攪拌摩擦焊攪拌頭的研究進(jìn)展

計(jì)鵬飛 張 振 趙光輝 關(guān)震磊 趙曉敏

（1 首都航天機(jī)械有限公司，北京 100076）

（2 中國科學(xué)院金屬研究所，沈陽 110016）

（3 火箭軍裝備部駐北京地區(qū)第一軍事代表室，北京 100076）

文 摘 概述了國內(nèi)外鋁合金、鎂合金、銅合金、鈦合金及鋼鐵材料等多種合金攪拌摩擦焊用攪拌頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料、磨損失效和壽命等方面的研究進(jìn)展，對(duì)比了各攪拌頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料性能優(yōu)缺點(diǎn)，分析了攪拌頭失效方式和壽命，展望了攪拌頭的研究發(fā)展趨勢。

0 引言

攪拌摩擦焊接（FSW）是英國焊接研究所（TWI）于1991年發(fā)明的一種新型固相連接方法，并于同年申請(qǐng)專利［1-2］。作為一種新型固態(tài)連接工藝，與傳統(tǒng)熔焊方法相比，具有環(huán)保無污染、殘余應(yīng)力低、工件變形小等優(yōu)點(diǎn)［2］，且廣泛適用于鉛合金、鎂合金、鋁合金、銅合金、鋼、鈦合金以及復(fù)合材料等多種金屬材料的連接［3］。經(jīng)過近30年的發(fā)展，攪拌摩擦焊已走出實(shí)驗(yàn)室研究，進(jìn)入工程化和工業(yè)化應(yīng)用階段，目前已廣泛應(yīng)用于交通、航海以及航空航天領(lǐng)域。

在攪拌摩擦焊過程中，攪拌頭直接與焊接工件接觸，承受較高的溫度和循環(huán)應(yīng)力作用，是實(shí)現(xiàn)攪拌摩擦焊技術(shù)的關(guān)鍵工具。尤其對(duì)于鋁鎂合金厚板和高熔點(diǎn)合金，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量FSW 焊接的核心是選擇合適的工具材料和設(shè)計(jì)合理結(jié)構(gòu)，是決定FSW 技術(shù)能否成功走向應(yīng)用的關(guān)鍵［4］。本文主要介紹國內(nèi)外FSW 用攪拌頭的研究近況，以期為我國FSW 行業(yè)的技術(shù)研發(fā)及成果應(yīng)用提供參考。

1 攪拌頭的設(shè)計(jì)

攪拌頭按照功能作用差異一般分為兩部分:處于工件上方的軸肩和完全插入工件的攪拌針，可以是整體結(jié)構(gòu)，也可以是分體組合結(jié)構(gòu)。攪拌頭的幾何結(jié)構(gòu)影響攪拌頭和工件界面的產(chǎn)熱率、橫向力、扭矩和熱機(jī)械環(huán)境，從而決定了FSW 過程中材料流變和接頭質(zhì)量。目前攪拌頭的設(shè)計(jì)主要是基于對(duì)FSW過程中材料流變的理解和焊接實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)［4］，同時(shí)結(jié)合FSW 材料流動(dòng)數(shù)值模擬，優(yōu)化設(shè)計(jì)攪拌頭的結(jié)構(gòu)。

1.1 攪拌頭尺寸

FSW 時(shí)，需要根據(jù)焊接工件尺寸選擇合適的攪拌頭，攪拌頭的尺寸參數(shù)之間及與工件板厚之間需合理匹配?？偨Y(jié)攪拌頭尺寸實(shí)驗(yàn)研究表明［5-6］:最佳匹配的軸肩（shoulder）直徑、攪拌針（tool pin）直徑和板厚之間存在線性關(guān)系，如圖1所示。實(shí)際焊接時(shí)，對(duì)于確定厚度的板材，攪拌針的直徑通常具有較寬的選擇范圍，主要考慮攪拌針和軸肩的直徑比。多數(shù)研究中，直徑比約為0.33。攪拌針和軸肩的直徑比過大，不能產(chǎn)生足夠的熱輸入，造成焊接缺陷；直徑比過小，會(huì)產(chǎn)生較多的摩擦熱，造成接頭組織和性能過于弱化。

圖1 攪拌頭、攪拌針直徑及板厚關(guān)系［5-6］Fig.1 Relationship among sample thicknesses，shoulder diameters and tool pin（probe）diameters［5-6］

1.2 軸肩結(jié)構(gòu)

軸肩與工件摩擦產(chǎn)生熱源，將材料約束在軸肩內(nèi)［7］，對(duì)工件產(chǎn)生向下的鍛造作用，主要控制接頭上部的材料流動(dòng)。軸肩結(jié)構(gòu)一般為圓柱形，軸肩端面具有平軸肩、凹軸肩和凸軸肩三種結(jié)構(gòu)，其中凹軸肩應(yīng)用最廣。使用凹軸肩時(shí)，為保證焊接時(shí)不出現(xiàn)孔洞缺陷，攪拌頭一般較于焊接垂直方向向后傾轉(zhuǎn)一定角度（最佳角度為2.5°～3°），確保軸肩對(duì)工件提供充足的鍛壓作用，這是目前FSW 焊接通常采用的方式，這種方式的一個(gè)主要缺點(diǎn)是會(huì)導(dǎo)致接頭區(qū)域比母材?。黄捷S肩可以獲得無減薄的FSW 接頭，但是由于失去對(duì)材料流變的有效控制，極易造成材料溢出，材料流動(dòng)不足，弱化了軸肩向下的鍛造作用，因而容易形成焊接缺陷；凸軸肩極少應(yīng)用，有報(bào)道指出凸軸肩適用于FSW存在一定厚度差的工件［7］。

目前研究中涉及的幾種軸肩結(jié)構(gòu)如圖2所示，通常凹軸肩端面不作任何加工，是最常見的結(jié)構(gòu)。在軸肩上加工一些凹槽或凸臺(tái)，增加軸肩的表面積，有利于增加軸肩與工件之間的摩擦作用，驅(qū)動(dòng)材料充分流動(dòng)，從而避免孔洞缺陷［7］。攪拌頭旋轉(zhuǎn)時(shí)，軸肩的螺旋結(jié)構(gòu)驅(qū)使材料從攪拌工具外圍向中心移動(dòng)，這樣攪拌頭無需傾斜便可實(shí)現(xiàn)無缺陷FSW焊接［5］。

圖2 常見軸肩結(jié)構(gòu)［2］Fig.2 Common structures of shoulder［2］

1.3 攪拌針形狀

攪拌針與軸肩配合攪拌工件材料，驅(qū)動(dòng)材料旋轉(zhuǎn)并同時(shí)上下運(yùn)動(dòng)，因此，與軸肩相比，攪拌針的幾何結(jié)構(gòu)和尺寸對(duì)材料流動(dòng)的影響更加顯著。圖3總結(jié)了攪拌針形狀，具有下列主要特征。

（1）通常攪拌針形狀有圓柱形和圓錐形兩種［5］。其中，圓錐形攪拌應(yīng)用最廣泛，圓柱形應(yīng)用較少。

（2）攪拌針的尖端為平面或球形。平底攪拌針易于加工，是目前最常用的，但其主要缺點(diǎn)是壓入時(shí)瞬時(shí)鍛造力較大。而圓形或半球形的端部形狀可以減少鍛壓力并緩解攪拌針磨損，延長工具壽命，提高根部焊接質(zhì)量［5］。

（3）通常認(rèn)為，攪拌針的表面積越大，對(duì)材料的驅(qū)動(dòng)力能力越強(qiáng)，無特殊結(jié)構(gòu)、表面光滑攪拌針易加工，耐磨性好，多為焊接高熔點(diǎn)或高耐磨合金的FSW所采用；光滑的攪拌針表面無法有效促進(jìn)材料流動(dòng)，因此多在攪拌針表面加工一些形狀，增加攪拌針與工件的接觸面積，達(dá)到促進(jìn)材料流動(dòng)的目的。（a）標(biāo)準(zhǔn)/非標(biāo)螺紋，標(biāo)準(zhǔn)螺紋表面積大，對(duì)材料攪動(dòng)能力強(qiáng)，但是螺紋強(qiáng)度低，容易脆斷，因此，采用合適的非標(biāo)螺紋可以適當(dāng)平衡螺紋表面和強(qiáng)度。需要注意的是，為了驅(qū)動(dòng)材料向下流動(dòng)，螺紋的旋轉(zhuǎn)方向需要與攪拌頭的旋轉(zhuǎn)方向配合一致；（b）側(cè)平面，側(cè)平面有兩種，一種是平行于攪拌針側(cè)表面，另一種是與攪拌針側(cè)表面成一定角度，攪拌針的側(cè)平面能夠增加材料的攪動(dòng)幅度，改善攪拌針周邊的材料流變［9］，平面低于攪拌針原表面的深度愈大，對(duì)材料的帶動(dòng)作用愈強(qiáng)；（c）凹槽，與側(cè)平面類似，凹槽亦可增加攪拌針表面積，促進(jìn)材料流動(dòng)，但是，凹槽深度過小，對(duì)材料流動(dòng)促進(jìn)有限，深度過大則會(huì)嚴(yán)重降低攪拌頭壽命，因而凹槽結(jié)構(gòu)較少使用。

圖3 常見攪拌針結(jié)構(gòu)［6］Fig.3 Common structures of tool pin［6］

2 攪拌頭材料

FSW 過程中，焊接工具驅(qū)動(dòng)被焊材料發(fā)生材料流動(dòng)，在此過程中軸肩和攪拌針與工件發(fā)生摩擦，在力、熱的綜合作用下，造成攪拌頭的磨損。因此要求軸肩和攪拌針具有良好綜合性能，如高熔點(diǎn)、高強(qiáng)、高韌、良好的疲勞性能、優(yōu)異的耐高溫性能及耐磨性能等［10-11］。常見的攪拌頭材料特點(diǎn)及應(yīng)用場合如表1所示。

表1 常見FSW攪拌頭材料及適用場合［4，7］Tab.1 Common materials used for FSW welding tools and their application［4，7］

2.1 工具鋼

采用FSW 技術(shù)焊接熔點(diǎn)較低的鋁合金和鎂合金時(shí)，攪拌頭與工件界面溫度在500°C 左右［12-13］，工具鋼（如H13 和鉻鉬鋼等）是一種通用的焊接工具材料，成本低，易加工，綜合性能良好，性價(jià)比高。但需要注意的是，焊接鋁合金時(shí)，受到焊接熱循環(huán)的作用，工具鋼的力學(xué)性能會(huì)逐漸弱化，焊接薄板鋁合金時(shí)幾百米即出現(xiàn)較為嚴(yán)重的磨損和斷裂；厚板焊接時(shí)，攪拌頭的受力更大，壽命更短，需要及時(shí)更換焊接工具。

2.2 鎳基和鈷基高溫合金

鎳基和鈷基高溫合金具有高強(qiáng)、高韌和優(yōu)異的高溫性能，可在600～810°C 長期穩(wěn)定工作，是制造攪拌頭的理想材料之一。然而，其復(fù)雜形狀加工難度也相對(duì)較大［5］。與工具鋼相比，F(xiàn)SW 鋁、鎂合金時(shí)，性能優(yōu)異。但是焊接鈦合金、鋼鐵材料等高強(qiáng)合金時(shí)，磨損嚴(yán)重，并非最佳的攪拌頭材料［14］。

2.3 鎢合金

在所有元素中，鎢熔點(diǎn)最高，但純鎢硬而脆，可加工性較差。鎢中加入一定含量的錸元素形成固溶強(qiáng)化的W-Re合金，塑性增強(qiáng)，可以減輕磨損，增加攪拌頭壽命［15-17］。因此，W-Re 合金是常用的高強(qiáng)高韌鎢合金材料。研究表明:W-25%Re 合金的耐磨性佳，塑韌性良好，高溫性能（＞1 000°C）十分優(yōu)異［18］，多應(yīng)用于高熔點(diǎn)材料的FSW 中，例如焊接馬氏體不銹鋼、高氮無鎳不銹鋼、鈦合金和高強(qiáng)鋼等高強(qiáng)合金材料，并取得了不錯(cuò)的效果［19-20］。

2.4 硬質(zhì)合金

硬質(zhì)合金是通過粉末冶金工藝以一種或幾種高熔點(diǎn)硬質(zhì)碳化物粉末作為主要成分，以高熔點(diǎn)金屬作為黏結(jié)劑而制得的一種材料［21］，具有硬度高、耐磨性好等優(yōu)點(diǎn)，是常用的刀具材料之一，其中多為WC基硬質(zhì)合金，價(jià)格相對(duì)低廉。硬質(zhì)合金攪拌頭可以用來焊接鋁基復(fù)合材料，并已取得了不錯(cuò)的效果［22］；同時(shí)國內(nèi)外學(xué)者采用在硬質(zhì)合金攪拌頭上加工涂層的方法，以期克服硬質(zhì)合金在高溫下的氧化磨損現(xiàn)象［15，23］。但是硬質(zhì)合金存在韌性差、易脆斷且復(fù)雜形狀加工困難等缺點(diǎn)，作為黏結(jié)劑的鈷基合金耐高溫性能差，焊接高熔點(diǎn)合金時(shí)，其耐磨性弱于鎢基合金［24-25］。

2.5 多晶立方氮化硼陶瓷及其復(fù)合材料

聚晶立方氮化硼（PCBN）是一種新型高強(qiáng)刀具材料，適合用來用來切削加工各種難加工材料［26］，通常以立方氮化硼（CBN）為硬質(zhì)相，添加Co，Ni，Ti，Ti-Al，Al2O3，TiN，TiC 等第二相作為粘結(jié)相，在高溫高壓下燒結(jié)而成。國內(nèi)外學(xué)者廣泛研究了PCBN 刀具的組織與性能，研究表明，PCBN 刀具的硬度僅次于自然界最硬的材料——金剛石，其韌性優(yōu)于金剛石，很難與黑色金屬發(fā)生化學(xué)作用；PCBN 刀具的綜合性能優(yōu)于陶瓷和硬質(zhì)合金刀具，如硬度、耐磨性、熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、導(dǎo)熱性等［26-27］。采用以PCBN 制備的攪拌頭成功地實(shí)現(xiàn)了鋼、高溫合金、鈦合金等高強(qiáng)合金的FSW［15，28-29］。為了克服PCBN 韌性差，工作溫度要求苛刻的缺點(diǎn)，有研究者將PCBN硬度高與WRe合金強(qiáng)韌性好的特點(diǎn)相結(jié)合，制成PCBN/WRe 復(fù)合材料作為攪拌頭材料實(shí)現(xiàn)了不銹鋼和高強(qiáng)鋼的焊接［30-32］。

鋼鐵材料和鈦合金等合金實(shí)施FSW 時(shí)，最高溫度接近1 000°C，攪拌頭材料可采用高熔點(diǎn)金屬合金或結(jié)構(gòu)陶瓷［2］，尤其是FSW 高強(qiáng)鋼和鈦合金時(shí)，受限于焊接工具，目前僅停留在實(shí)驗(yàn)研究階段。多晶立方氮化硼（PCBN）和鎢基合金機(jī)械和熱性能優(yōu)異，是高熔點(diǎn)合金FSW 的常用的工具材料，其中PCBN 工具的耐磨性能明顯優(yōu)于W-25wt%Re 合金。但是，PCBN 成型需高溫高壓，成型工藝難度大，價(jià)格昂貴且加工性差，使其廣泛應(yīng)用受到了限制。

3 攪拌頭的失效機(jī)理及壽命

在FSW 過程中，攪拌頭的失效機(jī)理包括嚴(yán)重塑性變形、磨損失效或疲勞折斷三種［33-34］，具體哪種失效方式占主導(dǎo)與攪拌頭材料和受力狀態(tài)有關(guān)，取決于被焊工件材料、工藝參數(shù)、攪拌頭形狀及材料。攪拌頭的受力無法通過試驗(yàn)方法測量，目前對(duì)于攪拌針的受力情形研究一般基于模擬計(jì)算，如固體力學(xué)計(jì)算和流體力學(xué)，固體力學(xué)計(jì)算方法只能估出攪拌頭的受力范圍［35-36］；根據(jù)流體力學(xué)建立粘塑性流動(dòng)模型可準(zhǔn)確計(jì)算攪拌頭局部區(qū)域受力狀態(tài)［37-38］。研究表明:在FSW 過程中，攪拌頭的最大受力點(diǎn)位于攪拌針后側(cè)根部，如圖4所示。同時(shí)這也是大多數(shù)攪拌針的斷裂位置。在FSW 的周期性循環(huán)過程中，每旋轉(zhuǎn)一周攪拌針根部某一點(diǎn)經(jīng)受一次拉壓受力循環(huán)，可視為一個(gè)疲勞周次。單面FSW 焊接時(shí)攪拌頭根部受力較小，攪拌頭壽命較長，這時(shí)應(yīng)選擇疲勞極限較高的工具材料；但采用雙軸肩FSW 工藝或進(jìn)行厚板焊接時(shí)，攪拌針根部受力較大，攪拌針壽命較短，這時(shí)應(yīng)選擇低周疲勞性能較好的工具材料。

圖4 焊接過程中攪拌頭最大受力點(diǎn)示意圖［39］Fig.4 Location of utmost pressure-point of the FSW tool during welding process［39］

4 展望

目前低熔點(diǎn)合金（尤其是鋁合金）的FSW 技術(shù)已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用于船舶、海洋工程、航空航天、高速軌道交通、汽車、建筑、電子等領(lǐng)域，兼具低成本與高性能的攪拌頭研發(fā)、失效分析與壽命預(yù)測研究，有利于焊接產(chǎn)品質(zhì)量的控制與提高，將給相關(guān)產(chǎn)業(yè)帶來巨大經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

銅合金、鋼鐵材料和鈦合金等高熔點(diǎn)合金應(yīng)用過程中存在焊接需求，研發(fā)低成本長壽命的攪拌頭是實(shí)現(xiàn)其FSW 技術(shù)工業(yè)化迫切需要解決的問題，也是各國研究者關(guān)注的重點(diǎn)。

通過總結(jié)國內(nèi)外FSW 用攪拌頭的研究/應(yīng)用現(xiàn)狀，可以發(fā)現(xiàn)，為了實(shí)現(xiàn)更好的工業(yè)應(yīng)用，未來FSW攪拌頭的研究應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下兩個(gè)方面:

（1）對(duì)低熔點(diǎn)材料來說，目前FSW 已大規(guī)模應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，攪拌頭的失效原理與壽命預(yù)測對(duì)生產(chǎn)工藝穩(wěn)定性有重要意義，相關(guān)研究有待深入；應(yīng)針對(duì)實(shí)際焊接工況研發(fā)相應(yīng)的攪拌頭，如針對(duì)薄板的FSW 需要開發(fā)長壽命攪拌頭，針對(duì)雙軸肩工藝和厚板焊接需求，需要開發(fā)低周疲勞性能較好的攪拌頭。

（2）對(duì)于銅合金、鈦合金及鋼鐵材料等高熔點(diǎn)高耐磨合金材料，F(xiàn)SW 低成本、長壽命攪拌頭材料的制備工藝技術(shù)研發(fā)是熱點(diǎn)，也是難點(diǎn)。