攪拌摩擦釬焊及其在異種金屬搭接焊與復(fù)合板制備中的應(yīng)用

張貴鋒，朱大恒，鄺吉濤，宗凱，倪顯清

（西安交通大學(xué) 金屬材料強度國家重點實驗室，西安 710049）

1 攪拌摩擦焊

由英國焊接研究所的W.M.Thomas 于1991年發(fā)明的攪拌摩擦焊（Friction stir welding，F(xiàn)SW），為各類鋁、鎂和銅等低強度有色金屬板材提供了一種新的固相焊接方法。FSW 主要優(yōu)點如下：在生產(chǎn)與工藝管理方面，F(xiàn)SW 無弧光與飛濺，可代替有色金屬常用的鎢極氬弧焊（TIG）與熔化極惰性氣體保護焊（MIG），且具有免開坡口、免預(yù)熱的優(yōu)點；在接頭組織方面，具有過熱度小、晶粒小、去膜好、無結(jié)晶裂紋與粗大鑄造組織等諸多特點；在焊接變形與應(yīng)力方面，變形小、溫度低、殘余應(yīng)力小。

作為一種板材固相焊先進方法，F(xiàn)SW 獲得成功的首要原因在于工具的導(dǎo)入（優(yōu)化產(chǎn)熱與工裝方式）、設(shè)計（同軸的粗軸肩+細(xì)針）與傾斜使用；其次，在此基礎(chǔ)上，利用低強母材的易流動性（軟化后塑性改善、屈服強度變?。┮约坝赡湍メ様嚢栩?qū)動的塑性流動形成接頭。雖然FSW 接頭外觀上沒有明顯的鐓粗、變短等尺寸變化，但焊接面附近，母材經(jīng)歷了強烈的塑性流動與明顯轉(zhuǎn)移（包括橫向、縱向與豎向），故屬“變形焊（Deformation welding）”范疇。FSW 借助于軸肩的摩擦加熱、針的攪拌、以及肩針兩者分區(qū)（針前與針后；上部與下部）、多向（側(cè)向、下向、后向）驅(qū)動的塑性流動，通過攪拌區(qū)內(nèi)經(jīng)摩擦加熱軟化之后母材的塑性流動與轉(zhuǎn)移實現(xiàn)去膜、混合、動態(tài)再結(jié)晶，最終獲得具有一定織構(gòu)特征的冶金結(jié)合。

FSW 最突出的貢獻在于能實現(xiàn)板材的摩擦焊。這一革命性的技術(shù)進步主要得益于兩點：①在熱源方面，用工具/工件之間的摩擦熱代替?zhèn)鹘y(tǒng)旋轉(zhuǎn)摩擦焊工件/工件之間的摩擦熱，這樣便允許工件固定而工具旋轉(zhuǎn)；② 巧妙又簡潔的工具設(shè)計，即在承擔(dān)攪拌混合界面的細(xì)針上方設(shè)置了同軸大直徑的軸肩。軸肩的主要有以下作用：①軸肩前半部，以摩擦預(yù)熱作用為主，作用對象為“針前肩下”的冷態(tài)母材，通過摩擦預(yù)熱軟化針前冷態(tài)母材，為針的攪拌創(chuàng)造有利條件，可避免斷針與母材因過量冷變形而開裂；② 軸肩后半部，既有用摩擦維持繼續(xù)對針后金屬加熱、驅(qū)動表層金屬環(huán)向流動轉(zhuǎn)移的熱-力作用（形成位于上部的軸肩影響區(qū)SAZ），又有傾斜擠壓針后軟化母材作用，通過擠壓消除針后空洞與未焊合（前進側(cè)/AS，底部），擠壓作用對象為針后肩下高溫軟化態(tài)母材，特別是軸肩影響區(qū)以下的高溫塑化金屬；③成形與轉(zhuǎn)移作用，一方面，防止針的前移與旋轉(zhuǎn)造成母材被排擠出與流失，另一方面混合與轉(zhuǎn)移表層材料，最終保證表面致密與光滑的成形；④ 對攪拌區(qū)特別是針后高溫軟化金屬有保護作用。攪拌針的主要作用有：①破膜；② 界面間混合；③轉(zhuǎn)移被軟化材料由針前至針后。此外，攪拌針可引起變形熱，在針的外周與底部形成攪拌針的熱-力影響區(qū)。

對FSW 的塑性流動進行細(xì)分是理解FSW 熱-力聯(lián)合驅(qū)動機制的重要途徑。在此按焊接進程對FSW的塑性流動按區(qū)域（或象限）進行“分區(qū)分解”，主要按前進側(cè)/后退側(cè)、針前/針后、近針區(qū)/遠(yuǎn)針區(qū)、上部/下部、部分/整體進行分解；同時結(jié)合流動方向（側(cè)向、豎向、環(huán)向）進行分解。FSW 通過旋轉(zhuǎn)軸肩與旋轉(zhuǎn)針的有序配合（如肩的摩擦為針的攪拌創(chuàng)造了良好的條件），歷經(jīng)預(yù)摩擦、軟化、針前切向塑性流動（以針驅(qū)動為主：逐圈逐層剪切實現(xiàn)原始界面實現(xiàn)“機械破膜”、前進側(cè)母材經(jīng)“側(cè)擠”壓入后退側(cè)母材的“混合流動”、以及后退側(cè)軟化母材由前向后的環(huán)向“轉(zhuǎn)移流動”）、針后多向塑性流動（軸肩與針共同驅(qū)動：針后分區(qū)多向流動——由軸肩驅(qū)動的表層環(huán)向+近針區(qū)整體豎向+遠(yuǎn)針區(qū)整體側(cè)向的復(fù)合流動、由針驅(qū)動的后退側(cè)局部環(huán)向流動、并伴有沉積+焊合——基于塑性流動的待沉積金屬與各向周邊金屬的重新焊合），實現(xiàn)了攪拌區(qū)的潔凈化、針后空腔的回填致密化與針后空腔的各個任意新舊界面（前進側(cè)、根部、待沉積金屬與已沉積金屬）的冶金結(jié)合。FSW首先利用相對粗大軸肩的前半部預(yù)熱軟化針前焊接面附近的冷態(tài)母材；再利用攪拌針，對肩下被軸肩預(yù)熱過的高溫塑性母材，在由軸肩、針與母材所圍成的密封空間進行攪拌與擠壓，利用攪拌針達到剪切針前軟化母材、破除與分散氧化膜（沿切向分散氧化膜碎片）、流動混合、轉(zhuǎn)移高溫軟塑化金屬、消除原界面的目的；同時利用軸肩不但避免了材料的流失，而且能在針后擠壓由攪拌針經(jīng)后退側(cè)轉(zhuǎn)移來的待沉積高溫軟塑化金屬，使之朝側(cè)部（前進側(cè)）、下部、后部流動，既消除空洞，又實現(xiàn)待沉積金屬與各方向周邊金屬的重新焊合，從而能獲得致密的再結(jié)晶焊縫。

針后區(qū)域塑性流動行為決定最終回填缺陷類型與位置。攪拌區(qū)針后回填流動的順序與弱驅(qū)動特點（針后待沉積高溫軟塑化金屬與針的壓緊貼實程度因針的前移變差；軸肩對內(nèi)部待沉積金屬為間接的弱驅(qū)動力源）決定了攪拌區(qū)的缺陷為回填不飽滿的空洞類缺陷，其常出現(xiàn)在前進側(cè)下部。與傳統(tǒng)“銑”加工相比，軸肩的設(shè)計不僅為針前冷態(tài)母材提供了潔凈的摩擦熱源，也為針后待沉積高溫塑化金屬提供了塑性流動所需的擠壓力與保溫所需的摩擦熱源。由此可見，軸肩在攪拌摩擦焊中起著決定性作用，它不僅是使母材軟化的“熱源”，而且是使母材塑性流動（包括混合、沉積、重新焊合）的重要“力源”之一，因此，軸肩不僅能通過加熱途徑影響接頭組織與性能，還能通過力學(xué)途徑影響接頭組織與性能。由西安交通大學(xué)張貴鋒等提出的無針攪拌摩擦釬焊正是充分利用了軸肩的熱-力聯(lián)合作用，使搭接界面處于軸肩形成的熱-力影響區(qū)之內(nèi)，并引入釬料，由此實現(xiàn)無匙孔的寬幅搭接焊。

2 攪拌摩擦焊的局限性

2.1 基本問題

FSW 的基本問題有4 個方面，其中表面減薄與根部弱接合是主要的固有問題。

1）工件剛性固定及其問題。FSW 的熱源來自于工具/工件之間的摩擦熱，為了保證工具與工件之間的相對運動，工件必須剛性固定。當(dāng)軸肩直徑較大、針較粗而工裝或拘束配合不當(dāng)時，會出現(xiàn)前方界面被扭分離（如兩個母材的固定或壓緊程度不同）、后方焊道被扭裂的問題（如拘束設(shè)置不當(dāng)）；當(dāng)FSW 用于異種金屬焊接時，還會出現(xiàn)拘束應(yīng)力影響異種金屬接頭性能的問題（如復(fù)合管制備）。

2）母材表面減薄的問題。為確保FSW 摩擦過程的穩(wěn)定性，通常要求有一定的壓入深度，由此導(dǎo)致表面減薄問題。同時，表面減薄量的分布不均勻，主要是因為工具傾斜安裝使焊道表面輪廓呈弧形（焊道表面輪廓并非平面），引起壓入深度分布不均勻，其中軸肩末端邊緣嵌入母材表面最深，則焊道中心區(qū)的壓入深度最深，故焊道中心區(qū)減薄后的剩余厚度決定了攪拌區(qū)焊后最薄處的承載厚度。

3）飛邊。在攪拌區(qū)邊緣的前進側(cè)（AS）或后退側(cè)（RS）會出現(xiàn)飛邊，這是由軸肩壓入母材表面形成的。前進側(cè)的飛邊是由軸肩后半部分旋轉(zhuǎn)形成的，后退側(cè)的飛邊是由軸肩前半部分旋轉(zhuǎn)形成的。此外，當(dāng)軸肩全部壓入工件表面時，會隨著軸肩的前移出現(xiàn)一種新的飛邊——肩前飛邊。肩前飛邊對薄板過程的穩(wěn)定性、表面成形、減薄及最終焊道厚度的影響較為嚴(yán)重。

4）根部未焊合缺陷（吻接式弱接合或與嚴(yán)重的未焊透）。在FSW 焊道底部易出現(xiàn)因針長比板厚略短（通常針長比板厚短0.1～0.5 mm）導(dǎo)致的攪拌與混合不充分的固有缺陷。

FSW 易于出現(xiàn)根部弱接合的原因主要有兩方面：①針長必需短于板厚，導(dǎo)致針頭不能直接攪拌到焊道底部，否則當(dāng)針長超過板厚時，會導(dǎo)致豎向鍛壓不密實（軸肩被長針頂起而不能與母材上表面緊密壓實無法鍛壓、轉(zhuǎn)移高溫塑化金屬）、針尖被鋼墊板磨損、根部背面成形不但不光滑還需要更大的橫向流動位移量才能閉合針尖劃過后遺留的寬間隙（針尖端直徑通常遠(yuǎn)大于裝配間隙）等問題，此外，考慮到下壓量存在時，攪拌針長度也需略小于母材厚度與下壓量之差；② FSW 焊機本身不能從側(cè)面垂直于焊接界面加壓，影響了對接面兩側(cè)母材的直接緊密接觸，因此，雖然FSW 去膜效果優(yōu)異，但因形成橫向流動相對困難，加之墊板對根部母材摩擦力的阻礙作用（裝配壓緊力越大、墊板越粗糙該摩擦阻力越大），導(dǎo)致焊道底部母材橫向相互逼近流動更困難，故根部易出現(xiàn)未焊透缺陷，導(dǎo)致接頭強度（尤其是背彎曲強度）降低。由于Kiss bond 界面缺陷尺寸較小，很難被常規(guī)的X射線及超聲波等無損檢測方法所檢測出，存在較大的危害性。然而為保證焊接接頭的可靠性，需要在攪拌摩擦焊之后，采用機械加工的方法去除一定厚度的焊縫根部材料，這不僅造成了浪費，增加了焊接成本，還降低了焊接生產(chǎn)效率。

根部未焊合缺陷又可以細(xì)分為兩類：①最為嚴(yán)重的未焊透缺陷，即對接面根部原始間隙依然未曾減小或雖有減小但仍有殘留間隙存在，當(dāng)預(yù)裝原始間隙過大、針長比板厚的縮短量較大或工具的熱-力作用與擠壓作用不夠充分、墊板對根部母材橫向流動摩擦阻力大時，將導(dǎo)致根部母材橫向流動嚴(yán)重不足，焊道根部未能相互觸及，這種底部母材間尚未完全接觸的狀態(tài)即形成了最嚴(yán)重的未焊合缺陷；② 弱結(jié)合的吻接缺陷（Kiss bond），其顯微組織特征是雖然兩界面之間原始間隙被閉合，但并未被直接攪拌混合而導(dǎo)致根部界面去膜與緊密接觸不理想、更無共同晶粒形成，故當(dāng)屬機械咬合的弱接合。吻接式弱結(jié)合主要是借助于針端的熱-力聯(lián)合作用，在針尖端的熱-力影響區(qū)形成的。當(dāng)預(yù)裝間隙較大、針長比板厚的縮短量較大時，易出現(xiàn)未焊透缺陷；當(dāng)預(yù)裝間隙較小、針長比板厚的縮短量較小時，易出現(xiàn)Kiss bond 缺陷。

2.2 搭接攪拌摩擦焊存在的問題

以上主要分析了焊接界面為垂直界面的攪拌摩擦對接焊（FSBW,friction stir butt welding）存在的問題，尤其是根部未焊合或弱結(jié)合（垂直界面的底部橫向流動困難所致）。攪拌摩擦搭接焊（FSLW,friction stir lap welding）的焊接界面為水平界面，兩者的破膜、流動、混合方向與難易有較大差異。

FSLW 主要存在以下問題：①FSLW 的首要問題在于水平界面氧化膜分散去除能力與上下母材豎向混合能力差，即普通FSBW 因針的旋轉(zhuǎn)方向垂直于針前的豎向焊接界面，所以“針”對界面氧化膜機械破碎與分散范圍、左右母材的混合效果均要遠(yuǎn)優(yōu)于FSLW，而FSLW 因針的旋轉(zhuǎn)方向與搭接界面（水平面）平行，導(dǎo)致針雖能破碎氧化膜，但氧化膜碎屑的分散、豎向金屬的上下流動混合效果均較差，因此，從破除分散氧化膜、母材塑性混合的程度、范圍等角度看，F(xiàn)SBW 焊接質(zhì)量好，容易實現(xiàn)左右界面兩側(cè)塑性金屬的混合（根部針對困難），而FSLW 上下界面兩側(cè)金屬的豎向混合質(zhì)量“天生”較差，所以FSLW 的難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于FSBW；② FSLW 在攪拌區(qū)邊緣會出現(xiàn)下板嵌入上板形成的鉤狀缺陷（Hook），這將進一步減薄上板有效承載厚度，引起應(yīng)力集中；③FSLW 單道焊接寬度較窄，僅為攪拌針的直徑。

異種金屬FSLW 還存在其他問題，如較硬下板對針尖端的磨損、接頭組織性能對針尖位置（伸入下板堅硬異種母材的深度）的敏感性強，波動大。

2.3 攪拌針帶來的問題

1）匙孔：焊道末端在針回抽之后會殘留匙孔（Keyhole）。

2）焊前加裝與焊后割除導(dǎo)入板與導(dǎo)出板：FSW的起焊點若在焊道邊緣或焊道外，當(dāng)旋轉(zhuǎn)針由焊道外前移進入焊道內(nèi)時，在始焊端因攪拌區(qū)金屬無法到達前進側(cè)而形成敞開型的“卜字形”缺陷。尤其在雙肩攪拌摩擦焊始端，出現(xiàn)深達10～20 mm 的“卜字形”缺陷。隨著攪拌針的前移，“卜字型缺陷”才會逐漸減小而閉合。始端“卜字形”缺陷是由于軟化金屬流動到針后時，缺少迫使其流向前進側(cè)的約束材料造成的。

為了消除攪拌針造成的始端“卜字形”敞口缺陷與末端的匙孔缺陷，焊前必需預(yù)裝導(dǎo)入板與導(dǎo)出板，特別導(dǎo)出板的固定要求較高。另外，批量生產(chǎn)時，焊后切割導(dǎo)入/導(dǎo)出板費力費時，增加成本，而且使用過的導(dǎo)入版與導(dǎo)出板因表面減薄往往難以再利用，造成輔料耗材成本增加明顯。

3）FSW 不適于短焊道：主要由于頻繁預(yù)裝、割除導(dǎo)入板與導(dǎo)出板，導(dǎo)致耗材增加、工效降低。

4）尤其是在“厚板大肩粗長針”工況下，會出現(xiàn)更多問題：如厚板斷針、對接面間隙擴大化問題等。采用粗針雖有利于防止斷針，但粗針擠入對接面、大軸肩扭轉(zhuǎn)、母材偏轉(zhuǎn)不一致等因素引發(fā)對接面間隙擴大化，導(dǎo)致“明溝型（間隙擴大化程度大）”或“隧道型（間隙擴大化程度?。比毕?，故此時對工件的預(yù)裝、固定要求極為嚴(yán)格。

2.4 大軸肩帶來的問題

對于厚板，大的軸肩有利于強化表面產(chǎn)熱與深化軟化層，但大軸肩會帶來其他問題，如表面粘附、肩前飛邊、力偶矩增大會引起床身劇烈振動、母材偏轉(zhuǎn)、對接面間隙擴大化（同向非同步偏轉(zhuǎn)或異向偏轉(zhuǎn)）等系列問題，甚至過大的力矩會引發(fā)過量變形而導(dǎo)致縱向裂紋。為此，需改進工具材質(zhì)、工裝、固定與拘束。

3 攪拌摩擦釬焊（FSB）新工藝的提出與簡介

3.1 異種金屬攪拌摩擦焊對接焊發(fā)展

FSW 作為一種通過攪拌來驅(qū)動塑性金屬流動，從而實現(xiàn)去膜與混合的固態(tài)焊接方法，具有抑制脆性金屬間化合物的優(yōu)勢，所以在異種金屬板材焊接方面具有很大潛力[1—3]。異種金屬攪拌摩擦對接焊發(fā)展較為順利，下述兩項工藝原則已被廣泛接受：①母材“前硬后軟”的放置原則，即要求較硬的母材放置于前進側(cè)，較軟的母材放置于后退側(cè)；② 攪拌針應(yīng)設(shè)置偏移量（Off set），即要求偏向較軟母材一側(cè)，以防工具磨損、攪拌區(qū)溫度過高、IMC 過厚。

3.2 異種金屬攪拌摩擦搭接焊新方法——攪拌摩擦釬焊

為克服攪拌摩擦搭接焊存在的以下問題：①水平界面去膜與上下板豎向混合差（攪拌區(qū)內(nèi)部）；②鉤型缺陷（攪拌區(qū)邊緣）；③焊合區(qū)狹窄；④ 匙孔；⑤ 堅硬下板的高流變應(yīng)力與高軟化溫度易引起界面空洞與針磨損。西安交通大學(xué)張貴鋒等開發(fā)了一種采用無針工具的新型攪拌摩擦焊派生技術(shù)——攪拌摩擦釬焊（Friction Stir Brazing，簡稱FSB）[4]。圖1為攪拌摩擦釬焊方法示意圖[5—6]。

圖1 無針攪拌摩擦釬焊方法示意圖[5]Fig.1 Schematic diagram of friction stir brazing (FSB) process

FSB 的要點有3 方面：①采用無針工具，以消除鉤型缺陷（Hook）、針孔、針尖端受堅硬下板母材的磨損，免除導(dǎo)入板與導(dǎo)出板；② 預(yù)置釬料，利用釬料/母材之間的共晶反應(yīng)使氧化膜碎屑隨共晶液相被擠出，以此彌補無針工具在破膜方面的不足，同時利用液相增大焊接面積，大幅拓寬單道焊幅；③水平焊接界面應(yīng)位于軸肩的熱-力影響區(qū)（TMAZ）范圍內(nèi)，以保證利用軸肩的機械作用（間接扭轉(zhuǎn)形成的微剪切）破碎堅硬下板表面的氧化膜。

此外，南昌航空大學(xué)航空制造工程學(xué)院陳玉華提出了采用帶針工具的攪拌摩擦焊-釬焊復(fù)合焊接的工藝，可用于Al/Mg,Al/Al 類低強母材之間的搭接焊[7—8]。采用攪拌摩擦焊-釬焊復(fù)合焊接的工藝焊接 Al/Mg（2A12/AZ31，3 mm/4 mm），因焊接面積的擴大使復(fù)合焊接接頭最大抗拉剪載荷比攪拌摩擦焊接頭的最大抗拉剪載荷的5.0 kN 提高了10%[8]。

3.3 FSB 相對FSLW、爆炸焊、軋制焊的優(yōu)點

FSB 相對于傳統(tǒng)攪拌摩擦搭接焊的主要優(yōu)點在于：①利用無針工具可以消除Hook、匙孔、導(dǎo)入板與導(dǎo)出板、針尖端的磨損；② 界面破除氧化膜效果理想，即利用釬料可彌補無針工具在破除氧化膜方面的不足，使氧化膜碎屑可隨共晶液相一并被擠出焊接界面；③界面為擴散焊組織：在氧化膜隨低熔、低強共晶液相被擠出后，最終所得界面組織實質(zhì)為潔凈、致密、連續(xù)的擴散層，由此可靠地保證了覆/基板界面間的快速焊合（目前Al/Fe 復(fù)合焊速可達150～300 mm/min）；④ 可擴大焊幅至軸肩寬度；⑤ 可打碎并分散界面金屬間化合物相于軟的基體內(nèi)，界面金屬間化合物越厚、越脆，越易被旋轉(zhuǎn)軸肩打碎分散?？梢姾附淤|(zhì)量（去膜與碎化IMC）與效率（焊幅寬增至軸肩直徑）均得到顯著改善。

由于FSW 為固相焊接技術(shù)，有利于抑制異種金屬焊接過程中界面金屬間化合物的過快生長，故而有望為復(fù)合板制造中的異種金屬焊接提供一新的技術(shù)路線。

作為固相焊方法，界面的去膜、原子尺度的緊密接觸、界面原子的充分激活是獲得健全冶金結(jié)合的3項基本保證。爆炸焊在炸藥的有限加熱與劇烈的豎向或斜向碰撞沖擊力聯(lián)合作用下（含正壓力與剪切力），通過在界面前沿接觸處形成表面金屬射流（含表面污染物），達到清理界面氧化膜的目的；同時利用炸藥依次順序爆轟形成的熱-力聯(lián)合作用（以飛板的動能為主），在潔凈界面間形成連續(xù)的微幅起伏式波浪狀致密界面，并激活原子，由此實現(xiàn)異種板材間的致密化、機械鎖合與冶金結(jié)合。波浪狀起伏的界面微變形不但有利于實現(xiàn)緊密接觸，對界面清凈化與活化也有一定貢獻，因此，爆炸焊可歸屬于基于微變形的“界面焊”方法，但連接后的界面不是常見板/板界面焊的平面，而是逐點依次起伏的曲面。爆炸焊雖然在大尺寸、大厚度復(fù)合板制備方面具有效率高的優(yōu)勢，但亦有不少問題期待改進，主要匯總?cè)缦拢孩侪h(huán)保問題：爆炸焊需在野外施工，劇烈的振動與聲響對爆炸現(xiàn)場周圍自然環(huán)境、建筑、人與動物造成一定的影響或損傷；② 材質(zhì)方面的限制：爆炸焊的加工硬化較為嚴(yán)重，對母材塑性要求較高；③尺寸方面的限制：由于爆炸焊存在“邊緣效應(yīng)（Edge effects）”，因而不適于小面積異種金屬的復(fù)合；另外，基板與覆板的厚度不能太薄，并對基板/覆板厚度比、密度比有要求；④ 形狀方面的局限性：由于爆炸焊存在“邊緣效應(yīng)”，因而不適于窄條狀異種金屬間的復(fù)合。

與傳統(tǒng)的爆炸復(fù)合（Explosive cladding）方法相比，F(xiàn)SB 技術(shù)在制備雙金屬復(fù)合板方面的主要優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾方面：①在復(fù)合位置與復(fù)合面積方面的靈活性：能夠?qū)崿F(xiàn)“局部選區(qū)復(fù)合（Selected area cladding）”，即在平板的任意指定位置、任意大小的面積都能實現(xiàn)復(fù)合，尤其是爆炸焊無法勝任的基板的周邊區(qū)域（爆炸焊因存在邊緣效應(yīng)，邊部復(fù)合冶金結(jié)合質(zhì)量差）；② 無邊緣效應(yīng)帶來在復(fù)合面積方面的靈活性：能夠?qū)崿F(xiàn)微小、窄、長短不限的復(fù)合；③在板厚方面的靈活性，對基板厚度無任何限制，特別適于爆炸焊無法勝任的超薄基板的復(fù)合，傳統(tǒng)爆炸復(fù)合技術(shù)的缺點之一是要求覆板厚度不能小于2 mm，通常要求基板在6 mm 以上；④ 無加工硬化，對母材塑性無苛求，特別對基板的塑性要求低；⑤ 其他優(yōu)點：具有環(huán)保（無煙塵與噪聲）、安全、無選址限制、不受天氣影響、重復(fù)性相對較好等優(yōu)點。

軋制復(fù)合是利用較大的壓下量來實現(xiàn)流變?nèi)ツぃɡ妹黠@的豎向加壓產(chǎn)生橫向流變）與緊密接觸。無論冷軋還是熱軋，均需加熱；其中，冷軋工藝需在軋后加熱以消除加工硬化，為后續(xù)成形創(chuàng)造條件；熱軋工藝需軋前加熱以降低流變應(yīng)力，因此軋制復(fù)合弊端主要在于耗能高、耗時長（預(yù)封邊與加熱）、效率低、投資大。與傳統(tǒng)軋制復(fù)合相比，F(xiàn)SB 復(fù)合技術(shù)具有節(jié)能、高效、綠色優(yōu)勢；同時在界面氧化膜破除方面，由于有共晶液相及其帶出作用，對固態(tài)母材表面的清理效果更為潔凈。

4 FSB 的應(yīng)用

4.1 薄板異種金屬的大面積搭接焊

攪拌摩擦釬焊技術(shù)尤其可用于上板為Al、Cu、Zn、黃銅等強度低、不易熱裂的母材及其與異種下板高強材料（Cu,Ti,Steel,SUS）的搭接焊[5—11]。在此記為Al/X,Cu/X,Zn/X 與Brass/X 異種金屬搭接焊（X=Fe,Cu,Ti,Mg,Al,Ni,SUS 等）。

圖2 薄板1060Al/Q235（2/2 mm）組合FSB 所得界面組織與斷裂行為Fig.2 Microstructure and fracture behavior of 1060Al/Q235 assembly (2/2 mm) joint produced by FSB process

圖2 為筆者早期采用Ф20 mm 無針攪拌頭對2 mm厚 1060Al/Q235 組合在 1500 r/min-150 mm/min-0.5 mm-3°規(guī)范下進行FSB 所得的界面組織（見圖2a）、拉剪測試斷裂位置（見圖2b）與撕裂測試后的斷口（圖2c-Al 側(cè)；圖2d-鋼側(cè)）[5]。可見，Zn 已被全部擠出，界面組織為Al/Fe 相互擴散形成的8 μm厚IMC 層。組織觀察表明FSB 方法即使沒有攪拌針，也具有優(yōu)異的去膜能力，且最終界面組織為兩種母材直接擴散所形成的擴散焊組織。拉剪測試的斷裂位置位于Al 母材內(nèi)部，后退側(cè)邊緣，并非界面。撕裂斷口觀察表明鋁母材本身在被撕裂后才發(fā)生了分離，表面界面接合已足夠強（能使鋁母材撕裂）；在鋼側(cè)的斷口上，可看到Al 已牢固地粘附在鋼材表面。

圖3 為筆者近期采用超大高速鋼攪拌頭Ф60 mm在950 r/min-95 mm/min-0.3 mm-1°規(guī)范下對1060Al/Q235 組合（100 mm×60 mm×3 mm）實施FSB 的外觀成形（釬料為0.03 mm 厚Zn 箔）。可見，表面成形光滑，未現(xiàn)粘附。如此大直徑的攪拌頭的報道并不多見。

圖3 超大攪拌頭Ф65 mm 對Al/Fe 薄板組合FSB焊后光滑外觀成形（單道幅寬60 mm）Fig.3 Smooth surface of Al/Fe assembly joint produced by FSB with Ф65 mm large stir head (width of single pass:60 mm)

圖4 超大軸肩（Ф65 mm）1060Al/Q235FSB 界面連續(xù)致密化范圍及分布Fig.4 Distribution of dense bonded interface in 1060Al/Q235 joint produced by FSB with Ф65 mm shaft shoulder

圖4 為界面組織分布結(jié)果。界面焊合區(qū)域總寬度達42 mm（中心區(qū)5 mm+準(zhǔn)中心區(qū)4 mm×2+前進側(cè)16 mm+后退側(cè)13 mm），但焊合區(qū)組織分布不同。中心區(qū)實現(xiàn)了緊密接觸但尚未觀察到明顯的IMC；準(zhǔn)中心區(qū)在緊密接觸的同時，出現(xiàn)分離的IMC 顆粒；由準(zhǔn)中心區(qū)再向兩側(cè)的區(qū)域，即在前進側(cè)16 mm 范圍內(nèi)與后退側(cè)13 mm 范圍內(nèi)出現(xiàn)IMC 連續(xù)層，由約10 μm 厚的FeAl3與約4 μm 厚Fe2Al5的組成。未焊合區(qū)域均位于邊部位置，范圍有7 mm（前進側(cè)）+11 mm（后退側(cè)），在未焊合的間隙內(nèi)，觀察到若干分散的Fe 粒子（粒徑約10 μm），證明了FSB 具有間接機械破膜的能力。上述結(jié)果表明，超大直徑無針FSB 借助機械破膜與共晶反應(yīng)，也能獲得2/3 的焊合區(qū)域，但受線速度分布的影響，IMC 最厚區(qū)域不在中心區(qū)，而向邊緣發(fā)生了移動。

圖5 基板為難去膜高強不銹鋼的Al/SUS、Cu/SUS組合FSB 界面機械破膜結(jié)果[12]Fig.5 Oxide film removal results in FSB joints of Al/SUS and Cu/SUS combinations containing the same substrate of SUS with tenacious oxide film

圖5 為基板均為高強度、難去膜不銹鋼的Al/SUS和Cu/SUS 兩種組合（厚度均為3 mm）FSB 界面機械破膜效果的實證結(jié)果[12]?？梢妼τ谏习鍨镃u 的組合，F(xiàn)SB 也能獲得良好的表面成形與界面組織；特別是對于基板為強度高、難去膜的不銹鋼母材，F(xiàn)SB 也能機械破碎深約8 μm 厚的SUS 表層，使之嵌入軟的Cu 上板內(nèi)部，實現(xiàn)了機械去膜，得到了復(fù)合材料式界面組織。

4.2 厚板異種金屬FSB：分步或多層FSB

厚鋁板與鋼構(gòu)成的過渡接頭在鋁電解設(shè)備和船舶結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛。為抑制金屬間化合物，厚鋁/鋼復(fù)合板制備常用爆炸焊和軋制焊兩種固相焊方法。在實際生產(chǎn)方面，爆炸焊有諸多限制：①為保證撞擊后產(chǎn)生有效的微幅波浪狀起伏界面變形，實現(xiàn)緊密接觸，需要基覆板間有合適的密度比、質(zhì)量比或厚度比，鋁作覆板厚度一般在2～20 mm 內(nèi)，過厚或過薄均影響波浪形界面的形成及其均勻性，覆板過薄時，與基板的間隙因覆板金屬撓度大而不均勻、難以精確控制，導(dǎo)致爆合面積小，覆層鋁板易瓢曲，薄基板局部會被轟穿；② 爆炸焊接參數(shù)窗口小，難控制，重復(fù)性差；③劇烈的加工硬化與寬尺度的邊緣效應(yīng)；④ 界面冶金結(jié)合組織不均勻，需通過熱處理消除，但原有的不致密（氣孔、間隙）、夾雜、未焊合等缺陷仍存在，需利用炸后軋制方法消除非致密性缺陷。

選用鋼條作為基板可以證明FSB 相對爆炸焊具有適于窄條狀母材的優(yōu)勢，但直接用FSB 將10 mm厚5083 鋁合金壓覆到16Mn 鋼條（100 mm×25 mm×18 mm）上難以實現(xiàn)，主要是過厚的上板與過強的下板都削弱了軸肩對鋼板表面的機械扭轉(zhuǎn)去膜能力，導(dǎo)致雖然釬料可以在摩擦熱作用下順利熔化，但共晶液相全被擠出界面，無法實現(xiàn)對堅硬鋼板的有效潤濕。為了將10 mm 厚5083 鋁合金用FSB 壓接到16Mn 鋼條上，可分兩步進行FSB[13]。第一步，先用FSB 將軟而薄的3 mm 厚1060 鋁板（作為過渡層或中間層）壓焊在16Mn 鋼條上，目的在于保證軸肩對堅硬鋼質(zhì)下板表面的機械扭轉(zhuǎn)去膜能力，從而保證共晶液相對鋼板的潤濕能力。選用0.03 mm 厚Zn 基箔片釬料、Ф30 mm 無針柱狀不銹鋼攪拌頭，在轉(zhuǎn)速1500 r/min、傾角3°、壓入深度0.5 mm、焊速235 mm/min 參數(shù)下所得的外觀、界面組織、與剪切斷裂路徑如圖6a—c所示。第二步，再采用FSB 技術(shù)，在純鋁表面壓接一層厚10 mm 的5083 鋁鎂合金：所用工具為Ф40 mm無針柱狀不銹鋼攪拌頭，在轉(zhuǎn)速1500 r/min、傾角3°、壓入深度1.2 mm、焊速分別為47.5 mm/min 和60 mm/min 參數(shù)組合下施焊，焊后表面如圖7a，界面組織如圖7b 和7c。剪切測試參照復(fù)合鋼板性能評價GB/T 6396—2008 進行。

第一層1060/16Mn（3 mm＋18 mm）界面潤濕優(yōu)異，鋅釬料被擠出，同時在鋁中出現(xiàn)被打碎并分散的Al-Fe 類IMC 微粒；隨著焊速的提高，金屬間化合物（IMC）層的厚度減小，并在金屬間化合物中出現(xiàn)空洞；剪切強度在235 mm/min 時達最大值55.5 MPa，96%斷裂于鋁母材內(nèi)部，對應(yīng)IMC 厚度為4.7 μm，主要物相為FeAl3。第二層5083/（1060/16Mn）（10 mm+3 mm+18 mm）界面在焊速47.5 mm/min 時釬料能被擠出，界面主要為擴散組織，剪切強度為50.5 MPa，但因焊速慢使界面的加熱與氧化相對加重，釬縫中有零星氧化鋁顆粒殘留。提高焊速后釬料雖能熔化，但難以擠出，在60 mm/min 焊速時焊縫中殘留大量鋅，釬縫由3 層組成（含Al 量不等的Zn 基合金層與中心轉(zhuǎn)變形效果。釬縫中觀察到的共晶組織證明了FSB區(qū)的Zn-Al 共晶組織）；剪切強度為33.9 MPa。5083較大的厚度與強度削弱了工具對界面的加熱軟化與扭過程中確有共晶反應(yīng)發(fā)生，可用共晶反應(yīng)實現(xiàn)去膜（見圖7c）。此外，多層FSB 的另一潛在應(yīng)用場合為增材制造領(lǐng)域。

圖7 第二層5053Al/1060Al 組合不同焊速下FSB復(fù)合界面組織（BSE）[13]Fig.7 Interfacial microstructure of 5083Al/1060Al joint interface produced by second pass FSB at different travel speed (BSE image)

4.3 復(fù)合板/與復(fù)合管的制備

復(fù)合板的制備需要采用搭接式攪拌摩擦焊，而非對接式攪拌摩擦焊。但是，攪拌摩擦焊用于搭接界面間的焊合存在鉤狀缺陷（Hook）、焊幅狹窄、針尖的磨損與匙孔、氧化膜破碎與豎向混合效果較差等固有問題，嚴(yán)重影響了搭接式攪拌摩擦焊的界面焊接質(zhì)量與效率。

采用多道循環(huán)往復(fù)式無針FSB 焊接即可制得雙金屬層狀復(fù)合板。圖8 為采用多道FSB 制得的Al/Fe復(fù)合板原始外觀[5]。圖9 為采用多道FSB 制得的Al/Cu復(fù)合板原始外觀。圖10 為Al/Cu 組合FSB 接頭界面組織（Ф30 mm 工具；5 mm 厚母材）[14]，可見雖然后退側(cè)IMC 最厚（40～80 μm），但FSB 具有打碎界面IMC 層的獨特優(yōu)勢，使碎化后的IMC 微粒（2～8 μm）分散嵌入軟的鋁基體內(nèi)部，獲得了“復(fù)合材料”式界面組織，為調(diào)控界面IMC 及熱膨脹失配提供了一條簡易可行的新思路。筆者所在課題組目前致力于“大直徑（30 mm 以上）、高焊速”條件下的寬幅、輕薄、異型復(fù)合板/復(fù)合管的無針FSB 制備技術(shù)的縱深化研究。FSB 還可用于點接合，得到同樣無匙孔的攪拌摩擦點釬焊（FSSB，friction stir spot brazing）方法，可用于Cu/X 和Al/X 之間的點焊[15]。

圖8 多道循環(huán)FSB 所得Al/Q235 復(fù)合板原始外觀[5]Fig.8 As-welded appearance of Al/Q235 clad composite produced by multi-pass FSB

圖9 多道循環(huán)FSB 所得Al/Cu 復(fù)合板原始外觀Fig.9 As-welded appearance of Al/Cu clad composite produced by multi-pass FSB

圖10 Al/Cu 組合FSB 接頭界面組織：前進側(cè)、中心區(qū)與后退側(cè)組織（IMC 被碎化）[14]Fig.10 Interfacial microstructure at AS (advancing side),central zone and RS (retreating side) of Al/Cu joint|produced by FSB (disruption of IMC)

5 結(jié)語

西安交大焊接研究所發(fā)明的無針攪拌摩擦釬焊（FSB,friction stir brazing）專利，是針對英國攪拌摩擦焊（FSW,friction stir welding）專利在搭接工況下存在的焊道狹窄、界面鉤型缺陷、匙孔及工具磨損固有問題的改進型專利方法。FSB 繼承了FSW 以摩擦熱為熱源、在大氣中施焊的優(yōu)點，避免了針的存在導(dǎo)致的匙孔、鉤狀缺陷、針的磨損與斷針等問題；并通過預(yù)置釬料使氧化膜隨共晶反應(yīng)形成的液相被擠出，既實現(xiàn)了界面的清凈化，又獲得了無釬料層的擴散組織，即利用界面冶金反應(yīng)代替了FSW 的塑性流動，降低了對塑性流動的苛求，實現(xiàn)了焊合面積的拓寬化。FSB 專利技術(shù)具有大氣中施焊（免用釬劑與保護氣體）、去膜能力強（即使SUS 下板亦可成功去膜）、無匙孔、免除針磨損、單道焊幅寬、效率高等優(yōu)點，尤為適于異種金屬（Al/X，Cu/X；X=Al,Fe,Cu,Al,Ti,SUS 等）或同種金屬的單道搭接焊；同時，利用多層、多道FSB 可制備雙金屬復(fù)合板與復(fù)合管。