鋁合金厚板攪拌摩擦焊焊縫金屬流動(dòng)行為研究進(jìn)展

（南昌航空大學(xué) 焊接工程系，南昌 330036）

攪拌摩擦焊(FSW)是英國焊接研究所(TWI)于1991年發(fā)明的一種新型的高效率、低成本、無污染的固相連接技術(shù)，其本質(zhì)是將高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭插入工件內(nèi)部并與其摩擦產(chǎn)熱，使母材金屬達(dá)到塑化狀態(tài)，塑化金屬在攪拌頭的驅(qū)動(dòng)力作用下開始流動(dòng)，最終發(fā)生冶金結(jié)合而形成致密的焊縫[1]。與傳統(tǒng)熔焊相比，攪拌摩擦焊接過程中母材金屬不熔化，因此可消除傳統(tǒng)熔焊方法焊接時(shí)出現(xiàn)的氣孔、裂紋等缺陷，使得FSW接頭性能得到顯著提高。該技術(shù)特別適用于被認(rèn)為“不可焊”的鋁、鎂合金的焊接，且已成功應(yīng)用于航空、航天、交通等行業(yè)[2—3]。

與薄板FSW不同，焊接厚板時(shí)，仍存在合適的工藝參數(shù)范圍窄、接頭難成形的問題。這與焊接過程中的焊縫金屬流動(dòng)發(fā)生變化密切相關(guān)，直接決定了焊縫成形質(zhì)量，所以，對(duì)厚板FSW焊接而言，焊縫材料的塑性流動(dòng)行為既是研究的重點(diǎn)，也是研究的難點(diǎn)之一。深入理解厚板FSW過程中塑性材料的流動(dòng)本質(zhì)，不僅有助于揭示厚板FSW的連接機(jī)理，還可以科學(xué)地預(yù)測(cè)出厚板FSW焊接工藝參數(shù)與接頭成形質(zhì)量的關(guān)系，以及缺陷形成的位置等，因此，深入研究厚板FSW焊縫金屬流動(dòng)行為特征已成為當(dāng)前該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和重點(diǎn)。

基于此，首先從焊縫金屬流動(dòng)行為的分析方法入手，綜合考慮焊縫金屬流動(dòng)形態(tài)的影響因素，探討包括焊接工藝參數(shù)、攪拌頭形貌、材料本身性能及溫度場(chǎng)分布等因素對(duì)焊縫金屬流動(dòng)的影響。對(duì)比厚板FSW焊縫成形及金屬流動(dòng)特征與薄板FSW焊縫的區(qū)別，通過分析焊縫各區(qū)域金屬的流動(dòng)形態(tài)，歸納厚板FSW焊縫金屬流動(dòng)特征，并結(jié)合焊縫金屬的塑性流動(dòng)規(guī)律，討論焊縫內(nèi)部缺陷的形成機(jī)理，以期為研究FSW塑性流動(dòng)的科研工作者提供借鑒資料。

1 焊縫金屬流動(dòng)分析方法

在攪拌摩擦焊接過程中，接頭成形質(zhì)量與其內(nèi)部塑性金屬的流動(dòng)密切相關(guān)，直接決定了接頭成形質(zhì)量的好壞。焊縫金屬的塑化流動(dòng)狀態(tài)十分復(fù)雜，焊縫成形是在一個(gè)密閉的空間完成，無法直接觀察塑化金屬的流動(dòng)過程，因此，如何獲得焊縫金屬流動(dòng)的相關(guān)信息，是近年來學(xué)者們研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。目前，學(xué)者們采用的方法主要包括金相組織觀察法、材料示蹤法及數(shù)據(jù)模擬法。

1.1 金相組織觀察法

焊縫中塑化金屬的流動(dòng)形態(tài)是影響焊縫成形質(zhì)量的重要因素。由于研究者發(fā)現(xiàn)焊縫中存在類似“洋蔥環(huán)”的花紋結(jié)構(gòu)，才開始認(rèn)識(shí)塑化金屬的流動(dòng)行為。Rhodes等[4]和Krishnan[5]采用FSW方法焊接7075鋁合金時(shí)發(fā)現(xiàn)，焊縫橫截面上呈現(xiàn)出花紋狀結(jié)構(gòu)，稱之為“洋蔥環(huán)”。初步分析認(rèn)為，焊接時(shí)沿焊縫厚度方向上形成了許多同心但不同直徑的“半圓球面”形塑性金屬，隨后各球面相互擠壓，最終顯示為洋蔥環(huán)狀花紋。Schneider等[6]對(duì)8.2 mm厚的2195-T81鋁合金進(jìn)行FSW時(shí)，也發(fā)現(xiàn)了焊縫中同樣存在明顯的洋蔥環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。王希靖等[7]認(rèn)為攪拌針周圍塑性金屬軟化程度不高時(shí)，這部分金屬會(huì)在熱-力場(chǎng)的共同作用下發(fā)生塑性流動(dòng)，因此洋蔥環(huán)被認(rèn)為是焊縫塑性金屬層與層發(fā)生相對(duì)流動(dòng)而產(chǎn)生的一種軌跡。當(dāng)增加焊接速度和減少旋轉(zhuǎn)速度時(shí)，洋蔥環(huán)會(huì)隨之消失。柯黎明等[8]則認(rèn)為這種洋蔥瓣花紋是焊接時(shí)焊縫上層塑性金屬沿?cái)嚢栳槺砻孑S向向下遷移，最終在攪拌針端部形成“實(shí)心環(huán)”形擠壓區(qū)，并在橫截面上呈現(xiàn)出這種形式。然而，在焊接20 mm及以上厚度的鋁合金發(fā)現(xiàn)，焊核區(qū)內(nèi)的洋蔥環(huán)發(fā)生了顯著的變化，焊核區(qū)不是由單個(gè)的洋蔥環(huán)組成，而是呈現(xiàn)出多個(gè)洋蔥環(huán)交替疊加而成，洋蔥環(huán)內(nèi)部金屬顯示為排列有序的紋理結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 焊縫“洋蔥環(huán)”結(jié)構(gòu)Fig.1 Onion ring structure of weld

此外，有些學(xué)者則是通過將不同類型的鋁合金進(jìn)行FSW對(duì)接后，從焊縫中截取金相試樣，經(jīng)腐蝕后對(duì)比焊縫橫截面形貌差異，分析FSW焊縫塑性金屬的流動(dòng)行為。Li等[9]對(duì)6 mm厚的AA2024和AA6061鋁合金進(jìn)行焊接后發(fā)現(xiàn)，橫截面內(nèi)金屬呈現(xiàn)薄片狀的層流分布，內(nèi)部塑性材料流動(dòng)則為復(fù)雜的漩渦狀分布（如圖 2所示），并把焊縫中成形復(fù)雜的呈螺旋與渦流狀組成的混沌狀區(qū)域定義為焊縫的“交迭區(qū)”。于勇征等[10]也觀察到了類似的渦形層混合區(qū)。而 Ouyang等[11]對(duì)12.7 mm厚的6061和2024鋁合金厚板焊接時(shí)發(fā)現(xiàn)，焊縫中心區(qū)可明顯地分辨出 3個(gè)不同的特征區(qū)： ①機(jī)械混合區(qū)，由各合金組元均勻彌散的粒子組成； ②塑性流動(dòng)區(qū)，2種鋁合金呈薄片交替旋渦狀分布； ③未混合區(qū)。

圖2 焊縫中的金屬流動(dòng)形態(tài)Fig.2 Metal flow patterns in weld

除了焊縫中心區(qū)，焊縫兩側(cè)的金屬流動(dòng)也不對(duì)稱，其流動(dòng)示意圖如圖3所示。在對(duì)鋁合金進(jìn)行FSW時(shí)發(fā)現(xiàn)，焊后位于焊縫前進(jìn)側(cè)和返回側(cè)的金屬軋制流線的變形存在很大的差別；同時(shí)，位于前進(jìn)側(cè)的焊核區(qū)與熱力影響區(qū)的分界線比位于返回側(cè)的更加明顯[12]。分析認(rèn)為，這與焊接時(shí)焊縫前進(jìn)側(cè)和返回側(cè)的塑性金屬的流動(dòng)狀態(tài)差異有關(guān)。

圖3 焊縫金屬流動(dòng)示意圖[12]Fig.3 Schematic of material flow behavior in weld

綜上所述，采用傳統(tǒng)的金相組織觀察法研究FSW焊縫塑性金屬的流動(dòng)行為，只能夠觀察到焊縫的宏觀結(jié)構(gòu)差異，而對(duì)塑性金屬流動(dòng)的細(xì)節(jié)信息無法獲取。

1.2 金屬材料示蹤法

示蹤法是當(dāng)前研究FSW焊縫金屬塑性流動(dòng)行為的常用方法。該方法首先將標(biāo)示材料鑲嵌在母材的各個(gè)位置中，焊后觀察標(biāo)示材料在焊縫內(nèi)部的位置變化來獲取金屬流動(dòng)行為信息。其中，較常用的標(biāo)示材料有顆粒、絲狀、薄片等多種類型。

早期，鋼球被作為示蹤材料來分析FSW焊縫塑性金屬流動(dòng)情況。Colligan等[13]將直徑為0.38 mm的鋼球嵌入在母材的不同位置，焊后觀察鋼球在焊縫內(nèi)部的分布位置。研究結(jié)果表明，并不是所有受到塑化的金屬都參與環(huán)形塑性遷移，只有靠近上表面的金屬沿?cái)嚢栳樎菁y向下作環(huán)形遷移，其余的金屬則只在攪拌針的擠壓作用下沿著攪拌針表面向攪拌針后方空腔內(nèi)遷移。此外，受攪拌針旋轉(zhuǎn)力的作用，塑性金屬也會(huì)沿著垂直方向上遷移，但移動(dòng)距離較小，如圖4所示。而Morisada等[14]采用X射線三維照相法，采用鎢小球作為標(biāo)示材料，觀察標(biāo)示材料在FSW過程中的三維流動(dòng)，發(fā)現(xiàn)標(biāo)示材料圍繞攪拌針遷移而在其表面形成一流動(dòng)區(qū)，且外圍的流動(dòng)速度大于內(nèi)部。

London等[15]則使用鈦粉作標(biāo)示材料來分析焊縫塑性金屬的流動(dòng)情況。研究發(fā)現(xiàn)，焊接時(shí)位于攪拌針前方的塑性金屬首先會(huì)稍微向上遷移，隨后在攪拌針驅(qū)動(dòng)力的作用下逐漸靠近攪拌針表面并開始向下運(yùn)動(dòng)。王希靖等[16]使用小直徑的鐵粉作為標(biāo)示材料研究LF2鋁合金厚板FSW焊縫塑性金屬在二維水平方向上的流動(dòng)行為，研究表明，在同一厚度的水平面上，塑性金屬沿焊縫中心流動(dòng)是不對(duì)稱的；而在不同厚度的水平面上，塑性金屬流動(dòng)狀況則存在很大差別，而這與所受到的熱-力影響程度差異有關(guān)。

Schmidt等[17]首次采用銅薄帶作為示蹤材料，用來評(píng)估焊接過程中焊縫金屬的塑性流動(dòng)速度的變化。Li等[18]采用0.1 mm厚的銅片作為標(biāo)示材料，焊后觀察標(biāo)示材料的位置。研究發(fā)現(xiàn)，沿焊縫厚度方向上，塑化金屬的流動(dòng)方式存在很大差異；焊縫金屬流動(dòng)較差時(shí)，易形成孔洞和隧道型缺陷。黃奉安等[19]將 19層 0.02 mm厚的銅箔沿垂直焊縫方向相互疊加鑲嵌到LF6鋁合金的槽中，用來研究沿FSW焊縫水平截面方向上的二維流動(dòng)形態(tài)?？吕杳鞯萚20]則通過將銅箔和1 mm厚的鋁合金薄板交替疊加在一起，焊后觀察焊縫塑性金屬的流動(dòng)形態(tài)，提出了沿焊縫厚度方向上塑性金屬流動(dòng)的“抽吸-擠壓”理論，如圖 5所示，并通過“抽吸-擠壓”理論解釋了FSW焊縫橫截面上洋蔥瓣花紋的形成機(jī)理，證實(shí)了洋蔥瓣中心的位置及隧道型缺陷的位置與此理論分析的結(jié)果一致。

還有些學(xué)者采用鋁箔、彩泥等作為標(biāo)示材料分析焊縫金屬的流動(dòng)行為。Reynolds等[21]使用5454鋁箔作標(biāo)示材料，焊后分析2195鋁合金焊縫金屬的流動(dòng)情況。肖繼生等[22]則使用不同顏色的彩泥按照3種不同的疊加方式鑲嵌成疊層后進(jìn)行焊接，從而得到材料在焊縫水平截面及攪拌擠壓區(qū)內(nèi)的大致流動(dòng)狀況。

由此可知，采用標(biāo)示材料示蹤法可以根據(jù)焊后示蹤材料在焊縫中的分布形態(tài)來反推焊縫材料在焊接過程中的流動(dòng)規(guī)律，然而，由于示蹤材料與焊縫金屬存在很大的性能差異，而這可能直接影響到焊縫材料流動(dòng)形態(tài)的真實(shí)性。目前，還沒有辦法評(píng)估示蹤材料與焊縫材料自身性能的差異對(duì)焊縫材料流動(dòng)行為造成的影響。

圖4 焊后示蹤材料分布情況[13]Fig.4 Distribution of tracer material after welding

圖5 “抽吸-擠壓”理論模型Fig.5 “Sucking-extruding” theory model

1.3 數(shù)值模擬

伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，很多學(xué)者也開始通過建立各種數(shù)學(xué)模型，模擬焊接過程中焊縫金屬的流動(dòng)行為，并通過試驗(yàn)的方法加以驗(yàn)證。

王大勇等[23]建立了焊縫金屬流動(dòng)“軟化層殼體”模型，研究發(fā)現(xiàn)，在焊接過程中會(huì)在攪拌針后方形成一個(gè)個(gè)半圓形的軟化層金屬，其上部殼體將會(huì)沿著攪拌頭前進(jìn)方向彎曲，導(dǎo)致沿厚度方向上形成洋蔥環(huán)結(jié)構(gòu)。Dialami等[24]通過建立FSW模型，采用顆粒跟蹤法模擬焊縫金屬的流動(dòng)形態(tài)，焊后觀察示蹤顆粒的位置變化，并與試驗(yàn)結(jié)果相比較，驗(yàn)證模型的可靠性。Luo[25]等采用多場(chǎng)耦合三維模型模擬焊縫金屬的流動(dòng)特征，發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)速度和焊接速度的比例對(duì)焊接過程中焊縫金屬的傳熱、溫度場(chǎng)分布、流動(dòng)速率及金屬流動(dòng)混合模式等將產(chǎn)生重大影響，并得出不同比率下的金屬流動(dòng)路徑圖（見圖6）。

Chen等[26]基于流體動(dòng)力學(xué)原理建立FSW三維流場(chǎng)模型，模擬焊縫成形形貌、溫度場(chǎng)分布、金屬流動(dòng)速率及殘余應(yīng)力變化，與試驗(yàn)結(jié)果相符，并發(fā)現(xiàn)焊縫塑化金屬圍繞攪拌針表面遷移的速度大于圍繞軸肩表面遷移的速度，如圖7所示。

Tutunchilar等[27]采用DEFORM-3D軟件模擬Al-Si合金的攪拌摩擦加工過程中焊縫金屬流動(dòng)形態(tài)（如圖8所示），并結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出焊縫中的缺陷類型、溫度場(chǎng)分布及塑性變形等。

圖6 模擬示蹤顆粒的流動(dòng)軌跡Fig.6 Simulated flow path of tracer particle

圖7 焊縫中殘余應(yīng)力及金屬流動(dòng)速度變化Fig.7 Change of residual stress and metal flow speed in weld

圖8 預(yù)測(cè)焊縫中缺陷位置[27]Fig.8 Prediction of defect position in weld

雖然數(shù)值模擬方法可作為一個(gè)研究攪拌摩擦焊接過程的重要工具，且對(duì)于指導(dǎo)制定FSW焊接工藝參數(shù)、完善接頭成形理論具有極其重要的意義。然而，在對(duì)焊縫材料流動(dòng)行為進(jìn)行模擬的過程中，仍將邊界條件、攪拌頭的形狀等因素進(jìn)行簡化，與實(shí)際情況存在一定的差異，導(dǎo)致焊縫材料流動(dòng)的模擬結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果存在較大的差異。

2 焊縫材料流動(dòng)行為的影響因素

影響攪拌摩擦焊焊縫塑性金屬流動(dòng)行為的因素很多，除了常規(guī)的焊接工藝參數(shù)如攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度及傾斜角外，攪拌頭形貌、材料本身性能、溫度場(chǎng)變化等對(duì)焊縫形成也起著至關(guān)重要的作用。

2.1 焊接工藝參數(shù)

李寶華等[28]發(fā)現(xiàn)，雖然提高攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度對(duì)FSW 摩擦產(chǎn)熱量影響不大，但會(huì)顯著影響單位時(shí)間內(nèi)焊縫塑性金屬沿厚度方向上的遷移量，并隨之呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律。而提高焊接速度會(huì)同時(shí)減少焊縫摩擦產(chǎn)熱量和塑性金屬遷移量，導(dǎo)致焊縫下部金屬的擠壓力減小，其向上遷移的最大位移也隨之減小。此外，一定范圍內(nèi)，隨著旋轉(zhuǎn)速度的提高，單位時(shí)間內(nèi)抽吸進(jìn)的塑化金屬量隨之增多，焊縫金屬在厚度方向上遷移的距離以及洋蔥瓣花紋的外徑也隨之增大[29]。Lorrain等[30]采用SC型和TC3F型2種攪拌針焊接4 mm厚的7020-T6鋁板，發(fā)現(xiàn)，對(duì)2種攪拌針而言，適當(dāng)提高攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度均有利于提高焊縫塑化金屬的流動(dòng)能力，標(biāo)示材料破碎程度更高，向下遷移程度更大，如圖9所示。Da Silva等[31]研究AA2024-T3和AA7075-T6對(duì)接焊縫金屬流動(dòng)行為發(fā)現(xiàn)，隨著攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度的增大，焊縫中兩異種金屬的混合程度明顯提高。

Qian等[32]發(fā)現(xiàn)，攪拌摩擦焊接工藝參數(shù)直接決定著焊縫的熱輸入大小，合適的工藝參數(shù)是獲得良好焊縫的前提，并通過數(shù)學(xué)模型與試驗(yàn)結(jié)果比較獲得不同類型的鋁合金FSW焊接工藝參數(shù)優(yōu)化窗口，如圖10所示。

圖9 工藝參數(shù)對(duì)焊縫成形的影響Fig.9 Effect of process parameter on weld formation

圖10 不同類型鋁合金FSW焊接工藝參數(shù)優(yōu)化窗口Fig.10 Optimized window of FSW process parameter in different aluminum alloy

2.2 攪拌頭形狀

常用的攪拌頭主要由軸肩和攪拌針組成。其中，攪拌頭軸肩形狀對(duì)焊接過程中的摩擦產(chǎn)熱起決定性作用，還會(huì)影響位于焊縫上部塑性材料的流動(dòng)方式。而攪拌針形狀主要影響塑性金屬遷移的驅(qū)動(dòng)力及金屬的遷移路徑。通常，攪拌頭可分為無軸肩、無針、帶針、雙軸肩攪拌頭等4種類型[33]，如圖11所示。

圖11 攪拌頭類型Fig.11 Tool type used in FSW

2.2.1 攪拌頭軸肩形狀

設(shè)計(jì)不同形狀的攪拌頭主要有3個(gè)目的： ①增加摩擦產(chǎn)熱； ②驅(qū)動(dòng)軸肩附近塑性金屬流動(dòng)； ③阻止塑性金屬溢出凹面形成飛邊。當(dāng)前，國內(nèi)外研究者們?cè)O(shè)計(jì)出了不同形狀的軸肩，如圖12中平面、凹面和凸面形軸肩。其中，在相同的工藝參數(shù)條件下使用凹面形軸肩攪拌頭焊接時(shí)可獲得成形良好的接頭，這主要是由于凹面形軸肩摩擦產(chǎn)熱優(yōu)于平面形軸肩所致[34]。而凸面形軸肩雖然可增大軸肩與材料的接觸面積，且可用于非等厚板材的拼焊，但是這種凸面形軸肩對(duì)大厚板的焊接適應(yīng)性很差。

圖12 攪拌頭軸肩形狀[34]Fig.12 Shoulder profile of used tool

基于上述的研究基礎(chǔ)可知，設(shè)計(jì)不同形狀的軸肩（見圖 13）的最終目的都是使軸肩附近的塑性材料在其旋轉(zhuǎn)摩擦的帶動(dòng)下產(chǎn)生一個(gè)向焊縫中心遷移的作用力，使得周圍的塑性材料充分流動(dòng)以減少飛邊的形成，從而獲得更致密的焊縫[35]。

圖13 軸肩表面形狀[35]Fig.13 Shoulder surface morphology

賀地求等[36]設(shè)計(jì)了幾種新型攪拌頭，當(dāng)軸肩為螺旋內(nèi)凹凸棱形時(shí)，焊接時(shí)可使塑性金屬向焊核區(qū)中心遷移并在攪拌針周圍形成高壓塑性流體區(qū)，并在高壓作用下緊密結(jié)合，形成致密的焊縫組織。De Giorgi等[37]人研究了軸肩形貌對(duì)1.5 mm厚6082-T6鋁合金攪拌摩擦焊接頭疲勞性能影響，發(fā)現(xiàn)使用三凹槽軸肩攪拌頭獲得的焊接接頭疲勞強(qiáng)度低且壽命短，而帶凹面軸肩的接頭疲勞性能良好。Scialpi等[38]研究了軸肩形貌對(duì)6082鋁合金FSW接頭組織和力學(xué)性能影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)三凹槽軸肩形貌的攪拌頭焊接接頭抗拉強(qiáng)度及延伸率明顯高于凹面軸肩的。Galv?o等[39]研究了不同形狀的軸肩對(duì)銅合金薄板FSW接頭成形的影響。研究結(jié)果表明，采用渦卷形軸肩攪拌頭焊接所得到的焊核區(qū)的晶粒更細(xì)小，接頭力學(xué)性能更好。馬正斌等[40]研究了軸肩結(jié)構(gòu)對(duì)焊縫塑性金屬流動(dòng)行為的影響。結(jié)果表明，采用同心圓結(jié)構(gòu)軸肩焊接時(shí)焊縫塑性金屬難以從焊縫邊緣流動(dòng)至中心，僅僅發(fā)生以水平流動(dòng)為主的層流運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致焊縫深度很小；采用漸開線形狀的軸肩可促使塑性金屬向焊縫中心遷移，增大遷移的驅(qū)動(dòng)力及混合程度，焊縫深度明顯增大；此外，隨著漸開線條數(shù)增加，焊縫上表面塑化金屬量呈增大趨勢(shì)。Casalino等[41]研究了軸肩表面涂層對(duì)焊縫成形的影響，軸肩實(shí)物圖如圖14所示。研究發(fā)現(xiàn)，采用帶涂層的軸肩焊接時(shí)產(chǎn)熱量更多，獲得的焊縫表面更光滑。

圖14 帶不同涂層的軸肩Fig.14 Tool shoulder of different coatings

2.2.2 攪拌針形貌

目前，國內(nèi)外研究人員設(shè)計(jì)用于FSW試驗(yàn)的攪拌針結(jié)構(gòu)包括許多種，如不同的偏心距、錐度的攪拌針，還包括不同表面形貌、端部形貌的攪拌針等。然而，他們對(duì)這些攪拌針的設(shè)計(jì)仍是借助經(jīng)驗(yàn)，且研究結(jié)果還沒有達(dá)成統(tǒng)一的結(jié)論。

1)攪拌針表面形貌。張忠科等[34]選用帶不同形貌的攪拌針進(jìn)行焊接試驗(yàn)，結(jié)果表明，采用圓錐形攪拌針焊接時(shí)的產(chǎn)熱要優(yōu)于圓柱形攪拌針的，且獲得的焊縫比圓柱形的更光滑，前進(jìn)側(cè)和返回側(cè)兩側(cè)對(duì)稱性更好。張昭等[42]使用完全熱力耦合模型研究了攪拌頭形狀對(duì)焊縫金屬塑性變形及溫度場(chǎng)的影響，發(fā)現(xiàn)采用圓錐形攪拌針焊接時(shí)的溫度比圓柱形的低。Padmanaban等[43]則認(rèn)為，采用帶螺紋的攪拌針焊接時(shí)獲得的產(chǎn)熱量明顯高于無螺紋攪拌針的，且?guī)菁y的攪拌針更有利于焊縫塑性金屬流動(dòng)。

2)攪拌針偏心距。Thomas等[44]首先發(fā)現(xiàn)了攪拌針偏心距對(duì) FSW 焊縫金屬流動(dòng)起重要的作用。Khodaverdizadeh等[45]發(fā)現(xiàn)，采用適當(dāng)偏心距的攪拌針焊接時(shí)對(duì)焊縫金屬有更好的攪拌作用，更有利于塑性金屬充分流動(dòng)。于此同時(shí)，適當(dāng)增加攪拌針偏心距，可增強(qiáng)攪拌針的破碎、攪拌能力，有利于改善焊縫成形及其力學(xué)性能[46—47]。

3)攪拌針錐度。嚴(yán)鏗等[48]研究發(fā)現(xiàn)，采用傾角較小的攪拌頭焊接時(shí)，沉積在焊縫下方的塑性金屬無法向上流動(dòng)，導(dǎo)致無法填滿攪拌針后方形成的空腔，焊縫內(nèi)部出現(xiàn)嚴(yán)重的溝槽缺陷。攪拌頭傾角增加可增大其對(duì)焊縫上部金屬的鍛壓力，改善塑性金屬的流動(dòng)能力，使得在焊核中心形成渦旋狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致焊縫橫截面形貌存在很大差異。此外，增大錐角還可使沿垂直于焊縫方向上的金屬溫度分布更加均勻，且峰值溫度也隨之增大，故被認(rèn)為更適合于厚板的焊接[49—50]。Keivani等[51]也發(fā)現(xiàn)增加攪拌針錐角會(huì)顯著提高焊縫金屬的溫度。姬書得等[52]利用Fluent軟件建立了FSW有限體積模型，并研究了攪拌針形狀對(duì)焊縫塑性金屬流動(dòng)行為的影響規(guī)律。結(jié)果表明，減小攪拌針能明顯提高焊縫內(nèi)部塑性金屬的流動(dòng)速度。

4)攪拌針端部形狀。Ji等[53]研究了攪拌針表面螺紋形貌對(duì)焊縫根部塑性金屬流動(dòng)行為的影響。結(jié)果認(rèn)為，縮小攪拌針根部至攪拌針端部的螺紋槽或只在攪拌針端部開螺紋槽時(shí)，均會(huì)增加焊縫根部金屬的流動(dòng)速度?？吕杳鞯萚54]發(fā)現(xiàn)，改變攪拌針端部形狀，可改變攪拌針端部區(qū)域塑性金屬的流動(dòng)形態(tài)，從而改變焊縫底部的成形質(zhì)量。嚴(yán)超英等[55]分析了攪拌針端部形狀對(duì)FSW接頭根部塑性金屬的流動(dòng)行為的影響，得出攪拌針端部錐度對(duì)焊縫底部金屬流動(dòng)的影響主要有2個(gè)方面： ①脫離攪拌針端部螺紋作用的塑性金屬會(huì)繼續(xù)向下遷移； ②焊核區(qū)內(nèi)的塑性金屬將改變方向而向上流動(dòng)，且減小攪拌針端面錐角可增大攪拌針可焊板材的厚度。Mao等[56—57]研究攪拌針端部形貌對(duì)焊縫成形的影響，其攪拌針端部形貌如圖 15所示。結(jié)果表明，與常規(guī)圓錐面攪拌針相比，采用端面形貌為三角形、正方形、三槽形和圓錐平臺(tái)形的攪拌針焊接時(shí)，可改變攪拌針端部對(duì)其周圍金屬的作用力。其中，當(dāng)采用三凹槽形攪拌針焊接時(shí)，對(duì)焊縫底部金屬產(chǎn)生的攪拌作用力最大，可顯著提高底部材料的流動(dòng)能力，是焊縫金屬充分流動(dòng)，從而顯著改善接頭的成形質(zhì)量。

圖15 不同端部形狀的攪拌針Fig.15 Different tool pin-tip profiles

除了上述幾種結(jié)構(gòu)的攪拌針外，還設(shè)計(jì)出了其他結(jié)構(gòu)的攪拌針，如圖16所示。其主要目的是為了改變攪拌針對(duì)焊縫金屬流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力，使得在焊接過程中焊縫塑性金屬可以充分流動(dòng)，消除焊接缺陷，最終改善接頭的成形質(zhì)量。

2.3 材料自身性能

攪拌摩擦焊焊縫塑性金屬的流動(dòng)特征不僅與焊接工藝參數(shù)、攪拌頭形狀等影響因素有關(guān)，還與待焊母材自身的物理、化學(xué)和機(jī)械性能差異有關(guān)。這些因素也會(huì)導(dǎo)致焊縫塑化金屬的流動(dòng)形態(tài)產(chǎn)生明顯的差異。

研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)被焊母材的放置位置不同時(shí)，焊縫成形也相差較大。分析認(rèn)為，這與焊接時(shí)焊縫兩側(cè)的溫度場(chǎng)分布不均勻性有關(guān)。攪拌摩擦焊接過程中焊縫前進(jìn)側(cè)和返回側(cè)兩側(cè)的溫度沿焊縫中心是不對(duì)稱的，如果將低熔點(diǎn)母材放于溫度較高的前進(jìn)側(cè)，則容易導(dǎo)致前進(jìn)側(cè)低熔點(diǎn)母材更接近其熔點(diǎn)，金屬的塑化程度太高，粘度急劇下降，反而不利于攪拌頭驅(qū)動(dòng)此金屬充分流動(dòng)；而返回側(cè)高熔點(diǎn)母材則由于溫度太低，塑化程度不夠，流動(dòng)性同樣較差[58]。此外，另有些學(xué)者則認(rèn)為，待焊母材的擺放位置將由母材的硬度決定。Murr等[59]研究鋁銅合金攪拌摩擦焊接時(shí)發(fā)現(xiàn)，應(yīng)當(dāng)將硬度低的母材放在焊縫前進(jìn)側(cè)。Cavaliere等[60]研究6082/2024異種鋁合金攪拌摩擦焊試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，應(yīng)該將2024鋁合金放在焊縫前進(jìn)側(cè)，以減小攪拌頭的軸向壓力。

此外，魯煌等[61]采用左螺紋圓柱攪拌頭對(duì) O態(tài)和T4態(tài)2024鋁合金進(jìn)行FSW焊接試驗(yàn)，結(jié)果表明，攪拌針周邊約束狀態(tài)影響焊縫成形形貌，而約束程度與母材力學(xué)性能和溫度分布有關(guān)。將同種2024-O/2024-O和2024-T4/2024-T4鋁合金對(duì)接焊時(shí)，2024-O/2024-O鋁合金 FSW 焊縫中的軟性約束體對(duì)塑性金屬橫向遷移的約束小，焊核面積和寬度較2024-T4/2024-T4鋁合金FSW焊縫的大。

綜上所述，被焊母材的性能不同，焊縫金屬所受的約束力不同，因此，改變焊縫局部塑化金屬的約束狀態(tài)，能顯著影響焊縫成形及金屬的流動(dòng)形態(tài)。

圖16 攪拌針形貌設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)類型Fig.16 Profile type of tool pin

2.4 溫度場(chǎng)分布

FSW 焊接過程中，不僅在焊縫橫截面和縱截面上存在明顯的溫度差，而且水平截面上的金屬流動(dòng)形態(tài)也存在明顯的差異，導(dǎo)致在焊縫表面同樣存在較大的溫度差。與焊縫返回側(cè)相比，前進(jìn)側(cè)所受到的剪切力和摩擦阻力更大，摩擦產(chǎn)熱量更多，導(dǎo)致前進(jìn)側(cè)金屬的溫度高于返回側(cè)的[62]。然而，在焊縫中部和底部，攪拌針前沿的塑性金屬由前進(jìn)側(cè)向返回側(cè)遷移，使得返回側(cè)塑性金屬量增加，造成返回側(cè)溫度更高[63]。攪拌摩擦焊接過程中，焊縫金屬的峰值溫度（低于母材的熔點(diǎn)）取決于焊接過程初始階段焊縫金屬的塑化程度及其流動(dòng)情況。當(dāng)待焊母材的溫度較低時(shí)，攪拌頭與母材金屬界面接觸狀態(tài)長時(shí)間處于滑動(dòng)摩擦，總產(chǎn)熱量較低，母材金屬被塑化程度較低，其流動(dòng)性較差，最終導(dǎo)致焊縫金屬的峰值溫度也較低；適當(dāng)增加母材的初始溫度，可使攪拌針與母材金屬界面接觸狀態(tài)瞬間由滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)變粘著摩擦，產(chǎn)熱量迅速增大，母材金屬被充分塑化，流動(dòng)能力增加，這將使得焊縫金屬的峰值溫度顯著提高。比如，Roy等[64]提出無量綱的方程時(shí)證實(shí)，增加待焊試板的初始溫度，可以增加焊縫的峰值溫度，提高焊縫的整體溫度。Simar等[65]也發(fā)現(xiàn)，對(duì)焊縫施加一定的預(yù)熱溫度，會(huì)顯著增加焊縫金屬的溫度和高溫停留時(shí)間。

為了提高攪拌摩擦焊接效率并擴(kuò)大其使用范圍，研究人員往往借助輔助熱源進(jìn)行復(fù)合焊接。劉會(huì)杰等[66]使用等離子弧作為輔助熱源，將FSW-3LM-003型攪拌摩擦焊機(jī)和Plasma fine 15型等離子弧焊機(jī)相結(jié)合對(duì)2219-T6鋁合金進(jìn)行FSW焊接。發(fā)現(xiàn)對(duì)于相同的母材，復(fù)合FSW焊接速度比常規(guī)的FSW焊接提高了1倍，攪拌頭前方的阻力明顯小于常規(guī)FSW的。Kohn等[67]利用激光作為輔助熱源對(duì)4 mm厚的AZ91鎂合金板進(jìn)行FSW焊接，發(fā)現(xiàn)在激光產(chǎn)熱和攪拌頭摩擦攪拌產(chǎn)熱的共同作用下，焊接過程中攪拌頭向下的壓力和沿焊縫方向移動(dòng)阻力都大大降低。Midling等[68]將感應(yīng)線圈安裝在攪拌頭前方，利用感應(yīng)加熱方法使待焊母材受感應(yīng)加熱而被塑化。Aota等[69]通過在攪拌頭與待焊工件間施加電流，利用電阻加熱和攪拌摩擦熱使母材金屬塑化，從而降低焊接阻力。雖然輔助加熱-攪拌摩擦焊方法可突破傳統(tǒng)攪拌摩擦焊接在被焊材料上的局限性，使該技術(shù)可以應(yīng)用到黑色金屬和高溫合金等高熔點(diǎn)材料的焊接，但目前，該復(fù)合焊接技術(shù)仍處于探索階段，且會(huì)增加焊接工序的復(fù)雜性和提高焊接成本。

3 厚板FSW焊縫金屬流動(dòng)特征

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)鋁合金薄板FSW焊縫金屬流動(dòng)做了許多研究，并對(duì)焊縫中出現(xiàn)的物理現(xiàn)象進(jìn)行了解釋。Guerra等[70]將一層銅箔放在鋁合金表面來研究焊縫金屬的塑性流動(dòng)行為，結(jié)果表明，塑性金屬的遷移過程分為2個(gè)部分： ①焊縫前進(jìn)側(cè)的塑性金屬進(jìn)入旋轉(zhuǎn)區(qū)并逐漸靠近攪拌頭； ②返回側(cè)的塑性金屬不發(fā)生旋轉(zhuǎn)遷移直接填滿前進(jìn)側(cè)。Heurtier等[71]認(rèn)為，焊縫內(nèi)部被分成 2個(gè)區(qū)域：一個(gè)是位于焊縫上部的“軸肩影響區(qū)”，內(nèi)部塑性金屬在軸肩影響力作用下作扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，隨后圍繞攪拌針作繞流遷移；第二個(gè)是位于焊縫中下部的焊核區(qū)，塑性金屬圍繞攪拌針表面螺旋向下遷移至焊縫底部，受墊板阻礙而開始從四周向上遷移。

與薄板FSW焊接不同，使用FSW技術(shù)焊接中厚板鋁合金時(shí)，多采用較低的攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度與焊接速度，這容易導(dǎo)致沿厚度方向上焊縫金屬的溫度梯度較大。Ghetiya等[72]研究厚板FSW焊縫金屬的溫度場(chǎng)分布時(shí)發(fā)現(xiàn)，沿焊縫厚度方向上的金屬溫度分布很不均勻。Xu等[73]也發(fā)現(xiàn)，焊縫上、下層金屬的峰值溫度相差很大，導(dǎo)致金屬的流動(dòng)形態(tài)發(fā)生很大的變化。而Canaday等[74]則認(rèn)為，焊縫金屬溫度分布輕微地變化也會(huì)導(dǎo)致焊縫中的組織、性能等發(fā)生明顯改變，這與塑化金屬的流動(dòng)方式變化緊密相關(guān)。

通常，薄板FSW焊縫由2個(gè)區(qū)域組成，上表層為軸肩區(qū)，中下部為焊核區(qū)。其中上部的軸肩區(qū)是由于遭受攪拌頭軸肩的頂鍛壓力和凹面的約束所致。而焊縫中焊核區(qū)的形成，可以用“抽吸-擠壓”理論來解釋[20]。然而，研究者采用錐形攪拌頭焊接厚板時(shí)發(fā)現(xiàn)，在焊縫軸肩區(qū)和焊核區(qū)之間會(huì)形成一個(gè)混亂的交匯區(qū)，稱之為“疏松區(qū)”，但是，對(duì)這一區(qū)域的形成原因沒有作更詳細(xì)的解釋。

為此，針對(duì)厚板FSW焊縫中常出現(xiàn)的疏松孔洞缺陷，筆者前期作了較詳細(xì)的研究。發(fā)現(xiàn)隨著更多的塑化金屬遷移至焊縫底部，焊核區(qū)不斷變大，受到底板的剛性阻礙，轉(zhuǎn)而開始擠壓周圍的塑性金屬。由于焊核區(qū)周邊的冷金屬的溫度較低，其變形阻力較大，阻礙了塑性金屬遷移。而焊縫上表面金屬的溫度更高，其變形抗力較低，致使焊核區(qū)內(nèi)的塑性金屬只能沿著攪拌針表面向上遷移。當(dāng)遷移上來的塑性金屬到達(dá)軸肩影響區(qū)附近時(shí)，由于此處的溫度較高（接近金屬熔點(diǎn)），阻抗力很小，往上遷移的塑化金屬?zèng)]有受到軸肩區(qū)金屬較大的阻力而可能沿著軸肩邊緣繼續(xù)遷移，并最終溢出軸肩凹面覆蓋區(qū)，流至焊縫上表面，形成飛邊。軸肩影響區(qū)下方空腔沒有足夠的塑性金屬填滿，焊縫無法被充分壓實(shí)，導(dǎo)致焊縫內(nèi)部出現(xiàn)孔洞大小不一的“疏松區(qū)”。

此外，Ji等[75]在焊接厚板時(shí)發(fā)現(xiàn)，沿焊縫厚度方向上各區(qū)塑性金屬的流動(dòng)形式同樣存在明顯的區(qū)別，如圖17所示。即上表層塑化金屬水平遷移進(jìn)入軸肩凹面內(nèi)，中部金屬在底部焊核區(qū)內(nèi)金屬的擠壓作用下向上遷移，但焊縫底部金屬流動(dòng)性較差，主要以被擠壓為主，導(dǎo)致厚板FSW焊接時(shí)成形更加困難。

圖17 焊縫金屬遷移模式[75]Fig.17 Flow model of weld metal

對(duì)厚板鋁合金FSW而言，如何改善焊縫底部金屬的流動(dòng)狀態(tài)，提高底部金屬的塑性流動(dòng)能力，將是關(guān)注的重點(diǎn)，還有待更深入、細(xì)致的研究。

4 焊縫內(nèi)部缺陷形成原因分析

由鋁合金厚板FSW焊接特征可知，采用錐形攪拌針焊接時(shí)，在焊縫中上部易出現(xiàn)疏松缺陷，而在焊縫底部易出現(xiàn)弱連接、未焊透、包鋁伸入等缺陷，這主要是由于焊接過程中位于焊縫不同位置的金屬所經(jīng)歷的熱機(jī)過程不同，當(dāng)焊縫金屬過熱或者塑化程度不夠時(shí)都會(huì)導(dǎo)致焊接缺陷的產(chǎn)生。其中，產(chǎn)生未焊透缺陷的原因是由于焊接時(shí)軸肩下壓量不足或者所使用的攪拌針長度不夠而造成的。如果攪拌頭軸肩下壓量或者攪拌針長度合適時(shí)，待焊板材表面上的氧化物會(huì)被旋轉(zhuǎn)的攪拌針打碎，彌散分布在焊縫中，且兩板間的間隙被塑化金屬填滿而形成致密的接頭。如果攪拌針長度或下壓量不夠，攪拌針端部不能完全破碎位于焊縫下部的母材金屬，在焊縫底部很容易形成未焊透缺陷[76]。類似于未焊透缺陷，由于位于焊縫底部的金屬僅僅遭受攪拌針端部的攪拌、破碎作用，位于焊縫底部的金屬溫度較低，其流動(dòng)能力較差。而攪拌針端部對(duì)塑化金屬的攪拌作用力不夠，無法破碎焊縫底層面上的氧化物。在焊核金屬的擠壓作用下，容易驅(qū)動(dòng)焊縫底部表層的氧化層向焊縫中遷移，形成包鋁層伸入缺陷[77]。

關(guān)于焊縫中上部的疏松缺陷，有的學(xué)者認(rèn)為這是由于焊接熱輸入不夠，母材被塑化程度不足，導(dǎo)致焊縫金屬的塑性流動(dòng)不充分而在焊縫內(nèi)部形成未被完全壓實(shí)的現(xiàn)象[78]。有的學(xué)者則認(rèn)為，是焊縫上、下部金屬溫差太大造成的。厚板焊接時(shí)，位于上部的金屬受到軸肩和攪拌針共同的作用，容易產(chǎn)生更多的摩擦熱和變形熱，金屬的溫度更高，從而達(dá)到塑化狀態(tài)更快。而位于底部的金屬僅僅受攪拌針端部的摩擦、攪拌作用，產(chǎn)熱量相對(duì)較小，且焊縫底部直接與鋼板接觸，散熱更快，溫度降低，從而導(dǎo)致底部金屬的流動(dòng)性較差。當(dāng)上部塑化金屬沿著攪拌針螺紋做螺旋遷移至焊縫底部時(shí)，受底板剛性約束作用轉(zhuǎn)而擠壓周邊金屬，而周邊金屬的溫度更低，阻力較大。而焊縫上部的金屬溫度很高，阻力較小，因此容易導(dǎo)致塑化金屬沿?cái)嚢栳槺砻嫦蛏线w移。當(dāng)焊縫上表面金屬溫度過高時(shí)（局部金屬溫度達(dá)到熔點(diǎn)），在沒有阻力約束下，往上遷移的焊縫塑性金屬可能會(huì)溢出軸肩凹面覆蓋區(qū)而流向焊縫兩側(cè)形成大量飛邊，這將導(dǎo)致軸肩影響區(qū)下方?jīng)]有足夠的塑性金屬填充，焊縫內(nèi)部形成疏松孔洞缺陷[79—80]。

5 結(jié)語

攪拌摩擦焊接技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，尤其是在輕合金的焊接應(yīng)用，將會(huì)變得越來越重要。隨著工業(yè)的發(fā)展，對(duì)厚板FSW焊接需求也會(huì)越來越大，但目前，厚板FSW的焊接仍然處于工藝探索階段，其焊縫成形機(jī)理仍需深入地探究。由于焊縫成形與金屬流動(dòng)行為密切相關(guān)，因此，認(rèn)清焊縫成形與其金屬的流動(dòng)關(guān)系就顯得尤為重要。目前，觀察FSW焊縫金屬流動(dòng)狀態(tài)的方法不多，且都有一定的局限性。采用金相組織法操作雖然簡單，但無法獲取金屬流動(dòng)的細(xì)節(jié)；而采用材料示蹤法容易影響被焊母材的流動(dòng)，且主要是通過標(biāo)示材料的最終位置來獲取焊縫金屬的流動(dòng)軌跡線，沒能直接提供材料的真實(shí)的流動(dòng)信息；而采用數(shù)值模擬法分析發(fā)現(xiàn)，模擬結(jié)果往往與真實(shí)的試驗(yàn)結(jié)果相差較大，而這可能與模擬過程的邊界條件、攪拌頭形貌等影響因素有關(guān)。由于攪拌摩擦焊接接頭成形質(zhì)量與塑性金屬的流動(dòng)行為密切相關(guān)，而影響焊縫塑性金屬流動(dòng)行為的因素較多，其中攪拌頭形狀、材料性能及溫度場(chǎng)等對(duì)焊縫金屬流動(dòng)的影響較大，因此這仍將是后續(xù)研究的重點(diǎn)，且需要逐個(gè)深入地考慮。與薄板FSW焊縫金屬流動(dòng)形態(tài)相比較，厚板FSW焊縫中出現(xiàn)了一些新的物理現(xiàn)象，比如焊縫中疏松、未焊透、包鋁伸入等缺陷的形成機(jī)理，還需要更深入的研究。