鋁合金的攪拌摩擦焊接

　　鋁合金材料由于重量輕、抗腐蝕、易成形等優(yōu)點受到眾多工業(yè)制造的青睞，隨著這種材料的性能的不斷提高，如新型牌號 的硬鋁、超硬鋁等材料的出現(xiàn)，在航空、航天、高速列車、高速艦船等工業(yè)制造領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。但是，鋁合金材料表面的致密的氧化層以及弧焊過程 中較大變形等又限制了這種材料的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

　　英國焊接研究所The Welding Institute 發(fā)明的攪拌摩擦焊[1]為輕金屬材料的連接提供了新的方法和途徑。自從攪拌摩擦焊摩擦焊發(fā)明以來，攪拌摩擦焊技術(shù)得到廣泛的關(guān)注和深入的研究，特別是針對 鋁合金材料，世界范圍的研究機(jī)構(gòu)、學(xué)校以及大公司都對此進(jìn)行了深入細(xì)致的研究和工程應(yīng)用開發(fā)，并且在諸多工業(yè)制造領(lǐng)域得到了成功應(yīng)用。

　　本文詳細(xì)介紹了攪拌摩擦焊原理、特點，并且針對鋁合金的攪拌摩擦焊特點、性能以及工業(yè)應(yīng)用作了詳細(xì)的闡述，同時對攪拌摩擦焊在中國市場的發(fā)展和應(yīng)用作了簡略介紹和預(yù)測。

　　1 原理

　　英國焊接研究所 簡稱TWI 1991 年發(fā)明了攪拌摩擦焊技術(shù)并對此進(jìn)行了世界范圍的專利保護(hù)[2 4]，這種連接技術(shù)與傳統(tǒng)概念中的摩擦焊方法如圖1 所示相似，焊接過程沒有被焊材料的熔化，形成的是固相接頭。對于鋁合金材料要獲得高效率、高質(zhì)量的連續(xù)對接和搭接接頭的焊接，目前在世界范圍內(nèi)公認(rèn)攪拌摩 擦焊是最具潛力和應(yīng)用前景的新型連接方法。

圖 1 傳統(tǒng)概念中的摩擦焊

　　攪拌摩擦焊(簡稱FSW)是利用一種非耗損的特殊形狀的攪拌頭，旋轉(zhuǎn)著插入被焊零件，然后沿著被焊零件的待焊 界面向前移動，通過攪拌頭對材料的攪拌、摩擦，使待焊材料加熱至熱塑性狀態(tài)，在攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)的帶動下，處于塑性狀態(tài)的材料環(huán)繞攪拌頭由前向后轉(zhuǎn)移，同時 結(jié)合攪拌頭對焊縫金屬的擠壓作用，在熱-機(jī)聯(lián)合作用下材料擴(kuò)散連接形成致密的金屬間固相連接。

　　攪拌摩擦焊的原理如圖 2 所示，其中攪拌頭由特殊形狀的攪拌指棒和軸肩組成，軸肩的直徑大于特形攪拌指棒的直徑，在焊接過程中軸肩與被焊材料的表面緊密接觸，防止塑化金屬材料的擠 出和氧化，同時攪拌軸肩還可以提供部分焊接所需要的攪拌摩擦熱，攪拌指棒的形狀比較特殊，焊接過程中攪拌指棒要旋轉(zhuǎn)著插入被焊材料的結(jié)合界面處，并且沿著 待焊界面向前移動，對于對接焊縫，攪拌指棒的插入深度一般要略小于被焊材料的厚度。

圖 2 攪拌摩擦焊原理示意圖

　　攪拌摩擦焊要求的特殊形狀的攪拌指棒一般要用具有良好耐高溫力學(xué)和物理特性的抗磨損材料制造，對于鋁合金等 輕型合金材料，在焊接過程中攪拌頭的磨損程度很小;焊接過程中，攪拌頭對焊接區(qū)域的材料具有向下擠壓和側(cè)向擠壓的傾向，所以被焊工件要夾裝背墊和夾緊固 定，以便承受攪拌頭施加的軸向力縱向力(沿著焊接方向)以及側(cè)向力。經(jīng)過研究，在對接接頭中，由于焊接方法的優(yōu)越性，攪拌摩擦焊對焊接接頭形狀、清潔度以 及接頭裝配間隙均有較大的工藝裕度;如攪拌摩擦焊對接焊時在接頭間隙為厚度10%的條件下，同樣可以得到優(yōu)良的焊接接頭。

　　2 優(yōu)點

　　與普通的摩擦焊相類似，攪拌摩擦焊基于這種連接方法是在被焊材料熔點以下實現(xiàn)固相連接，所以在方法和工藝上具有較多的優(yōu)越性。例如，攪拌摩擦焊目 前可以焊接所有牌號的鋁合金，其中包括以前熔焊難以焊接2xxx 系列和7xxx 系列的鋁合金，焊接過程中沒有弧光、煙塵、飛濺等，針對工業(yè)制造領(lǐng)域歸納起來，攪拌摩擦焊主要具有如下方面優(yōu)越性[5]：

　　(1) 摩擦焊可以降低制造成本--攪拌摩擦焊是一種簡單、高效、節(jié)能、沒有焊接消耗的連接方法。攪拌摩擦焊可以利用現(xiàn)有的通用機(jī)床技術(shù)(如銑床技術(shù))來實現(xiàn)焊接;攪拌摩擦焊可以節(jié)約能源--一臺簡單的適合于攪拌摩擦焊焊接的設(shè)備，對于厚度為12.5mm 的6xxx 系列的鋁合金材料的攪拌摩擦焊，單道焊的總功率輸入大約為3kW，而且除了攪拌頭和電外沒有其他消耗;焊接過程不需要填充焊絲和保護(hù)氣;焊前不需要開坡口和對材料表面的氧化層等作特殊的處理;攪拌摩擦焊是一種純機(jī)械化的焊接技術(shù)，易于實現(xiàn)自動化和工業(yè)產(chǎn)品的批量化制造;攪拌摩擦焊是一種固相焊接，焊接過程中沒有熔化，可以實現(xiàn)全位置焊接。

　　(2) 攪拌摩擦焊為新產(chǎn)品、新結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了可能--對于鋁合金材料，優(yōu)良的攪拌摩擦焊固相接頭和高可靠性和重復(fù)性的焊接過程可以促進(jìn)現(xiàn)有工業(yè)產(chǎn)品的改進(jìn)以及 鋁合金材料在其他工業(yè)產(chǎn)品中的應(yīng)用和創(chuàng)新。例如以前熔焊不能連接的熱敏感性很強(qiáng)的硬鋁、超硬鋁等材料可以用攪拌摩擦焊得到可靠連接;攪拌摩擦焊可以提高熱 處理鋁合金的接頭強(qiáng)度;攪拌摩擦焊沒有氣孔出現(xiàn)的可能性;固相聯(lián)接方法可以防止鋁基復(fù)合材料等的合金和強(qiáng)化相的析出和破壞;攪拌摩擦焊可以實現(xiàn)鑄造/鍛壓以及鑄造/擠壓等不同材料狀態(tài)的焊接;較小的焊接變形可以實現(xiàn)精密鋁合金零部件的制造用攪拌摩擦焊實現(xiàn)小尺寸擠壓形材的連接可以用來制造大尺寸的船舶夾板、列車壁板、卡車箱體等。

　　(3) 攪拌摩擦焊具有可靠的質(zhì)量保證--攪拌摩擦焊是一種完全機(jī)械化的連接技術(shù)，可以實現(xiàn)焊接過程以及焊接能量輸入的精確控制。攪拌摩擦焊的焊接質(zhì)量完全由攪拌 頭的形狀和焊接參數(shù)決定，所以可以實現(xiàn)精密的過程監(jiān)控;由于焊接過程的機(jī)械性，所以可以實現(xiàn)焊接參數(shù)的數(shù)字化輸入、控制和紀(jì)錄;由于攪拌摩擦焊方法的優(yōu)越 性，被焊接工件不需要緊密的接觸，對于厚度為12.7mm 的鋁合金板材的攪拌摩擦焊，焊縫間隙容差可以為1.25mm[ 5 ]。

　　(4) 攪拌摩擦焊是一種安全的焊接方法--攪拌摩擦焊是一種機(jī)械化的焊接方法，只需要簡單的普通機(jī)床設(shè)備操作防護(hù)。與熔焊方法相比，攪拌摩擦焊過程沒有飛濺、煙塵、以及弧光輻射等對人體的危害;焊接過程不需要電流、電壓的參與，沒有高的觸電危險等。

　　3 缺點

　　隨著攪拌摩擦焊技術(shù)的研究和發(fā)展，攪拌摩擦焊在應(yīng)用領(lǐng)域的限制得到很好解決，但是盡管攪拌摩擦焊目前可以單道完成厚度為50mm 鋁合金材料的焊接，但與某些弧焊技術(shù)相比(如薄板的激光焊) 焊接速度還相對較慢;另外，基于攪拌摩擦焊本身的特點，被焊零件需要由一定的結(jié)構(gòu)剛性或被牢固固定來實現(xiàn)焊接;焊接結(jié)束由于攪拌頭的回抽，焊縫的末端留有 “匙孔”，所以必要時，焊接工藝上需要添加“引焊板或出焊板”;攪拌摩擦焊過程中需要對焊縫施加巨大的頂鍛壓力，這也限制了攪拌摩擦焊技術(shù)在機(jī)器人等設(shè)備上的應(yīng)用。

　　4 材料和厚度

　　從原理上講，針對一定的材料，只要能夠找到這種材料鍛壓狀態(tài)下能夠有效工作的攪拌頭材料和形狀，就可以實現(xiàn)攪拌摩擦焊連接。

圖3 熔焊和攪拌摩擦焊的鋁合金材料可焊性對比[TWI]

　　如圖3 所示，迄今，攪拌摩擦焊已經(jīng)被證明可以實現(xiàn)所有牌號的鋁合金材料如2xxx(Al-Cu), 5xxx(Al-Mg), 6xxx(Al-Mg-Si), 7xxx(Al-Zn) 8xxx(Al- )等以及鋁基復(fù)合材料的焊接;對于不同制造形態(tài)的鋁合金，TWI 已經(jīng)實現(xiàn)了鑄材和鍛壓板材的鋁合金焊接如圖4 所示。

圖4 厚度為6 毫米的鍛壓鋁板與厚度15 毫米鑄鋁的攪拌摩擦焊

　　攪拌摩擦焊發(fā)明初期，主要是針對厚度為1.2~12.5mm 的鋁合金板材進(jìn)行研究、優(yōu)化和工程應(yīng)用開發(fā);隨著技術(shù)的發(fā)展，12.5~25mm 的鋁合金板材的攪拌摩擦焊再工業(yè)產(chǎn)品中得到了成功應(yīng)用;目前TWI 可以單面實現(xiàn)厚度為50 毫米的鋁合金材料的焊接，雙面焊可以焊接70mm 的鋁合金板材，圖5 示出了TWI 焊接厚度為70mm的攪拌摩擦焊接頭。

圖 5 厚度70 毫米的攪拌摩擦焊鋁合金接頭[TWI]

　　5 接頭性能

　　攪拌摩擦焊是通過攪拌頭對被焊材料的摩擦加熱、破碎、攪拌和頂鍛等行為的作用，得到了比母材金屬還精細(xì)的微觀晶粒組織可以實現(xiàn)高質(zhì)量的可靠焊接; 圖6 示出了一個典型的鋁合金攪拌摩擦焊對接接頭橫截面金相圖，從圖上可以看出攪拌摩擦焊接頭中間包含了一個晶粒非常細(xì)小的焊核區(qū)域，此區(qū)域的金屬材料經(jīng)歷了完 全再結(jié)晶過程，其中橢圓形的“洋蔥”環(huán)狀組織結(jié)構(gòu)是攪拌頭的外形以及攪拌頭的焊接時的向前移動綜合作用的結(jié)果;如圖6 中b 區(qū)所示，在焊核區(qū)的外圍存在一個熱-機(jī)影響區(qū)，此部分晶粒發(fā)生了明顯的塑性變形和部分重結(jié)晶;C 區(qū)為熱影響區(qū)。材料晶粒長大明顯。

圖 6 典型的攪拌摩擦焊接頭橫截面金相圖

　　對于普通條件下(如O狀態(tài))的非熱處理強(qiáng)化鋁合金，通過對焊接參數(shù)的優(yōu)化，攪拌摩擦焊可以得到 沒有空洞和裂紋的優(yōu)良焊接接頭，接頭的拉伸強(qiáng)度一般大于或優(yōu)于母材，并且斷裂一般出現(xiàn)在熱影響區(qū)和遠(yuǎn)離焊縫接頭的母材上，對于冷作和熱處理強(qiáng)化鋁合金，可 以通過控制攪拌摩擦焊過程中的熱輸入，特別是控制攪拌摩擦焊接頭中硬度和強(qiáng)度最低的熱影響區(qū)的回火和過時效影響，來提高接頭的力學(xué)性能指標(biāo)[ 6 ]，通過對參數(shù)的優(yōu)化和性能比較，盡管許多人認(rèn)為在實際應(yīng)用中不切實際，但焊后熱處理似乎是最佳選擇;尤其對于熱處理鋁合金以及人工時效鋁合金，如 2xxx 和6xxx 系列，通過焊后的時效處理，接頭性能可以恢復(fù)到母材水平，挪威的Midling O T 研究報道中[ 7 ]提到Al6060 鋁合金的攪拌摩擦焊接頭時效處理后的T5強(qiáng)度可以達(dá)到母材的90%;圖7 示出了厚度為6mm 的Al6054 鋁合金的攪拌摩擦焊的焊后熱處理硬度和母材硬度的對比結(jié)果。

圖 7 6mm 的6054-T6 鋁合金攪拌摩擦焊接頭焊后熱處理后的硬度指標(biāo)[

　　與 TIG 和MIG 等熔焊方法相比較，鋁合金材料的攪拌摩擦焊接頭的疲勞性能具有明顯的優(yōu)勢，這是因為攪拌摩擦焊的焊縫材料經(jīng)過攪拌頭的摩擦、擠壓、頂鍛得到的，是精細(xì)的等 軸晶組織，由于焊接過程是在材料的熔點以下溫度條件下完成，焊縫組織中沒有熔焊經(jīng)常出現(xiàn)的凝固偏析和凝固缺陷，接頭綜合性能比熔焊優(yōu)良的結(jié)果。對于不同材 料的鋁合金如Al2014-T6、Al2219、Al5083-O、Al7075 等的攪拌摩擦焊疲勞性能研究表明(如圖8 所示)，鋁合金材料的攪拌摩擦焊接頭的疲勞性能均優(yōu)于熔焊接頭，其中對于Al5083-O 狀態(tài)的鋁合金，攪拌摩擦焊的疲勞性能完全可以達(dá)到與母材相同的水平;盡管攪拌摩擦焊一般情況下是單道單面焊來完成焊接，但系列疲勞試驗結(jié)果表明鋁合金的疲 勞性能指標(biāo)遠(yuǎn)超過工業(yè)設(shè)計熔焊標(biāo)準(zhǔn)，如：英國的BS 8118 class 35 和熔焊接頭的歐洲設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)ECCS B3。

圖 8 鋁合金對接攪拌摩擦焊和母材的疲勞性能實驗結(jié)果比較

　　6 接頭形狀

　　通常攪拌摩擦焊利用平板對接和搭接來完成焊接，迄今，實際上攪拌摩擦焊已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)如圖9 所示的多種接頭的焊接，如多層對接、多層搭接、T 形接頭、V形接頭、角接等，并在實際工業(yè)制造中得到了應(yīng)用。

圖 9 不同形式的攪拌摩擦焊接頭

　　經(jīng)過不斷的開發(fā)研究，針對不同的結(jié)構(gòu)零件，研究人員設(shè)計了多種方式的攪拌摩擦焊接頭，如圖10 所示。

　　工業(yè)生產(chǎn)中，攪拌摩擦焊不僅可以焊接筒形零件的環(huán)縫和縱縫，而且考慮攪拌摩擦焊是一個固相連接過程，不受重力影響，所以攪拌摩擦焊可以實現(xiàn)全位置空間焊接，如水平焊、垂直焊、仰焊以及任意位置和角度的軌道焊。

　　7 攪拌摩擦焊設(shè)備

　　攪拌摩擦焊技術(shù)的發(fā)展和成熟，促進(jìn)攪拌摩擦焊設(shè)備的設(shè)計、制造以及在工業(yè)制造領(lǐng)域的生產(chǎn)應(yīng)用。針對不同的零部件和應(yīng)用對象，世界范圍內(nèi)的攪拌摩擦 焊設(shè)備制造商：如ESAB、FSWLI、GEMCOR、GTC、HITAHI、KAWASAKI、MTS、TWI、Danstir、FSL、MTS、 Stirtec、和CFSWC 等，開發(fā)研制了系列化的攪拌摩擦焊專用設(shè)備，并且在航空、航天、船舶、汽車等制造領(lǐng)域得到應(yīng)用。

　　在中國市場(包括香港、澳門和臺灣)，北京航空制造工程研究所于2002 年4月18 日與英國焊接研究所TWI 正式簽署協(xié)議，并且雙方?jīng)Q定在專利許可和全面技術(shù)合作基礎(chǔ)上建立中國攪拌摩擦焊中心(China FSW Center)。中國攪拌摩擦焊中心是目前中國地區(qū)唯一被授予攪拌摩擦焊設(shè)備制造許可的單位，本論文發(fā)稿時，中心已經(jīng)為國內(nèi)市場完成了3 臺商業(yè)性質(zhì)攪拌摩擦焊專用設(shè)備的設(shè)計工作，如圖11 所示，該設(shè)備可以焊接壁厚為2-15mm 的鋁合金筒形零件，被焊零件的最

　　小直徑為2.2m，焊縫長度可達(dá)1.5m，該設(shè)備主要由主軸動力單元、液壓驅(qū)動單元、擺動式焊接夾具、高精度焊接平臺、懸臂式移動橫梁、友好人機(jī)界面控制系統(tǒng)、位置傳感控制系統(tǒng)等組成。主要應(yīng)用對象為航天火箭筒體的攪拌摩擦焊制造。

圖 11 中國攪拌摩擦焊中心設(shè)計完成的中國第一臺攪拌摩擦焊設(shè)備

　　8 工業(yè)應(yīng)用

　　鋁合金的攪拌摩擦焊經(jīng)歷 10 年的研究發(fā)展，現(xiàn)在國外已經(jīng)進(jìn)入大規(guī)模的工業(yè)化應(yīng)用階段尤其在美國的宇航工業(yè)、歐洲的船舶制造工業(yè)、日本的高速列車制造等工業(yè)制造領(lǐng)域得到了非常成功的應(yīng)用。

　　船舶制造和海洋工業(yè)：船舶制造和海洋工業(yè)是攪拌摩擦焊首先得到商業(yè)應(yīng)用的兩個工業(yè)領(lǐng)域，主要在如下船舶零部件上得到成功應(yīng)用：甲板、側(cè)板、防水壁 板、和地板;鋁合金型材;船體外殼和主體結(jié)構(gòu)件;直升機(jī)降落平臺;離岸水上觀測站;海洋運輸結(jié)構(gòu)件;帆船的桅桿及結(jié)構(gòu)件;船用冷凍器中空平板等。

　　宇航制造工業(yè)：目前攪拌摩擦焊在飛機(jī)制造領(lǐng)域的開發(fā)和應(yīng)用還處于驗證階段，主要利用FSW 實現(xiàn)飛機(jī)蒙皮和衍樑、荊條、加強(qiáng)件之間的連接，框架之間的連接、飛機(jī)預(yù)成型件的安裝、飛機(jī)壁板和地板的焊接、飛機(jī)結(jié)構(gòu)件和蒙皮的在役修理等。這些方面的攪 拌摩擦焊制造已經(jīng)在軍用和民用飛機(jī)上得到驗證飛行和部分應(yīng)用。在航天領(lǐng)域，攪拌摩擦焊已經(jīng)成功應(yīng)用在火箭和航天飛機(jī)助推燃料筒體的縱向?qū)�接焊縫和環(huán)向搭接 接頭的焊接。另外攪拌摩擦焊還用來增加商業(yè)板材的成型前的可使用尺寸，從而減少超尺寸板材零件的制造成本和費用�？傊�，攪拌摩擦焊在宇航領(lǐng)域的工業(yè)應(yīng)用范 圍主要為：機(jī)翼、機(jī)身、尾翼、飛機(jī)油箱;外掛燃料箱;運載火箭、航天飛機(jī)的低溫燃料筒;軍用和科學(xué)研究火箭和導(dǎo)彈;熔焊接構(gòu)件的修理等。

　　鐵路運輸工業(yè)：利用攪拌摩擦焊技術(shù)來制造高速列車已經(jīng)取得成功，攪拌摩擦焊在列車制造領(lǐng)域的應(yīng)用主要為：高速列車、軌道貨車、地鐵車廂和有軌電車、軌道油輪和貨物駁船、集裝箱體等。

　　陸路交通工業(yè)：目前已經(jīng)有多家汽車制造公司以及零件供應(yīng)商就攪拌摩擦焊在汽車上的應(yīng)用展開研究和開發(fā)，已經(jīng)取得很大成功。隨著鋁合金結(jié)構(gòu)件在汽車 中的應(yīng)用越來越廣泛，攪拌摩擦焊為汽車工業(yè)輕合金結(jié)構(gòu)間的制造和使用提供了巨大的可能。目前應(yīng)用主要為：發(fā)動機(jī)引擎和汽車底盤和車甚支架、汽車輪鼓液壓成 型管附件、汽車車門預(yù)成型件、車體空間框架、卡車車體、載貨車的尾部升降平臺、汽車起重器、裝甲車的防護(hù)甲板、汽車燃料箱、敞篷旅行車、公共汽車和機(jī)場運 輸車、輕合金摩托車和自行車、人工關(guān)節(jié)和零件、逃生交通工具、鎂合金和鋁合金的連接。

　　建筑工業(yè)：攪拌摩擦焊在民用建筑工業(yè)的應(yīng)用主要為：鋁合金橋梁、鋁合金、銅合金、鎂合金裝飾板、門窗框架鋁、合金管線、電廠和化學(xué)工廠的鋁合金反應(yīng)器、熱交換器、中央空調(diào)、管狀結(jié)構(gòu)件制造等。

　　電子工業(yè)：電子工業(yè)對攪拌摩擦焊的興趣也在增加，其應(yīng)用主要表現(xiàn)為：發(fā)動機(jī)殼體、電器連接件、電器封裝等。

　　其他工業(yè)領(lǐng)域：在其他工業(yè)領(lǐng)域攪，拌摩擦焊也有較多應(yīng)用。例如，冰箱冷卻板、廚房電器和設(shè)備、白色家用物品和工具、天然器、液化氣儲箱和容器、家庭裝飾等。

　　在中國市場，攪拌摩擦焊技術(shù)面對是一個完全嶄新的市場，中國攪拌摩擦焊中心的成立標(biāo)志著攪拌摩擦焊技術(shù)的研究開發(fā)和工程應(yīng)用在中國市場的正式開 始，是中國焊接技術(shù)發(fā)展史上新的里程碑。目前，攪拌摩擦焊技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用在中國剛剛開始，迄今，已經(jīng)正式得到中國攪拌摩擦焊中心攪拌摩擦焊專利技術(shù)二級 許可的單位已有兩家：華東船舶工業(yè)學(xué)院和哈爾濱工業(yè)大學(xué)。隨著人們對攪拌摩擦焊技術(shù)認(rèn)識的提高，預(yù)計在不遠(yuǎn)的將來，鋁合金材料的連接將主要由攪拌摩擦焊來 完成，尤其在運載火箭、高速鋁合金列車、鋁合金高速快艇、全鋁合金汽車等項目中，攪拌摩擦焊技術(shù)將會占到主導(dǎo)地位。