搅拌摩擦焊搭接hook缺陷研究现状

张方元，侯方军，唐 强，何 海

（中铝特种铝材（重庆）有限公司，重庆 401326）

0 前言

搅拌摩擦焊是一种革命性的固态焊接新型连接工艺技术，该技术由英国焊接研究所（TWI）于1991 年发明。与传统焊接工艺相比，搅拌摩擦焊在焊接过程中产生的热量更少，加热温度更低（焊接温度低于熔化温度），大大降低了残余应力，因此广泛应用于化工、核能、航空航天、交通运输、发电和电子工业等领域。搅拌摩擦焊搭接焊缝因对原材料尺寸公差要求低，可更好代替铆接工艺，常用于材料熔点相差大、线膨胀系数不同、导热率及比热容不同、焊接接头组织不同等异种合金连接[1-2]。在搅拌摩擦焊搭接过程中，金属间存在物理界面，焊接过程中金属由于受热在焊缝边缘会产生畸变，形成向上或者向下的物理变形-“hook”。根据ISO 25239 标准中的搭接焊接工艺特性，该变形定义为需要设计限定的焊接缺陷，随着搅拌摩擦焊技术应用的推广，hook缺陷研究逐渐进入国内外研究者视野。

1 Hook缺陷表现形貌及形成原因

ISO 25239 搅拌摩擦焊-铝合金焊接标准中指出，在搭接焊缝中的前进侧及后退侧都可能存在hook焊接缺陷，其形貌可以向上或者向下。图1示出了采用右旋螺纹，向上弯曲的hook 缺陷。吴志明[3]等人在6082对搭接接头前进区末端发现钩状缺陷（即hook缺陷），存在于焊接区域接头位置，形貌类似裂纹，与母材搭接面角度可以达到90°，该缺陷消失于焊核区域与热机影响区的分界面位置；在后退侧发现的hook 缺陷方向向下偏转，其搭接界面偏转角度小于45°，该缺陷消失于焊接区域底部与下搭接板的交界处。Karn Kumar Raci[4]等人采用6082-T6-HDPE三明治结构测试搅拌摩擦点焊焊接性能，发现hook 缺陷三明治结构的上中下片界面处都存在hook缺陷。哈尔滨工业大学[5]在焊接及先进连接技术国家重点实验室做Al-Steel 异种金属连接实验，采用的是Q235 材料为底板、纯铝涂覆为中间层，通过搅拌摩擦焊技术进行搭接焊接测试，观察发现hook 缺陷出现在中间层与搭接层的热机影响区与焊核区域之间。实验可见，hook缺陷存在条件为搭接接头结构，对搭接接头因为含有搭接接头部分形貌特征，在搅拌摩擦焊焊接完成后也可能存在hook 缺陷，其与接头形式有关而与材料种类没有关系。

图1 Hook缺陷主要特点及形貌

Fersini D[6]和Buffa .G[7]等人研究搅拌摩擦焊搭接接头时指出，hook一般是由氧化物粒子和局部冶金结合区域共同组成的几何缺陷。其发生原因是由于搅拌摩擦焊焊接过程中，搭接接头存在物理界面，前进侧热机影响区材料受到搅拌针的机械剪切摩擦作用发生偏转，变形剧烈，该变形力结合搅拌针的螺纹旋转提升作用力，使母材搭接物理界面发生变形，造成塑性金属在垂直方向向上流动造成界面畸变，且尺寸较大。后退侧热机影响区的材料由于整个焊接过程都不断受到来自搅拌针前部及前进侧迁移过来的材料的挤压与拖曳，金属变形复杂，但整体流动性低于前进侧，搅拌针对金属的提升力较低，影响范围较弱，因此后退侧出现向上偏转趋势较弱。

2 Hook缺陷影响因素

2.1 材料配置位置对hook的影响

为了达到轻量化目的，不同铝合金材料连接时常采用摩擦点焊的方式进行连接。J.M. Piccini[8]等人在研究5052 防锈铝与6063 铝合金挤压型材搅拌摩擦焊时，分别将5052 及6063 铝材置于最上层，结构分别为5-6 和6-5。试验发现，当采用6-5 结构时（即6061 铝材在最上层，5052 铝材在下层）hook 要小于5-6 结构，这是由于5052 铝材较6061铝材具有更好的流动性，5052 铝材更容易变形导致软化金属材料向上受力，hook 尺寸变大。同时，该课题组就搅拌摩擦焊刀具对hook 影响做了研究，hook 大小随着刀具扎入底层母材深度的增加而增加。在5 ×××/6 ×× × 系列铝合金搭接焊接中，M.I.Costa[9]等人也得到相同结论，即6-5 系列材料具有更小的hook尺寸。

2.2 焊接刀具对hook的影响

M.I. Costa 团队研究了不同刀具形貌对hook 尺寸的影响。结果表明：刀具的几何形状与搭接材料相对位置一样重要，当采用锥状搅拌头时，要求锥度比一定。稍微增加搅拌头底部尺寸更有利于性能的提升，这主要是由于采用该配合比时，较短的搅拌头工具就可以达到材料熔透能力，从而减少hook尺寸，达到提升材料性能的目的。张丹丹[10]等人在Al-Li 合金搭接焊接接头性能研究中发现，采用不同焊接刀长时，焊接接头两端都易出现型材“冷搭接缺陷”；搅拌针长度较母材厚度大0.5 mm 时，hook 尺寸有明显改善，hook 尖端无裂纹扩展现象。Emad Salari[11]等人在5456 铝合金中采用了柱状螺纹、锥状螺纹、阶梯锥状螺纹及扩口三槽螺纹4种不同几何形状的刀具对搭接接头性能进行了研究。其中柱状螺纹、锥状螺纹、扩口三槽螺纹在前进侧及后退侧都产生了向上方向的hook 缺陷；采用阶梯锥状螺纹进行焊接，后退侧热机影响区及焊核区区域hook基本消失，获得的接头性能最佳。

2.3 焊接参数对hook的影响

宋友宝[12]等人以2024/7075 铝合金为研究对象，研究了不同材料位置及焊接速度对hook 缺陷大小及性能的影响。当采用7075 作为上板材料时可得到接头性能良好的焊接板，其hook 大小与焊接速度呈反相关关系，hook缺陷沿着垂直和水平方向进行扩展。焊接速度越低，焊接热输入越大，产热量越多，焊核区域温度越高，流动能力越强，带动热机影响区向上流动趋势越大，hook 尺寸越大。严铿[13]等人在2024薄板搭接界面成型及接头性能研究中采用三爪型搅拌头进行单道、双道焊接，双道焊接可有效增加焊接搭接面宽度，减少或去除上板前进侧界面畸变影响，从而提高材料力学性能。

综上所述，搭接焊接搅拌摩擦焊不同材料配置因金属流动性不同对hook 影响也不同，金属流动性越好，焊接过程中塑性金属流动性越好，从而提升能力越强，hook尺寸越大；搅拌针形貌及搅拌针长度大小对焊接接头界面成型性影响不同，hook形状尺寸与搅拌针的形貌、长度有关。若搅拌针形貌、长度不合适，将导致金属材料流动性不均匀，在热机影响区和焊核区之间形成hook 缺陷。良好的焊接工艺是获得金属良好性能的前提，焊接工艺参数决定了焊接过程中热输入量的大小，即在很大程度上决定了焊接过程中冶金转变过程，对焊接接头性能的影响起到决定性作用。

3 Hook缺陷对性能影响

hook 缺陷是因为搭接界面在焊接过程中受到热、力综合作用而导致向焊接接头内部进行延伸的物理缺陷，界面之间存在的氧化物在焊接过程中被高速旋转的搅拌针搅碎，在hook 缺陷中表现为由底部到顶端逐渐消失，最终形成断续的氧化物颗粒，有些成为“S”线呈现在焊接接头中，如图2所示。因此，hook缺陷将对搅拌摩擦焊接头性能带来较大影响。

图2 Hook缺陷尾端形貌

Hamed Shirazi[14]等人在进行5456铝合金型材搭接接头性能研究时发现，hook缺陷对材料有效焊接厚度有影响，在载荷剪切试验过程中，材料力学性能主要与材料有效厚度（即焊接厚度减去hook 后的有效厚度）有关。在使用过程中，hook缺陷部位是型材产生裂纹的优先部位，因为hook 缺陷为两界面之间的物理缺陷，材料裂纹倾向明显，一旦材料发生失效，裂纹将沿着hook 方向迅速扩展。J.M.Piccini等人在研究中更进一步说明了hook大小对裂纹敏感性的影响，他们指出随着刀具深度增加，hook 大小增加，搭接接头抗剪性能随之降低。A. M. S.Malafaia[15]，R. Maciel[16]，L. Reis[17]等人在对搅拌摩擦焊对接接头疲劳特性的研究中发现，hook缺陷对接头疲劳特性有较大影响，与无缺陷试样相比，hook缺陷疲劳特性寿命为无缺陷的65%，寿命更低。

4 Hook缺陷改善方案

hook缺陷对搭接焊接性能影响大，在焊接过程中需要尽量减少hook 缺陷带来的性能不良。结合hook缺陷的影响因素，其改善方案可以为：

（1）hook 缺陷对焊接接头的影响主要表现为焊接有效厚度降低，因此在焊接过程中，可将母材较厚一侧置于搭接接头前进侧，从而减少hook 尺寸的影响。

（2）通过研究搅拌头形貌、长度与hook 形貌及大小的关系，根据产品特性制定相应的搅拌头，以满足焊接强度设计需求。

（3）在保证焊接接头内部质量情况下，优化焊接工艺、调整焊接转速与焊接速度之间的比值，可达到降低hook 缺陷大小来提升焊接综合性能的目的。

5 结论

随着轻量化应用在世界制造范围内的快速推广及工业化应用，搅拌摩擦焊在有色金属连接中的应用范围越来越大，其中hook 缺陷是搅拌摩擦焊在搭接接头中不可避免的固有缺陷。在加工制造过程中，通过材料不同配置方式、搅拌头形貌及尺寸优化以及焊接工艺的不断提升，hook缺陷尺寸可以得到一定的控制，从而材料的力学性能、抗裂纹特性和疲劳特性等综合性能得到进一步提升。随着新一波基础建设的到来，轨道交通、船舶海工等长大型材搅拌摩擦焊技术的推广还需要一代代科技研发者的潜心研究，为后续搅拌摩擦焊的全面应用奠定技术基础及理论依据。