異種材料填充式攪拌摩擦點焊研究

王聯鳳，喬鳳斌，朱小剛，郭立杰，張成林，王 卓，賴 鷗

（1.上海航天設備制造總廠，上海200245；2.南寧南車鋁材精密加工有限責任公司，廣西南寧 530000）

0 前言

填充式攪拌摩擦點焊FSpW（Refill Friction Stir Spot Welding）是基于攪拌摩擦焊發展而來的一種新型點狀固相連接技術，具有高質高強、變形小、能耗低等優點。

Mazda公司在1993年開發的匙孔攪拌摩擦點焊主要包括壓入、連接和回撤三個過程[5]。德國GKSS在1999年提出了填充式攪拌摩擦點焊技術(FSpW)，填充式攪拌摩擦點焊焊接鋁合金等輕金屬合金時具有以下優點：與電阻點焊相比，連接過程產生的熱輸入較少，焊縫區域熱變形較小，焊接接頭結合強度較好，焊點質量穩定；填充式攪拌摩擦點焊不需要如鉚釘等輔助材料，焊接前準備過程簡單，適用范圍廣；填充式攪拌摩擦點焊不產生灰塵和煙霧、電磁和噪聲污染,不會像鉚接產生多余廢物[1]。

該技術在鋁合金和鎂合金等輕量化材料連接方面優勢明顯，異種材料的連接成為其應用限制因素。為了解決常用的鋁合金和不銹鋼點狀連接問題，上海航天設備制造總廠進行了鋁合金中6061-T6和不銹鋼中0Cr18Ni9Ti的填充式攪拌摩擦點焊技術研究，為異種材料的點狀連接問題提供了新的方法，這使得填充式攪拌摩擦點焊技術必將在新一代航空航天飛行器、船艦、高速列車車體及新能源汽車等產品的制造中發揮越來越重要的作用[2]。

1 FSpW技術研究現狀

FSpW技術原理如圖1所示，主要分為四個階段。

圖1 填充式攪拌摩擦點焊[3]

（1）旋轉摩擦：壓緊套壓緊工件，攪拌針和攪拌套同步旋轉，對待焊試件摩擦加熱。

（2）攪拌粉碎：攪拌套高速旋轉壓入待焊試件內部，同時攪拌針旋轉上升，材料被擠入攪拌針、攪拌套及待焊試件形成的封閉空腔。

（3）材料回填：攪拌套旋轉上升，攪拌針旋轉下壓，將塑性材料擠回待焊試件。

（4）平整完成：攪拌針和攪拌套下表面平齊后進行平整表面，然后壓緊套、攪拌針和攪拌套一起脫離試件表面，試件上下板焊點連接完成。

填充式攪拌摩擦點焊設備相對匙孔攪拌摩擦點焊較復雜，焊點表面平整，氣密性較好。

目前國內研究填充式攪拌摩擦點焊技術的單位有上海航天設備制造總廠、天津大學、哈爾濱工業大學和上海交通大學等。尤其是上海航天設備制造總廠針對FSpW技術的設備研發和工程化應用進行了深入地研究，成功研制出國內首臺基本型填充式攪拌摩擦點焊設備、機器人型攪拌摩擦點焊設備、集點焊與摩擦焊一體的設備、點點焊與摩擦焊雙機頭機床設備及移動式柔性高鐵專用點焊設備，如圖2所示。

圖2 填充式攪拌摩擦點焊設備

上海航天設備制造總廠加強了FSpW技術的工程化應用研究，進行了常用2系、5系、6系、7系等鋁合金、多層板鋁合金、銅合金等基礎工藝研究。國內相關高校如天津大學、哈爾濱工業大學、上海交通大學積極開展相關基礎預研，并在上海航天設備制造總廠研制的設備上進行了一些工藝試驗。

2 異種材料FSpW探索研究

2.1 試驗方法

試驗采用材料為2mm的鋁合金6061-T6和2mm的不銹鋼0Cr18Ni9Ti（150 mm×25 mm），試驗采用搭接接頭。剪切試樣和十字形拉伸試樣分別按照工業標準Q/RJ 337-2012《變形鋁及鋁合金填充式攪拌摩擦點焊通用技術條件》和Q/RJ338-2012《變形鋁及鋁合金填充式攪拌摩擦點焊工藝規范》進行加工。

試驗設備采用基本型攪拌摩擦點焊機FSpWSK-002，攪拌工具為該廠自主研制針對特殊材料高強型專用攪拌工具FSpW-GJ-003。

焊前鋁板試樣用丙酮擦拭，去除油污等雜質。點焊時選用的工藝參數中，轉速n、焊接時間t和壓入深度h可通過人機操作界面中的焊接菜單進行編輯設置；軸向壓力F可通過氣液增力缸控制閥進行調節。焊接完成之后，沿垂直于焊縫的方向切割試樣，進行金相制備和分析截面形貌；在OBSERV-ER.D1m和DISCOVERY.V20顯微鏡下進行微觀組織分析。拉伸試驗在CMT-5305型萬能試驗機上進行。

2.2 攪拌工具

研制的攪拌工具采用分離的攪拌針、攪拌套和壓緊套結構，如圖3所示。研制的常規攪拌工具（攪拌套外徑9 mm）焊接壽命可達20 000點以上，達到國內外領先水平。

圖3 填充式攪拌摩擦點焊攪拌工具

對特殊材料高強型專用攪拌工具需要從結構設計、材料選擇、熱處理工藝以及表面處理等方面綜合考慮，并結合焊接工藝參數的優化，完成鋁合金6061-T6和不銹鋼0Cr18Ni9Ti填充式攪拌摩擦點焊連接。

2.3 試驗結果

2.3.1 點焊接頭

如圖4所示，點焊接頭表面平整光滑，無退出孔、飛邊、毛刺等表面缺陷。

點焊接頭截面如圖5所示，點焊接頭有明顯的分界面，一般也稱為粘連韌帶（Bonding ligament），這一界面其實是上板和下板的結合面經塑性流動后形成的，其附著粘附力很好，抗力很高，類似于熔焊中的夾雜。

圖5 點焊接頭截面

2.3.2 優化工藝參數的抗剪強度

根據影響抗剪切性能的工藝參數進行優化，并在旋轉速度為1 800 r/min，壓入深度為2.3 mm，軸向壓力15.65 kN，焊接時間7.5 s的條件下，進行五組抗剪切性能試驗，試驗結果表明，優化參數下抗剪切性能最佳，最大剪切載荷可達8 141 N。

3 結論

以鋁鋼異種材料6061和0Cr18Ni9Ti為研究對象，通過對2 mm板厚的試件攪拌摩擦點焊接頭進行性能試驗，點焊接頭表面光滑平整，在轉速1 800r/min，壓入深度2.3mm，軸向壓力15.65 kN，焊接時間7.5 s的焊接工藝參數下，抗剪切性能最佳，最大剪切載荷可達8 141 N。

因攪拌工具焊接鋼材較為困難，關于異種材料特別涉及鋼的FSpW性能研究鮮有公開。針對航天、汽車工業領域等對鋁鋼異種材料點焊焊接的急切應用需求，選用也是較為常用的材料6061-T6和0Cr18Ni9Ti進行FSpW性能研究，為該技術在工業上應用做前瞻性探索。目前異種材料的點焊正在進行深入工藝研究和專用攪拌工具研制，相關汽車及交通行業領域用戶單位已與上海航天設備制造總廠進行接洽，開始工程化應用研究。

[1]王聯鳳，朱小剛，喬鳳斌，等.Al-Mg合金填充式攪拌摩擦點焊性能研究[J].焊接學報，2014，35（2）：99-105.

[2]喬鳳斌，朱小剛，王聯鳳，等.填充式攪拌摩擦點焊技術應用現狀[J].電焊機，2013，43（10）：1-5.

[3]Arbegast William J.Friction stir welding and aircraft applications.AdvancedMaterialsProcessingCenter(AMP)，South Dakota School of Mines and Technology(SDSMT)，2007.