攪拌摩擦焊技術(shù)的研究進(jìn)展

武凱，賈賀鵬，孫宇，張華德，林永勇，胡峰峰

(1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094; 2.航天工程裝備(蘇州)有限公司，江蘇 蘇州 215200)

0 引言

攪拌摩擦焊(friction stir welding, FSW)是英國焊接研究所(The Welding Institute, TWI)在1991年發(fā)明的一種新型固相連接技術(shù)[1]。FSW的工作溫度一般低于被焊材料熔點(diǎn)的80%，可有效避免焊接過程中產(chǎn)生的金屬氧化和硬化過程中可能出現(xiàn)的凝固裂紋、收縮和孔洞現(xiàn)象，降低焊接殘余應(yīng)力和殘余變形[2]。該項(xiàng)技術(shù)可以進(jìn)行同種金屬或異種金屬的焊接，尤其適用于鋁合金及鎂合金的焊接，并能得到較高質(zhì)量的焊接接頭。與傳統(tǒng)的熔化焊接技術(shù)相比，F(xiàn)SW具有許多明顯的優(yōu)勢[3]。它的特點(diǎn)包括焊接效率高、焊接過程成本低、焊接接頭強(qiáng)度及可靠性高、焊接變形小、缺陷率低、綠色環(huán)保及適用于傳統(tǒng)熔焊不可焊的鋁合金等材料，為鋁、鎂等輕合金在工程結(jié)構(gòu)制造領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用開辟了新途徑[3-4]。本文從FSW技術(shù)的機(jī)理分析、工藝技術(shù)、數(shù)值模擬、設(shè)備和應(yīng)用等方面進(jìn)行綜述，論述FSW技術(shù)的最新研究和應(yīng)用進(jìn)展。

1 機(jī)理分析

1.1 工作原理

如圖1所示，在FSW過程中，高速旋轉(zhuǎn)的攪拌工具(攪拌頭)插入待焊工件的接縫處，并沿著焊縫向前移動(dòng)，通過攪拌針和軸肩對工件的摩擦產(chǎn)生足夠的熱量，使其周圍被焊金屬達(dá)到黏塑性狀態(tài)，在熱和塑性流動(dòng)的共同作用下，利用此黏塑性流動(dòng)消除自由接觸表面，形成致密無缺陷的焊縫組織，實(shí)現(xiàn)材料的連接。

圖1 攪拌摩擦焊的工作原理圖

1.2 微觀組織

分析FSW接頭的組織演變和微觀結(jié)構(gòu)對研究接頭力學(xué)性能、材料流動(dòng)行為及優(yōu)化焊接參數(shù)有重要的意義。根據(jù)微觀組織演化方式的不同，在截面不同焊接區(qū)域的宏觀展示截面圖[5]上可將FSW接頭由中心向外劃分為4個(gè)不同的區(qū)域[6]，即攪拌區(qū)/焊核區(qū)(stir zone, SZ or nugget zone，NZ)、熱力影響區(qū)(thermo-mechanically affected zone，TMAZ)、熱影響區(qū)(heat affected zone，HAZ)和母材區(qū)(base material，BM)，如圖2所示。其中焊接構(gòu)件在HAZ只受到焊接熱循環(huán)作用，而TMAZ和NZ受到熱和塑性變形共同影響。

圖2 FSW接頭微觀結(jié)構(gòu)區(qū)域的典型宏觀圖

焊核區(qū)內(nèi)晶粒結(jié)構(gòu)的演化主要與材料流變及動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為有關(guān)，再結(jié)晶包含連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和幾何動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，析出相強(qiáng)化型材料還會(huì)在此過程中發(fā)生第二相粒子的形核、析出、溶解和長大[7]。在NZ內(nèi)，由于塑性應(yīng)變和應(yīng)變率很高，會(huì)誘發(fā)連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和幾何動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生。非連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶通常在鋁合金中并不常見，這是由于鋁合金屬于高強(qiáng)度鋁合金，其發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)現(xiàn)象非常明顯。雖然如此，但是在NZ內(nèi)過量的熱輸入條件下會(huì)有可能發(fā)生非連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶[8]。在某些金屬中存在著孿晶誘導(dǎo)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，其被認(rèn)為是與孿晶內(nèi)部儲能及應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，具體形核方式存在多種機(jī)制，如孿晶相互交割形核、次級孿生形核、孿晶內(nèi)小角晶界形核等。綜上可知，接頭在NZ內(nèi)的微觀結(jié)構(gòu)由細(xì)化的等軸晶組成[9-11]。TMAZ的微觀結(jié)構(gòu)演化主要是動(dòng)態(tài)回復(fù)，因?yàn)榻宇^在該區(qū)域內(nèi)經(jīng)歷的溫度和塑性變形的量級不足以滿足發(fā)生再結(jié)晶。該區(qū)是NZ與HAZ之間的過渡區(qū)域，內(nèi)部的晶粒在一定的晶粒取向上被拉長。HAZ通常受溫度作用的影響導(dǎo)致在焊后微觀結(jié)構(gòu)(晶粒、析出相)發(fā)生了粗化。此外，接頭在NZ沿構(gòu)件厚度方向，其微觀結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生變化，這是受到攪拌頭軸肩影響的區(qū)域和攪拌針作用的區(qū)域表現(xiàn)出的差異性。由于受不同攪拌針尺寸的影響，NZ在構(gòu)件厚度方向的溫度和等效應(yīng)變分布也顯得不同[9-12]。PRANGNELL P B等[13]在2195鋁合金FSW焊接過程中，利用急停技術(shù)分析了接頭金屬材料的流動(dòng)規(guī)律，揭示了焊接過程中在攪拌針上增加螺旋可提升材料的塑性流動(dòng)，從而提升接頭力學(xué)性能。CHEN Z W等[14]在5083鋁合金FSW焊接過程中采用急停技術(shù)研究接頭NZ的材料流動(dòng)行為，發(fā)現(xiàn)攪拌刀具周圍的塑化金屬跟隨著攪拌針的旋轉(zhuǎn)發(fā)生移動(dòng)。

1.3 作用力

FSW過程中的作用力影響接頭的形成，對過程作用力的研究，有助于分析接頭成形規(guī)律并找到提高接頭質(zhì)量的方法。過程作用力主要包括軸向力、沿?cái)嚢桀^移動(dòng)方向的縱向力以及垂直于攪拌頭移動(dòng)方向的橫向力。3個(gè)力應(yīng)在安全范圍內(nèi)，才能保證加工出無缺陷的焊縫，并延長刀具壽命。

SIMAR A[15]研究表明，軸向力對生熱和焊縫熔深有重要的影響。一般而言，為了獲得完全的熔透和無缺陷焊縫，對于高熔點(diǎn)溫度材料，較高的軸向力是必要的[16]。王希靖等[17]研究了攪拌摩擦焊接中攪拌頭前進(jìn)阻力(縱向力)的變化規(guī)律，認(rèn)為焊接同種材料時(shí)，前進(jìn)阻力的大小與行進(jìn)速度的大小以及對應(yīng)的壓入量和所使用材料的尺寸都有著正比例的關(guān)系；當(dāng)轉(zhuǎn)速增加時(shí)，前進(jìn)阻力會(huì)先增大后減小；對比研究不同的焊接材料，材料硬度和前進(jìn)阻力有直接關(guān)系，硬度越高，前進(jìn)阻力越大。CRAWFORD R[18]研究了FSW過程中的軸向力，認(rèn)為軸向力和FSW過程中的轉(zhuǎn)速存在一定的關(guān)系。ARORA A等[19]模擬了FSW過程中的轉(zhuǎn)矩及輸出功率，指出多面形狀的攪拌針能產(chǎn)生較小的力，對指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員如何選擇一個(gè)合適的軸肩直徑和攪拌針截面具有重要意義。

現(xiàn)有文獻(xiàn)研究主要集中在焊接工藝參數(shù)和刀具幾何參數(shù)對軸向力和橫向力的影響，并通過調(diào)整工藝參數(shù)改變軸向力和橫向力的大小進(jìn)行在線檢測和控制，進(jìn)而提升焊接質(zhì)量的在線指標(biāo)。然而，在寬泛的工藝參數(shù)范圍內(nèi)，同時(shí)測量橫向力、軸向力和縱向力并分析它們的周期性變化和焊接材料性能的工作卻鮮有報(bào)道。

1.4 疲勞斷裂

焊接接頭疲勞性能的影響因素主要有接頭的表面質(zhì)量、焊縫區(qū)的微觀組織、殘余應(yīng)力、焊接工藝參數(shù)、外部環(huán)境及表面處理技術(shù)等。深入了解FSW對焊接接頭疲勞壽命的影響，對FSW的工程應(yīng)用具有重要意義。

劉奮軍等[20]采用FSW對厚度為2 mm的2099-T83與2060-T8 Al-Li合金進(jìn)行搭接。在接頭焊縫區(qū)可觀察到明顯的結(jié)合界面，焊縫區(qū)顯微硬度低于母材；搭接接頭均在底部母材2060-T8側(cè)的TMAZ與NZ的過渡區(qū)斷裂，斷裂特征為韌、脆混合斷裂?？蹬e等[21]發(fā)現(xiàn)2219-T8鋁合金FSW接頭在拉伸過程接頭變形主要發(fā)生在TMAZ，在相同的應(yīng)力水平下，TMAZ表面的鈍化膜更易破裂，甚至?xí)形⒘鸭y出現(xiàn)。房湛等[22]研究了2195-T8與2219-T6合金薄板接頭組織對焊縫性能的影響。隨著焊接速度的提高，接頭力學(xué)性能相應(yīng)提高；以2195為前進(jìn)側(cè)時(shí)的接頭其力學(xué)性能更優(yōu)越，而接頭的斷裂位置始終位于2219側(cè)，與前進(jìn)側(cè)材料無關(guān)。SINGH R K R等[23]研究了在3種冷卻環(huán)境(即自然空氣、水和液氮)中，以不同的速度對Al-Mg-Cr鋁合金進(jìn)行FSW。結(jié)果表明，水冷時(shí)疲勞裂紋擴(kuò)展速率較低，液氮冷卻時(shí)焊核區(qū)氧化物的存在使疲勞裂紋擴(kuò)展速率顯著增加。ZHANG L等[24]研究了攪拌摩擦焊接6061-T6鋁合金的微觀組織和力學(xué)性能，評估了缺口位置對沖擊和疲勞裂紋擴(kuò)展行為的影響。結(jié)果表明，鋁合金基體中的顆粒會(huì)阻礙疲勞裂紋的擴(kuò)展，微觀結(jié)構(gòu)的不均勻性和裂紋閉合是導(dǎo)致疲勞裂紋擴(kuò)展速率波動(dòng)的主要原因。

DAS J等[25]研究各種工藝參數(shù)(刀具幾何形狀、刀具轉(zhuǎn)速和焊接速度)與疲勞裂紋擴(kuò)展的關(guān)系以及如何控制這些參數(shù)，從而獲得具有最大抗裂性的最佳焊接質(zhì)量。SALIH O S等[26]通過控制兩個(gè)重要的工藝參數(shù)(刀具轉(zhuǎn)速和焊接速度)，建立了Al-Mg-Si合金在大范圍焊接溫度和塑性變形下焊接過程中微觀組織演變的相互作用關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)SW接頭的疲勞性能取決于晶粒尺寸，較小晶粒尺寸FSW接頭的疲勞壽命顯著提高。RANJAN R等[27]通過小尺寸試樣測試和斷裂力學(xué)分析，研究了FSW單面鋁對接接頭的疲勞行為。結(jié)果表明，F(xiàn)SW接頭的疲勞性能優(yōu)于典型的弧焊接頭，并且在彎曲載荷下，與焊接的根部或底部相比，焊接的頂部具有更好的疲勞性能。GAO F Y等[28]使用緊密拉伸韌性試樣研究了FSW焊接鈦合金接頭的斷裂韌性，斷裂韌性稍微降低至母材斷裂韌性的90%。斷裂面主要為韌性斷裂機(jī)制，韌窩較多；裂紋擴(kuò)展路徑平直，并伴有沿晶和穿晶斷裂；攪拌區(qū)斷裂韌性的降低主要與微觀組織和組織結(jié)構(gòu)有關(guān)。徐韋鋒等[29]研究了不同外加總應(yīng)變幅條件下FSW接頭沿板厚方向分層切片的疲勞性能。發(fā)現(xiàn)母材疲勞壽命高于FSW接頭，與接頭中部和底部切片相比，上部疲勞壽命較低。隨轉(zhuǎn)速的升高，疲勞壽命降低，焊速對其影響較小。王晨等[30]以SiCp/6092Al復(fù)合材料為研究對象，對表面未打磨的接頭和經(jīng)過打磨拋光后的光滑表面接頭的疲勞性能進(jìn)行深入研究。結(jié)果表明，與未打磨試樣相比，經(jīng)過打磨拋光后的接頭光滑表面試樣的疲勞極限提高了40～65 MPa，且高焊速下的光滑試樣表現(xiàn)出更高的疲勞極限(205 MPa)，光滑表面接頭在疲勞測試時(shí)均在最低硬度區(qū)及其附近區(qū)域發(fā)生斷裂。

2 工藝技術(shù)

2.1 工藝參數(shù)分析與優(yōu)化

FSW焊接工藝參數(shù)主要包含刀具的旋轉(zhuǎn)速度、焊接行進(jìn)速度、傾角、下壓量以及冷卻環(huán)境等。不同的焊接參數(shù)組合能夠影響焊接過程熱循環(huán)、刀具受載狀態(tài)以及材料流變行為。各種參數(shù)不是相互獨(dú)立的，通過優(yōu)化的參數(shù)組合能夠得到無缺陷的高質(zhì)量焊縫。在其他參數(shù)保持不變的條件下，當(dāng)?shù)毒叩男D(zhuǎn)速度較低時(shí)，刀具與焊接材料產(chǎn)生的熱量不足以使材料達(dá)到塑化狀態(tài)，無法將未塑化材料進(jìn)行固相連接，導(dǎo)致焊接缺陷形成；通過提高刀具的旋轉(zhuǎn)速度，使有效熱輸入量增大，刀具四周塑性及材料流動(dòng)效果良好，焊接缺陷逐漸消失，形成良好的成形焊縫。在給定刀具幾何條件下，熱輸入和材料流動(dòng)的調(diào)節(jié)主要由刀具的旋轉(zhuǎn)速度、焊接行進(jìn)速度、傾角和下壓量等控制。

劉奮軍等[31]探討了6061-T6鋁合金薄板的高轉(zhuǎn)速FSW工藝，揭示高轉(zhuǎn)速對鋁合金薄板對接接頭微觀組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明，高轉(zhuǎn)速焊接6061-T6薄板時(shí)，焊縫表面成型良好，焊縫各區(qū)域組織呈連續(xù)均勻過渡。董繼紅等[32]研究了2024鋁合金薄板的FSW微觀組織和力學(xué)性能特征。結(jié)果表明，在旋轉(zhuǎn)速度為800 r/min、焊接速度為300 mm/min時(shí)，接頭抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長率分別達(dá)到461 MPa、332 MPa和14.6%，接頭強(qiáng)度可達(dá)母材的94.8%，屈服強(qiáng)度可達(dá)母材的87.5%。楊超等[33]對2 mm厚的退火態(tài)7B04鋁合金薄板進(jìn)行FSW對接焊接，分析了焊接參數(shù)對焊接質(zhì)量、微觀組織和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，通過控制焊接參數(shù)，可獲得良好的焊接質(zhì)量，接頭強(qiáng)度系數(shù)達(dá)100%；焊核區(qū)生成細(xì)小等軸晶，母材晶粒尺寸約為300 μm；在約400 ℃時(shí)超塑性變形行為消失。IQBAL P等[34]通過建立FSW的剛黏塑性模型，采用點(diǎn)跟蹤法對焊接缺陷進(jìn)行了預(yù)測，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。當(dāng)切入深度為0.3 mm時(shí)，可與刀具肩部的界面充分接觸，并產(chǎn)生良好的焊接效果。

SADOUN A M等[35]研究發(fā)現(xiàn)，使用高銷側(cè)面積比(29.83%)的半球銷，可得到抗拉強(qiáng)度高、晶粒細(xì)小的接頭。MANEIAH D等[36]采用H13工具鋼對3 mm厚的6061-T6鋁合金進(jìn)行FSW。通過測量轉(zhuǎn)速、傾角、進(jìn)給量等工藝參數(shù)來確定FSW工藝參數(shù)對焊接接頭拉伸性能的影響。當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 400 r/min、傾角為0°和進(jìn)給量為100 mm/min時(shí)，可獲得191 MPa的最高抗拉強(qiáng)度，延伸率10%表示焊縫具有韌性。AHMED K E等[37]研究了6082鋁合金在FSW過程中，刀具轉(zhuǎn)速分別為500 r/min、710 r/min、1 000 r/min和1 400 r/min時(shí)，硬度和抗拉強(qiáng)度的變化。使用ANOVA法和響應(yīng)面法對FSW工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，確定了接頭抗拉強(qiáng)度的最佳值。KADAGANCHI R等[38]建立了具有工藝參數(shù)和刀具幾何參數(shù)的數(shù)學(xué)模型，預(yù)測了FSW鋁合金(AA2014-T6)的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和塑性響應(yīng)，采用響應(yīng)面法建立回歸模型預(yù)測響應(yīng)。SHASHI Kumar S等[39]使用響應(yīng)面法開發(fā)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法(Box-Benkhen)，對AISI 316L不銹鋼薄板進(jìn)行了對焊結(jié)構(gòu)的研究。當(dāng)?shù)毒咿D(zhuǎn)速為597 r/min、焊接速度為74 mm/min、下壓力為13 kN和刀具傾角為1.5°時(shí)，可以得到最大抗拉強(qiáng)度為604 MPa的接頭。RAJENDRANA C等[40]利用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、方差分析、響應(yīng)圖和輪廓圖等統(tǒng)計(jì)工具優(yōu)化FSW工藝參數(shù)以獲得最大抗拉強(qiáng)度。當(dāng)?shù)毒咿D(zhuǎn)速為900 r/min，焊接速度為110 mm/min、軸肩直徑為12 mm、刀具傾角為1.5°時(shí)，接頭的最大拉伸剪切斷裂載荷可達(dá)12.76 kN。

刀具的傾角是指刀具軸線與焊接工件表面法線的夾角。焊接時(shí)，刀具通過向后方傾斜一定角度使得軸肩端面后沿的部分相比于前沿部分壓入工件更深，這樣材料在從刀具前方運(yùn)動(dòng)到后方的過程便會(huì)受到軸肩向下的鍛壓作用而結(jié)合得更加緊密。COLEGROVE P A等[41]研究了刀具0°和2.5°傾斜時(shí)焊接所需壓力，發(fā)現(xiàn)刀具2.5°傾斜時(shí)的焊接質(zhì)量比較理想。RAJENDRAN C等[42]研究了攪拌頭傾角對FSW鋁合金(AA2014-T6)焊接強(qiáng)度的影響。當(dāng)攪拌頭傾角為1°～3°時(shí)，可獲得無缺陷的焊接接頭；當(dāng)傾角為2°時(shí)，可獲得具有最大剪切強(qiáng)度(14.42 kN)和顯微硬度(HV132)的接頭。MAHTO R P等[43]采用X射線顯微計(jì)算機(jī)斷層掃描和金相分析對焊接缺陷進(jìn)行了定性和定量評估，發(fā)現(xiàn)傾角為1°的焊接減少了表面和內(nèi)部缺陷。所以，傾角一般要求大小適中，傾角太大則容易導(dǎo)致軸肩端面前沿與材料接觸不夠，難以帶動(dòng)材料流動(dòng)；而端面后沿則壓入材料太深，材料明顯擠出。傾角太小則容易將材料向四周擠出形成飛邊，后方材料壓實(shí)效果不佳而易于出現(xiàn)隧道、孔洞等缺陷。

刀具的位置狀態(tài)也會(huì)嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量。刀具偏心是由于刀具相對于主軸中心偏移而引起的，較小的偏移會(huì)導(dǎo)致FSW期間的偏心運(yùn)動(dòng)[44]。SHAH L H等[45]研究了刀具偏心對AA6061鋁合金FSW的影響。結(jié)果表明，刀具偏心增加了焊核區(qū)的物料流動(dòng)；當(dāng)工具偏移0.2 mm時(shí)，接頭拉伸強(qiáng)度和伸長率并未受到影響。SHAH L H等[46]研究了刀具偏心對AA6061-T651鋁合金FSW的影響。結(jié)構(gòu)特征表明，焊縫的表面粗糙度增加，而攪拌區(qū)域中的材料流動(dòng)和混合隨著刀具偏心的增加而增強(qiáng)。

2.2 異種材料焊接工藝

由于異種材料的力學(xué)性能差異，給連接技術(shù)帶來了更大的挑戰(zhàn)。近年來，許多學(xué)者應(yīng)用FSW技術(shù)對異種材料進(jìn)行攪拌摩擦焊研究。GHOSH M[47]研究了FSW工藝參數(shù)對A356鋁合金與6061-T6鋁合金的焊接力學(xué)性能的影響。JAGATHESH K等[48]研究了FSW工藝參數(shù)對AA2024和AA6061鋁合金焊接性能的影響。通過控制FSW的旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度和刀具銷直徑，進(jìn)行了設(shè)計(jì)的FSW實(shí)驗(yàn)，獲得了高強(qiáng)度的焊接接頭。SHUNMUGASUNDARAM M等[49]采用FSW對不同鋁合金板材AA6063和AA5052進(jìn)行了焊接，并使用Taguchi L9正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)對工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，確定最佳工藝參數(shù)以最大限度地提高焊接接頭的抗拉強(qiáng)度。PRASAD M V R D等[50]研究了FSW焊接厚度為5 mm的AA5083和AA6061鋼板，根據(jù)Taguchi L9方法的正交陣列進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究了焊接試樣的力學(xué)性能的伸長率和硬度。張鑫等[51]通過添加中間層材料Zn抑制TC4鈦合金和2A14鋁合金異種金屬焊縫中產(chǎn)生金屬間化合物，研究了工藝參數(shù)對焊縫成形、接頭抗拉強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明，當(dāng)焊接速度為75 mm/min、旋轉(zhuǎn)速度為375～950 r/min、偏移量為2.5 mm時(shí)，可獲得表面成形良好的焊接接頭。HOU W等[52]研究了刀具偏置對6061鋁合金與工業(yè)純銅在FSW中的不同對焊工藝。當(dāng)?shù)毒咂脧? mm減小到0 mm時(shí)，焊接接頭的極限抗拉強(qiáng)度增加，而當(dāng)偏移量>1.6 mm時(shí)，焊接接頭的極限抗拉強(qiáng)度急劇下降。GUO Y N等[53]研究了焊接工藝參數(shù)對2024-T3和7075-T6鋁合金FSW焊接接頭動(dòng)態(tài)拉伸性能的影響。發(fā)現(xiàn)HAZ的屈服應(yīng)力高于SZ和TMAZ的屈服應(yīng)力。MSOMI V等[54]研究了1050-H14和5083-H111鋁合金FSW接頭的質(zhì)量。利用半自動(dòng)銑床進(jìn)行焊接，將焊接接頭與母材進(jìn)行對比分析，并且討論了微觀組織觀察結(jié)果與接頭力學(xué)性能的關(guān)系。

鎂、鈦及其合金FSW一直是研究者和技術(shù)人員面臨的挑戰(zhàn)。AONUMA M等[55-57]通過將探針插入Mg合金板中并在Ti板側(cè)稍微偏移0.5 mm，可以成功焊接厚度為2 mm的鎂合金板和鈦板。接頭的平均抗拉強(qiáng)度為237 MPa，約為鎂合金板的69%，斷裂主要發(fā)生在鎂合金板的攪拌區(qū)，部分發(fā)生在接頭界面。SIVAM S P S S等[58]采用灰色關(guān)聯(lián)度分析法研究了FSW過程中轉(zhuǎn)速、焊接速度、刀銷底徑和刀具輪廓對Mg/Ti合金FSW響應(yīng)的影響，并用方差分析法確定了影響FSW響應(yīng)的最重要因素是焊接速度。CHOI J等[59]在純Mg和純Ti之間插入鋁箔進(jìn)行Mg/Ti不混溶體的異種FSW研究。LI Q H等[60]采用FSW對Mg/Ti異種合金進(jìn)行了塔接焊接，使刀具稍微地滲入底部Ti合金。對接頭組織、力學(xué)性能和斷裂行為進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。FSW技術(shù)為獲得高質(zhì)量的Mg/Ti異種合金接頭提供了一種有效的方法。

2.3 攪拌頭

攪拌頭是攪拌摩擦焊設(shè)備中最重要的部件之一，由軸肩和攪拌針兩部分組成，對焊接接頭質(zhì)量有重要影響。針對攪拌針的研究從很早就開始了，但對攪拌針幾何特征的總體認(rèn)識還不夠完善，其對焊接過程中的產(chǎn)熱以及與工件材料之間的相互作用仍不明晰。

RAI R等[61]從刀具的幾何結(jié)構(gòu)、材料選擇、微觀結(jié)構(gòu)、承載能力、失效機(jī)理和工藝經(jīng)濟(jì)性等幾個(gè)重要方面的研究進(jìn)展進(jìn)行了評述，認(rèn)為攪拌頭的發(fā)展主要集中在帶螺紋的攪拌頭和帶3個(gè)溝槽的攪拌頭這兩個(gè)方面。攪拌針的幾何形狀被認(rèn)為是控制材料流動(dòng)和熱量輸入以及焊接質(zhì)量的主要參數(shù)之一，通過優(yōu)化攪拌頭幾何特征可以促進(jìn)材料流動(dòng)和提高焊接質(zhì)量。SCIALPI A等[62]研究了3種不同的軸肩幾何形狀(旋渦、內(nèi)凹、平面)對鋁合金6082攪拌摩擦焊接焊縫微觀組織和接頭力學(xué)性能的影響。PATEL V等[63]選取截面形狀分別為正四邊形、正五邊形和正六邊形的攪拌針對7075鋁合金進(jìn)行攪拌摩擦焊接工藝試驗(yàn)，只有使用正四邊形攪拌針時(shí)在焊核區(qū)獲得了均勻細(xì)小的微觀組織。FELIX XAVIER MUTHU M 等[64]研究了3種不同外形的攪拌頭(螺紋攪拌頭、平錐形攪拌頭、錐針形攪拌頭)對材料顯微結(jié)構(gòu)、顯微硬度和拉伸性能的影響。在這3種不同外形的攪拌頭中，平錐形攪拌頭能產(chǎn)生無缺陷攪拌區(qū)，并得到力學(xué)性能良好的接頭，其屈服強(qiáng)度為101 MPa，拉伸強(qiáng)度為106 MPa，焊接效率為68%。SU H等[65]使用3種不同形狀攪拌針，通過分析攪拌頭的受力情況，得出攪拌頭所受前進(jìn)阻力和攪拌針形狀之間的關(guān)系式，當(dāng)使用多邊形攪拌針時(shí)攪拌頭的前進(jìn)阻力會(huì)顯著減小。HOU W T等[66]設(shè)計(jì)了一種具有雙銷結(jié)構(gòu)的新型攪拌工具，并將其用于異種鋁合金AA2024和AA6061對接板的焊接。對于無缺陷接頭，雙銷工具比單銷工具在接頭截面上的顯微硬度分布更均勻。

3 數(shù)值模擬

數(shù)值模擬技術(shù)在熔化焊接的研究中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。同樣，國內(nèi)外的研究者也將數(shù)值模擬技術(shù)引入FSW過程的研究。目前，計(jì)算固體力學(xué)(computational solid mechanics，CSM)方法和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics, CFD)方法被廣泛應(yīng)用于FSW過程的數(shù)值仿真。CFD方法主要用于模擬焊接過程中攪拌頭周圍材料的流動(dòng)形式和溫度場的分布情況，而CSM方法則可以預(yù)測焊接溫度場、焊接過程中應(yīng)力和應(yīng)變的變化過程、殘余應(yīng)力分布和殘余變形。對于FSW過程的數(shù)值模擬是非常復(fù)雜的，主要集中在溫度場、應(yīng)力變形和金屬塑形流動(dòng)分析以及熱-流-力耦合的研究，或者其中兩個(gè)耦合模型的研究。這些數(shù)值模型主要有瞬態(tài)傳熱模型、材料流動(dòng)模型、順序熱力耦合模型和完全熱力耦合模型。

焊接過程中溫度場的分布形式是FSW的一個(gè)重要研究內(nèi)容。盡管焊接溫度低于材料的溶點(diǎn)，但是依然會(huì)促使材料發(fā)生相變，因此研究焊接過程中溫度的變化歷程至關(guān)重要。近年來，在溫度場仿真方面，有些學(xué)者通過熱-流-力三者的耦合建立了模型，在模型中加入了動(dòng)態(tài)變化的摩擦力，使仿真結(jié)果更貼近實(shí)際。ZHAO P C等[67]建立計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)二維模型模擬6061鋁合金的FSW過程，發(fā)現(xiàn)焊縫兩側(cè)的溫度分布并不對稱，但具有相同的變化趨勢，且前進(jìn)側(cè)的峰值溫度比返回側(cè)高約10 K。GHATE N D等[68]提出了一種二維數(shù)值方法來研究FSW過程中刀具周圍的材料流動(dòng)以及孔洞的形成機(jī)理。FSW過程中的應(yīng)力和應(yīng)變足以使夾雜處的孔洞形核和長大。武傳松[69]根據(jù)攪拌頭與工件界面上的受力特點(diǎn)，建立了熱流耦合模型，對FSW各個(gè)階段的溫度場、流場和產(chǎn)熱過程進(jìn)行了模擬，并分析了3種常用的攪拌頭的產(chǎn)熱情況。張昭等[70]在對板材變形進(jìn)行模擬時(shí)，發(fā)現(xiàn)了低塑性的流動(dòng)區(qū)在攪拌頭的后方且接近底部，前進(jìn)側(cè)和返回側(cè)的溫度梯度明顯不同，前進(jìn)側(cè)的溫度梯度更大。TANG J M等[71]建立了基于CFD的改進(jìn)三維模型以預(yù)測異種鋁合金AA2024和AA7075的搭接FSW期間的溫度分布。在前進(jìn)側(cè)和返回側(cè)存在明顯的不對稱溫度分布，每個(gè)觀察點(diǎn)的溫度分布和變化都不同，觀測點(diǎn)的溫度迅速上升，但下降緩慢。COLEGROVE P A[41]利用FLUENT軟件對FSW過程進(jìn)行了三維動(dòng)態(tài)模擬。該模型中引入了帶螺紋的攪拌頭，對攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度等工藝參數(shù)與焊接溫度場、材料遷移行為之間的關(guān)系進(jìn)行了分析。BUFFA G等[72]通過完全熱力耦合三維模型研究攪拌頭形狀與焊接速度對焊接接頭質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)可以通過調(diào)整攪拌頭形狀和焊接速度來提高鋁合金焊接接頭的質(zhì)量。在焊縫上部的熱量主要來自于攪拌頭軸肩的摩擦產(chǎn)熱，而焊縫底部的熱量主要來自于材料的塑性變形產(chǎn)熱，攪拌頭轉(zhuǎn)速和焊接轉(zhuǎn)速會(huì)影響焊接過程中的溫度分布及材料流動(dòng)。PADMANABAN R等[73]建立了基于CFD的數(shù)值模型，預(yù)測了異種鋁合金AA2024和AA7075的FSW過程中的溫度分布和材料流動(dòng)。結(jié)果表明，焊接板中的峰值溫度隨刀具旋轉(zhuǎn)速度和軸肩直徑的增加而升高，而峰值溫度隨焊接速度的增加而降低；增加刀具旋轉(zhuǎn)速度和軸肩直徑會(huì)增加物料流動(dòng)，而增加焊接速度會(huì)減少攪拌區(qū)的物料流動(dòng)。

焊接過程中材料的流動(dòng)伴隨著顯著的應(yīng)力變化，導(dǎo)致接頭出現(xiàn)殘余應(yīng)力和殘余變形，從而影響接頭的力學(xué)性能。通過FSW的數(shù)值仿真對深入研究焊接殘余應(yīng)力分布和焊接殘余變形有非常重要的意義。KHANDKAR M Z H等[74]通過建立順序熱力耦合模型來研究焊接過程，發(fā)現(xiàn)殘余應(yīng)力是由于溫度循環(huán)而引起的，表明順序熱力耦合有限元模型可以成功地模擬焊接過程。SELVAMANI S T等[75]通過加載移動(dòng)熱源的方法對6061-T6鋁合金的溫度場進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)攪拌頭前進(jìn)側(cè)的溫度比返回側(cè)高，且最高溫度在前進(jìn)側(cè)。RIAHI M等[76]建立了FSW三維數(shù)值模型，研究焊接速度對攪拌頭與構(gòu)件之間摩擦生熱和殘余應(yīng)力的影響。結(jié)果表明，攪拌頭軸肩下方的材料具有較大的溫度梯度，并且隨著焊接速度的增大殘余應(yīng)力逐漸增大。JAMSHIDI A H等[77]建立了不同鋁合金焊接的數(shù)值模型，研究不同焊接參數(shù)對溫度和殘余應(yīng)力的影響。研究發(fā)現(xiàn)，攪拌頭轉(zhuǎn)速對拉伸殘余應(yīng)力區(qū)域有較大的影響，而焊接速度主要影響橫向殘余應(yīng)力的分布。

通過數(shù)值模擬的方式可以優(yōu)化工藝參數(shù)，并根據(jù)模擬結(jié)果確定攪拌頭的尺寸及加工標(biāo)準(zhǔn)，對提高焊接質(zhì)量有很重要的作用。AHMAD K N等[78]對FSW過程的各個(gè)階段(插入、停留和移動(dòng))進(jìn)行了慢、快工藝參數(shù)的模擬，并與以往在同一鋼種上的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。在每個(gè)模型中，發(fā)現(xiàn)焊縫形狀和焊縫表面飛邊與先前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常接近。SALLOOMI K N等[79]采用有限元方法對6061-T6鋁合金T型接頭FSW過程進(jìn)行了完全熱力耦合模擬焊接過程的3個(gè)階段(插入、停留和移動(dòng))。計(jì)算結(jié)果表明，隨著刀具的推進(jìn)，最大應(yīng)力逐漸由蒙皮部分向縱梁部分移動(dòng)，摩擦耗散能是產(chǎn)生FSW所需熱量的主要原因。BOUKRAA M等[80]通過對典型鋁鋰合金AA2195-T8最佳工藝條件的預(yù)測，結(jié)合三維瞬態(tài)傳熱計(jì)算的優(yōu)化來改善工藝參數(shù)。LONG L等[81]建立了考慮傾角的三維熱力耦合有限元模型。模擬結(jié)果顯示，焊縫在0°傾角條件下出現(xiàn)蟲孔缺陷，而在2°傾角條件下未觀察到蟲洞缺陷；當(dāng)?shù)毒邇A角為2°時(shí)，刀具后部材料的峰值溫度和壓縮法向應(yīng)力均升高。ZHANG S等[82]提出了幾何模型和不完全接觸邊界條件的CFD模型，以研究刀具傾角對FSW過程中傳熱傳質(zhì)的影響；根據(jù)仿真結(jié)果，得出了刀具傾角對傳熱傳質(zhì)的3種影響。

4 設(shè)備

國內(nèi)外各大工業(yè)集團(tuán)和研究機(jī)構(gòu)都在攪拌摩擦焊設(shè)備方面進(jìn)行了大量的研究和開發(fā)工作。

1999年秋季，位于英國布里斯托爾(Bristol)附近的空中客車公司(Airbus)從哈利法克斯(Halifax)的克勞福德·斯威夫特(Crawford Swift)推出了一臺Powerstir攪拌摩擦焊設(shè)備，用于制造飛機(jī)機(jī)翼和機(jī)身的焊接。自2000年以來，Powerstir攪拌摩擦焊設(shè)備為廣泛的工程應(yīng)用而開發(fā)，它不僅能夠滿足結(jié)構(gòu)剛度和載荷感應(yīng)的要求，而且可以承受更大的焊接載荷，從而確保精確的力控制和最小的撓度。英國精密技術(shù)集團(tuán)(Precision Technologies Group, PTG)已經(jīng)將Powerstir攪拌摩擦焊設(shè)備的性能提升了一個(gè)新的高度，使用PTG固定銷工具成功焊接了3 mm和8 mm厚度的航空級合金鋼和航空航天級鈦合金，在一系列具有挑戰(zhàn)性的配置(2 mm～35 mm的鋁合金)中也獲得了優(yōu)異的效果。它的主要特征包括：CNC控制、生產(chǎn)監(jiān)控、力控制、焊接溫度監(jiān)控、聯(lián)合跟蹤、氣體保護(hù)、機(jī)器夾具、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和高度感應(yīng)。

美國通用工具公司(General Tool Company, GTC)一直處于攪拌摩擦焊技術(shù)的最前沿，是頂級攪拌摩擦焊公司之一，主要設(shè)計(jì)和制造AccuStir系列攪拌摩擦焊設(shè)備，如圖3所示。使用GTC的專利技術(shù)來定制設(shè)計(jì)攪拌摩擦焊設(shè)備，可以滿足特定行業(yè)需求。制造的帶有真空夾緊裝置的攪拌摩擦焊設(shè)備，主要用于航天運(yùn)載火箭筒體的焊接。

圖3 AccuStir型攪拌摩擦焊設(shè)備

美國制造技術(shù)公司(Manufacturing Technology Inc., MTI)的攪拌摩擦焊接工藝開發(fā)和零件生產(chǎn)正在許多行業(yè)產(chǎn)生巨大影響。MTI在全球范圍內(nèi)設(shè)計(jì)、制造和安裝了攪拌摩擦焊設(shè)備，提供了世界級的攪拌摩擦焊接功能和一系列內(nèi)部增值服務(wù)，包括焊接接頭設(shè)計(jì)、工藝參數(shù)開發(fā)以及焊前和焊后處理。主要包括RM系列、LS系列、GG系列、雙頭攪拌摩擦焊。LS1雙頭攪拌摩擦焊設(shè)備是世界上最長的攪拌摩擦焊設(shè)備之一，如圖4所示。它用于連接各種寬度和長度不超過55 in的平板、板材、薄板或擠壓件。雙頭能力允許同時(shí)進(jìn)行頂部和底部焊接，從而簡化了生產(chǎn)。

圖4 LS1雙頭攪拌摩擦焊設(shè)備

邦德科技(BOND Technologies)從緊湊型到大型多軸和多主軸系統(tǒng)，提供全系列的攪拌摩擦焊設(shè)備。主要包括PM系列、RM系列、LS系列、GG系列、特殊用途設(shè)備和補(bǔ)償點(diǎn)焊。最通用的設(shè)備系列是GG系列，該系列提供固定工作臺和導(dǎo)軌配置，非常適合處理大批量生產(chǎn)、復(fù)雜的幾何形狀和許多其他應(yīng)用。

瑞典伊薩公司(Elektriska Svetsnings-Aktiebolaget, ESAB)制造的攪拌摩擦焊設(shè)備有標(biāo)準(zhǔn)化的Legio、工程定制的SuperStir(如圖5所示)和功能強(qiáng)大的攪拌摩擦焊接機(jī)器人Rosio(如圖6所示)。Legio擁有的模塊化系統(tǒng)可組裝適應(yīng)的焊接工作站，讓絕大多數(shù)攪拌摩擦焊接應(yīng)用的需求成為可能；SuperStir屬于定制設(shè)備，設(shè)計(jì)符合客戶對全面自動(dòng)化生產(chǎn)的要求；Rosio能夠靈活地在三維工作空間的任意方向上焊接復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，在具有挑戰(zhàn)性的FSW新應(yīng)用中增加了使用的可能性。

圖5 SuperStir型攪拌摩擦焊設(shè)備

圖6 Rosio型攪拌摩擦焊接機(jī)器人

日立(Hitachi)開發(fā)設(shè)計(jì)有一維FSW設(shè)備、二維FSW設(shè)備、三維FSW設(shè)備、鋼鐵用2D-FSW設(shè)備、定制式FSW設(shè)備和FSW機(jī)器人設(shè)備。焊接設(shè)備具有刀具跟蹤系統(tǒng)、自動(dòng)回縮機(jī)頭和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等功能。

作為精密力和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的全球領(lǐng)先提供商以及尖端FSW技術(shù)創(chuàng)新者，美國MTS系統(tǒng)公司(MTS Systems Corporation)已開發(fā)出一系列先進(jìn)的攪拌摩擦焊設(shè)備，能夠在線性和非線性輪廓上產(chǎn)生高速焊接。該公司研究開發(fā)的智能化攪拌摩擦焊設(shè)備包括：1)I-STIR CNC系列。特點(diǎn)是將先進(jìn)的控制和儀器與銑床平臺相結(jié)合，可提供多種工作范圍。2)I-STIR BR系統(tǒng)。特點(diǎn)是橋式龍門結(jié)構(gòu)，適合在寬xy平面上進(jìn)行攪拌摩擦焊接。3)I-STIR VM系統(tǒng)。特點(diǎn)是C型框架結(jié)構(gòu)，適合在長面板上進(jìn)行x軸攪拌摩擦焊接。

2002年，中國第一家專業(yè)化的攪拌摩擦焊技術(shù)授權(quán)公司—中國攪拌摩擦焊中心即北京賽福斯特技術(shù)有限公司成立，標(biāo)志著攪拌摩擦焊技術(shù)在中國市場的研發(fā)及工程應(yīng)用工作的正式開啟。公司成立以來，一直致力于攪拌摩擦焊技術(shù)在中國的創(chuàng)新發(fā)展與推廣應(yīng)用。該公司研制的攪拌摩擦焊設(shè)備具有先進(jìn)、可靠、集成、數(shù)控、高效等特點(diǎn)，可以提供縱縫、環(huán)縫、平面二維、空間三維、點(diǎn)焊、雙軸肩及機(jī)器人等攪拌摩擦焊設(shè)備。

航天工程裝備(蘇州)有限公司緊密圍繞航空航天、新能源汽車、船舶制造以及電力電子等領(lǐng)域需求，不斷突破智能型攪拌摩擦焊的關(guān)鍵軟硬件技術(shù)，目前總體技術(shù)水平已達(dá)國際先進(jìn)水平。現(xiàn)有的優(yōu)勢技術(shù)有大載荷主軸、高速電主軸技術(shù)，恒壓力控制技術(shù)，焊縫軌跡控制技術(shù)，智能攪拌摩擦焊裝備的光機(jī)電系統(tǒng)集成技術(shù)。

5 應(yīng)用

目前，F(xiàn)SW技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶制造、軌道交通、汽車及能源等工業(yè)領(lǐng)域。

美國國家航空航天局從1995年開始就投入了大量資源對FSW技術(shù)進(jìn)行開發(fā)，并且在之前的Space Shuttle Program與目前Space Launch System等項(xiàng)目中廣泛應(yīng)用。波音公司的Delta IV火箭、Space X公司的Falcon 9火箭和三菱重工的H-IIB火箭制造中都采用了FSW技術(shù)。洛克希德·馬丁公司針對C-130大型運(yùn)輸機(jī)，在飛機(jī)貨艙地板結(jié)構(gòu)上采用FSW技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了大型飛機(jī)壁板結(jié)構(gòu)的整體化制造，降低了制造成本，縮短了制造周期，減少了自身質(zhì)量?？湛凸続350-800/900型飛機(jī)，在機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)論證方案中采用FSW制造后的總質(zhì)量減少了40%，制造周期減少20%。國內(nèi)的FSW技術(shù)自2003年以來快速發(fā)展，在技術(shù)基礎(chǔ)和應(yīng)用驗(yàn)證開展了十余年的持續(xù)研究，中國航空工業(yè)集團(tuán)公司北京航空制造工程研究所率先在新一代戰(zhàn)機(jī)和運(yùn)輸機(jī)上進(jìn)行了開發(fā)和應(yīng)用。

在歐洲一些國家，F(xiàn)SW技術(shù)已在鋁質(zhì)汽車零部件制造中得到廣泛應(yīng)用。德國寶馬公司實(shí)現(xiàn)了FSW技術(shù)在汽車車身、車輪、底盤和油箱等部件制造中的應(yīng)用。瑞典薩帕公司和日本輕金屬公司實(shí)現(xiàn)了FSW技術(shù)在地鐵車輛鋁模塊化部件焊接中的應(yīng)用。西門子公司和日立公司已廣泛推行FSW技術(shù)開展鋁合金車體制造。在汽車工業(yè)、高速客車與船舶建造領(lǐng)域，F(xiàn)SW技術(shù)為高強(qiáng)鋁合金替代傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)鋼提供了重要基礎(chǔ)。福特、奧迪、通用、路虎、沃爾沃、馬自達(dá)等汽車公司以及世界各地的許多列車公司都率先應(yīng)用了FSW技術(shù)；瑞典的Sapa公司、日本的川崎重工公司和新西蘭的Tenix公司等都廣泛使用了FSW技術(shù)制造的鋁合金結(jié)構(gòu)部件。船舶用鋁合金部件是通過單面線性FSW連接長的擠壓型板材，從而制造成大面積的板材。使用FSW技術(shù)能夠?yàn)楹＼娕灤圃齑笮土慵?，這些零件具有較小的尺寸畸變，可以減少裝配和組裝中畸變技術(shù)的要求；在不降低質(zhì)量的情況下，降低了從制造到組裝的總成本。

6 結(jié)語

FSW焊接技術(shù)極大地推動(dòng)了先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展。面向未來，隨著新材料、自動(dòng)控制、智能制造等技術(shù)的發(fā)展以及異種材料、復(fù)合材料和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高焊接要求，精密智能化焊接FSW工藝與裝備將成為未來研究的主要趨勢。