水下攪拌摩擦焊研究進(jìn)展

張濤ZHANG Tao

（重慶交通大學(xué)，重慶400067）

0 引言

攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding，F(xiàn)SW）是一項(xiàng)由英國研究所發(fā)明的新型固相連接技術(shù)，是通過攪拌針旋轉(zhuǎn)，將金屬塑化流動焊接在一起的一項(xiàng)技術(shù)。母相在焊接過程中不融化，避免了產(chǎn)生氣孔、裂縫等缺陷[1]。作為一種新型技術(shù)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?yàn)闇囟冗^高產(chǎn)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(zhì)量[2-3]。

基于水下攪拌摩擦焊的實(shí)際應(yīng)用價值和巨大發(fā)展?jié)摿Γ闹袑λ聰嚢枘Σ梁傅难芯窟M(jìn)展進(jìn)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(jìn)展，以及不同的工藝參數(shù)對焊縫的影響，為未來的研究和實(shí)際運(yùn)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(qiáng)度高、比模量高且導(dǎo)電導(dǎo)熱性好，常用于追求輕質(zhì)承載結(jié)構(gòu)的領(lǐng)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(fā)展，鋁合金的水下攪拌摩擦焊得到極大的運(yùn)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(fā)一種數(shù)學(xué)模型，以優(yōu)化水下摩擦攪拌焊接工藝參數(shù)以獲得最大抗拉強(qiáng)度。結(jié)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(xiàng)（ω2），會顯著影響接頭的抗拉強(qiáng)度；在焊接參數(shù)的情況下，樣品最大拉伸強(qiáng)度為241MPa，是基體材料強(qiáng)度的79%，比常規(guī)攪拌焊接接頭的拉伸強(qiáng)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(guī)的FSW 相比，UFSW 需要更高的轉(zhuǎn)速才能產(chǎn)生高質(zhì)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(qiáng)度非常接近基體材料的拉伸強(qiáng)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(shù)下進(jìn)行了攪拌摩擦焊接，并研究了焊接環(huán)境（水冷和風(fēng)冷）對顯微組織和力學(xué)性能的影響。研究表明，在轉(zhuǎn)速為600rpm，焊接速度為30mm/min 時，水冷試樣中的熱影響區(qū)（HAZ）消失了；此外，攪拌區(qū)（SZ）中溫度峰值的存在使顯微組織發(fā)生變化，因此每個樣品的晶粒和沉淀物尺寸完全不同；與風(fēng)冷焊接試樣相比，水冷試樣的抗拉強(qiáng)度由于細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)引起的攪拌區(qū)硬度的增加而增加；研究還表明，水冷試樣攪拌區(qū)的硬度值比空氣中冷卻的試樣高得多，在相同焊接參數(shù)（轉(zhuǎn)速為600rpm，焊接速度為30mm/min）下，攪拌區(qū)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(zhuǎn)速和焊接速度對水下和普通摩擦攪拌焊接極限抗拉強(qiáng)度的影響。研究表明，在500rpm 以外的轉(zhuǎn)速，水下焊接接頭的抗拉強(qiáng)度均高于普通焊接接頭的強(qiáng)度；在700rpm 的轉(zhuǎn)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(qiáng)度為208.9MPa；將常規(guī)攪拌摩擦焊達(dá)到最大拉伸強(qiáng)度的最佳工藝參數(shù)與水下攪拌摩擦焊進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，水下攪拌摩擦焊獲得的極限抗拉強(qiáng)度比常規(guī)攪拌摩擦焊高約2%；在水下和空氣焊接過程中，都出現(xiàn)最大抗拉強(qiáng)度的接頭在焊接接頭的后退側(cè)斷裂。

H.J. Liu 等人[8]研究了固定轉(zhuǎn)速800rpm 和50-200mm/min 不同焊接速度對7.5mm 厚度的2219 鋁合金進(jìn)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(jié)果表明隨著焊接速度的增加，熱機(jī)械影響區(qū)和受熱影響區(qū)的析出物減弱，導(dǎo)致軟化區(qū)變窄，最低硬度值增加；拉伸強(qiáng)度首先隨著焊接速度的增加而增加，但由于出現(xiàn)溝槽缺陷，在200mm/min 的焊接速度下其抗拉強(qiáng)度急劇下降；在拉伸試驗(yàn)中，以較低焊接速度焊接的接頭在后退側(cè)的熱影響區(qū)斷裂；在較高的焊接速度下，無缺陷的接頭在前進(jìn)側(cè)的受熱機(jī)械影響的區(qū)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(guī)摩擦焊更優(yōu)的力學(xué)性能，硬度和抗拉強(qiáng)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(zhì)量輕、熔點(diǎn)低、比強(qiáng)度比剛度較高、抗震性能好、導(dǎo)熱性高、電磁屏蔽性能好等特點(diǎn)，被稱為“21 世紀(jì)的綠色材料”。鎂/鋁合金同屬于輕質(zhì)有色金屬，工程上的交叉應(yīng)用非常多，但鎂/鋁合金的線膨脹系數(shù)大，普通的熔焊容易引起變形、產(chǎn)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(zhì)量接頭。

國內(nèi)學(xué)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(jìn)行搭接試驗(yàn)，通過各項(xiàng)工藝參數(shù)的改變，以得到高質(zhì)量焊接接頭工藝參數(shù)范圍。研究結(jié)果表明：水下焊接中，在轉(zhuǎn)速和焊接速度為900rpm 和80mm/min時，獲得最大抗拉強(qiáng)度為181.63MPa，約為母材的70%；而在空氣焊接中，最大抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)在轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速來提供充足的熱輸入量，且接頭的性能比常規(guī)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(guī)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(jìn)行研究，并通過光學(xué)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(xué)性能，元素分布和斷裂面。研究結(jié)果表明：水下攪拌摩擦焊可以得到力學(xué)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(qiáng)度高達(dá)152.3MPa，相當(dāng)于AZ31 Mg 合金強(qiáng)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(jié)構(gòu)的水下異種攪拌摩擦焊。研究表明：介質(zhì)的冷卻效應(yīng)會導(dǎo)致的峰值溫度降低和細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)降低；盡管在熱水中進(jìn)行攪拌會產(chǎn)生更好的表面質(zhì)量，但在常規(guī)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(qiáng)度分別在鋁合金和鋼的62-72%和19-23%范圍；通過在溫水中進(jìn)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(chǎn)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(chǎn)生，提高接頭強(qiáng)度，增強(qiáng)焊縫性能。

3 結(jié)束語

水下攪拌摩擦焊相較于常規(guī)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(chǎn)生，提高焊接接頭的質(zhì)量。水下攪拌摩擦焊為了獲得更好的接頭，需要更高的轉(zhuǎn)速和焊接速度。

目前關(guān)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(jié)構(gòu)的形成、異質(zhì)合金分別位于前進(jìn)側(cè)與后退側(cè)對焊縫質(zhì)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(fā)展，水下攪拌摩擦焊的應(yīng)用會得到極大的發(fā)展，對水下攪拌摩擦焊的研究及改進(jìn)，會很大程度上提高焊接接頭的性能，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)與社會效應(yīng)，為我國未來的焊接發(fā)展帶來啟發(fā)。