靜止軸肩攪拌摩擦焊接研究進(jìn)展及展望

褚強(qiáng) 郝思潔 Devang Sejani Vivek Patel 李文亞

摘要：靜止軸肩攪拌摩擦焊（SSFSW）作為固相連接領(lǐng)域中攪拌摩擦焊接（FSW）技術(shù)的一種重要衍生方法，顯著改善了FSW接頭表面過(guò)熱、溫度梯度大以及板厚減薄等問(wèn)題，在輕質(zhì)合金、低熱導(dǎo)率材料、中厚板以及角焊縫等結(jié)構(gòu)焊接中具有巨大的應(yīng)用潛力。綜述了現(xiàn)階段SSFSW的主要研究進(jìn)展，涉及SSFSW過(guò)程的基本原理、成形特征、微觀組織以及力學(xué)性能等，以期SSFSW技術(shù)形成系統(tǒng)的認(rèn)知，并展望了其發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：攪拌摩擦焊接;靜止軸肩攪拌摩擦焊接;成形特性;組織;力學(xué)性能

中圖分類號(hào)：TG453+.9? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2020）09-0044-09

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.09.04

0 前言

隨著綠色環(huán)保與節(jié)能減排逐漸成為現(xiàn)代工業(yè)制造領(lǐng)域的基本要求，先進(jìn)連接技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用備受關(guān)注。攪拌摩擦焊接（Friction Stir Welding，F(xiàn)SW）作為一種固相連接技術(shù)，避免了傳統(tǒng)熔焊工藝中氣孔、裂紋、飛濺、煙霧、保護(hù)氣體或焊劑需求以及高能耗等瓶頸問(wèn)題，經(jīng)過(guò)近30年的研究和發(fā)展已成功在航空航天、軌道交通、電力電子等領(lǐng)域得到大量應(yīng)用[1]。因其殘余應(yīng)力相對(duì)較小、焊后變形小等優(yōu)點(diǎn)[2-3]，確保了焊接結(jié)構(gòu)件的剛性和尺寸穩(wěn)定性，在輕質(zhì)金屬連接時(shí)具有顯著的冶金優(yōu)勢(shì)，美國(guó)NASA將其與高能束焊并作最具應(yīng)用潛力的焊接方法[4]。

然而，常規(guī)FSW仍存在一定的局限性，一方面軸肩旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致局部熱-力循環(huán)作用相對(duì)較大，焊接接頭處于不均勻的應(yīng)變狀態(tài)，尤其在低導(dǎo)熱、厚板材料焊接時(shí)存在較大的內(nèi)應(yīng)力;另一方面，焊接過(guò)程中存在飛邊，導(dǎo)致成形接頭的有效厚度減小，并且難以實(shí)現(xiàn)角焊縫與T型結(jié)構(gòu)焊接[5]。針對(duì)上述問(wèn)題，英國(guó)焊接研究所（TWI）在常規(guī)FSW基礎(chǔ)上通過(guò)分離軸肩與攪拌針，提出了靜止軸肩攪拌摩擦焊技術(shù)（Stationary Shoulder Friction Stir Welding，SSFSW）[6]。通過(guò)軸肩的相對(duì)靜止使得焊接過(guò)程熱輸入顯著減少以及板厚減薄，尤其解決了低熱導(dǎo)率材料焊接溫度梯度大、熱輸入不平衡等問(wèn)題，如鈦合金等，然后逐步擴(kuò)展到鋁、鎂等輕質(zhì)合金連接?，F(xiàn)有研究涉及的焊接材料如圖1所示，近年來(lái)獲得了越來(lái)越多的關(guān)注，國(guó)際上發(fā)表的論文數(shù)量逐年增加。歐洲宇航防務(wù)集團(tuán)（EADS）已成功研制出SSFSW機(jī)器人，并將其應(yīng)用于某大型客機(jī)結(jié)構(gòu)件復(fù)雜焊縫的焊接[7]。目前，SSFSW相關(guān)研究主要集中于焊接工藝、接頭組織及力學(xué)性能等方面，文中基于現(xiàn)有文獻(xiàn)，總結(jié)了SSFSW的研究現(xiàn)狀，并展望了該技術(shù)的工藝挑戰(zhàn)與研究方向。

1 靜止軸肩攪拌摩擦焊接原理及特點(diǎn)

SSFSW是常規(guī)FSW的一種非常巧妙的改進(jìn)技術(shù)，通過(guò)焊接工具設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了低熱輸入。其焊接工具主要由內(nèi)部旋轉(zhuǎn)的攪拌針和沿焊接方向隨之移動(dòng)的外部相對(duì)靜止的軸肩兩部分組成，如圖2所示[8]。隨著攪拌頭向前移動(dòng)，因攪拌針周圍材料摩擦產(chǎn)熱而塑化的金屬向后堆積，并在軸肩頂鍛力作用下形成組織均勻致密的焊縫。

在常規(guī)FSW中，70%左右的產(chǎn)熱主要源自高速旋轉(zhuǎn)的軸肩與待焊試樣表面的相互作用[9-10]，表面較大的熱輸入沿試樣橫向、縱向傳導(dǎo)，從而產(chǎn)生較大的溫度梯度，產(chǎn)熱示意見(jiàn)圖3a。而在SSFSW中，外部輔助的靜止軸肩與材料表面緊密接觸，由于其相對(duì)靜止在焊接過(guò)程中幾乎不產(chǎn)生摩擦熱（見(jiàn)圖3b），甚至作為熱沉起到部分散熱效果，待焊材料的塑性變形主要依靠?jī)?nèi)部旋轉(zhuǎn)的攪拌針的摩擦熱-剪切擠壓復(fù)合作用，而后，焊接材料在軸肩擠壓作用下發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形并填充后方瞬時(shí)空腔形成焊縫。相同工藝下，SSFSW過(guò)程峰值溫度通常比常規(guī)FSW過(guò)程低約80 ℃，較低的熱輸入可以允許更高的焊接轉(zhuǎn)速，從而加劇焊接過(guò)程材料的混合程度，獲得成形成性更為優(yōu)良的接頭，同時(shí)提高了焊接速度。

基于焊接結(jié)構(gòu)特征及產(chǎn)熱分析，相比于常規(guī)FSW，SSFSW主要具有如下特點(diǎn)[6-7]：（1）焊接過(guò)程中熱輸入相對(duì)較低并且更為集中，板厚方向溫度分布均勻，焊后變形小;（2）焊縫表面成形美觀，成形飛邊以及板厚減薄很小，可有效改善接頭的承載性能;（3）有效降低了焊接扭矩和前進(jìn)阻力，提高了生產(chǎn)效率，非常適用于自動(dòng)化焊接;（4）應(yīng)用范圍廣，可拆卸的攪拌針與軸肩柔性結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)不同材料、厚度與結(jié)構(gòu)的焊接，如鋁、鎂、鈦等合金的對(duì)接、搭接、角接以及T型焊縫成形，可實(shí)現(xiàn)飛機(jī)機(jī)身面板和飛機(jī)機(jī)翼等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的焊接。

2 靜止軸肩攪拌摩擦焊接頭成形特征

在常規(guī)FSW接頭中，試樣表面在旋轉(zhuǎn)軸肩的作用下，通?？捎^察到明顯的表面弧紋與飛邊特征（見(jiàn)圖4a），會(huì)造成焊縫有效厚度的減薄，容易引起應(yīng)力集中以及影響表面腐蝕敏感性，往往需要進(jìn)行焊后表面處理，從而降低了生產(chǎn)效率，增加了成本。相比之下，歸因于靜止軸肩的約束作用以及滑移運(yùn)動(dòng)，SSFSW焊縫表面平整光滑，基本無(wú)飛邊產(chǎn)生，但是由于接觸表面的摩擦和粘著作用，可以觀察到表面刮痕特征，如圖4b所示[11]。需要注意的是，與飛邊以及弧紋形成所造成的材料損失相比，粘著磨損導(dǎo)致的材料損失可忽略不計(jì)。由圖4c和4d觀察可知，SSFSW焊縫表面粗糙度相對(duì)很小，并且板厚減薄明顯減弱。

由于軸肩保持相對(duì)靜止，SSFSW過(guò)程的熱輸入大幅降低，使得材料的粘塑性變形行為發(fā)生明顯變化，導(dǎo)致接頭橫截面呈現(xiàn)出與常規(guī)FSW接頭不同的組織特征。Li等人[12]對(duì)比了在相同工藝以及攪拌工具尺寸下AA6061-T6鋁合金FSW接頭（見(jiàn)圖5a）和SSFSW接頭（見(jiàn)圖5b）的成形特性，發(fā)現(xiàn)所有接頭均包含攪拌區(qū)、熱力影響區(qū)以及熱影響區(qū)等特征區(qū)，分別由等軸細(xì)晶、變形晶粒以及粗大晶粒組成。但是，在常規(guī)FSW接頭中，由于旋轉(zhuǎn)軸肩導(dǎo)致上表面熱輸入較大，形成了明顯的熱力影響區(qū)和熱影響區(qū)，且中心對(duì)稱性較差，并沿板厚逐漸收縮。與之相比，SSFSW過(guò)程中由攪拌針主導(dǎo)的材料流動(dòng)以及板厚方向上均勻的熱輸入，致使SSFSW接頭攪拌區(qū)輪廓與攪拌針形狀更為相近且具有較好的對(duì)稱性，同時(shí)熱力影響區(qū)與熱影響區(qū)范圍相比常規(guī)FSW接頭顯著減小。除了對(duì)接結(jié)構(gòu)外，Ji等人[13]在搭接焊縫中同樣觀察到類似特征（見(jiàn)圖5c和5d），認(rèn)為軸肩強(qiáng)烈的熱-力循環(huán)作用驅(qū)動(dòng)著相當(dāng)?shù)牟牧习l(fā)生粘塑性變形，從而擴(kuò)大了FSW接頭熱力影響區(qū)的范圍，并且促使塑性材料沿?cái)嚢栳樎菁y向下發(fā)生流動(dòng)，而在背板約束下發(fā)生回流（見(jiàn)圖5e），這種流動(dòng)趨勢(shì)將造成部分塑化金屬逸出攪拌區(qū)形成飛邊致使有效板厚減小。盡管SSFSW同樣以水平與垂直兩個(gè)方向的材料流動(dòng)為主，但是靜止軸肩施加額外的頂鍛力抑制了材料流出，強(qiáng)化了攪拌區(qū)內(nèi)部金屬流動(dòng)（見(jiàn)圖5f），從而弱化了上述成形特征，改善了界面冶金，同時(shí)材料向上流動(dòng)趨勢(shì)的約束也限制了鉤狀（hook）缺陷的惡化，其他研究同樣觀察到類似現(xiàn)象[14]。

除上述宏觀成形特征外，SSFSW接頭微觀組織同樣呈現(xiàn)出不同于常規(guī)FSW接頭的成形特性[15]。通常認(rèn)為，常規(guī)FSW接頭組織演變?cè)谳S肩與攪拌針共同的熱力耦合作用下發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，存在明顯的擇優(yōu)取向并以剪切織構(gòu)為主，其中剪切方向平行于旋轉(zhuǎn)方向，剪切面平行于軸肩與攪拌針兩者的等效表面[16-17]。Suhuddin等人[18]研究表明，攪拌針附近材料流動(dòng)受控于簡(jiǎn)單剪切變形，形成{112}<110>純剪切織構(gòu)，而旋轉(zhuǎn)軸肩附加的熱塑性變形導(dǎo)致織構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變，最終形成{100}<100>立方織構(gòu)。Jin等人[19]表示當(dāng)采用大軸肩（平均15 mm）及薄板（平均2 mm）焊接時(shí)，組織演變主要受軸肩影響，導(dǎo)致焊縫形成剪切面平行于軸肩端面的弱織構(gòu)。而Ahmed等人[20]通過(guò)研究6 mm厚AA6082-T651鋁合金SSFSW接頭組織演變發(fā)現(xiàn)，靜止軸肩大幅度減少了軸肩影響區(qū)的范圍，除了接頭上表面受到靜止軸肩的輕微影響外，整個(gè)焊縫變形受攪拌針主導(dǎo)，致使焊縫除表面外呈現(xiàn)出較強(qiáng)的{111}單剪織構(gòu)，如圖6所示，表明SSFSW焊縫組織分布具有較高的一致性。該研究表示通過(guò)SSFSW工藝可以獲得強(qiáng)烈的{111}織構(gòu)，從而顯著提高了材料的成形性[21]。Jiang等人[22]在Ti合金SSFSW接頭中觀察到相轉(zhuǎn)變以及相近的織構(gòu)特征。

3 靜止軸肩攪拌摩擦焊接頭性能

在常規(guī)FSW過(guò)程中，Chowdhury等人[23]發(fā)現(xiàn)，由于軸肩的劇烈作用，在接頭中會(huì)形成一個(gè)典型的三相交界區(qū)（攪拌區(qū)/軸肩影響區(qū)/熱力影響區(qū)），拉伸過(guò)程中由于組織差異較大導(dǎo)致塑性應(yīng)變分布不均，接頭在此處優(yōu)先失效。在中厚板FSW接頭中，板厚方向的組織不均勻性同樣會(huì)導(dǎo)致各層力學(xué)性能存在較大差異[24]。而SSFSW因獨(dú)特的產(chǎn)熱方式，攪拌針周圍的材料經(jīng)歷了比較集中的熱力循環(huán)，因此，SSFSW接頭可能表現(xiàn)出更為均勻且優(yōu)異的力學(xué)性能。SSFSW接頭力學(xué)性能的研究目前主要集中在鋁合金，如表1所示[25-33]。研究表明，7050-T7651高強(qiáng)鋁合金SSFSW接頭拉伸強(qiáng)度（UTS）達(dá)到了母材的91%，明顯高于常規(guī)FSW接頭強(qiáng)度，并且隨焊接速度的增加而增加，歸因于接頭軟化區(qū)的減小[30]。Li等人[34]采用SSFSW工藝獲得了連接強(qiáng)度高達(dá)97%的AZ31B鎂合金接頭。除了對(duì)接接頭外，靜止軸肩在焊接過(guò)程中附加的頂鍛力同樣有利于抑制搭接接頭界面hook缺陷，以獲得良好連接[35]。

此外，研究還發(fā)現(xiàn)靜止軸肩可有效改善接頭硬度分布的非對(duì)稱性。Wu等人[11]研究表明，SSFSW過(guò)程中熱輸入相比常規(guī)FSW低約30%，接頭熱影響區(qū)范圍相對(duì)較窄，板厚方向上的微觀組織及硬度梯度較小。常規(guī)FSW與SSFSW接頭硬度及拉伸過(guò)程中應(yīng)變分布如圖7所示，可以觀察到所得接頭在拉伸過(guò)程中應(yīng)變均集中于軟化區(qū)，即熱影響區(qū)。但是，相比于常規(guī)FSW，SSFSW接頭熱影響區(qū)的應(yīng)變程度相對(duì)較低，且焊縫區(qū)域應(yīng)變分布更為均勻，這歸因于軟化區(qū)寬度與軟化程度的降低以及周圍硬質(zhì)材料的約束作用，塑性應(yīng)變的局部化有效抑制防止了SSFSW接頭的過(guò)早失效。

4 靜止軸肩攪拌摩擦焊接方法演變形式

SSFSW相對(duì)于常規(guī)FSW的最大優(yōu)點(diǎn)是不僅能夠?qū)崿F(xiàn)上述對(duì)接和搭接等常見(jiàn)接頭形式，還可以完成T型結(jié)構(gòu)和角焊縫連接。Sun等人[36]基于角接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靜止軸肩實(shí)現(xiàn)了AA7075鋁合金T型結(jié)構(gòu)良好焊接，如圖8所示，由于兩道焊縫成形，除了熱力影響區(qū)與熱影響區(qū)外，接頭焊核區(qū)被細(xì)分為一道焊核、二道焊核以及焊核重合區(qū)。非對(duì)稱的硬度分布?xì)w因于第二道焊接過(guò)程的熱效應(yīng)對(duì)成形焊縫起到的時(shí)效強(qiáng)化作用。同時(shí)，二道焊縫引入的形變熱處理降低了一道焊縫的縱向殘余應(yīng)力，最終接頭最大拉應(yīng)力位于二道焊核附近，達(dá)到平均160 MPa。由于熱輸入較大以及高溫暴露時(shí)間增長(zhǎng)，低焊速時(shí)上述影響更為顯著。吉華等人[37]通過(guò)優(yōu)化焊接工藝實(shí)現(xiàn)了6061-T6鋁合金T型接頭SSFSW焊接，并采用金相、拉伸和探傷試驗(yàn)對(duì)接頭進(jìn)行性能檢測(cè)，結(jié)果表明，經(jīng)焊接參數(shù)優(yōu)化，能夠獲得表面成形美觀、內(nèi)部無(wú)缺陷的焊接接頭，抗拉強(qiáng)度系數(shù)可達(dá)到母材的65%，斷裂位置位于熱影響區(qū)。

然而，T型接頭彎角特征處容易發(fā)生應(yīng)力集中，將大幅降低接頭的承載能力，影響結(jié)構(gòu)的服役壽命[38]。TWI改變軸肩形式，采用填絲輔助SSFSW工藝成功實(shí)現(xiàn)了8 mm厚7075-T6與2014-T6角接焊縫的焊接，接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到母材的85%[39]，獲得了圓弧過(guò)渡的角焊縫，顯著降低了接頭應(yīng)力集中。并采用該方法實(shí)現(xiàn)了大間隙的對(duì)接焊接，焊后焊縫厚度幾乎無(wú)減薄。Li等人[40]通過(guò)殘余應(yīng)力與疲勞性能分析，發(fā)現(xiàn)填絲所得圓角結(jié)構(gòu)可獲得更高的疲勞載荷，并且斷裂位置由彎角處轉(zhuǎn)變?yōu)殪o止軸肩邊緣，如圖9所示。

5 結(jié)論與展望

綜上可知，靜止軸肩攪拌摩擦焊是一種非常有效的低熱輸入成形工藝，目前主要涉及鋁、鎂與鈦等合金連接，并且相關(guān)研究也集中于焊接工藝與組織性能等方面。初步的研究與應(yīng)用表明，SSFSW與常規(guī)FSW相比具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

但是，現(xiàn)有的研究與應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)也表明SSFSW仍存在一些挑戰(zhàn)：

（1）焊縫根部未焊合趨勢(shì)較大。焊縫底部的未焊合是常規(guī)FSW非常關(guān)注的問(wèn)題，在SSFSW過(guò)程中，熱輸入明顯降低，也意味著底部的熱輸入會(huì)相應(yīng)降低，從而導(dǎo)致根部未焊合的風(fēng)險(xiǎn)增大，需要嚴(yán)格控制焊接工藝。

（2）攪拌工具壽命問(wèn)題。由于攪拌針與靜止軸肩存在配合間隙，因此增大了塑性金屬擠入間隙的難題，如何有效控制間隙成為工業(yè)批量長(zhǎng)時(shí)應(yīng)用的卡脖子問(wèn)題。同時(shí)，攪拌針斷針的風(fēng)險(xiǎn)增大（尤其焊接厚板時(shí)），需要在焊具材料選擇上進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（3）盡管SSFSW是一種小變形與低殘余應(yīng)力的焊接方法，但不同程度的變形在某些情況下仍會(huì)發(fā)生，同時(shí)焊接接頭的腐蝕性能也是目前普遍關(guān)注的問(wèn)題。然而殘余應(yīng)力與變形、腐蝕行為及其受成形工藝影響研究的缺乏，直接影響著焊接結(jié)構(gòu)的承載能力、服役壽命和安全性能的系統(tǒng)評(píng)估，也限制了接頭改性方法的探索。

（4）采用SSFSW制備特定取向組織，以及高硬高強(qiáng)低導(dǎo)熱材料、異種材料焊接特性研究的完善，有助于促進(jìn)SSFSW技術(shù)的推廣和應(yīng)用。

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Development and prospect of stationary shoulder friction stir welding

CHU Qiang， HAO Sijie， DEVANG sejani， VIVEK Patel， LI Wenya*

（Northwestern Polytechnical University， Shaanxi Key Laboratory of Friction Welding Technologies， Xi'an 710072， China）

Abstract： Stationary shoulder friction stir welding（SSFSW） is an important derivative of friction stir welding（FSW） technology in the field of solid state bonding. It can significantly improve the problems of surface overheating， large temperature gradient and plate thickness thinning in the FSWed joints， which shows great application potential in? welding of lightweight alloys， low thermal conductivity material， medium plate and fillet welding structure. In order to form a systematic understanding of the technology， this paper summarizes the main research progress of SSFSW， involving the basic principles， forming characteristics， microstructure and mechanical properties， and then make a prospect for the its development.

Key words： Friction stir welding; Stationary shoulder friction stir welding; Forming characteristics; Microstructure; Mechanical properties