綠色焊接技術(shù)

摘 要：攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding，簡(jiǎn)稱FSW）作為一項(xiàng)新型、綠色、節(jié)能的固相連接技術(shù)，近幾年已成為國(guó)內(nèi)外焊接領(lǐng)域研究與探討的熱點(diǎn)。本文就攪拌摩擦焊的技術(shù)特點(diǎn)、微觀組織、應(yīng)用現(xiàn)狀等，以及攪拌摩擦焊在鋁基合金、鎂基合金、其他合金等方面的研究現(xiàn)狀加以闡述，最后對(duì)攪拌摩擦焊在焊接技術(shù)領(lǐng)域中的發(fā)展前景進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：攪拌摩擦焊；鋁基合金；鎂基合金；發(fā)展前景

引言

英國(guó)焊接研究所于1991年發(fā)明了攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding）[1]，其過(guò)程原理見(jiàn)圖1，它由插入工件接縫內(nèi)部的攪拌針（Pin）和軸肩與被焊工件的摩擦產(chǎn)生的摩擦熱共同作用，使得被焊工件加熱至高溫塑性狀態(tài)，該溫度一般低于材料熔點(diǎn)，約為熔點(diǎn)的80-90%[2]。在高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭作用下，處于高溫塑性狀態(tài)的材料被擠壓和攪拌，從而繞著攪拌頭從攪拌后退側(cè)（RS）繞過(guò)探針到攪拌頭攪拌前進(jìn)側(cè)（AS）的尾部[3]。自攪拌摩擦焊發(fā)明以來(lái)，國(guó)內(nèi)外焊接學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)與研究[4]，國(guó)外關(guān)于攪拌摩擦焊（FSW）的研究比較前沿與深入，英、美等國(guó)正在進(jìn)行鋅、鈦、低碳鋼以及復(fù)合材料等的攪拌摩擦焊（FSW）研究。國(guó)內(nèi)關(guān)于攪拌摩擦焊（FSW）的研究發(fā)展呈現(xiàn)起步晚的現(xiàn)象，不過(guò)近幾年許多專業(yè)研究機(jī)構(gòu)與部分研究院校得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。本文就目前攪拌摩擦焊的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，為有志于進(jìn)行攪拌摩擦焊的相關(guān)人員提供參考信息。

圖1 攪拌摩擦焊過(guò)程原理示意圖

1 鋁及鋁合金攪拌摩擦焊技術(shù)研究現(xiàn)狀

鋁及鋁合金作為一類應(yīng)用非常廣泛的有色金屬材料，若采用傳統(tǒng)熔焊方法焊接鋁及鋁合金會(huì)出現(xiàn)諸如焊接接頭性能較差、焊接接頭的斷裂韌度較低、產(chǎn)生熱裂紋的傾向性較大等很多無(wú)法避免的問(wèn)題，而攪拌摩擦焊可以很大程度上改善或解決鋁及鋁合金熔焊時(shí)存在的上述問(wèn)題，使其在鋁及鋁合金中有著很好的應(yīng)用前景[5]。鋁及鋁合金攪拌摩擦焊的研究主要集中在焊接接頭微觀組織及力學(xué)性能方面[6]。對(duì)鋁及鋁基合金攪拌摩擦焊過(guò)程，尤其是鋁及鋁基合金焊縫金屬在攪拌摩擦焊過(guò)程中的塑性流動(dòng)方面的研究還不夠深入。

1.1 鋁及鋁合金攪拌摩擦焊接頭微觀組織研究現(xiàn)狀

目前對(duì)攪拌摩擦焊接頭形成機(jī)理和焊縫的微觀組織的研究較多。Murr L[7]等對(duì)1100鋁合金在攪拌速度和焊接速度分別為400rpm和60mm/min進(jìn)行了相關(guān)顯微組織研究，結(jié)果表明焊核區(qū)的主要組織特征是等軸晶。Rhodnev C G[8]等研究了7075鋁合金板攪拌摩擦焊，結(jié)果表明焊縫為典型的再結(jié)晶組織。趙衍華[9]等采用2014鋁合金進(jìn)行攪拌摩擦焊對(duì)接焊，試板尺寸為250×100×8mm， 攪拌速度、焊接速度和攪拌頭傾角分別為400rpm、50mm/min、2°，其斷口組織形貌如圖2所示，焊核區(qū)位于接頭的中心，受到攪拌針強(qiáng)烈的攪拌和焊接熱循環(huán)的雙重作用下發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，形成細(xì)小的等軸晶。由于熱-機(jī)影響區(qū)的位置距離攪拌針較遠(yuǎn)，受到攪拌針作用遠(yuǎn)小于焊核區(qū)組織，因此，這部分材料最終呈現(xiàn)回復(fù)晶粒組織。熱影響區(qū)組織在焊接過(guò)程中僅僅受到熱循環(huán)作用，所以該區(qū)組織相對(duì)于母材稍微有粗化現(xiàn)象。軸肩影響區(qū)情況和焊核區(qū)類似，所以軸肩影響區(qū)最終組織也為細(xì)小的等軸晶[10]。

1.2 鋁及鋁合金攪拌摩擦焊接頭力學(xué)性能研究現(xiàn)狀

關(guān)于鋁及鋁合金攪拌摩擦焊接頭力學(xué)性能的研究，國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了大量的參考文獻(xiàn)與理論成果，蘭州理工大學(xué)的一篇碩士學(xué)位論文就鋁合金的攪拌摩擦焊接工藝進(jìn)行了較為深入全面的研究[10]，結(jié)果表明，轉(zhuǎn)速一定時(shí)焊速過(guò)高或過(guò)低，都會(huì)影響接頭強(qiáng)度。趙衍華[9]等進(jìn)行的2014鋁合金進(jìn)行攪拌摩擦焊對(duì)接焊，得出結(jié)論：焊接接頭的抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度大約相當(dāng)于母材力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)的70%～80%。國(guó)外學(xué)者也對(duì)鋁及鋁合金攪拌摩擦焊接頭力學(xué)性能進(jìn)行了大量深入的研究，Y J Chao[11]等通過(guò)南卡羅萊納大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院科研團(tuán)隊(duì)的技術(shù)支持，采用分離式霍普金森壓桿系統(tǒng)（the split Hopkinson presure bar，簡(jiǎn)稱SHPB）對(duì)AA2024-T3和AA7075-T7351兩種鋁合金進(jìn)行相關(guān)力學(xué)性能測(cè)試。

2 鎂及鎂合金攪拌摩擦焊技術(shù)研究現(xiàn)狀

采用常規(guī)的焊接方法焊接鎂合金存在許多問(wèn)題：焊縫及近焊縫區(qū)金屬易發(fā)生過(guò)熱和晶粒長(zhǎng)大、在焊接過(guò)程中易引起較大的熱應(yīng)力、焊件變形大、產(chǎn)生裂紋和晶粒間過(guò)燒的傾向大、焊接時(shí)還易生產(chǎn)氫氣孔等[12]。采用攪拌摩擦焊可以避免這些缺陷，但是相對(duì)于攪拌摩擦焊在鋁及鋁合金材料方面的研究，攪拌摩擦焊在鎂及鎂基合金方面的研究還不夠深入[13]。

張華[12]等采用AZ31鎂合金作為實(shí)驗(yàn)材料，且提出應(yīng)用攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度R與焊接速度V的比值R/V作為評(píng)定參數(shù)，實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論：R/V值的大小與焊接接頭強(qiáng)度指標(biāo)呈類似“高斯”分布的關(guān)系，即在一定范圍內(nèi)，隨著R/V值的增大攪拌摩擦焊焊接接頭的抗拉強(qiáng)度增加，超過(guò)這個(gè)范圍，R/V值的增加反而會(huì)降低接頭強(qiáng)度，然后對(duì)實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行拉伸斷裂處理，進(jìn)而進(jìn)行斷口形貌掃描，顯示拉伸斷裂的位置為熱影響區(qū)，斷口機(jī)制為準(zhǔn)解理斷裂和韌性斷裂的組合。由攪拌摩擦焊焊接鎂及鎂合金得到的接頭微觀組織與攪拌摩擦焊焊接鋁及鋁合金得到的接頭微觀組織及各區(qū)微觀組織的演變機(jī)理大體類似。

3 其他合金攪拌摩擦焊技術(shù)研究現(xiàn)狀

攪拌摩擦焊在鋁及鋁基合金方面應(yīng)用于研究較為深入，也相應(yīng)的得到了一些理論或?qū)嶋H的結(jié)果，攪拌摩擦焊在鎂合金方面的研究在不斷的探索與實(shí)踐過(guò)程中，同時(shí)由于工程上應(yīng)用合金的多樣性，攪拌摩擦焊在其他合金方面的研究也都有涉及，如攪拌摩擦焊在不銹鋼、微合金鋼的應(yīng)用研究等[14]，但這些研究尚不完善，得到的一些結(jié)論也處于質(zhì)疑與待證階段。所以雖然攪拌摩擦焊在其他多種合金材料都有所涉及，但其研究尚待深入。

4 攪拌摩擦焊技術(shù)發(fā)展前景展望

作為革命性的綠色焊接技術(shù)，攪拌摩擦焊的出現(xiàn)對(duì)連接技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了巨大的沖擊和推動(dòng)[15]。攪拌摩擦焊（FSW）因其在鋁、鎂合金良好的可焊性，促使攪拌摩擦焊（FSW）自發(fā)明以來(lái)在鋁合金、鎂合金等傳統(tǒng)熔焊難以焊接成形的材料中得到了快速的推廣，鋁、鎂合金以及各種鋼材的攪拌摩擦焊（FSW）技術(shù)已被廣泛的應(yīng)用于航天、航空、電氣、船舶、電子、汽車、核工業(yè)等領(lǐng)域，同時(shí)在高熔點(diǎn)材料焊接領(lǐng)域也獲得了一定的發(fā)展。研究、實(shí)踐表明攪拌摩擦焊（FSW）焊接技術(shù)已經(jīng)能夠用來(lái)焊接多種有色金屬， 如鉛合金、鋅合金、鎂合金、銅及銅合金、鈦合金和鋁基復(fù)合材料等， 甚至能夠用于焊接黑色金屬，如鋼等。

隨著焊接設(shè)備的發(fā)展，可應(yīng)用攪拌摩擦焊焊接的材料會(huì)更加廣泛，同時(shí)可通過(guò)工藝優(yōu)化接頭性能，降低生產(chǎn)成本，而且容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。攪拌摩擦焊加工技術(shù)最近在復(fù)合材料的制備、材料合成等方面也顯示出了良好的應(yīng)用前景。展望攪拌摩擦焊這種高效、綠色的焊接技術(shù)將在今后的發(fā)展中得到更好的研究與應(yīng)用。

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作者簡(jiǎn)介：楊延廷（1991-），西南石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程專業(yè)2010級(jí)在校學(xué)生。