现了颗粒的断裂。焊接过程中，强烈的搅拌作用使增强颗粒团聚体减少、弥散分布，也降低了应力集中。冯涛等人［2］对SiCp/2024Al复合材料进行搅拌摩擦焊接研究，观察焊缝发现：焊缝处SiC分布并不均匀，焊核区增强相颗粒数量较少，热机影响区会发生增强相颗粒堆积，SiC受到搅拌针的搅拌作用而发生破碎。任益博［3］研究TiB2/7050铝基复合材料拌摩擦焊接时，发现焊核区TiB2颗粒的团聚现象彻底消失，TiB2呈弥散态均匀地分布在铝合金基体中，部分TiB2颗粒边棱消失，颗粒尺寸变细小。分析发现，原因是搅拌头旋转引起的剪切应力与铝基体的塑性流动使复合材料中团聚的TiB2颗粒被打散，进一步使颗粒之间、颗粒与基体之间产生挤压、摩擦等现象，从而造成部分大尺寸颗粒在剪切应力作用下发生断裂。

综上所述，颗粒增强铝基复合材料搅拌摩擦焊接接头的微观组织和颗粒分布特点为：焊缝中心处焊核区受到剧烈的搅拌作用，组织发生明显的塑性变形和再结晶现象；复合材料中的陶瓷增强颗粒搅拌后重新分布，部分大尺寸颗粒发生破碎；热机影响区因紧邻焊核区，受到的搅拌作用相对较弱，晶粒会沿某特定方向拉长，发生明显的扭曲变形；热影响区因仅受到摩擦热的作用，会发生晶粒的略微长大。若需要保证焊接质量，则必须选择合适的焊接参数，保证合理的热输入，以此得到优良的接头宏观形貌及微观组织。

2 焊接接头力学性能及断裂特征

焊接接头的力学性能一直是国内学者研究陶瓷颗粒增强铝基复合材料搅拌摩擦焊接关注的热点，也是复合材料应用企业关注的重点。

2.1 焊接参数对接头性能的影响

搅拌头旋转速度和行进速度是搅拌摩擦焊接中最重要的两个参数。对于不同的颗粒增强铝基复合材料，这两个参数的影响也存在一定差异［1，7］。

现有研究发现，大部分颗粒增强铝基复合材料的搅拌摩擦焊接接头的力学性能随着搅拌头旋转速度的加快而提高，直至达到极限水平。旋转速度过慢，易导致焊接热输入不足；旋转速度过快，将造成焊接热输入较大。热输入的不足及过大均会影响接头材料软化程度或混合程度，最终影响接头性能，同时搅拌头的行进速度对焊缝强度也有一定的影响。行进速度对接头热量产生的影响较小，对焊缝金属的冷却速度影响较大。行进速度过小，焊核区冷却较慢，容易导致晶粒长大；行进速度过大，材料难以填充，焊缝成形效果较差。随着搅拌头行进速度的提高，接头抗拉强度增大，直至达到最大值；如再继续提高其行进速度，抗拉强度则会下降。

孙汝继等人［8］在SiCp/Al基复合材料进行搅拌摩擦焊实验的过程中，研究了焊接速度与接头显微硬度和抗拉强度之间的关系，发现焊接速度较低时，热影响区的显微硬度值也相对较低。增加焊接速度，热影响区的最低硬度逐渐增加，焊核区的显微硬度基本保持不变。随着焊接速度增大，热影响区的硬度也有所提高。当焊接速度大于300 mm/min时，焊核区与热影响区的显微硬度相差基本不大。在焊接转速改变时，焊接接头的抗拉强度变化相对较小。焊接速度大于300 mm/min时，接头抗拉强度最大达到500 MPa。

2.2 接头断裂特点

陶瓷颗粒增强铝基复合材料搅拌摩擦焊接试样的拉伸试验大多数断在焊缝处。

姚婷婷［9］研究TiB2颗粒增强铝基复合材料搅拌摩擦焊接头的断口形貌，发现接头断口处存在很多韧窝，韧窝底部发现TiB2颗粒的分布，在母材断口颗粒呈团簇状分布，在接头断口呈均匀分布，原因为搅拌针的搅拌作用粉碎了TiB2颗粒，并使其均匀分布。因为TiB2颗粒具有较高的断裂强度，故在拉伸试验过程中，拉伸载荷不会造成其断裂破碎，只在基体界面与增强相颗粒结合较薄弱的位置产生裂纹，在载荷作用下裂纹不断扩展延伸，最终导致颗粒与金属基体在界面处脱粘，使材料进一步发生断裂。

综上所述，通过合理匹配旋转速度和焊接速度可以使焊接接头的强度和硬度得到明显提升。最优的焊接工艺可带入焊接区最适量的热输入，提高复合材料达到完全塑性状态后的流动性，促进增强相颗粒的均匀分布，从而有效提高接头的力学性能。

3 搅拌头对焊接效果的影响

搅拌头是搅拌摩擦焊接的工具。搅拌头的轴肩和搅拌针的几何形貌和尺寸直接影响焊接过程中的摩擦生热，进一步控制接头热塑化材料流动和接头的形成，决定接头质量和焊接效率［1］。搅拌头的选取应保证焊接区产生足够的摩擦热且能给予发生塑性流动的金属有效的挤压力，这样在搅拌针和轴肩共同作用下发生塑化的金属才能有效地在搅拌区流动，形成无缺陷的焊接接头。

搅拌头在焊接过程中很容易出现磨损的现象，破损状况越严重，产生缺陷的概率越大，对焊缝接头材质产生严重影响。陶瓷颗粒增强铝基复合材料中加入的强化相，硬度、強度都很高，且陶瓷颗粒与搅拌头在焊接过程中发生摩擦，很容易造成搅拌头出现严重的磨损。

刘光铮等人［10］通过对比W9钢搅拌头和GT35搅拌头在搅拌摩擦焊接过程中的磨损程度，选定了采用GT35钢搅拌头进行焊接SiCp/2014Al的焊接试验，并提出“一字凹凸槽”的搅拌头设计（如图4所示）。试验结果表明，通过改变搅拌头材料、改善搅拌头的形状能有效降低搅拌头的磨损程度，提高使用寿命。

综上所述，选择合适的搅拌头材料，设计合理的搅拌头形状，再配合稳定、可靠的焊接参数，才能实现颗粒增强铝基复合材料的高效连接。

4 结语

总的来看，陶瓷颗粒增强铝基复合材料的搅拌摩擦焊接研究是一项系统而复杂的工程。进行陶瓷颗粒增强铝基复合材料搅拌摩擦焊接应用研究，既有重大的应用意义，也面临着极大的挑战。在已有研究成果的基础上，仍有许多需要补充和加强的方面。

（1）焊接的材料种类有待扩大。目前，大多数关于陶瓷颗粒铝基复合材研究的搅拌摩擦焊研究都是针对Al2O3、SiC、TiB2等颗粒作为增强相的低体积分数的复合材料，对其他颗粒作为增强相的铝基复合材料以及增强颗粒体积分数较高的材料的研究仍然甚少。

（2）焊接工艺稳定性有待完善。很多颗粒增强铝基复合材料的焊接工艺还处于实验室研究阶段，工艺的稳定性仍需完善，与真正实现工业化应用有较大距离。未来还需深入分析焊接过程参数对接头塑性变形程度、微观组织的影响规律，揭示搅拌摩擦焊接过程中焊缝区金属的温度特征和流变机理，建立接头组织演变与焊接工艺的内在关联，达到通过优化焊接工艺改善接头组织，进而提高接头强度、耐蚀性、抗疲劳等性能的目的。

（3）高性能焊接工具有待开发。现在，关于陶瓷颗粒增强铝基复合材料搅拌摩擦焊接工艺的研究主要集中在搅拌头磨损的状况方面，针对如何改变搅拌头外形和材质的研发工作相对较少。研究搅拌头形状及材料对搅拌头磨损的影响，开发适用于增强颗粒体积分数较大的陶瓷颗粒增强铝基复合材料焊接的高硬度、高强度、耐磨损、耐高温搅拌头是一个重要的研究方向。

5 参考文献

［1］高士康，赵洪运，李高辉，等.铝基复合材料搅拌摩擦焊接研究现状［J］.材料导报，2022，36（24）：149-157.

［2］冯涛，郁振其，韩洋，等.SiCp/2024Al 铝基复合材料搅拌摩擦焊接头微观组织［J］.航空材料学报，2013，33（4）：27-31.

［3］任益博.原位自生TiB2/7050铝基复合材料搅拌摩擦焊接研究［D］.沈阳：沈阳理工大学硕士学位论文，2021.

［4］李敬勇，赵勇.颗粒增强铝基复合材料的焊接性及其摩擦搅拌焊［J］.材料开发与应用，2004，19（6）：30-33.

［5］陈华斌，严铿，李敬勇，等.颗粒增强铝基复合材料SiCP/6066Al搅拌摩擦焊［J］.华东船舶工业学院学报（自然科学版），2004，18（3）：62-64.

［6］韩高阳，李险峰，张建华，等.搅拌摩擦加工对原位 TiB2/A356 复合材料组织及性能的影响［J］.热加工工艺，2017，46（24）：1-5.

［7］王晨，王贝贝，薛鹏，等.SiCp/6092Al复合材料搅拌摩擦焊接头的疲劳行为研究［J］.金属学报，2019，55（1）：149-159.

［8］孙汝继.颗粒增强汽车用铝基复合材料的搅拌摩擦焊接［J］.电焊机，2015，45（3）：81-83.

［9］姚婷婷.颗粒增强铝基复合材料搅拌摩擦焊工艺及焊缝金属迁移行为研究［D］.镇江：江苏科技大学，2015.

［10］刘光铮.铝基复合材料搅拌摩擦焊搅拌头设计［J］.中国材料科技与设备，2011（3）：60-63.