攪拌摩擦焊的原理與應用

1　前言
摩擦焊是利用工件端面相互運動、相互摩擦所產生的熱，使端部達到熱塑性狀態，然後迅速頂鍛，完成焊接的一種方法。摩擦焊可以方便地連接同種或異種材料，包括金屬、部分金屬基複合材料、陶瓷及塑料。摩擦焊方法在製造業中已應用40多年了，由於其生產率高、質量好獲得了廣泛的工程應用，但焊接的對象主要是迴轉形零件，雖然也有其它形式的摩擦焊技術出現，以克服被焊工件幾何形狀的限制或提高生產率，如相位摩擦焊、徑向摩擦焊、線性摩擦焊等，但實際應用很少。最近還出現了摩擦堆焊，在工件上形成特殊性能的表面層。
攪拌摩擦焊(Friction Stir Welding)是英國焊接研究所TWI(The Welding Institute)提出的專利焊接技術^［1,2］。攪拌摩擦焊除了具有普通摩擦焊技術的優點外，還可以進行多種接頭形式和不同焊接位置的連接。挪威已建立了世界上第一個攪拌摩擦焊商業設備，可焊接厚3～15mm、尺寸6×16m²的A1船板；1998年美國波音公司的空間和防禦實驗室引進了攪拌摩擦焊技術，用於焊接某些火箭部件；麥道公司也把這種技術用於製造Delta運載火箭的推進劑貯箱。本文主要介紹攪拌摩擦焊的方法、過程、特點以及焊接質量。
2　攪拌摩擦焊方法
與常規摩擦焊一樣，攪拌摩擦焊也是利用摩擦熱作為焊接熱源。不同之處在於，攪拌摩擦焊焊接過程是由一個圓柱體形狀的焊頭(welding pin)伸入工件的接縫處，通過焊頭的高速旋轉，使其與焊接工件材料摩擦，從而使連接部位的材料溫度升高軟化，同時對材料進行攪拌摩擦來完成焊接的。焊接過程如圖1所示。在焊接過程中，工件要剛性固定在背墊上，焊頭邊高速旋轉，邊沿工件的接縫與工件相對移動。焊頭的突出段伸進材料內部進行摩擦和攪拌，焊頭的肩部與工件表面摩擦生熱，並用於防止塑性狀態材料的溢出，同時可以起到清除表面氧化膜的作用。

在焊接過程中，焊頭在旋轉的同時伸入工件的接縫中，旋轉焊頭與工件之間的摩擦熱，使焊頭前面的材料發生強烈塑性變形，然後隨著焊頭的移動，高度塑性變形的材料流向焊頭的背後，從而形成攪拌摩擦焊焊縫。
攪拌摩擦焊對設備的要求並不高，最基本的要求是焊頭的旋轉運動和工件的相對運動，即使一台銑床也可簡單地達到小型平板對接焊的要求。但焊接設備及夾具的剛性是極端重要的。焊頭一般採用工具鋼製成，焊頭的長度一般比要求焊接的深度稍短。
應該指出，攪拌摩擦焊縫結束時在終端留下個匙孔。通常這個匙孔可以切除掉，也可以用其它焊接方法封焊住。
3　攪拌摩擦的特點
攪拌摩擦焊的提出與A1合金的焊接有很大關係。A1合金廣泛應用在飛機、航天器、船舶、高速火車等製造領域。特別是高強度A1合金，在採用傳統的熔化焊接方法時，即使採用很好的變極性焊接設備，也仍然容易產生焊接裂紋等焊接缺陷。攪拌摩擦焊是固相焊接。以6016－T6高強度A1合金為便，該合金的熔化溫度約為582℃，而焊縫中心的最高溫度僅450℃左右，所以攪拌摩擦焊時不會產生與金屬熔化有關的焊接缺陷。
而且焊接過程中也不需要其它焊接消耗材料，如焊條、焊絲、焊劑及保護氣體等。唯一消耗的是焊接攪拌頭。通常在A1合金焊接時，一個工具鋼攪拌頭可焊到800m長的焊縫。
同時，由於攪拌摩擦焊接時的溫度相對較低，因此焊接后結構的殘餘應力或變形也較熔化焊小得多。特別是A1合金薄板熔化焊接時，結構的平面外變形是非常明顯的，無論是採用無變形焊接技術還是焊后冷、熱校形技術，都是很麻煩的，而且增加了結構的製造成本。
目前攪拌摩擦焊主要是用在熔化溫度較低的有色金屬，如A1、Cu等合金。這和攪拌頭的材料選擇及攪拌頭的工作壽命有關。當然，這也和有色金屬熔化焊接相對困難有關，迫使人們在有色金屬焊接時尋找非熔化的焊接方法。對於延性好、容易發生塑性變形的黑色材料，經輔助加熱或利用其超塑性，也有可能實現攪拌摩擦焊，但這就要看熔化焊和攪拌摩擦焊哪個技術經濟指標更合理來決定。
攪拌摩擦焊在有色金屬的連接中已獲得成功的應用，但由於焊接方法特點的限制，目前僅限於結構簡單的構件，如平直的結構或圓筒形結構的焊接，而且在焊接過程中工件要有良好的支撐或襯墊。原則上，攪拌摩擦焊可進行多種位置焊接，如平焊，立焊，仰焊和俯焊；可完成多種形式的焊接接頭，如對接、角接和搭接接頭，甚至厚度變化的結構和多層材料的連接，也可進行異種金屬材料的焊接。
另外，攪拌摩擦焊作為一種固相焊接方法，焊接前及焊接過程中對環境的污染小。焊前工件無需嚴格的表面清理準備要求，焊接過程中的摩擦和攪拌可以去除焊件表面的氧化膜，焊接過程中也無煙塵和飛濺，同時雜訊低。
由於攪拌摩擦焊僅僅是靠焊頭旋轉並移動，逐步實現整條焊縫的焊接，所以比熔化焊甚至常規摩擦焊更節省能源。
4　攪拌摩擦焊工藝
目前，攪拌摩擦焊在鋁合金的連接方面研究得最多，已成功地進行了攪拌摩擦焊接的鋁合金包括2000系列(Al－Cu)、5000系列(Al－Mg)、6000系列(Al－Mg－Si)、7000系列(Al－Zn－Mg)、8000系列(Al－Li)等。
攪拌摩擦焊工藝參數很簡單，最重要的參數是：攪拌頭的尺寸、攪拌頭的圓周速度以及攪拌頭與工件的相對移動速度。表1是幾種有色金屬常用的焊接速度。一般來說，對於鋁合金的焊接，焊頭的旋轉速度可以從幾百r/min到上千r/min。焊接速度一般在1mm/s～15mm/s之間。所以攪拌摩擦焊可以很方便地實現自動控制。另外，在焊接過程中焊頭要壓緊工件。

表1　有色金屬常用的焊接速度

例如，對1100和6061冷軋板進行攪拌摩擦焊，板厚6.3mm。攪拌頭的直徑為6.3mm,長度為5.8mm。當焊接速度為1～4mm/s，攪拌頭的轉速在200～2000r/min的範圍改變時，形成優質焊縫的最佳轉速是400r/min。在轉速過高時，例如超過10000r/min,引進材料應變速率增加，可能影響焊縫的再結晶過程。
5　焊接接頭性能
在攪拌摩擦焊接頭中，除了包括常見的焊縫區(攪拌區)，熱影響區和母材外，還存在一個攪拌影響區(Stir affected zone)。圖2為在焊接過程中從試件背面拍攝的焊接區形貌，從攪拌區前試件接縫的走向可以明顯看出攪拌影響區的存在。由圖3所示的焊接接頭硬度分佈也能證明攪拌影響區的存在。6061－T6(A1Mg1SiCu)為冷軋時效強化鋁合金，溫度的升高會造成材料硬度和強度的降低，但由於攪拌的影響，使得近鄰焊縫區域的材料發生變形強化，從而形成攪拌影響區。在圖3中，硬度最低點至焊縫邊界之間的區域即為攪拌影響區。

Al 6061－T6試件的攪拌摩擦焊溫度場測試表明，焊縫中心最高溫度為450℃左右(鋁合金母材的熔化溫度約為582℃)，相應的材料屈服強度將由常溫下的約280MPa下降到約20MPa,攪拌高溫足以使鋁合金達到塑性流變狀態而形成高塑變攪拌層［3］。

2014A(AlCu4SiMg)、5083(AlMg4.5Mn)和6082(AlSi1MgMn)鋁合金的攪拌摩擦焊接頭的彎曲試驗結果表明，此三種接頭均可達到180度的彎曲［4］。攪拌摩擦焊焊縫沒有凝固組織，焊縫金屬力學性能沒有顯著退化。所以，拉伸試驗結果表明接頭最薄弱的環節不在焊縫，而是在如圖3中所示的軟化區。表2為6061－T6鋁合金接頭拉伸試驗結果。

表2　6061－T6母材與焊接接頭力學性能

試驗發現：攪拌摩擦焊焊縫的宏觀組織有明顯的塑變流線，呈同心狀。以7075－T6(AlZn5.6Mg2.5Cu1.6)鋁合金為例，板厚6.35mm,焊接速度2.1mm/s,焊縫有再結晶，是細小等軸晶組織，直徑約2～4μm，位錯密度比母材低。母材中非常細小的晶內析出質點(約10nm)，在焊縫中已看不到。這是由於攪拌摩擦焊時，焊縫的溫度雖然沒有達到材料的熔點，但超過了偏析硬化質點的溶解溫度。在攪拌影響區，嚴重的塑性變形使母材晶粒拉長，但在透射電鏡下看不到再結晶。
6　結論
攪拌摩擦焊作為一種新型的摩擦焊接方法，在有色金屬等材料的連接中具有廣闊的應用前景。攪拌摩擦焊採用的設備簡單，工藝參數少且易於控制，焊縫沒有凝固組織，不會產生與材料熔化相關的缺陷，焊接應力或變形也小，而且接頭性能良好，並適於多種接頭結構形式。

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