鋁合金搭接結(jié)構(gòu)的攪拌摩擦焊接技術(shù)*

王國慶，趙衍華，杜巖峰，于海靜，張麗娜

（1. 中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076；2. 首都航天機(jī)械公司，北京100076）

搭接結(jié)構(gòu)在航空航天制造和汽車工業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，如飛機(jī)機(jī)身蒙皮與肋板、機(jī)翼框架及地面甲板，運(yùn)載火箭整流罩、貯箱內(nèi)連接角片以及汽車輪轂、底盤、支撐架等結(jié)構(gòu)件連接。目前，常見的搭接結(jié)構(gòu)主要采用熔焊、電阻點(diǎn)焊以及鉚接這3種方式連接。主要存在熔焊焊接變形大、廢重，電阻點(diǎn)焊時(shí)焊點(diǎn)質(zhì)量控制難、焊接耗能大，以及鉚接廢重、因制孔導(dǎo)致強(qiáng)度減弱、噪聲大等問題。

攪拌摩擦焊具有焊接變形小、接頭質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，是鋁合金理想的焊接工藝。該技術(shù)自發(fā)明以來在鋁合金對(duì)接結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用，如運(yùn)載火箭貯箱、軌道車廂廂體、船甲板等。隨著攪拌摩擦焊接技術(shù)的發(fā)展，搭接結(jié)構(gòu)攪拌摩擦焊接越來越受到重視，并涌現(xiàn)出一批專門針對(duì)鋁合金搭接結(jié)構(gòu)的攪拌摩擦焊接技術(shù)，主要包括：（1）攪拌摩擦連續(xù)焊，采用特種焊接工藝或攪拌頭進(jìn)行搭接結(jié)構(gòu)長焊縫攪拌摩擦焊接。（2）攪拌摩擦點(diǎn)焊，主要分為有“匙孔”的攪拌摩擦點(diǎn)焊和無“匙孔”的攪拌摩擦點(diǎn)焊，“無匙孔”攪拌摩擦點(diǎn)焊可有效解決“匙孔”對(duì)強(qiáng)度等性能方面的損傷。

1 攪拌摩擦連續(xù)焊

對(duì)于搭接面積較大、有密封要求的零部件來說，可采用攪拌摩擦焊接技術(shù)進(jìn)行連接[1]。但傳統(tǒng)攪拌摩擦焊接搭接結(jié)構(gòu)時(shí)，上下板的原始界面在攪拌頭的作用下會(huì)發(fā)生遷移，其中攪拌針作用范圍內(nèi)的原始界面將會(huì)被攪碎，而攪拌針邊緣處的部分界面會(huì)在垂直方向上發(fā)生彎曲，造成板材“有效厚度”減薄(“Hook”缺陷)，從而降低接頭的承載能力[2]（圖1）?？蒲腥藛T從焊接工藝改進(jìn)（采用雙頭攪拌摩擦焊）及攪拌頭特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行研究，獲得了良好的搭接結(jié)構(gòu)攪拌摩擦焊接頭[3]。

1.1 雙頭攪拌摩擦焊

鑒于搭接結(jié)構(gòu)攪拌摩擦焊接產(chǎn)生的界面遷移主要發(fā)生在焊縫一側(cè)，目前主要采用雙頭攪拌摩擦焊進(jìn)行搭接結(jié)構(gòu)的焊接，包含3種方式[4]：（1）平行并列式雙頭（Parallel Twin-stir）攪拌摩擦焊，該方式采用兩個(gè)轉(zhuǎn)向相反的攪拌頭，按照平行并列方式排布，一同沿焊接方向移動(dòng)；（2）前后一字排列式雙頭（Tandem Twin-stir）攪拌摩擦焊（圖2），該方式按焊接方向，兩個(gè)攪拌頭一前一后排布，轉(zhuǎn)向相反；（3）前后交錯(cuò)排列式雙頭（Staggered Twin-stir）攪拌摩擦焊（見圖 3），該方式沿焊接方向的兩個(gè)攪拌頭前后交錯(cuò)排列，可以形成更寬的焊縫區(qū)域，兩個(gè)攪拌頭重疊區(qū)域的氧化膜將得到更好的破碎和彌散性分布，并且第二個(gè)攪拌頭位置可調(diào)，可以覆蓋前方攪拌頭的焊接區(qū)域，消除焊縫減薄。

1.2 搭接結(jié)構(gòu)特殊攪拌頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

搭接結(jié)構(gòu)攪拌摩擦焊接時(shí)，界面遷移與材料運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)，而攪拌頭結(jié)構(gòu)（尤其是攪拌針結(jié)構(gòu)）對(duì)材料運(yùn)動(dòng)具有重要影響。為了減少界面遷移，設(shè)計(jì)搭接結(jié)構(gòu)攪拌摩擦焊專用攪拌頭也是一種重要途徑。一般來說需要提高攪拌針動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)體積與靜態(tài)體積的比值，這樣可以進(jìn)一步促進(jìn)攪拌針附近及其下部材料的混合、攪拌和流動(dòng)，減少搭接界面處的材料減薄。攪拌頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較多圖4，典型結(jié)構(gòu)包括3種。

1.2.1 Flared-Triflute攪拌頭

圖5為Flared-TrifluteTM攪拌針焊接后接頭宏觀照片[5]，焊接區(qū)寬度是板材厚度的190%，搭接界面處材料減薄很少。

1.2.2 Skew-Stir攪拌頭

為了進(jìn)一步提高攪拌針攪拌能力（攪拌針動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)體積與靜態(tài)體積的比值），英國焊接研究所的Thomas等人采用Skew-stirTM攪拌頭（圖6）焊接6mm厚度5083-0鋁合金搭接結(jié)構(gòu)[6]，焊接速度是240mm/min，焊接后接頭照片見圖7?？梢钥闯觯缚p寬度大約是板材厚度的195%，焊接后板材重疊交界處略有下降，但不明顯，交界處材料基本沒有減薄。

圖1 搭接接頭界面Fig.1 Cross-section of lap joint

圖2 前后一字排列式雙頭攪拌摩擦焊及焊縫接頭Fig.2 Tandem twin-stir and the photos of lap joint

圖3 前后交錯(cuò)排列式雙頭攪拌摩擦焊及焊縫接頭Fig.3 Staggered twin-stir and the cross-section of lap joint

Thomas采用Skew-stirTM攪拌頭對(duì)6mm厚度5083-H111鋁合金搭接結(jié)構(gòu)進(jìn)行攪拌摩擦焊接，焊接后測(cè)試了焊接速度為4mm/s時(shí)不同轉(zhuǎn)速條件下的接頭力學(xué)性能（圖8，7mm攪拌針），結(jié)果表明這種攪拌頭比傳統(tǒng)的圓柱螺紋攪拌頭更理想，可實(shí)現(xiàn)搭接結(jié)構(gòu)的攪拌摩擦焊接，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)都證明搭接接頭性能有了大幅提高[6]。

1.2.3 定軸肩攪拌頭（Stationary Shoulder Tool）

定軸肩攪拌摩擦焊具有熱輸入量更少，焊接變形更小的優(yōu)點(diǎn)，探討該技術(shù)在搭接結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的可行性具有積極意義。Yu[2]等采用定軸肩攪拌摩擦焊接技術(shù)對(duì)AA7075-T6鋁合金搭接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了雙道焊接（圖9），研究了接頭的微觀組織及力學(xué)性能，分析了焊接參數(shù)和攪拌頭結(jié)構(gòu)對(duì)焊接過程的影響規(guī)律，討論了焊后熱處理對(duì)焊接變形和接頭性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度影響焊接扭矩和整體的能量輸入，而攪拌頭結(jié)構(gòu)對(duì)焊接過程影響不大。焊后熱處理有助于減少焊接的“馬鞍形”變形并提高力學(xué)性能。焊核區(qū)組織為細(xì)小的等軸晶粒，其微觀硬度比熱影響區(qū)等區(qū)域高，接頭抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到537.3MPa，大部分?jǐn)嗔盐恢梦挥诳锥慈毕菸恢没蛘邿嵊绊憛^(qū)。

圖4 常見的對(duì)接和搭接結(jié)構(gòu)所用的攪拌頭Fig.4 Tools for butt and lap joint

圖5 Flared-TrifluteTM攪拌頭焊接后接頭照片F(xiàn)ig.5 Cross-section of lap joint used Flared-TrifluteTM tool

圖6 Skew-stir TM 攪拌頭Fig.6 Skew-stirTM tool

圖7 Skew-stir TM攪拌頭焊接后接頭照片F(xiàn)ig.7 Cross-section of lap joint used Skew-stirTM tool

圖8 搭接接頭疲勞試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Fatigue properties of lap joint

圖9 搭接結(jié)構(gòu)定軸肩攪拌摩擦焊接頭宏觀照片F(xiàn)ig.9 Cross-section of lap joint used stationary shoulder FSW

2 攪拌摩擦點(diǎn)焊

對(duì)于原來采用電阻點(diǎn)焊或者鉚接連接、無密封要求的搭接結(jié)構(gòu)，可以采用攪拌摩擦點(diǎn)焊。最早的攪拌摩擦點(diǎn)焊是在攪拌摩擦焊接技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，焊接后留有“匙孔”，導(dǎo)致點(diǎn)焊接頭性能降低。隨著攪拌摩擦點(diǎn)焊技術(shù)的發(fā)展，涌現(xiàn)出一批新型無“匙孔”攪拌摩擦點(diǎn)焊技術(shù)，大幅拓展了攪拌摩擦點(diǎn)焊技術(shù)的適用性[7]。

2.1 有“匙孔”攪拌摩擦點(diǎn)焊

有“匙孔”攪拌摩擦點(diǎn)焊的工藝與設(shè)備相對(duì)簡單、成本低廉，但焊接后留有“匙孔”，對(duì)點(diǎn)焊接頭強(qiáng)度、疲勞等性能有一定影響。目前有“匙孔”攪拌摩擦點(diǎn)焊技術(shù)主要包括以下幾種。

2.1.1 傳統(tǒng)攪拌摩擦點(diǎn)焊

傳統(tǒng)的攪拌摩擦點(diǎn)焊（Friction Stir Spot Welding,FSSW）是1993年日本馬自達(dá)公司發(fā)明的[8]，后來廣泛應(yīng)用于Mazda RX8等車型原電阻點(diǎn)焊部件的生產(chǎn)[9]。攪拌摩擦點(diǎn)焊焊接過程可以分為3個(gè)階段：攪拌頭扎入、攪拌以及攪拌頭拔出[10]，典型的攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭形貌見圖10。傳統(tǒng)攪拌摩擦點(diǎn)焊可以在普通攪拌摩擦焊接設(shè)備上進(jìn)行，不需要進(jìn)行設(shè)備硬件的改造。日本川崎重工將攪拌摩擦點(diǎn)焊與機(jī)器人相結(jié)合，研制了攪拌摩擦點(diǎn)焊機(jī)器人[10]，在汽車工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用（圖11），并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益[11]。

2.1.2 短焊縫攪拌摩擦點(diǎn)焊

常規(guī)攪拌摩擦點(diǎn)焊設(shè)備簡單、生產(chǎn)效率高，但由于存在匙孔且點(diǎn)焊截面積小，接頭力學(xué)性能不高，影響了攪拌摩擦點(diǎn)焊的應(yīng)用推廣。Badarinarayan等[12]為了增大點(diǎn)焊接頭截面積，提高點(diǎn)焊接頭性能，提出了短焊縫攪拌摩擦點(diǎn)焊（Stitch FSSW），其原理與攪拌摩擦焊相同，但焊縫長度相對(duì)較短。Lertora[13]研究了短焊縫攪拌摩擦點(diǎn)焊焊接1.3mm的AA2024-T3鋁合金飛機(jī)機(jī)身加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，分析了該方法替代鉚接的可行性。研究結(jié)果表明，采用短焊縫攪拌摩擦點(diǎn)焊得到的試驗(yàn)件疲勞壽命比常規(guī)連續(xù)攪拌摩擦焊更好，接頭性能與鉚接效果相當(dāng)。

圖10 傳統(tǒng)攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭形貌Fig.10 Cross-section of traditional FSSW joint

圖11 機(jī)器人攪拌摩擦點(diǎn)焊在日本馬自達(dá)汽車中的應(yīng)用Fig.11 Application of robotic FSSW in Mazda motor

2.1.3 擺動(dòng)式攪拌摩擦點(diǎn)焊

Badarinarayan在短焊縫攪拌摩擦點(diǎn)焊技術(shù)基礎(chǔ)上提出了擺動(dòng)式攪拌摩擦點(diǎn)焊（Swing FSSW）[14]，主要應(yīng)用于機(jī)器人攪拌摩擦點(diǎn)焊焊接。該技術(shù)與短焊縫攪拌摩擦點(diǎn)焊的區(qū)別主要在于，攪拌頭以一定的角度擺動(dòng)而不是直線運(yùn)動(dòng)來增加點(diǎn)焊接頭截面積。Badarinarayan等[12]分析了擺動(dòng)焊縫長度與點(diǎn)焊接頭剪切力的關(guān)系，可以看出，接頭剪切力隨擺動(dòng)焊縫長度的增加而增加，但增加幅度逐漸減小。無擺動(dòng)時(shí)接頭剪切力為2250N，擺動(dòng)焊縫長度為2.5mm時(shí)，接頭剪切力達(dá)到2700N以上。

2.1.4 掃描式攪拌摩擦點(diǎn)焊

增大點(diǎn)焊接頭截面積可以提高接頭性能。英國焊接研究所Addison和Robelou[15]在傳統(tǒng)攪拌摩擦點(diǎn)焊技術(shù)基礎(chǔ)上，提出了掃描式攪拌摩擦點(diǎn)焊（Swept FSSW），具體焊接過程如圖12所示，攪拌頭扎入工件后以一定的半徑進(jìn)行環(huán)形運(yùn)動(dòng)，然后再回到扎入時(shí)的起始點(diǎn)。

通過控制攪拌頭的運(yùn)動(dòng)路徑，可以獲得不同形式的擺動(dòng)式攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭。Burford等[16]也提出了類似的工藝(OctaspotTM），如圖13所示。掃描式攪拌摩擦點(diǎn)焊與傳統(tǒng)攪拌摩擦點(diǎn)焊相比，除了增大點(diǎn)焊接頭截面積、提高力學(xué)性能外，還將匙孔移動(dòng)到點(diǎn)焊中心，進(jìn)一步降低了匙孔對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響。

圖12 掃描式攪拌摩擦點(diǎn)焊示意圖Fig.12 Illustration of the circumscribing tool path for swept FSSW

圖13 掃描式攪拌摩擦點(diǎn)焊路徑及接頭形貌Fig.13 OctaspotTM concept and the cross-section appearance of joint

Lam[17]研究了攪拌頭結(jié)構(gòu)（軸肩和攪拌針形狀和尺寸等特征）、焊接參數(shù)與2024-T3鋁合金掃描式攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭（圖14）性能之間的關(guān)系，攪拌頭包括兩種直徑軸肩及5種不同形狀的攪拌針。結(jié)果表明，攪拌針結(jié)構(gòu)對(duì)接頭缺陷控制和焊接過程Z向壓力有較大影響，通過攪拌頭結(jié)構(gòu)和焊接工藝參數(shù)優(yōu)化，可有效降低搭接界面缺陷，并降低Z向壓力，從而實(shí)現(xiàn)掃描式攪拌摩擦點(diǎn)焊技術(shù)與機(jī)器人本體的聯(lián)合應(yīng)用。

攪拌摩擦點(diǎn)焊過程中搭接界面處的材料會(huì)因?yàn)樯舷逻\(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生“界面遷移”，導(dǎo)致有效厚度減薄，影響接頭承載性能。而攪拌頭傾斜一定角度可有效調(diào)整界面處材料運(yùn)動(dòng)，從而降低“界面遷移”的發(fā)生。Burford[18]利用可調(diào)整角度的攪拌摩擦焊主機(jī)，進(jìn)行了掃描式攪拌摩擦點(diǎn)焊，攪拌頭沿環(huán)形焊縫運(yùn)動(dòng)時(shí)保持一定的傾斜角度，如圖15所示。該方法在增大點(diǎn)焊接頭截面積的同時(shí)，有效降低了界面缺陷的產(chǎn)生。

2.2 無“匙孔”攪拌摩擦點(diǎn)焊

“匙孔”的存在會(huì)導(dǎo)致接頭性能的降低，隨著攪拌摩擦焊接技術(shù)的發(fā)展，涌現(xiàn)出一批新型無“匙孔”攪拌摩擦點(diǎn)焊技術(shù)。

2.2.1 可回抽掃描式攪拌摩擦點(diǎn)焊

掃描式攪拌摩擦點(diǎn)焊有一定焊縫長度，并可進(jìn)行多圈焊接，為攪拌針回抽提供了條件。Brown等[19]利用可回抽攪拌摩擦焊接技術(shù)（Retractable Swept FSSW）[20]，發(fā)明了無匙孔掃描式攪拌摩擦點(diǎn)焊工藝：攪拌頭在沿一定路徑（通常為環(huán)形）運(yùn)動(dòng)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)攪拌針的回抽，從而獲得無匙孔攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭，可大幅提高搭接結(jié)構(gòu)的性能。但該方法不能在普通攪拌摩擦焊接設(shè)備上進(jìn)行，攪拌主機(jī)需要具備攪拌針回抽功能。

2.2.2 回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊

傳統(tǒng)攪拌摩擦點(diǎn)焊“匙孔”會(huì)影響產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的承載能力，而通過增大點(diǎn)焊接頭截面積提高結(jié)構(gòu)承載能力也會(huì)帶來焊接效率低、過程復(fù)雜、無法在小零部件上使用等問題。

德國Helmholtz-Zentrum Geesthacht研究中心(HZG，也稱GKSS）最早發(fā)明了回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊（Refilled FSSW），此后日本川崎重工進(jìn)一步發(fā)展了該技術(shù)。回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊系統(tǒng)由3部分組成，即攪拌針、軸肩以及壓緊套（clamp）。焊接時(shí)，即攪拌針和軸肩都可以相對(duì)運(yùn)動(dòng)并進(jìn)行精確控制，而壓緊套起到密封材料作用，通常不發(fā)生運(yùn)動(dòng)，基本原理如圖16所示。根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向不同，可分為兩種，一種軸肩先下扎，一種攪拌針先下扎，形成的點(diǎn)焊接頭形貌不同[21-22]。Amancio-Filho等[23]研究發(fā)現(xiàn)，軸肩先下扎時(shí)所形成的點(diǎn)焊接頭截面積更大，但是攪拌針先下扎時(shí)回填式攪拌摩擦焊接系統(tǒng)所需要的摩擦壓力更小一些。

圖14 2024-T3鋁合金掃描式攪拌摩擦點(diǎn)焊搭接接頭Fig.14 Cross-section of swept FSSW joint on Al 2024-T3 alloy

圖15 帶傾角的掃描式攪拌摩擦點(diǎn)焊示意圖Fig.15 Illustration of tilted swept FSSW

Uematsu等[24]發(fā)現(xiàn)典型的回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭可分為3個(gè)區(qū):混合區(qū)（MZ）、攪拌區(qū)（SZ）和母材（PM），如圖17所示。混合區(qū)材料在焊接過程中承受的熱輸入更多，攪拌更為劇烈，因此該區(qū)域晶粒更為粗糙一些。采用合適的工藝參數(shù)，可以獲得理想的回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭，接頭力學(xué)性能與點(diǎn)焊時(shí)間關(guān)系較大，存在一個(gè)最小點(diǎn)焊時(shí)間。Rosendo等[25]對(duì)1.7mm厚的AA6181-T4進(jìn)行回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊，發(fā)現(xiàn)當(dāng)焊接時(shí)間超過3s時(shí)，焊接接頭性能較好。

回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭在上下板材交界處，以及攪拌針與軸肩、軸肩與壓緊套附近的交界處，也容易產(chǎn)生缺陷，如圖18所示。缺陷類型主要為孔洞、弱結(jié)合、界面夾雜物殘留等。

回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊在異種材料點(diǎn)焊中也有廣泛的應(yīng)用。Chen[26]研究了Al6063-T6和鍍鋅DP600鋼板回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭性能，當(dāng)攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為2100r/min，焊接時(shí)間為2.5s時(shí)，搭接接頭最大剪切力為3.7kN。

圖16 兩種不同的回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊過程示意圖Fig.16 Two different refilled FSSW concepts

圖17 典型回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭分區(qū)Fig.17 Different zones of refilled FSSW joint

圖18 回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊缺陷Fig.18 Typical defects in refilled FSSW joint

回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭性能優(yōu)異，與傳統(tǒng)攪拌摩擦點(diǎn)焊、電阻點(diǎn)焊以及鉚接等工藝相比，均體現(xiàn)出較大的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。Venukumar等[27]分別采用回填攪拌摩擦點(diǎn)焊和傳統(tǒng)攪拌摩擦點(diǎn)焊技術(shù)焊接 AA6061-T6搭接試樣，研究攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度對(duì)接頭的力學(xué)性能和金相組織的影響。在不同的旋轉(zhuǎn)速度下，回填攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭的靜態(tài)剪切強(qiáng)度要比傳統(tǒng)攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭的高。這是因?yàn)樵诨靥顢嚢枘Σ咙c(diǎn)焊時(shí)，添加了填充材料從而消除了孔洞缺陷，并使點(diǎn)焊焊核區(qū)的有效截面積增加?；靥钍綌嚢枘Σ咙c(diǎn)焊和傳統(tǒng)攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭的硬度曲線都呈W形，最小的硬度出現(xiàn)在熱影響區(qū)。

崔云龍等[28]采用回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊和電阻點(diǎn)焊方法對(duì)Al-Zn-Mg合金進(jìn)行搭接點(diǎn)焊試驗(yàn),對(duì)兩種點(diǎn)焊接頭的宏觀形貌、顯微組織、硬度分布和抗剪性能進(jìn)行測(cè)試對(duì)比。研究結(jié)果表明：電阻點(diǎn)焊的焊點(diǎn)組織為鑄態(tài)組織，攪拌摩擦點(diǎn)焊的焊點(diǎn)組織為再結(jié)晶組織和變形組織，攪拌摩擦點(diǎn)焊的焊點(diǎn)組織更加細(xì)小均勻。兩種點(diǎn)焊方法的接頭硬度分布特征相似，攪拌摩擦點(diǎn)焊的焊點(diǎn)硬度明顯高于電阻點(diǎn)焊。攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭所能承受的最大剪切應(yīng)力高于電阻點(diǎn)焊接頭，其承載能力更加穩(wěn)定。綜合來看，攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭的組織及力學(xué)性能優(yōu)于電阻點(diǎn)焊接頭。

Okada[22]對(duì)比分析了0.635mm的AA6061-T6 （上層）和0.508mm的AA2024C-T3（下層）搭接結(jié)構(gòu)回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊與鉚接結(jié)構(gòu)的區(qū)別。回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭表面光滑平整、無匙孔、無飛濺（見圖19），接頭平均剪切強(qiáng)度為2363N，高于鉚接接頭的1257N。

圖19 回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭及金相照片F(xiàn)ig.19 Refilled FSSW weld joint and cross-section

圖20 飛機(jī)蒙皮和加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件Fig.20 Sample for airplane skin and stiffener structure samples

回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊可以消除“匙孔”對(duì)點(diǎn)焊接頭性能的影響，與可回抽掃描式攪拌摩擦點(diǎn)焊相比，可在小尺寸零件上應(yīng)用，且焊點(diǎn)面積較小，焊接效率高，是替代電阻點(diǎn)焊、鉚接的理想工藝。目前國內(nèi)外航空領(lǐng)域正在積極開展工程應(yīng)用工作，已采用回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊進(jìn)行飛機(jī)壁板和汽車部件等試驗(yàn)件的焊接（圖20和21）[29]。

2.2.3 無針攪拌摩擦點(diǎn)焊

無針攪拌摩擦點(diǎn)焊(Probeless FSSW)是傳統(tǒng)攪拌摩擦點(diǎn)焊技術(shù)的一種變體，焊接時(shí)采用無攪拌針（只有軸肩）的攪拌頭進(jìn)行攪拌摩擦點(diǎn)焊[30]。

Bakavos等[30-31]采用該技術(shù)進(jìn)行了鋁鋼薄板攪拌摩擦點(diǎn)焊，圖22為試驗(yàn)所用的不同形貌的軸肩，直徑均為10mm。研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于6XXX系列鋁合金汽車用較薄板材（1mm厚度），采用無針攪拌摩擦點(diǎn)焊焊接時(shí)，不需要很長焊接時(shí)間就可以獲得良好的搭接接頭[31]。與掃描式、擺動(dòng)式攪拌摩擦點(diǎn)焊等工藝相比，無針攪拌摩擦點(diǎn)焊生產(chǎn)效率高，而且可在普通攪拌摩擦焊接設(shè)備上進(jìn)行，僅需對(duì)攪拌頭稍作處理即可，生產(chǎn)成本低。

Tozaki等[32]對(duì)2mm厚AA6061鋁合金板材搭接結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，采用帶有螺旋線溝槽的軸肩進(jìn)行無針攪拌摩擦點(diǎn)焊焊接時(shí)可獲得良好的接頭，但是扎入深度要大于0.5mm，攪拌頭停留時(shí)間需要超過4s，焊接后接頭剪切強(qiáng)度可以達(dá)到4.6kN，比帶有攪拌針的攪拌頭焊接時(shí)獲得的數(shù)據(jù)大，表明軸肩上的螺旋線溝槽起到了堪比攪拌針的重要作用。但當(dāng)進(jìn)行厚板焊接時(shí)，無針攪拌摩擦點(diǎn)焊工藝會(huì)更為困難。

2.2.4 自填充攪拌摩擦點(diǎn)焊

圖21 汽車部件試驗(yàn)件Fig.21 Sample for motor

圖22 無針攪拌摩擦點(diǎn)焊攪拌頭軸肩Fig.22 Shoulder for probeless FSSW

黃永憲等[33-34]提出了一種解決“匙孔”的新方法，自填充攪拌摩擦焊(Friction bit joining)。攪拌頭采用分體式制造，攪拌針材料與被焊材料相同，焊接過程與傳統(tǒng)攪拌摩擦點(diǎn)焊類似，攪拌針在焊接后直接填充匙孔。與上例相似，Miles[35]提出了自填充攪拌摩擦點(diǎn)焊方法，攪拌頭為分體式結(jié)構(gòu)，下半部分?jǐn)嚢桀^為消耗性質(zhì)的連接棒（joining bit），焊接后與攪拌主機(jī)分離，直接留存在點(diǎn)焊匙孔處，填充傳統(tǒng)點(diǎn)焊“匙孔”缺陷，連接棒屬于耗材，一般情況材質(zhì)比被焊板材硬。圖23為焊接后的點(diǎn)焊接頭及剖面照片[35-36]。

2.2.5 分步回填攪拌摩擦點(diǎn)焊

采用傳統(tǒng)攪拌摩擦點(diǎn)焊會(huì)形成匙孔，匙孔的存在對(duì)接頭性能造成較大影響，Venukumar等[37]提出了分步回填攪拌摩擦點(diǎn)焊（Step-refilled FSSW）。該方法與德國GKSS以及日本川崎重工提出的回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊不同，是在接頭形成“匙孔”之后，在焊接試樣上放置一塊和焊接試樣同材料同厚度的回填板，在回填過程中采用無針攪拌頭，回填板的材料在壓力下攪拌并填充“匙孔”，如圖24所示。

圖23 自填充攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭及金相照片F(xiàn)ig.23 Sample and cross-section of friction bit joining

圖24 分布回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊過程示意圖Fig.24 Step-refilled FSSW concept

3 結(jié)束語

搭接結(jié)構(gòu)攪拌摩擦焊作為一種固相連接技術(shù)，與傳統(tǒng)的電阻點(diǎn)焊、鉚接等工藝相比，在航空、航天、汽車、船舶等工業(yè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。國內(nèi)外對(duì)搭接結(jié)構(gòu)攪拌摩擦焊接技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，從其研究及應(yīng)用進(jìn)展可以看出：（1）攪拌摩擦焊接連續(xù)焊仍然在搭接結(jié)構(gòu)焊接中占有重要地位。焊接時(shí)可使用傳統(tǒng)的攪拌摩擦焊接設(shè)備，只需在焊接工藝或攪拌頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)即可，具有操作方便、設(shè)備簡單、成本低廉等優(yōu)勢(shì)。對(duì)于大型長焊縫搭接結(jié)構(gòu)件焊接具有明顯的優(yōu)勢(shì)，是今后大型鋁合金搭接結(jié)構(gòu)件的重要發(fā)展方向。（2）傳統(tǒng)攪拌摩擦點(diǎn)焊雖然“匙孔”導(dǎo)致接頭性能降低，但由于技術(shù)成熟、設(shè)備簡單、生產(chǎn)效率高等優(yōu)勢(shì)在某些領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。（3）回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊是無“匙孔”攪拌摩擦點(diǎn)焊的典型代表，具有接頭性能高、焊接速度快等優(yōu)點(diǎn)，是目前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，并在汽車和航空等領(lǐng)域得到了性能驗(yàn)證，是今后搭接結(jié)構(gòu)最重要的發(fā)展方向之一。

為了拓展搭接結(jié)構(gòu)攪拌摩擦焊接應(yīng)用范圍，后續(xù)還需要重點(diǎn)開展以下工作：

（1）Hook缺陷目前仍是降低搭接結(jié)構(gòu)攪拌摩擦焊接頭性能及可靠性的主要因素，還需要通過優(yōu)化工藝參數(shù)、研發(fā)新工藝等方法消除焊接缺陷，提高接頭力學(xué)性能和質(zhì)量穩(wěn)定性。

（2）搭接結(jié)構(gòu)攪拌摩擦焊接缺陷檢測(cè)技術(shù)還存在眾多的難點(diǎn)，需要盡快開展新型無損檢測(cè)技術(shù)研究工作。此外，航空航天等特殊領(lǐng)域采用攪拌摩擦焊接技術(shù)進(jìn)行搭接結(jié)構(gòu)連接，還需要盡快制定相關(guān)的搭接接頭驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

（3）針對(duì)實(shí)際工業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、裝配精度低、產(chǎn)品形位精度要求高的特點(diǎn)，還需要開展搭接結(jié)構(gòu)攪拌摩擦焊接技術(shù)實(shí)際工程應(yīng)用研究，推廣其應(yīng)用范圍，為我國航空航天和交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域輕量化結(jié)構(gòu)生產(chǎn)成本的降低、制造水平的提高、產(chǎn)業(yè)競爭力的提升做出更大貢獻(xiàn)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] DE B J, CHRISTIANSSON AK, OQUEKA J M, et al.Investigation of path compensation methods for robotic friction stir welding[J]. Industrial Robot: An International Journal, 2012,39(6):601-608.

[2] YU H. Welding parameters, distortion and mechanical properties of AA7075 lap joints in SSFSW [D]. Columbia： University of South Carolina, 2013.

[3] 王國慶，趙衍華. 鋁合金的攪拌摩擦焊接[M]. 北京：中國宇航出版社，2010:1-321.

WANG Guoqing， ZHAO Yanhua. Friction stir welding of aluminum alloy[M]. Beijing: China Astronautic Publishing House,2010:1-321.

[4] NORRIS I M, THOMAS W M, MARTIN J, et al. Welding and joining-key technologies for the future[C]//10th International Aachen Welding Conference, Aachen, 2007.

[5] THOMAS W M, DOLBY R E. Friction stir welding developments[C]//6th International Conference on Trends in Welding Research, Pine Mountain, 2002.

[6] THOMAS W M, GITTOS M F, TUBBY P, et al. Friction Skew-stirTMlap welding 5083-H111 aluminium alloy-process development and mechanical/fatigue evaluation[R]. The Welding Institute,2007.

[7] NOR K, BURFORD D. Process capability study for friction stir spot welding (FSSW)[R]. No:23973/1/14, TWI Ltd, 2015.

[8] SAKANO R, MURAKAMI K, YAMASHITA K, et al.Development of spot FSW robot system for automobile body members[C]//Symposium of the 3rd Friction Stir Welding, Ko be,2001.

[9] YAN Y K, DONG H, CAO H, et al. Liquation of Mg alloys in friction stir spot welding[J]. Welding Journal, 2008, 87:167-177.

[10] FUJIMOTO M, INUZUKA M, KOGA S, et al. Development of friction spot joining[J]. Welding in the World, 2005, 49(3-4):18-21.

[11] HOU J， SHEN Z, CHEN Y, et al. Comparison of resistance spot welding and refill friction stir welding of Al 7075 sheets[EB/OL]. [2016-01-12]. http://awo.aws.org/wp-content/uploads/2014/RWMA.

[12] BADARINARAYAN H, HUNT F, OKAMOTO K. Friction stir stitch welding-process development and mechanical property evaluation[C]//Symposium of Friction Stir Welding, Montreal, 2006.

[13] LERTORA E. Comparison of AA2024-T3 friction stir welded and riveted overlap joints with the addition of a pressurization test[J].Materials and Design, 2013, 49:259-266.

[14] BADARINARAYAN H. Fundamentals of friction stir spot welding[D]. Rolla: Missouri University of Science and Technology, 2009.

[15] ADDISON A C, ROBELOU A J. Friction stir spot welding:principle parameters and their effects[C]//Symposium of Friction Stir Welding, Metz, 2004.

[16] BURFORD D A, TWEEDY B M, WIDENER C A. Fatigue crack growth in integrally stiffened panels joined using friction stir welding and swept friction stir spot welding[J]. Journal of ASTM International, 2008,5(4): 101568-101585.

[17] LAM T J. Low Z-force octaspotTMswept friction stir spot welds welding-conventional tool and process development approach[D]. Wichita:Wichita State University,2010.

[18] BURFORD D A. End effector for forming swept friction stir spot welds: US 8444040 [P]. 2013-05-21.

[19] BROWN J, GROSS J, BULLER J, et al. Retractable vs. fixed probe tools in swept friction stir spot welding[C]. San Diego: Friction Stir Welding and Processing IV, 2011.

[20] 郝云飛，李延民，周慶，等. 鋁合金可回抽攪拌摩擦焊接頭組織和性能 [J]. 宇航材料工藝，2014，44(2)：42-48.

HAO Yunfei， LI Yanmin， ZHOU Qing, et al. Retractable friction stir welding technology of 2219 aluminium alloy[J]. Aerospace Materials &Technology, 2014, 44(2):42-48.

[21] OKADA H, KAMIMUKI K, OHASHI R, et al. Joint property of refill friction stir spot welding for aluminium alloys[C]//Aeromat 25 Conference & Exposition American Society for Metals, Orlando， 2014.

[22] OKADA H, KAMIMUKI K, FUJIMOTO M. Application study of refill fssw on aerospace industry[C]//Symposium of Friction Stir Welding,Huntsville， 2012.

[23] AMANCIO-FILHO S T, CAMILLO A P C, DOS S J F, et al.Preliminary investigation of the microstructure and mechanical behaviour of 2024 aluminium alloy friction spot welds[J]. Materials Transactions, 2001,52(5):985-911.

[24] UEMATSU Y, TOKAJI K, TOZAKI Y, et al. Effect of refilling probe hole on tensile failure and fatigue behaviour of friction stir spot welded joints in Al-Mg-Si alloy[J]. International Journal of Fatigue,2008,30(10-11):1956-1966.

[25] ROSENDO T, PARRA B, TIER M A D, et al. Mechanical and microstructural investigation of friction spot welded AA6181-T4 aluminum alloy[J]. Materials & Design, 2011, 32(3):1094-1100.

[26] CHEN Y. Refill friction stir spot welding of dissimilar alloys [D].Waterloo: University of Waterloo, 2015.

[27] VENUKUMAR S, YALAGI S, MUTHUKUMARAN S, et al.Comparison of microstructure and mechanical properties of conventional and refilled friction stir spot welds in AA 6061-T6 using filler plate[J],Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2013, 23(10): 2833-2842.

[28] 崔云龍，何建英. A1-Zn-Mg合金電阻點(diǎn)焊與攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭組織及力學(xué)性能[J]. 焊接，2015(12)：48-51.

CUI Yunlong, HE Jianying. Microstructure and mechanical properties of friction stir spot welding and resistance spot welding on Al-Zn-Mg alloy[J]. Welding, 2015(12):48-51.

[29] Huys Industries. http://huysindustries.com/processes/refillfriction-stir-spot-welding/.(2016-07-22).

[30] BAKAVOS D, PRAGNELL P. Effect of reduced or zero pin length and anvil insulation on friction stir spot welding thin gauge 611 automotive sheet[J]. Science and Technology of Welding and Joining, 2009,14(5):443-456.

[31] BAKAVOS D, CHEN Y, BABOUT L, et al. Material interactions in a novel pinless tool approach to friction stir spot welding thin aluminium sheet[J]. Metallurgical and Materials Transactions A, 2011,42A:1266-1282.

[32] TOZAKI Y, UEMATSU Y, TOKAJI K. A newly developed tool without probe for friction stir spot welding and its performance[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2010, 210(6-7):844-851.

[33] HUANG Y X, HAN B, TIAN Y, et al. New technique of filling friction stir welding[J]. Science and Technology of Welding and Joining,2011, 16(6):497-501.

[34] 黃永憲，劉會(huì)杰，李金全，等. 一種無匙孔攪拌摩擦點(diǎn)焊方法: 2010101368347[P]. 2010-09-22.

HUANG Yongxian, LIU Huijie, LI Jinquan, et al. A method for Keywhole-less friction sir spot welding: 2010101368347[P]. 2010-09-22.

[35] MILES M P, KOHKONEN K, PACKER S, et al. Solid state spot joining of sheet materials using consumable bit[J]. Science and Technology of Welding and Joining, 2009, 14(1):72-77.

[36] MILES M P, FENG Z, KOHKONEN K, et al. Spot joining of AA 5754 and high strength steel sheets by consumable bit[J]. Science and Technology of Welding and Joining, 2010, 15(4):325-330

[37] VENUKUMAR S, MUTHKUMARAN S, SOORAJ R.Microstructure and mechanical properties of AA2014 refill friction stir spot welds[C]//Symposium of Friction Stir Welding, Beijing, 2014.