搅拌摩擦焊基本原理及发展现状

全国特种连接技术交流会论文集搅拌摩擦焊基本原理及发展现状

１搅拌摩擦焊基本原理北京航空制造工程研究所郭德伦

～般摩擦焊是利用两被焊工件相互摩擦，由摩擦产生的热使被焊材料产生塑性软化区，然后快速停止摩擦，立即加压形成固相焊接头…。搅拌摩擦焊则是利用一个耐高温硬质材料制成一定形状的搅拌探头，将探头旋转深入两被焊材料连接的边缘处，依靠高速旋转探头在两被焊材料连接的边缘产生摩擦热，使接缝处金属产生塑性软化区，旋转探头周围的塑性软化区金属受到摩擦、搅拌、挤压，并随着搅拌探头沿焊缝向后形成塑性金属流，随后在探头离开后的冷却过程中，在受挤压的条件下，形成固相焊接接头。焊接过程示意图如图ｌ所示。

２搅拌摩擦焊工艺特点图ｌ揽拌摩攘焊过程‘由于搅拌摩擦焊过程中热输入相对于熔焊过程较小，接头部位不存在金属的熔化，是一种固态焊接过程，在合金中保持母材的冶金性能，可以焊接金属基复合材料、快速凝固材料等采用熔焊会有不良反应的材料。其主要优点如下伍Ｍ：

（１）焊接接头热影响区显微组织变化小．残余应力比较低，焊接工件不易变形（２）能一次宪成较长焊缝、大截面、不同位置的焊接．接头质量高：

４２全田特种连接技术交流会论文集（３）操作过程方便实现机械化、自动化，设备简单，能耗低，功效高：（４）无需添加焊丝，焊铝合金时不需焊前除氧化膜，不需要保护气体，成本低；（５）可焊热裂纹敏感的材料，适合异种材料焊接：（６）焊接过程安全、无污染、无烟尘、无辐射等。搅拌摩擦焊也存在一定的缺点｛“ｌ：焊接工件必须刚性固定，反面应有底板；焊接结束搅拌探头提出工件时，焊缝端头形成一个键孔，并且难以对焊缝进行修补：工具设计、过程参数和机械性能数据只在有限的合金范围内可得：在某种情况下，如特殊领域中要考虑腐蚀性能、残余应力和变形时，性能需进一步提高才可实际应用；

对板材进行单道连接时，目前焊速不是很高：搅拌头的磨损消耗太快等．

３铝合金搅拌摩擦焊接研究现状搅拌摩擦焊（ＦｒｉｃｔｉｏｎＳｔｉｒＷｅｌｄｉｎｇ简称ＦＳＷ）是英国剑桥焊接研究所（ＴＷＩ）于１９９１

年１０月提出的发明专利【”。搅拌摩擦焊工艺最初主要用于解决铝合金等低熔点材料的焊接，关于搅拌摩擦焊工艺的特点和应用等，ｒｑ，ｌ进行了较多的研究，并于１９９３年、１９９５年分别申请了专利。目前，ＴＷｌ主要是与航空航天、海洋、道路交通、铝材厂、焊接设备制造厂等大公司联合，以团体赞助或合作的形式开发这种技术，扩大其应用范围。美国的爱迪生焊接研究所（ＥｄｉｓｏｎｗｅｌｄｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，简称ＥＷＩ）与ＴｗＩ密切协作，也在进行ＦＳＷ工艺的研究ｆ。Ｊ。美田的美国洛克希德・马丁航空航天公司、马歇尔航天飞行中心、美国海军研究所、Ｄａｒｔｍｏｕｔｈ大学、得克萨斯大学、阿肯色斯大学、南卡罗利纳大学、德国的Ｓｔｕｔｔｇａｒｔ大学、澳大利巫的Ａｄｅｌａｉｄｅ大学、澳大利驱焊接研究所等都从不同角度对搅拌摩擦焊进行了专门研究ｉｆ，”。

搅拌摩擦焊工艺是自激光焊接问世以来最引人注目的焊接方法。它的出现将使铝合金等有色金属的连接技术发生重大变革。目前，用搅拌摩擦焊方法焊接铝合金取得了很好的效果。现在英、美等国正进行锌、铜、钛、低碳钢、复合材料等的搅拌摩擦焊接【”“。搅拌摩擦焊在航空航天工业领域有着良好的应用前景．

（１）搅拌头的设计搅拌头的成功设计是把搅拌摩擦焊应用在更大范围的材料和焊接更宽的厚度范围的关键。下面主要讨论一下搅拌头的发展现状．

一般说来，搅拌头包括两部分：搅拌探头和轴肩，而搅拌头的材料通常都采用硬度远远高于被焊材料的材料制成，这样能够在焊接过程中将搅拌头的磨损减至最小１１３】】。全困特种连接技术交流会论文集在初期，搅拌头形状的合理设计是获得良好机械性能焊缝的关键。近期以来，关于搅拌头的发展主要集中在两个方面：一个是带螺纹的搅拌头，一个是带三个沟槽的搅拌头【ｌ”，如图１－２、１－３所示。本质上，这两种搅拌探头都设计成锥体，大大减少了相同半径圆柱体搅拌探头的材料卷出量，一般说来，带三沟槽的搅拌探头减小了７０％，而带螺纹的搅拌探头减小了６０％ｔ”】。如果使用一个确定的较小直径的搅拌探头，锥形搅拌探头比圆柱形搅拌探头更容易进入焊件而通过塑性材料，并且减小了搅拌头的应力集中和断裂可能性。

盟２带三沟槽的搅拌头…’圈３带螺纹的搅拌头…’揽捧头轴肩的设计对于搅拌摩擦焊过程中的辅助热源输入起着极为重要的作用。对于不同材料的焊接，搅拌头轴肩的设计非常关键．文献［１４１中提出多种轴肩的设计方案如图４所示．

图４搅拌头的轴肩设计Ⅲｏ这些多样化的轴肩设计增强了搅拌头和工件之间的耦合，并能够对在焊接过程中挤出的塑性材料进行有效的密封．以保证形成致密的焊缝．

文献［１３】中描述了一种可以焊接不同厚度材料的搅拌头．搅拌探头和轴肩都可以随着材料的不同厚度而移动，如图５所示。全国特种连接技术交流会论文集图５可焊接不同厚度材料的揽拌头ｌＩＭｆ２）铝合金搅拌摩擦焊研究现状搅拌摩擦焊在铝合金上的应用越来越广泛，研究也越来越深入。不仅涉及到各种同种材料的焊接，还研究了大范围的异种铝合金的焊接．铝合金的焊接厚度范围从ｌｍｍ到７５ｍｍ。对铝台金焊接接头的腐蚀性能、力学性能、组织结构都进行了大量的研究。搅拌摩擦焊广泛应用于６０６１Ａ１／２０２４Ａ１、２０２４Ａ１／Ａｇ、２０２４Ａ１／Ｃｕ、６０６１ＡＩ／ｃｕ，甚至还适用于６０６１ＡＩ＋２０％Ａ１２０３／铸铝合金Ａ３３９＋１０％ＳｉＣ等合金。

ＬＥ．Ｍｕｒｒ等人研究了大范围的同种和异种合金系的搅拌摩擦焊，并且检测比较了其微观组织和硬度分布【”Ｉ．焊缝区的动态再结晶是搅拌摩擦焊的显著特征，在某些情况下，比如银和２０２４铝合金的搅拌摩擦焊时，存在大量的银的晶粒长大现象．对一些可时效硬化的金属体系进行ＦＳＷ焊接时，例如对６０６１和２０２４铝合金以及６０６１ＡＩ＋２０％ＡＩ，Ｏ：金属基复合材料的焊接，焊缝的残余硬度和强度降低了基体金属的４５％．然而，在焊接１１００铸铝合金时硬度几乎没有降低，而在焊接Ａ３３９铝合金＋１０％ＳＩＣ时．其焊缝区的实际硬度反而比基体金属的硬度要高．他们认为在包含一种或多种时效硬化成分的异种合金系的焊缝区里，硬度的降低部分依赖于基体的初始硬度，而在纯金属或者非时效硬化合金的焊缝区里，最小硬度是其决定性因紊。

在室温条件下，超细晶粒结构可以导致高强度和高硬度。在黑色和有色金属合金里都已获得具有超细晶粒的的金属材料，但由于熔焊过程的大量热输入导致热影响区的细小晶粒急剧长大．即使是较低热输入的弧焊工艺也不能完全抑制热影响区的晶粒长大。ＹｕｔａｋａＳ．Ｓａｔｏ等人的研究表明。ＦＳｗ过程利用旋转搅拌头的摩擦生成热导入焊缝使之在圃相状态下发生塑性流变。从而在焊接接头区域得到细小晶粒Ｉｌｑ。他利用的初始材辩是１０５０铝合金．其化学成分为ＡＩ－０．１Ｓｉ，０．２９Ｆｅ－０．０１Ｃｕ－０．０２Ｍｇ－０．０１Ｚｎ加．０２Ｔｉ（单位为ｗｔ％），平均晶粒尺寸为４０微米左右，硬度值约为２１Ｈｖ，现利用ＬＢＷ和ＦＳＷ两种焊接方法焊

●（全因特种连接技术交流会论文集接１０５０铝合金板，ＬＢＷ在无充填材料和氢气保护下施焊，ＬＢＷ和ＦＳＷ的焊接速度分别为２２和５９ｍｍ／ｓ。接头剖砸图如图６、７所示。

圈６激光焊接头…ｏ图７搅拌摩擦焊接头Ｉ。６１ＬＢＷ在熔化区和热影响区（ＨＡＺ）产生铸态粗大显微组织和粗大的等轴晶粒显微结构．导致ＬＢ焊缝的硬度值减小到小于３０ＨＶ．而在ＦＳＷ过程中，焊缝由于较低的热输入和塑性流变过程获得了细小晶粒．焊缝区和过渡区的晶粒和晶粒尺寸小于１∥肌。细小

晶粒结构导致了搅拌摩擦焊缝区的高硬度．目前的研究已经揭示了ＦＳＷ对于获得具有细小晶粒的高强度高硬度的铝合金焊接是一种最有效的焊接过程。

ＰａｔｒｉｃｋＢ．Ｂｅｒｂｏｎ等人认为搅拌摩擦焊作为一种均匀化铝合金微观结构的方法，产生的细小相可以使铝合金具有很高的强度（达到６５０ＭＰａ）而又有良好的延伸率（１０％）。他们认为良好的延伸率的提高归因于在ＦＳＷ工艺过程中得到的均匀化的细小结构ｌ”】，如图８所示。他们所用的材料是Ａｌ－Ｔｉ－ｃｕ合金。

Ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ（％）图８Ａ１．Ｔｉ．Ｃｕ合金的屈服强度、屈服强度和延伸率ｍ）Ｒ．Ｓ．Ｍｉｓｈｒａ等人重点分析了搅拌摩擦焊７０７５铝合金中高应变速率下的超塑性。他们认为铝合金的低应变速率的超塑性阻碍了铝合金超塑成形的广泛应用，尤其是在商业铝合金上。他们的研究预示了利用ＦＳＷ来产生高应变速率的超塑性铝合金是可能的。事实上，超塑性的铝合金可以通过搅拌摩擦焊过程在较厚的铝板中获得，对于７０７５铝合金搅拌摩擦焊接头，在应变率为１×１０＋２ｓ‘’温度为４９０。Ｃ时可以获得最佳的超塑性Ⅲ１。利用这种技术从商业铝合金中的铸造组织里也可获得细小晶粒。他们还提出获得超塑性铝合金全图特种连接技术交流会论文集制造工艺的三个步骤：铸造、搅拌摩擦焊接、超塑成形。ＹｉｎｇＬｉ等人主要描述了２０２４Ａ１／６０６１Ａ１的ＦＳＷ的焊缝的固态流变的可视化¨９】。对于异种铝合金的搅拌摩擦焊接头其复杂的流变形式往往很难进行清晰的可视化．他们主要根据不同的合金对不同的腐蚀液具有不同的腐蚀敏感性使用不同的腐蚀液来获得合金不同形式的流变形态，还研究了搅拌头的不同旋转速度对涡流形态的影响，他们认为高的旋转速度促进了晶粒的长大，破坏了低速时接头里规范的涡流特征。文献【２０】更进一步地分析了２０２４和６０６１铝合金搅拌摩擦焊的流动现象及显微组织，在焊接区有平均尺寸从１到１５ｕｍ的残余等轴晶粒，分布着超塑流变形态引起的晶粒长大，由于异种合金焊接而产生的穿织层状流变形态。流变形态很复杂，呈螺旋、漩涡状，同时这些流边形态的特征与搅拌头转动的方向和转动速度有关系。等轴晶和次等轴晶的显微组织随着估测的温度分布图（变化范围为０．６ＴＭ到Ｏ．８Ｔ。，Ｔ。为绝对熔化温度）的变化而变化，而温度分布图由搅拌头的旋转轴而定。在高速度下，２０２４铝合金焊缝的穿织区里的螺旋位错和位错环，随着温度的升高存在位错攀升，残余微硬度分布图也随微结构的变化而变化，如图９所示。

图９焊接接头硬度分布¨”文献【２０】分析认为温度导致残余晶粒尺寸、次晶粒尺寸显微组织和焊接强度的变化，正如残余组织微硬度分布图所决定的，硬度值呈起伏状的分布图，在６０６１铝含金的ＦＳＷ焊接过渡区附近达到最低值，显微硬度与基体金属相比降低了４０％。

ＲＳ．Ｐａｏ等人关注了７０７５铝合金搅拌摩擦焊中的腐蚀疲劳裂纹的生长，认为空气中ＦＳＷ焊缝疲劳裂纹生长率比金属基体稍高【２ｌ】。在空气和３．５％的ＮａＣＩ溶液中，热影响区的疲劳裂纹生长率均较低，而与疲劳裂纹生长率成正比的疲劳裂纹生长的应力强度极限范围（△Ｋ。）则显著高于基体金属，图ｌＯ表示出了疲劳裂纹生长的变化规律。并且由于ＦＳＷ工艺中产生的晶粒的晶界敏感性，所以在３．５％的ＮａＣＩ溶液中疲劳时接头断裂形式表现为晶界断裂。