鋁合金攪拌摩擦焊的研究現狀與展望

宋東福，王海艷，戚文軍，農 登，周 楠

(廣州有色金屬研究院，廣東 廣州 510650)

鋁合金攪拌摩擦焊的研究現狀與展望

宋東福，王海艷，戚文軍，農 登，周 楠

(廣州有色金屬研究院，廣東 廣州 510650)

在介紹攪拌摩擦焊技術的基本原理及影響因素的基礎上，綜述了鋁合金攪拌摩擦焊在接頭金屬塑性流動、顯微組織以及性能等方面的國內外研究現狀。研究現狀表明，攪拌頭形狀和工藝參數對接頭組織和性能具有重要影響，在合適的工藝參數下可獲得綜合性能良好的鋁合金攪拌摩擦焊接頭，并取得了一定規模的應用。此外，指出了攪拌摩擦焊技術的不足和接頭性能弱區，并展望了鋁合金攪拌摩擦焊技術的發展方向。

鋁合金；攪拌摩擦焊；塑性流動；顯微組織；性能

0 前言

鋁合金具有質量輕、比強度比剛度高、耐蝕性能好、無磁性、成形加工性能好、低溫性能好以及可回收性等特點，廣泛應用于航空航天、交通運輸、電力和電子、建筑、容器包裝和石油化工等工業制造領域[1－2]。但鋁合金表面容易形成一層致密、難熔的氧化膜，且鋁的熱導率和比熱容大，導熱快，線膨脹系數大，在采用傳統的焊接方法焊接時易形成氣孔和變形[3]，限制了鋁合金材料的進一步應用。

攪拌摩擦焊FSW(Friction stir welding)是在傳統摩擦焊的基礎上發展起來的一項固態連接技術。與傳統熔化焊接方法相比，攪拌摩擦焊接頭具有外觀平整、性能優良、焊后殘余應力和變形小；無煙塵、無輻射；不需焊絲、不需氣體保護、節能等優點[4－5]，特別適合于鋁合金的連接。到目前為止，攪拌摩擦焊已被證明可以實現所有牌號的鋁合金材料(如Al－Cu 系列、Al－Mg系列、Al－Mg－Si系列、Al－Zn 系列、Al－Li系列等)、鋁基復合材料以及鑄態和擠壓鋁合金間的焊接。隨著鋁合金在航天、船舶、交通運輸、儲運設備等領域的應用范圍進一步擴大，攪拌摩擦焊技術具有廣闊的發展前景。

1 攪拌摩擦焊原理

1.1 基本原理

攪拌摩擦焊是用一種非耗損的特殊形狀的攪拌頭(由攪拌針和軸肩組成)，旋轉插入待焊零件，然后沿著待焊界面移動，在攪拌針與周圍母材摩擦及軸肩與焊件表面摩擦的作用下，焊縫材料溫度升高而熱塑化。同時，處于前進端的材料在攪拌針的高速旋轉下發生強烈的塑性變形。隨著攪拌針向前移動，高度塑性變形的材料被擠壓到攪拌針的后方，軸肩施加的鍛造力使接縫處的變形金屬通過相互擴散與再結晶而牢固地結合在一起，從而實現固態連接的過程[6]，其工作原理如圖1所示。

圖1 攪拌摩擦焊工作原理

1.2 影響因素

大量試驗研究表明，攪拌摩擦焊過程中的發熱量和焊縫材料的塑性流動形態是影響焊縫成形質量的主要因素，它與攪拌頭形狀和焊接工藝參數等有關[7－8]。

目前，用于攪拌摩擦焊的攪拌頭形狀主要有圓柱形、圓錐形、螺旋形和偏心式。其中螺旋形攪拌針在旋轉的同時，產生向下的鍛造力，有利于焊縫金屬的塑性流動與成型；偏心式攪拌針可增大等效摩擦面積并使熱塑性材料易于流動。

影響攪拌摩擦焊接頭質量的工藝參數有：軸肩直徑、攪拌針直徑、旋轉速度、焊接速度、軸向壓力、攪拌頭的傾角等[9－10]。其中軸向壓力、焊接速度以及旋轉速度在焊接過程中容易變化，其他參數則相對穩定。趙勇[11]通過對攪拌摩擦焊過程的數學建模，得到焊接參數與線能量的關系：攪拌頭旋轉速度的增加及焊接速度的降低均有利于焊接線能量的增加，有利于焊縫金屬的熱塑化和流動。此外，接頭質量的好壞與旋轉速度的絕對值大小有關。

2 接頭金屬塑性流動的研究

焊接過程中，攪拌頭前進端材料在攪拌針的攪拌、摩擦作用下從攪拌頭兩側向返回端塑性流動，從而形成接頭，接頭材料的流動形態直接關系到接頭缺陷形成、接頭組織轉變以及接頭性能。對焊接接頭金屬的塑性流動研究很多，主要研究觀點如下：

Ouyang等人[12]通過2024和6061鋁合金板的對接試驗認為：焊縫金屬是在由攪拌頭軸肩、底板及較遠處較冷金屬形成的“模腔”內流動，在帶螺紋攪拌針的攪拌和攪拌針對周邊及焊接前段材料的擠壓作用下形成旋渦狀結構和層狀結構的焊縫形貌。

Colligan[13]利用攪拌頭“急停”技術和添加示蹤標記研究了6061/7075鋁合金的塑性流動過程，認為攪拌頭對金屬的攪拌只發生在焊接攪拌針的上部，經攪拌的金屬在攪拌針螺旋力和攪拌頭鍛造力的共同作用下被強制向下方流動，并在攪拌針末端區域堆積，而攪拌針下面的金屬只受到流動金屬的擠壓作用。

Krishnan[14]在7075鋁合金攪拌摩擦焊接頭橫截面觀察到“洋蔥瓣”狀花紋，分析認為高速旋轉的攪拌頭產生摩擦熱使攪拌針周圍的金屬塑化，并在攪拌頭旋轉著前進的作用使熱塑化金屬沿攪拌頭的返回端被擠向攪拌針后方，“洋蔥瓣”狀的花紋即為焊縫區金屬塑性流動的結果。

柯黎明[15]通過鑲嵌標識材料的方法對比LF16/LF12鋁合金在光滑和帶螺紋攪拌頭焊接條件下焊縫接頭的形貌，認為攪拌針表面的螺紋是焊縫金屬在軸向流動的主要驅動力，當塑化金屬沿螺紋軸向向上或向下流動時，在螺紋的熱塑化金屬“入口”處形成一個“瞬時空腔”，而周圍塑化金屬將被吸入此空腔；在螺紋的“出口處”，塑化金屬將改變流向并往外擠壓周邊金屬，很好地解釋了“洋蔥環”和隧道缺陷。

黃永德[16]通過在LY12鋁合金中鑲嵌銅箔作為標識材料方法研究了攪拌摩擦點焊的金屬塑性流動。認為塑化金屬在攪拌針螺紋向下的壓力和軸肩頂鍛壓力作用下，以螺旋狀向焊點底部流動，運動到焊點底部后受底板和周圍未塑化金屬的阻礙，從而擠壓攪拌針周圍的金屬形成焊縫。

3 接頭微觀組織的研究

焊接接頭的微觀組織與力學性能密切相關，根據攪拌摩擦焊工藝的特點，國內外研究者一般將焊后組織分成4個區：焊核區(Weld Nugget Zone)、熱機械影響區(Thermo－mechanically Affected Zone)、熱影響區(Heat Affected Zone)以及母材，如圖2所示。

在焊接過程中，焊核區金屬受到攪拌頭的攪拌、擠壓而發生塑性流動，并在摩擦熱的作用下發生動態再結晶，晶粒尺寸得到明顯細化且呈等軸狀；熱機械影響區主要受到塑性金屬流動及攪拌頭的擠壓和熱循環作用，晶粒呈扁平、彎曲狀且具有塑性流動的趨勢；熱影響區只受到熱循環的作用，可能發生再結晶，晶粒長大。A356鋁合金焊后顯微組織如圖3所示。

Jata[17]利用透射電鏡等儀器觀察對比了Al－Li－Cu合金焊接前后焊縫區的微觀組織，焊前平均晶粒直徑為87μ m，晶粒呈扁長狀，而焊后焊縫動態再結晶區的平均晶粒直徑為9μm，且均為等軸晶。

圖2 攪拌摩擦焊接頭截面分區

Cabibbo[18]等人觀察了6056－T6鋁合金FSW前后顯微組織，焊縫區由于較高的溫度和低的應變速率，形成大量的微晶；熱影響區晶粒發生了粗化；前進側熱機區晶粒被拉長，且呈彎曲狀，而后退側熱機區相對較寬，晶粒也被拉長，但尺寸比前進端窄。此外，熱機區后退側晶粒由殘留的時效沉淀、半共格的β顆粒和共格β－Mg2Si顆粒組成。

Benavides[19]等對比研究了2024鋁合金在低溫與室溫條件下FSW接頭組織。結果表明，低溫焊接接頭焊縫區的晶粒尺寸要比常溫下小很多；在焊接溫度不高時，焊縫區晶粒尺寸從焊縫底部至頂部逐漸增加，但差別很小。

Sato等人[20]研究了5052－O鋁合金的攪拌摩擦焊接頭組織，發現焊核區晶粒發生再結晶，形成細小的等軸晶粒，位錯密度較低；熱機影響區晶粒發生較大的彎曲變形，且發生回復，位錯密度較高和大量的小角度晶界。

Su等人[21]利用透射電鏡研究了7075－T651鋁合金攪拌摩擦焊接過程中接頭組織，認為焊接過程對熱影響區晶粒結構影響不大，但析出相粗化，鋁基相尺寸也因此增大；靠近熱影響區發生了大量的晶格畸變和晶粒長大，靠近焊核區的熱機械影響區為細小的回復亞晶，焊核區發生了連續動態再結晶，組織為細小的等軸晶。動態再結晶發生在動態回復的基礎，動態回復過程中形成的亞晶發展成為大角晶界的晶粒，位錯不斷進入亞晶界是動態再結晶過程中亞晶界錯位角增大的主要機制。

圖3 A356焊后顯微組織

Cavaliere等人[22]研究了焊接工藝參數對6082鋁合金攪拌摩擦焊接頭晶粒度的影響，研究發現，在旋轉速度一定的條件下，當焊接速度低于165 mm/min，晶粒度隨焊速的變化而變化較大；當焊接速度增大到165 mm/min時，晶粒度變化不大；當焊接速度達到460mm/min時，晶粒大小基本不再變化。當旋轉速度和焊接速度比值為14時晶粒度最小。

4 接頭性能的研究

接頭性能是國內外研究者最為關心的問題，相關的研究報道也較多，研究范圍主要集中在接頭抗拉強度、疲勞性能，另外接頭的耐蝕性能、殘余應力等也有相關的研究報道。

根據FSW接頭焊縫區組織變化的特點，在合適的焊接工藝參數條件下，焊縫各區所表現的的性能也差異很大。焊核區晶粒經過攪拌頭的攪拌發生再結晶，區內性能得到很大的提高；熱影響區受到熱循環的影響，該區晶粒粗大、殘余應力集中，接頭性能相對較差；焊核區與熱機械影響區的過渡區(簡稱過渡區)存在機械混合組織，成為接頭的弱連接區，接頭性能不佳。眾多研究表明，拉伸、疲勞試驗中接頭斷裂的位置主要集中在熱影響區和過渡區。

Liu[23－24]等人研究了 2017－T351 和 6061－T6 鋁合金的FSW，發現工藝參數對接頭拉伸性能及斷裂位置具有重要影響。當旋轉速度1 500 r/min、焊接速度100mm/min時，2017－T351接頭的強度最佳，達到母材的82%；當旋轉速度為1 500 r/min，焊接速度為800 mm/min，6061－T6 接頭的抗拉強度最高，達到母材的77%。此外，拉伸試驗時斷裂位置均出現在焊核與熱機械影響區的過渡區。

辜純民等人[25]利用正交試驗方法研究了工藝參數對LY12鋁合金FSW接頭拉伸強度的影響，發現攪拌頭的軸肩尺寸對接頭抗拉強度的影響大于旋轉速度和焊接速度。當焊接工藝參數匹配合理時，接頭抗拉強度高于350 MPa，強度系數高達母材的86%。

王希靖[26]等人研究了1.7 mm厚的LF2鋁合金板進行FSW搭接工藝參數，當旋轉速度1 100 r/min、焊接速度80～255 mm/min時均可得到強度較高的搭接接頭，其中焊速100 mm/min時，接頭的剪切強度最高，達到母材剪切強度的75%。此外，接頭的拉剪斷口均出現在熱影響區。

Mahoney[27]等人分析了7075－T651鋁合金FSW接頭性能。發現接頭最脆弱的區域出現在距焊核邊緣7～8 mm的熱影響區，其屈服強度、抗拉強度相比于母材分別降低45%和25%。

Hassan[28]等人研究了焊接工藝參數對7010鋁合金FSW接頭性能的影響。發現最佳的接頭性能與最佳的旋轉速度和焊接速度相對應，為了保持這種狀態，必須同時提高或減小焊接速度和旋轉速度。

Zhou[29]對比研究了5056鋁合金FSW接頭和熔化極氣體保護焊(Metal Inert－gas Welding簡稱MIG)接頭的疲勞性能，結果發現FSW接頭的疲勞壽命比MIG焊接頭長6～14倍，此外FSW的高周疲勞極限幾乎與母材相等；在2×106循環后，FSW接頭的疲勞特征值比MIG焊接頭高26 MPa。

Jones[30]等通過對15 mm厚的2024－T351鋁合金FSW接頭的硬度測試發現，在接頭返回側的熱影響區存在兩個明顯的軟化區，硬度存在極小值，而接頭的最高硬度出現在這兩個軟化區之間。

Wadeson[31]等人研究了AA7108－T79鋁合金FSW接頭在腐蝕液中的腐蝕行為，試驗發現，腐蝕最嚴重的區域為接頭焊核區與熱機械影響區的過渡區；電化學測試也表明，最低開路電壓的區域也出現在熱機械影響區的邊緣，這是由于在熱機械影響區內陽極反應速率的增加造成的。

Staron[32]等人通過中子衍射法測量了2024－T351鋁合金FSW對接接頭的殘余應力，研究發現接頭縱向殘余應力分布呈現出雙峰特征，最大值在熱影響區(約130 MPa)，最小值出現在焊縫區，而橫向沒有明顯的殘余應力。

柴鵬[33]等人研究了LF5鋁合金板FSW接頭的殘余應力分布情況，發現接頭前進側和返回側殘余應力分布具有非對稱性，這是由于前進側和返回側軸肩與接頭材料相對運動速度的差異使得兩側受力狀態、熱輸入等有較大的差異造成的。

5 展望

攪拌摩擦焊作為一種新型的固態連接技術，在焊接過程中不需要熔化基體，很好地避免了鋁合金在熔化焊時因熔化造成的孔隙、微裂紋、變形等缺陷。此外，在焊接過程中，焊接區不需要保護氣體和填充材料、無焊接煙塵和飛濺、工藝簡單、生產效率高、能耗小、接頭綜合性能優良等特點，是一種經濟、高效、優質的“綠色焊接工藝”。目前，攪拌摩擦焊技術已應用到包括航空航天、船舶、地鐵以及高速列車等軌道交通行業在內的眾多領域。如：麥道公司用此方法焊接火箭、飛機等的大型高強鋁合金燃料儲箱；挪威MARINE公司應用于艦船鋁合金甲板、側板等流水線等結構件的焊接；日本輕金屬公司應用于地鐵車輛，制造的工件長度已經超過了3 km，接頭質量良好等等。

雖然攪拌摩擦焊技術在國外鋁合金領域已取得一定規模應用，但應用范圍和焊接量還遠不如熔化焊，這主要由該技術的不足造成的，主要缺點是：被焊工件需固定在墊板上、縫末端后會留下匙孔、焊接速度相對較慢、焊接工件要求平直或圓筒等，焊接適應性較差，阻礙了攪拌摩擦焊技術的拓展。此外，攪拌摩擦焊接頭的金屬塑性流動機理、失效機理、工藝與組織性能的關系、曲面零件的攪拌摩擦焊以及無損檢測等方面的研究還有待于進一步的深入研究。隨著鋁合金攪拌摩擦焊技術的不斷發展和日臻完善，其應用必將越來越廣。

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Prospects and research status of friction stir welding on aluminium alloy

SONG Dong-fu，WANG Hai-yan，QI Wen-jun，NONG Deng，ZHOU Nan
(Guangzhou Research Institute of Nonferrous Metals，Guangzhou 510650，China)

In this paper，the basic principles and factors of friction stir welding technology are expatiated，and the research status of friction stir welding joint on metal plastic flow，microstructure and properties are summarized.The investigation reports show that the shape of pin and processing parameters affect the microstructure and properties of joints significantly.Good comprehensive performance of friction stir welded joints on aluminum alloy can be obtained under the appropriate parameters，and achieved a certain scale applications.Furthermore，the paper point out the shortage of friction stir welding technology，the weak areas of joint，and the development direction of friction stir welding technology on aluminum alloy.

aluminium alloy;friction stir welding；plastic flowing；microstructure；properties

TG457.19

C

1001－2303(2011)03－0050－05

2010－11－09

廣東省科技計劃資助項目(2008A080403002和2008 B050100041)

宋東福(1984—)，男，江西寧都人，工程師，碩士，主要從事金屬材料的成形與加工工作。