攪拌摩擦釬焊（FSB）新工藝及其在Al/Ti搭接焊與Al/Fe復(fù)合管制備中的應(yīng)用

張貴鋒，楊小輝，趙歡，石盛

西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室焊接與涂層研究所 陜西西安 710049

1 釬焊新方法發(fā)展概述

釬焊主要用于大面積搭接、工件厚度與尺寸過大或過小、母材易于熱裂或冷裂、異種金屬、先進(jìn)材料等電弧焊無法勝任的焊接工況；釬焊界面冶金的核心是去膜、潤濕（決定致密性）、適度合金化（決定界面相與釬縫組織）；其接頭設(shè)計(jì)常采用搭接或套接形式以增大承載面積；接頭性能受控于界面反應(yīng)優(yōu)劣（組織因素）與熱應(yīng)力（力學(xué)因素）。釬焊方法通常以加熱方式命名。在釬焊熱源發(fā)展方面，有采用電弧熱源的電弧釬焊（如MIG-Brazing）與采用光能的激光釬焊（Laser-brazing）等。

自2000年以來，釬焊方法也出現(xiàn)了若干行之有效的新方法，主要有：①2005年報道的熔-釬焊（Welding-brazing）。②2007年報道的超聲波輔助的釬焊與液相擴(kuò)散焊（Ultrasonic-assisted Brazing/Transient Liquid Phase Bonding）。③2011年報道的攪拌摩擦釬焊（FSB：Friction Stir Brazing/Soldering）。其中前者是由德國研究人員首先報道，后兩種是我國研究人員發(fā)明的新型焊接方法。在上述釬焊改進(jìn)方法中，其目的、應(yīng)用場合、難點(diǎn)有所不同。

1.1 熔-釬焊

2005年，德國H. Laukant（University of Bayreuth）與奧迪（Audi）公司合作，在單邊加熱激光焊（另一側(cè)母材靠熱傳導(dǎo)）的基礎(chǔ)上，最早提出了激光熔-釬焊方法（LWB：Laser Weldingbrazing Process）：采用Zn-2Al焊絲，用LWB工藝焊接0.9mm厚鍍鋅鋼板與1.1mm厚鋁板（AA6016）的搭接角焊縫與雙卷邊法蘭對接焊縫[1]。國內(nèi)哈爾濱焊接研究所林尚揚(yáng)院士課題組的雷振、秦國梁等較早關(guān)注到此技術(shù)動態(tài)并開展研究[2，3]。最近，在熱源改進(jìn)方面，陳樹海將熔-釬焊與CMT結(jié)合起來，可進(jìn)一步降低對熔池的熱輸入[4]；在母材拓展方面，張林杰等將熔-釬焊用于難熔金屬M(fèi)o（熔點(diǎn)2623℃）的焊接：對Mo/304L異種金屬組合，證明了添加0.03mm厚Ni箔的LWB比無添加直接LWB（同時激光斑點(diǎn)移向SUS一側(cè)0.1mm），接頭抗拉強(qiáng)度可由110MPa大幅提高到280MPa[5]。

熔-釬焊用于兩種熔點(diǎn)相差較大的異種金屬的對接或角焊縫搭接，其目的是為了抑制異種金屬焊接熔池結(jié)晶后出現(xiàn)過量金屬間化合物脆性相，途徑是通過優(yōu)化加熱位置與溫度場分布僅熔化低熔點(diǎn)母材而不熔化高熔點(diǎn)母材。熔-釬焊利用異種金屬母材熔點(diǎn)的差異，通過適當(dāng)調(diào)整熱源位置，形成非對稱加熱使低熔點(diǎn)母材一側(cè)熔化獲得了熔焊界面，同時在高熔點(diǎn)母材一側(cè)因高熔點(diǎn)母材保持固相而獲得釬焊界面。

熔-釬焊的難點(diǎn)在于如何確保釬焊一側(cè)界面的潤濕性，常需配套使用合適的釬劑來改善低熔點(diǎn)液態(tài)母材對高熔點(diǎn)母材的潤濕性，或者采用預(yù)鍍、預(yù)覆層處理后的母材。尤其是熱輸入更低的CMT熔-釬焊在異種金屬“薄板”（如Al/Fe）的焊接方面潛力更大。

1.2 超聲波輔助釬焊與超聲波輔助液相擴(kuò)散焊

超聲波輔助釬焊是由哈爾濱工業(yè)大學(xué)閆久春教授于2007—2009年發(fā)明的，該方法獲得了國內(nèi)與美國專利授權(quán)[6-9]。超聲波輔助釬焊具有大氣環(huán)境下施焊、母材熔解明顯、界面潤濕性改進(jìn)明顯、施振時間與保溫時間短暫的優(yōu)點(diǎn)。特別在軟釬焊方面，突破了釬劑化學(xué)反應(yīng)去膜和真空環(huán)境防氧化的條件限制，尤為適用于潤濕性差的母材以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的精密焊接。

施加超聲波振動的目的是為了改善在大氣環(huán)境下釬焊時母材的潤濕性。其特點(diǎn)在于超聲波振動施加在釬縫之外的母材上（并非液相釬料上），同樣可在液相內(nèi)部獲得超聲波空化等效果，可促進(jìn)去膜、潤濕與填縫。這種將超聲波振動施加于固態(tài)母材表面的方法比早期將超聲波振動施加于釬料池具有使用方便的優(yōu)越性。其熱源多為外加熱源，并非超聲波摩擦熱源，加熱方面具有很大靈活性。

閆久春在證明了施加超聲波振動強(qiáng)化了母材表面氧化膜的破碎與母材向釬料中的熔解之后，進(jìn)一步提出了“聲能活化促進(jìn)界面潤濕”的思想[6]。目前，超聲波復(fù)合軟釬焊研究取得了如下成果：一是液態(tài)金屬聲空化熱力效應(yīng)作用基礎(chǔ)機(jī)制；二是聲場作用下鋁合金潤濕性與結(jié)合機(jī)制；三是陶瓷與金屬低溫活化連接機(jī)理與方法；四是鋁基復(fù)合材料低溫低應(yīng)力連接方法。在潤濕性改善方面，該方法能使鋁基復(fù)合材料基體熔解，大量陶瓷顆粒增強(qiáng)相進(jìn)入釬縫中，并能被基體熔解進(jìn)入釬料的新液相完全潤濕，改進(jìn)了潤濕性與陶瓷顆粒分布的均勻性[10，11]。同時，在Ti-6Al-4V/Al1060組合的超聲波釬焊中（所用釬料為Al-12Si），觀察到了TC4向釬料中迅速熔解的小坑（深約5μm）；Al/Ti（L/S）界面反應(yīng)加快[12]。

圖1 超聲波輔助釬焊工藝原理[6]

1.3 攪拌摩擦釬焊（FSB）

攪拌摩擦釬焊是由西安交通大學(xué)張貴鋒于2011年發(fā)明報道的[13，14]，采用無攪拌針工具并輔之以能與母材反應(yīng)的釬料（見圖2），能以冶金反應(yīng)（共晶反應(yīng)為主）代替塑性流動實(shí)現(xiàn)去膜并拓寬焊幅，是攪拌摩擦搭接焊與釬焊的改進(jìn)工藝，可用于大氣環(huán)境下搭接焊、復(fù)合板制備與復(fù)合管制備。

FSB繼承了FSW以表面摩擦熱為熱源的優(yōu)點(diǎn)，但因攪拌針被取消后（為了消除匙孔與鉤型而取消了攪拌針）攪拌作用退居次要地位，故在導(dǎo)入釬料后（以彌補(bǔ)攪拌針被取消后導(dǎo)致的機(jī)械攪拌破膜功能喪失的不足），以冶金反應(yīng)（釬料/母材的共晶反應(yīng)→母材/母材的擴(kuò)散反應(yīng)）代替塑性流動實(shí)現(xiàn)去膜并拓寬焊幅，可解決攪拌摩擦搭接焊存在的攪拌針磨損、匙孔、焊幅狹窄、鉤狀缺陷等問題。

圖2 攪拌摩擦釬焊（無攪拌針）技術(shù)示意[14]

2 攪拌摩擦釬焊工藝及其優(yōu)點(diǎn)

2.1 攪拌摩擦搭接焊（FSLW）的主要問題

盡管FSW工藝在工具設(shè)計(jì)（螺紋針、內(nèi)凹肩、帶棱軸肩輪廓）與安裝（傾斜）兩方面采取了方方面面的技術(shù)方案來強(qiáng)化工具對塑性流動的驅(qū)動效果，這些方法對于攪拌摩擦對接焊能起到較好的效果（除了根部弱連接缺陷），但仍難以克服攪拌摩擦搭接焊（FSLW：Friction Stir Lap Welding）的固有問題，導(dǎo)致FSLW質(zhì)量遠(yuǎn)不及攪拌摩擦對接焊。FSLW的固有問題主要有以下5個方面。

（1）攪拌區(qū)內(nèi)部豎向分散去膜與豎向混合效果差 主要原因在于攪拌針的旋轉(zhuǎn)方向與待焊界面的相對運(yùn)動方向不同。在FSBW中，攪拌針的旋轉(zhuǎn)方向垂直于對接面，可對界面逐層剪切（每轉(zhuǎn)一圈焊道中心處沿焊接方向的剪切厚度為v/n；該值即為表面氧化膜沿焊接方向的寬度），并可將剪切下來的氧化膜在攪拌針后沿其半個周長的弧形范圍進(jìn)行重新分布，氧化膜分散范圍被擴(kuò)大化，分散效果好（由連續(xù)的膜狀變成分散的粒狀）。

但在FSLW中，攪拌針的旋轉(zhuǎn)方向平行于搭接面，即使材料被剪切并從攪拌針前轉(zhuǎn)移至攪拌針后，雖然在平面內(nèi)發(fā)生了較大位移，即從攪拌針的前半部“圓周”轉(zhuǎn)移到后半部“圓周”，但分散范圍并沒有擴(kuò)大，且在豎向的位移幅度較小，導(dǎo)致氧化膜雖然可被破碎，但氧化膜碎屑分散效果有限，仍局限于某一水平面及其附近。

（2）攪拌區(qū)邊緣有鉤狀（Hook）缺陷及其向攪拌核心內(nèi)的延伸 攪拌區(qū)邊緣的鉤狀缺陷主要是溫度低而強(qiáng)度高的下板的攪拌區(qū)邊緣母材，在攪拌針的前移過程中因承受朝前擠壓而向上流動，嵌入溫度高而較軟的上板中。一般前進(jìn)側(cè)的鉤狀缺陷較后退側(cè)明顯（后退側(cè)的鉤狀缺陷受攪拌針前待轉(zhuǎn)移金屬的向外擠壓以及攪拌針平移引起的前推，攪拌針旋轉(zhuǎn)引起的后拽，軸肩豎向擠壓的綜合作用而模糊）。當(dāng)鉤狀缺陷嵌入上板過深時，不但減小上板有效承載厚度，還存在被軸肩的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動拖入延伸到攪拌核內(nèi)的風(fēng)險。雖然攪拌針的螺紋與傾角有利于強(qiáng)化豎向流動，但同時加大了大型鉤狀缺陷延伸入攪拌核內(nèi)的風(fēng)險。

（3）單道焊幅狹窄，僅為攪拌針的直徑 由于FSLW的氧化膜破碎（不等于清除）范圍僅限于被攪拌針攪拌過的區(qū)域，因此單道FSLW的焊合寬度（有效焊幅）僅為攪拌針的直徑，遠(yuǎn)小于軸肩的直徑。

（4）攪拌針端位置的敏感性 攪拌針的尖端是否穿透上下板界面對搭接面機(jī)械去膜效果與重復(fù)性有較大的影響；故對操作水平要求更高。

（5）匙孔和空洞缺陷與攪拌針磨損、斷針 下板為強(qiáng)度較高的高強(qiáng)母材時，堅(jiān)硬下板的高流變應(yīng)力與高軟化溫度易引起界面空洞與攪拌針磨損；此外，攪拌針尖端易受磨損變細(xì)，繼而發(fā)生斷針。

2.2 FSB的提出與要點(diǎn)

攪拌摩擦釬焊正是為了解決上述FSLW固有問題而提出的。FSB通過導(dǎo)入焊材（釬料）以冶金反應(yīng)去膜（釬料/母材共晶反應(yīng)+擠出共晶液相帶走氧化膜）代替塑性流動去膜，從而解決了上述FSLW的固有問題。但FSB由于又有別于普通釬焊，軸肩的高速、強(qiáng)力旋轉(zhuǎn)為機(jī)械破膜創(chuàng)造了有利條件，可認(rèn)為是一種“扭轉(zhuǎn)輔助的壓力釬焊”。

FSB要點(diǎn)主要有以下三方面。

（1）工具方面 采用無攪拌針工具是為了消除匙孔、鉤狀缺陷。

（2）導(dǎo)入焊材 采用預(yù)置釬料的目的是為了彌補(bǔ)無攪拌針工具因攪拌針的取消導(dǎo)致的機(jī)械破膜功能的喪失，借助冶金反應(yīng)（共晶反應(yīng)）實(shí)現(xiàn)更大范圍的去膜，同時拓展了單道焊幅幅寬，可提高至接近軸肩直徑的范圍，遠(yuǎn)高于FSLW焊幅寬度為攪拌針直徑的范圍。

（3）搭接界面應(yīng)位于軸肩的熱力影響范圍之內(nèi) 由于在FSB中，旋轉(zhuǎn)軸肩并不能直接攪拌搭接面，而是隔著上板對搭接界面進(jìn)行間接扭轉(zhuǎn)破膜，因此搭接面不能距離扭轉(zhuǎn)面（即上表面）太遠(yuǎn)，否則會影響搭接面的機(jī)械破膜能力與效果。

2.3 FSB優(yōu)點(diǎn)

與FSLW相比，F(xiàn)SB除了能消除上述缺點(diǎn)之外，還可利用釬料調(diào)控、優(yōu)化界面相。對Al/Mg[15]與Al/Fe[16]組合分別引入Zn釬料與Ni電渡層，可防止由母材組成的金屬間化合物，優(yōu)化IMC類型。釬料與過渡層等焊材的引入與優(yōu)化為改善FSLW去膜與界面IMC提供了新的途徑。

與傳統(tǒng)爐中釬焊相比，F(xiàn)SB的優(yōu)點(diǎn)如下。

1）FSB具有較強(qiáng)又密集的機(jī)械破膜能力：高速、強(qiáng)力旋轉(zhuǎn)的軸肩（非靜止軸肩）具有機(jī)械破碎固相母材表面氧化膜改善界面潤濕性的特殊能力。

不同于普通靜壓釬焊與靜壓擴(kuò)散焊，高速旋轉(zhuǎn)的軸肩不僅是“熱源”，而且是一寶貴的“力源”。它不僅可以提供擠壓力，而且可以提供扭轉(zhuǎn)作用，兩者的作用方向不同，后者借助旋轉(zhuǎn)可連續(xù)重復(fù)地對界面施加微剪切作用，去膜效果更顯著。隨軸肩直徑的增大，力偶矩成比例增加，扭轉(zhuǎn)作用增強(qiáng)。大直徑軸肩的扭轉(zhuǎn)作用不僅有利于驅(qū)動高溫?zé)崴苄圆牧系牧鲃樱ㄌ貏e是表層母材），也有利于旋轉(zhuǎn)軸肩以“間接扭轉(zhuǎn)（軸肩與搭接面之間隔有上板）”方式機(jī)械破碎界面氧化膜。因此，F(xiàn)SB可視為一種“扭轉(zhuǎn)預(yù)破膜”輔助的釬焊。

2）大氣環(huán)境下施焊，不需要釬劑與保護(hù)氣氛。

3）適于去膜困難、難潤濕的母材組合。

4）在氧化膜隨低熔低強(qiáng)共晶被擠出后，所得界面組織為母材擴(kuò)散組織。

3 FSB的應(yīng)用研究

FSB的應(yīng)用主要有異種金屬板材的搭接焊以及層狀復(fù)合板、復(fù)合管的制備。尤其在復(fù)合管的制備方面與傳統(tǒng)爆炸復(fù)合、軋制復(fù)合相比具有界面冶金結(jié)合質(zhì)量優(yōu)、變形小、靈活方便等優(yōu)點(diǎn)，在制備中小口徑復(fù)合管方面具有一定應(yīng)用前景。

3.1 異種輕金屬鋁與鈦合金（Al/TC4）的攪拌摩擦釬焊

Al/Ti搭接組合可改善鋁材表面的耐磨性與耐蝕性，也可改善鈦材的散熱性與鈦薄片的剛度。Al/Ti搭接組合釬焊的難點(diǎn)在于高熔點(diǎn)、高活性的鈦母材側(cè)難以潤濕，不管采用Al基釬料還是Zn基釬料。馬志鵬研究了當(dāng)采用Zn-Al-Cu-Si軟釬料（熔化范圍：380～399℃）在420℃用超聲波輔助釬焊時，鋁母材一側(cè)能發(fā)生明顯的熔解，去膜效果理想，但在TC4一側(cè)，釬料與TC4界面出現(xiàn)連續(xù)的縫隙，表明超聲波作用下仍然不能破壞TC4表面的氧化膜，無法潤濕TC4母材[17]。為此，必須采用超聲波預(yù)涂覆釬焊工藝，焊前需在600～800℃下在鈦表面制備純鋁層[18]。

筆者所在課題組于2013年進(jìn)行了鋁與鈦合金（Al/TC4）異種金屬板材組合的FSB試驗(yàn)，獲得了較為理想的試驗(yàn)結(jié)果，表現(xiàn)在母材表面去膜理想；界面IMC幾乎觀察不到；窗口參數(shù)較寬[19，20]。由此證明了功率大、壓力大、轉(zhuǎn)速高的FSB在大氣環(huán)境下能機(jī)械去膜的優(yōu)勢。

FSB搭接試焊條件如下：1060Al純鋁板與TC4板厚度均為2mm，釬料為0.1mm厚鋅箔；工具為φ20mm的45鋼無攪拌針的攪拌頭，傾角3°，轉(zhuǎn)速固定為1500r/min。

圖3為1060Al/TC4組合FSB接頭外觀與界面組織，表面成形光滑良好，可觀察到擠出的釬料珠，表面釬料熔化順利；界面致密，能譜點(diǎn)分析未發(fā)現(xiàn)殘留Zn層與金屬間化合物（IMC）層。對于固定的1500r/min轉(zhuǎn)速，該組合在各焊接速度條件下（23.5～475mm/min）的外觀均光滑平整。在個別急停試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了焊道被扭裂的情況（見圖4），證明了旋轉(zhuǎn)軸肩具備對搭接界面施加扭轉(zhuǎn)去膜的機(jī)械作用，特別在鋁邊緣無拘束的情況下，鋁材的外展越趨于明顯，這有利于通過剪切變形破除Al表面與TC4表面的氧化膜。

圖3 1060Al/TC4組合FSB接頭外觀與界面組織

圖4 急停試驗(yàn)中焊道被扭裂：證明了工具可扭轉(zhuǎn)破膜

圖5 為焊接速度對接頭拉剪載荷的影響，可在較寬的參數(shù)窗口內(nèi)獲得拉剪測試斷裂于Al母材的熱影響區(qū)（見圖6），并未斷裂于界面的牢固接頭。焊接接頭在150mm/min與375mm/min不同焊接速度下獲得了相近的斷裂載荷峰值，前者應(yīng)得益于熱輸入的強(qiáng)化；后者應(yīng)得益于高焊接速度情況下，豎向擠壓力的提高。上述試驗(yàn)結(jié)果表明，即使對于活潑高強(qiáng)金屬Al/TC4組合，F(xiàn)SB也能在大氣環(huán)境下、在較寬參數(shù)窗口間，可靠地實(shí)現(xiàn)兩者之間的接合（界面潔凈致密，Zn被擠出；無IMC相）。

圖5 焊接速度對Al/TC4攪拌摩擦釬焊接頭拉剪載荷的影響[19]

圖6 1060Al/TC4組合FSB接頭拉剪測試斷裂位置 [20]

最近，為進(jìn)一步增強(qiáng)FSB接頭，張忠科提出對FSB接頭進(jìn)行焊后熱處理的思路[21]。其試驗(yàn)結(jié)果表明，對于6082Al/Zn/TC4組合（Zn為FSB釬料）與6082Al/Ni/TC4（Ni為FSB釬料）組合，F(xiàn)SB所得界面IMC層厚度分別為1.9μm、5.5μm；經(jīng)焊后熱處理后剪切強(qiáng)度分別由154MPa和142MPa提高到194MPa、166MPa，證明了焊后熱處理的有效性。Chen等提出“高速低壓FSB”參數(shù)組合以避免釬料完全擠出導(dǎo)致母材直接接觸形成IMC過厚[22]。

3.2 鋁包鋼（Al/Fe）復(fù)合方管的制備

與Al/Ti系IMC生長緩慢不同，Al/Fe系IMC易于生長。對于界面IMC易于生長的母材組合，金屬間化合物IMC的種類、厚度、熱膨脹系數(shù)失配引起的熱應(yīng)力、工件所受拘束應(yīng)力都對裂紋的萌生與擴(kuò)展有顯著影響，焊接難度增大。特別與平板型母材相比，方管型母材受熱面的變形受到與之相連的另外三個面制約，導(dǎo)致受熱面難以自由變形，所受拘束增大，即非加熱面對受熱面有較強(qiáng)的自約束作用。

采用FSB制備鋁包鋼（Al/Fe）復(fù)合方管的難度遠(yuǎn)大于采用FSB制備Al/Fe復(fù)合板。主要問題表現(xiàn)在雖然去膜易于實(shí)現(xiàn)，但因易生長IMC與拘束應(yīng)力的影響，焊后界面容易立即產(chǎn)生裂紋，并能聽到裂紋擴(kuò)展的聲音。西安交通大學(xué)焊接研究所通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，成功開發(fā)了消除復(fù)合方管界面裂紋的技術(shù)（待批專利）。圖7為實(shí)驗(yàn)室采用FSB制備的鋁包鋼復(fù)合方管原始外觀，并未出現(xiàn)焊后立即開裂的失效行為。顯微觀察表明，界面金屬間化合物厚度被抑制在2～3μm（見圖8）。接頭在拉剪測試中已具備較明顯的變形能力（見圖9），在較寬的焊接速度范圍內(nèi)，剪切強(qiáng)度可達(dá)42～56MPa，遠(yuǎn)優(yōu)于機(jī)械結(jié)合復(fù)合管的界面結(jié)合強(qiáng)度。

圖7 采用FSB制備的鋁包鋼復(fù)合方管原始外觀

圖8 采用FSB制備的鋁包鋼復(fù)合方管界面組織

圖9 FSB制備的鋁包鋼復(fù)合方管界面拉剪測試結(jié)果

4 結(jié)束語

攪拌摩擦釬焊采用無攪拌針工具并輔之以能與母材反應(yīng)的釬料，能以冶金反應(yīng)（共晶反應(yīng)為主）代替塑性流動實(shí)現(xiàn)去膜并拓寬焊幅，可認(rèn)為是一種扭轉(zhuǎn)輔助的壓力釬焊，從而解決了攪拌摩擦搭接焊中出現(xiàn)的4項(xiàng)主要問題：攪拌區(qū)內(nèi)上下混合困難；攪拌區(qū)邊緣存在鉤狀缺陷并易延伸入攪拌核區(qū)內(nèi)；焊幅狹窄；存在匙孔與攪拌針的磨損。相比傳統(tǒng)爐中釬焊，軸肩的高速、強(qiáng)力旋轉(zhuǎn)賦予了FSB較強(qiáng)的機(jī)械去膜能力，可改善潤濕性，能在大氣環(huán)境下進(jìn)行Al/Al、Al/X異種組合（包括高強(qiáng)或活性基板）的釬焊、復(fù)合板與復(fù)合管制備。