水下攪拌摩擦焊研究進展

張濤ZHANG Tao

（重慶交通大學，重慶400067）

0 引言

攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding，FSW）是一項由英國研究所發明的新型固相連接技術，是通過攪拌針旋轉，將金屬塑化流動焊接在一起的一項技術。母相在焊接過程中不融化，避免了產生氣孔、裂縫等缺陷[1]。作為一種新型技術非常適合用于各種有色金屬的焊接，但焊接時必不可免地因為溫度過高產生金屬間化合物，金屬間化合物是引起焊縫脆性斷裂的主要因素。水下攪拌摩擦焊（Underwater Friction Stir Welding，UFSW）是一種將焊接件完全浸入水中焊接的方式，有利于降低焊接溫度，減少金屬間化合物的形成，提高焊接接頭的質量[2-3]。

基于水下攪拌摩擦焊的實際應用價值和巨大發展潛力，文中對水下攪拌摩擦焊的研究進展進行概述，簡要闡明了水下攪拌摩擦焊在鋁合金、鎂/鋁合金的研究進展，以及不同的工藝參數對焊縫的影響，為未來的研究和實際運用提供參考。

1 鋁合金水下攪拌摩擦焊研究

鋁合金密度低、重量輕、比強度高、比模量高且導電導熱性好，常用于追求輕質承載結構的領域，如航空航天、軌道交通、汽車船舶等。隨著船舶、海下工程的發展，鋁合金的水下攪拌摩擦焊得到極大的運用[8]。

Mohd Atif Wahid 等人[4]對3 鋁合金6082-T6 水下摩擦攪拌焊展開研究，開發一種數學模型，以優化水下摩擦攪拌焊接工藝參數以獲得最大抗拉強度。結果表明，攪拌頭直徑（d），攪拌速度（ω），焊接速度（v）和攪拌速度的二階項（ω2），會顯著影響接頭的抗拉強度；在焊接參數的情況下，樣品最大拉伸強度為241MPa，是基體材料強度的79%，比常規攪拌焊接接頭的拉伸強度高10.7%。

Emad Eldin Kishta 等人[5]研究了4mm 厚度的5083 船用鋁合金的水下攪拌摩擦焊接，測量并分析了焊接合金樣品的空隙率，顯微硬度和拉伸性能。研究表明與常規的FSW 相比，UFSW 需要更高的轉速才能產生高質量的焊縫；與基體材料相比，UFSW 樣品中攪拌的材料中的空隙率明顯降低，幾乎為基體材料的1/3；UFSW 樣品的拉伸強度非常接近基體材料的拉伸強度，且UFSW 樣品的伸長率是基體材料伸長率約兩倍。

Farzad Heirani 等人[6]對5mm 厚度5083 合金在各種工藝參數下進行了攪拌摩擦焊接，并研究了焊接環境（水冷和風冷）對顯微組織和力學性能的影響。研究表明，在轉速為600rpm，焊接速度為30mm/min 時，水冷試樣中的熱影響區（HAZ）消失了；此外，攪拌區（SZ）中溫度峰值的存在使顯微組織發生變化，因此每個樣品的晶粒和沉淀物尺寸完全不同；與風冷焊接試樣相比，水冷試樣的抗拉強度由于細晶粒結構引起的攪拌區硬度的增加而增加；研究還表明，水冷試樣攪拌區的硬度值比空氣中冷卻的試樣高得多，在相同焊接參數（轉速為600rpm，焊接速度為30mm/min）下，攪拌區的硬度值提高了25%。

S. Shanavas 等人[7]研究了6mm 厚度的AA 5052 H32鋁合金水下摩擦攪拌焊接比普通摩擦攪拌焊接更能改善接頭性能的可行性，分析并比較了工具轉速和焊接速度對水下和普通摩擦攪拌焊接極限抗拉強度的影響。研究表明，在500rpm 以外的轉速，水下焊接接頭的抗拉強度均高于普通焊接接頭的強度；在700rpm 的轉速和65mm/min的焊接速度下，水下攪拌摩擦焊接獲得的最大抗拉強度為208.9MPa；將常規攪拌摩擦焊達到最大拉伸強度的最佳工藝參數與水下攪拌摩擦焊進行了比較。結果表明，水下攪拌摩擦焊獲得的極限抗拉強度比常規攪拌摩擦焊高約2%；在水下和空氣焊接過程中，都出現最大抗拉強度的接頭在焊接接頭的后退側斷裂。

H.J. Liu 等人[8]研究了固定轉速800rpm 和50-200mm/min 不同焊接速度對7.5mm 厚度的2219 鋁合金進行水下摩擦攪拌焊接，以闡明焊接速度對水下摩擦攪拌性能的影響。結果表明隨著焊接速度的增加，熱機械影響區和受熱影響區的析出物減弱，導致軟化區變窄，最低硬度值增加；拉伸強度首先隨著焊接速度的增加而增加，但由于出現溝槽缺陷，在200mm/min 的焊接速度下其抗拉強度急劇下降；在拉伸試驗中，以較低焊接速度焊接的接頭在后退側的熱影響區斷裂；在較高的焊接速度下，無缺陷的接頭在前進側的受熱機械影響的區域中破裂。

綜上所述，對于鋁合金，水下攪拌摩擦焊能提供比常規摩擦焊更優的力學性能，硬度和抗拉強度有所提升，焊縫具有更好的抗腐蝕性能。

2 鎂/鋁合金水下攪拌摩擦焊研究

鎂合金擁有質量輕、熔點低、比強度比剛度較高、抗震性能好、導熱性高、電磁屏蔽性能好等特點，被稱為“21 世紀的綠色材料”。鎂/鋁合金同屬于輕質有色金屬，工程上的交叉應用非常多，但鎂/鋁合金的線膨脹系數大，普通的熔焊容易引起變形、產生裂紋等缺陷[9-11]。水下攪拌摩擦焊可有效避免熔焊缺陷，獲得高質量接頭。

國內學者[12]對2mm 厚度的6061 鋁合金/AZ31 鎂合金分別在水下和空氣中進行搭接試驗，通過各項工藝參數的改變，以得到高質量焊接接頭工藝參數范圍。研究結果表明：水下焊接中，在轉速和焊接速度為900rpm 和80mm/min時，獲得最大抗拉強度為181.63MPa，約為母材的70%；而在空氣焊接中，最大抗拉強度出現在轉速和焊接速度為750rpm 和60mm/min 處，為176.23MPa，約為母材的67.8%；水下焊接需要更高的轉速來提供充足的熱輸入量，且接頭的性能比常規焊接稍好；硬度分布呈非對稱的“W”型，且水下焊接中攪拌頭磨損較常規的少。

Zhengping Lu 等人[13]對2.5mm 厚度的AZ21 鎂合金/6013 鋁合金水下攪拌摩擦焊進行研究，并通過光學顯微鏡，掃描電子顯微鏡和能量色散X 射線光譜等方法分析了焊接接頭的組織，力學性能，元素分布和斷裂面。研究結果表明：水下攪拌摩擦焊可以得到力學性能較好的焊接接頭；在6013 鋁合金/AZ31 鎂合金的界面處觀察到金屬間化合物層比在空氣焊接樣品中觀察到的層薄得多；水下摩擦攪拌焊接接頭的抗拉強度高達152.3MPa，相當于AZ31 Mg 合金強度的63.3%。

Hamed A Derazkola 等人[14]研究了4 厚度的鋁鎂合金（AA5005）/低碳鋼（ASTM A283）接頭結構的水下異種攪拌摩擦焊。研究表明：介質的冷卻效應會導致的峰值溫度降低和細晶粒結構降低；盡管在熱水中進行攪拌會產生更好的表面質量，但在常規攪拌的樣品中，材料的表面更為平滑；水下攪拌摩擦焊還可以減小界面的厚度；異種焊接接頭的強度分別在鋁合金和鋼的62-72%和19-23%范圍；通過在溫水中進行攪拌還可以提高浸入式焊接中較低的硬度。

鎂/鋁合金焊接產生的金屬間化合物是引起焊縫斷裂的主要因素，水下攪拌摩擦焊能夠降低焊接溫度，減少金屬間化合物產生，提高接頭強度，增強焊縫性能。

3 結束語

水下攪拌摩擦焊相較于常規攪拌摩擦焊，由于峰值溫度的降低，可以有效減少金屬間化合物的產生，提高焊接接頭的質量。水下攪拌摩擦焊為了獲得更好的接頭，需要更高的轉速和焊接速度。

目前關于水下攪拌摩擦焊的研究不足，對于焊縫中材料的流動、刀具的幾何形狀對焊縫結構的形成、異質合金分別位于前進側與后退側對焊縫質量的影響知之甚少，可以作為未來的研究方向。

隨著船舶、海事工程的發展，水下攪拌摩擦焊的應用會得到極大的發展，對水下攪拌摩擦焊的研究及改進，會很大程度上提高焊接接頭的性能，帶來巨大的經濟效應與社會效應，為我國未來的焊接發展帶來啟發。