劉全龍,孔 諒,王 敏

（上海交通大學(xué)上海市激光制造與材料改性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240）

異種材料及復(fù)合熱源攪拌摩擦焊

劉全龍,孔 諒,王 敏

（上海交通大學(xué)上海市激光制造與材料改性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240）

在對(duì)接和搭接方式中，異種材料攪拌摩擦焊相較于同種材料分別具有一些額外的焊接參數(shù)，并且對(duì)攪拌頭材料也有更苛刻的使用要求?？偨Y(jié)近年來(lái)異種材料攪拌摩擦焊的研究現(xiàn)狀，介紹異種材料攪拌摩擦焊過(guò)程中脆性金屬間化合物的生成及其對(duì)焊接接頭的力學(xué)性能產(chǎn)生的影響。從金屬流動(dòng)機(jī)理和數(shù)值模擬方面，研究金屬間化合物的生成和成長(zhǎng)規(guī)律，給出針對(duì)金屬間化合物可能的解決方法。針對(duì)高熔點(diǎn)焊材，介紹復(fù)合熱源攪拌摩擦焊技術(shù)、常用的輔助熱源以及復(fù)合熱源攪拌摩擦焊在異種材料攪拌摩擦焊方面的優(yōu)點(diǎn)和研究的不足之處。

異種材料；攪拌摩擦焊；金屬間化合物；復(fù)合熱源攪拌摩擦焊

0前言

攪拌摩擦焊（FSW）作為一種固相連接技術(shù)，具有成本低、無(wú)污染，接頭無(wú)氣孔、裂紋等缺陷，且焊后殘余應(yīng)力及變形小等諸多優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車(chē)、船舶等諸多結(jié)構(gòu)制造領(lǐng)域。異種材料連接結(jié)構(gòu)具有兩種材料綜合的優(yōu)異性能，可滿(mǎn)足不同工作條件對(duì)材料的要求。攪拌摩擦焊對(duì)材料的適應(yīng)性很強(qiáng)，基本不受材料的物理化學(xué)性能、力學(xué)特性及晶體結(jié)構(gòu)等因素影響，對(duì)克服不同材料間性能差異帶來(lái)的焊接困難具有極大優(yōu)勢(shì)。因此攪拌摩擦焊焊接異種材料是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

在此歸納和總結(jié)異種材料FSW的研究現(xiàn)狀，并提出一些改進(jìn)FSW的新思路。

1異種材料攪拌摩擦焊接工藝

相較于同種材料攪拌摩擦焊接工藝參數(shù)，如攪拌頭轉(zhuǎn)速、焊接速度、軸肩下壓量、傾角等，異種材

料攪拌摩擦焊具有一些額外參數(shù)。

1.1對(duì)接接頭

焊接工件的相對(duì)位置會(huì)影響焊縫質(zhì)量。攪拌摩擦焊前進(jìn)邊和返回邊的溫度不同，因此應(yīng)注意導(dǎo)熱率相差大的異種材料相對(duì)位置。一般認(rèn)為將熔點(diǎn)較高的金屬放在溫度高的一側(cè)更有利于金屬的塑化和流動(dòng)，能獲得質(zhì)量較好的焊縫，否則會(huì)導(dǎo)致低熔點(diǎn)材料熔化，影響金屬流動(dòng)，而高熔點(diǎn)的焊件卻沒(méi)有達(dá)到塑化狀態(tài)，嚴(yán)重降低接頭質(zhì)量。如鋁鋼攪拌摩擦焊中，一般將鋼放在前進(jìn)邊，鋁置于返回邊。異種材料FSW對(duì)接焊參數(shù)示意如圖1所示。

圖1 異種材料FSW對(duì)接焊接參數(shù)示意

張偉等人[1]研究了3A21/6063異種鋁合金FSW工藝參數(shù)及其對(duì)焊接接頭成形以及力學(xué)特性的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)分析表明，將強(qiáng)度較高的3A21鋁合金放置于前向邊可以獲得質(zhì)量較好的接頭。

王希靖[2]研究了鋁/銅異種材料的FSW焊接工藝。結(jié)果表明，當(dāng)銅板放置在后向邊、鋁合金板材放置在前向邊時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)鋁/銅異種金屬的有效連接。

另外，探針相對(duì)焊接接縫的偏移量也會(huì)影響焊接接頭的質(zhì)量。FSW焊接過(guò)程中，一般攪拌針偏向熔點(diǎn)較小的材料一側(cè)。如在鋁鋼FSW焊接過(guò)程中，攪拌針中心線位置偏向鋁合金一側(cè)。王磊[3]等人認(rèn)為5A06-H112鋁合金和304L不銹鋼熔點(diǎn)相差較大，攪拌針中心線若設(shè)置在偏向304L不銹鋼一側(cè)，會(huì)造成其摩擦熱輸入過(guò)高而熔化5A06-H112鋁合金，無(wú)法形成焊接接頭。董豐波[4]等人研究認(rèn)為攪拌針相對(duì)配合面的偏移量對(duì)接頭的宏觀形貌有一定影響，合適的偏移能解決異種金屬中攪拌針粘連問(wèn)題。

1.2搭接接頭

對(duì)FSW搭接接頭方式，一般將低熔點(diǎn)、低硬度材料置于上方，而高熔點(diǎn)、高硬度材料置于下方。攪拌針插入深度也會(huì)對(duì)焊縫產(chǎn)生重要影響。

Ahmed[5]等人進(jìn)行了1100純鋁和鍍鋅低碳鋼的FSW搭接焊試驗(yàn)。結(jié)果表明，當(dāng)攪拌針沒(méi)有觸到鋼底板表面時(shí)，焊后接頭的抗拉強(qiáng)度很低；當(dāng)攪拌針的熔深位于鋼底板表面以下約0.1 mm時(shí)，所得焊后接頭的強(qiáng)度明顯提高。

1.3攪拌頭材料

在含有高熔點(diǎn)金屬的異種材料攪拌摩擦焊中，對(duì)攪拌頭材料要求嚴(yán)格。在鋁-鋼、鋁-銅、鎂-鈦等異種材料FSW過(guò)程中，攪拌頭通常需具有良好的耐高溫和耐磨性，能滿(mǎn)足使用要求的攪拌頭材料一般是難熔金屬合金或者結(jié)構(gòu)陶瓷、金屬基燒結(jié)材料、組合立方氮化硼等。合適材料的攪拌頭能夠增加摩擦，提高熱量的輸入，有利于焊縫金屬塑化和提高焊接質(zhì)量。如鋁-鋼攪拌摩擦焊中，安井利明[6]等人采用了兩種材料組合的攪拌頭：軸肩采用模具鋼，探針材料為Wo-Co合金鋼，有效提高了攪拌頭的耐磨性和產(chǎn)熱量。

2異種材料攪拌摩擦焊研究現(xiàn)狀

目前異種金屬FSW的研究較多的是鎂-鋁異種材料攪拌摩擦焊技術(shù)，此外，利用攪拌摩擦焊還可以較方便地實(shí)現(xiàn)銅-鋁復(fù)合焊接接頭和鋁-鋼板材之間的連接。

2.1鋁-鎂異種金屬

王東[7]等人對(duì)厚6 mm的6061Al-T651鋁合金與AZ31鎂合金板材以攪拌頭轉(zhuǎn)速300 r/min、前進(jìn)速度100 mm/min進(jìn)行攪拌摩擦焊接，在Mg/Al兩種合金界面處均發(fā)現(xiàn)Mg17Al12相的生成和由于共晶相熔化和隨后冷卻所形成的孔洞，在焊核區(qū)形成的少量Mg17Al12略微提高了焊核區(qū)的硬度，但是界面金屬間化合物的生成以及孔洞的產(chǎn)生嚴(yán)重降低了焊接接頭的拉伸強(qiáng)度，成為焊接接頭薄弱區(qū)。

Chen[8]等人進(jìn)行了AC4C Al合金和AZ31 Mg合金薄板FSW搭接焊試驗(yàn)。結(jié)果表明，當(dāng)AZ31 Mg合金在底部且攪拌頭不接觸其表面時(shí)，對(duì)AC4C Al合金和AZ31 Mg合金薄板進(jìn)行FSW搭接焊是可行的。兩薄板可通過(guò)界面反應(yīng)生成的金屬間化合物Al12Mg17，Al3Mg2以及Mg2Si進(jìn)行有效連接。并且采用較低的焊接速度對(duì)AC4C Al合金和AZ31 Mg合金薄板進(jìn)行FSW焊接能得到力學(xué)性能優(yōu)良的搭接接頭。

2.2鋁-銅異種金屬

研究表明，采用傳統(tǒng)的攪拌摩擦焊工藝很難得到無(wú)缺陷的鋁-銅異種金屬接頭。對(duì)于鋁-銅異種金屬薄板（≤3 mm）的攪拌摩擦焊接，此前的研究認(rèn)為在較高轉(zhuǎn)速下可以得到無(wú)缺陷的攪拌摩擦焊接頭，如Liu等人[9]在鋁-銅的攪拌摩擦焊接中采用了950～1180 r/min的轉(zhuǎn)速。

董豐波、張春杰[4]等人對(duì)鋁合金5A06和紫銅T2進(jìn)行攪拌摩擦對(duì)接焊，經(jīng)試驗(yàn)選取適當(dāng)焊接工藝參數(shù)，能實(shí)現(xiàn)接頭組織、性能優(yōu)良的Al/Cu異種金屬的FSW連接。試驗(yàn)表明，當(dāng)攪拌頭轉(zhuǎn)速1 050 r/min、焊接速度45 mm/min、攪拌針相對(duì)配合面偏向鋁板側(cè)0.2 mm時(shí)，接頭的抗拉強(qiáng)度可達(dá)225 MPa，為母材紫銅T2的76.4％；顯微硬度曲線中焊核區(qū)硬度值波動(dòng)較大，并且焊核區(qū)有新相產(chǎn)生。

王永健[10]采用不同的工藝參數(shù)對(duì)3 mm厚的T2純銅板材與5383鋁合金板材進(jìn)行了對(duì)接攪拌摩擦焊試驗(yàn)。證明攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度和軸肩壓力等工藝參數(shù)都會(huì)影響T2純銅板材與5383鋁合金板材的對(duì)接攪拌摩擦焊接頭的抗拉性能和耐腐蝕性能。結(jié)果表明，選擇合適的工藝參數(shù)能夠成功實(shí)現(xiàn)T2純銅板材與5383鋁合金板材的對(duì)接攪拌摩擦焊，攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度和軸肩壓力都會(huì)影響接頭的拉伸性能和耐腐蝕性能，試驗(yàn)結(jié)果顯示其最優(yōu)工藝參數(shù)為：攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度ω=950r/min、焊接速度v=140mm/min、ω/v=6.79、軸肩壓力P=8 kN。

2.3鋁-鋼異種金屬

王磊[3]等人采用攪拌摩擦焊焊接6 mm厚度的5A06-H112鋁合金與304L不銹鋼，得出在攪拌針轉(zhuǎn)速為600 r/min、焊接速度50 mm/min、鋁合金置于前進(jìn)側(cè)時(shí)，能得到較好的焊接接頭。

邢麗[11]等人以轉(zhuǎn)速為1 180 r/min、焊接速度95～150 mm/min對(duì)LF6防銹鋁合金和ST12低碳鋼進(jìn)行攪拌摩擦焊對(duì)接及搭接焊接，結(jié)果表明：當(dāng)?shù)吞间撐挥诮宇^的返回邊時(shí)，用攪拌摩擦焊方法可得到焊縫表面成形良好、無(wú)缺陷、無(wú)變形的鋁合金與鋼的對(duì)接接頭。對(duì)接接頭焊縫表面低碳鋼與鋁合金呈交疊分布，焊縫橫截面上兩種材料有較好的混合。搭接接頭的焊縫截面呈“鉗子”或彎鉤狀的分布，焊核處鋼與鋁合金有較好的混合，表現(xiàn)為塑性結(jié)合，接頭的抗剪切性能較好。對(duì)接接頭的拉伸試樣斷裂在焊核區(qū)邊緣偏低碳鋼側(cè)，可能在焊核區(qū)形成硬度較高的脆性金屬間化合物。

3異種金屬攪拌摩擦焊金屬間化合物

在異種材料攪拌摩擦焊接過(guò)程中，一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是其接頭中脆性的金屬間化合物的生成。焊接接頭金屬間化合物的存在嚴(yán)重影響了焊接接頭質(zhì)量。

A.A.Mclean和G.L.F.Powell等人[12]對(duì)5083鋁合金和AZ31鎂合金進(jìn)行攪拌摩擦焊連接，力學(xué)性能測(cè)試發(fā)現(xiàn)焊縫幾乎沒(méi)有延展性。SEM分析發(fā)現(xiàn)焊縫中存在一個(gè)薄界面層，通過(guò)X射線分析，金屬間化合物Al12Mg17在鋁合金和鎂合金之間以連續(xù)平面層的形式存在，貫穿整個(gè)攪拌區(qū)，如圖2所示。該層與鋁合金的結(jié)合力非常微弱，拋光時(shí)試樣會(huì)出現(xiàn)裂紋?？赏ㄟ^(guò)改變焊接溫度或在鋁鎂合金中混入一種中間材料來(lái)控制離異共晶體的形成。

圖2 鋁-鎂合金焊縫微觀形貌

H.Springer[13]等人在鋁和低碳鋼的攪拌摩擦焊接中研究了金屬間化合物層厚度與接頭的拉伸強(qiáng)度的關(guān)系，如圖3所示。結(jié)果表明：當(dāng)金屬間化合物層厚度小于7 μm時(shí)，低碳鋼與Al（99.5％）焊接接頭拉伸強(qiáng)度保持在55 MPa，焊縫延展性較好，分析認(rèn)為在金屬間化合物層生成的同時(shí)，Al側(cè)接頭的恢復(fù)和再結(jié)晶導(dǎo)致了此區(qū)域的軟化；當(dāng)金屬間化合物厚度超過(guò)7 μm時(shí)，接頭強(qiáng)度急劇下降，在鋼鋁界面處為脆性斷裂，脆性金屬間化合物層的厚度增加導(dǎo)致了接頭質(zhì)量的下降。

圖3 低碳鋼和Al（99.5％）/AlSi5（5％Si）FSW接頭極限抗拉強(qiáng)度與金屬間化合物層厚度關(guān)系曲線

Mofid等人[14]使用水下攪拌摩擦埋焊（SFSW）方法對(duì)鋁-鎂異種金屬進(jìn)行焊接以探索減少金屬間化合物形成的可行性。結(jié)果表明，由于熱輸入量較低，SFSW過(guò)程會(huì)產(chǎn)生較低的峰值溫度，從而限制金屬間化合物的形成。

Chang等人[15]將Ni箔作為填料，成功對(duì)Al6061-T6鋁合金板和AZ31鎂合金板進(jìn)行攪拌摩擦焊接。不使用填料Ni箔進(jìn)行焊接時(shí)，接頭橫向拉伸強(qiáng)度達(dá)到Mg側(cè)母材的約38％；使用Ni箔時(shí)，接頭橫向拉伸強(qiáng)度達(dá)到Mg側(cè)母材的約45％。分析認(rèn)為，Ni箔避免了脆性金屬間化合物Al12Mg17的生成。

異種材料FSW工藝的技術(shù)難點(diǎn)主要為界面脆性化合物層厚度的控制?？尚写胧┤缦拢?/p>

充分認(rèn)識(shí)FSW過(guò)程中金屬流動(dòng)機(jī)理，利用數(shù)值模擬方法，結(jié)合物理模擬，避免費(fèi)時(shí)耗資的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，建立異種材料FSW過(guò)程的正確理論如溫度場(chǎng)等，有效指導(dǎo)異種材料FSW；深入研究異種材料FSW工藝中界面處金屬間化合物的生成和成長(zhǎng)規(guī)律以及不同元素在界面處的分布規(guī)律；通過(guò)測(cè)量層間溫度，控制焊接溫度使其低于異種材料的共晶反應(yīng)溫度，既可保證異種材料達(dá)到高度塑性狀態(tài)，又有利于控制金屬間化合物的析出；增加熱輸入以提高被焊材料的塑性流動(dòng)能力；在待焊母材表面鍍一層過(guò)渡層材料，抑制金屬間化合物的形成及長(zhǎng)大[16]。

4輔助熱源攪拌摩擦焊技術(shù)

針對(duì)含高熔點(diǎn)焊材的異種材料攪拌摩擦焊問(wèn)題，引入了輔助熱源攪拌摩擦焊技術(shù)。輔助熱源可分別加熱焊縫兩側(cè)金屬，使異種材料同時(shí)達(dá)到塑性狀態(tài)。比如鋁-不銹鋼、鋁-鈦合金攪拌摩擦焊接過(guò)程中，輔助熱源偏置于熔點(diǎn)較高的材料一側(cè)，一方面提高其軟化程度，另一方面避免熔點(diǎn)較低的材料過(guò)熱，從而提高整體的材料流動(dòng)能力，最終獲得良好的焊接接頭。

輔助熱源為焊縫提供了額外的熱量，材料被預(yù)熱軟化，由攪拌工具的機(jī)械作用產(chǎn)生的摩擦熱也會(huì)相應(yīng)減少，也可以減少攪拌頭的磨損。常用的復(fù)合熱源有感應(yīng)熱、激光、超聲、電弧、電阻熱等[17]。

Bang[18]在異種材料（鋁-鈦合金）的焊接研究中發(fā)現(xiàn)，利用電弧預(yù)熱鈦合金一側(cè)，焊接熱循環(huán)測(cè)試中鋁合金一側(cè)的峰值溫度與常規(guī)FSW基本相同，而鈦合金一側(cè)的峰值溫度比常規(guī)FSW的峰值溫度高40℃～110℃，在一定程度上提高了鈦合金一側(cè)的軟化程度，增加了兩種材料的混合。

異種材料的焊接由于材料性能的差異成為難題，F(xiàn)SW作為固態(tài)焊能夠提高異種材料的可焊性，研究還發(fā)現(xiàn)，加入輔助熱源后能夠提高異種材料的接頭強(qiáng)度。Chang等人在鋁-鎂攪拌摩擦焊接時(shí)加入Ni的中間層，常規(guī)FSW接頭拉伸強(qiáng)度115 MPa，在焊接條件不變的情況下，引入2 kW的激光輔助熱源后，接頭抗拉強(qiáng)度提高到169 MPa，組織分析結(jié)果表明激光的輔助能夠減少不利的金屬間化合物的產(chǎn)生。

M.Merklein[19]等人采用激光加熱輔助攪拌摩擦焊接厚度約1 mm的深沖鋼DC04和AA6016-T4鋁合金板材，分組對(duì)比研究了攪拌頭轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度及激光器功率對(duì)焊縫的抗拉強(qiáng)度、杯形拉伸性能及微觀組織的影響。結(jié)果表明：采用二極管激光器預(yù)熱鋼板可以使焊接速度增加到2 000 mm/min，拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示焊件抗拉強(qiáng)度為200 MPa，達(dá)到鋁合金母材的80％。焊件的拉深比為1.6，力學(xué)性能明顯改善；最重要的是鋼鋁焊接界面沒(méi)有出現(xiàn)金屬化合物相。這些都表明激光輔助攪拌摩擦焊方法在提高焊接速度和接頭強(qiáng)度等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。

Hansur Bang[20]等人對(duì)比研究了3mm厚Al6061-T6鋁合金與STS304不銹鋼的攪拌摩擦焊及鎢極氬弧加熱輔助攪拌摩擦焊，接頭應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示。結(jié)果表明，采用鎢極氬弧預(yù)熱時(shí)以轉(zhuǎn)速300 r/min進(jìn)行攪拌摩擦焊可得到無(wú)缺陷的鋼/鋁焊接件。HFSW（鎢極氬弧輔助攪拌摩擦焊）所得焊件最大抗拉強(qiáng)度為290 MPa，為鋁合金母材的93％，比FSW高15％。并且接頭斷裂形式表現(xiàn)為韌性斷裂，斷裂面顯示出韌窩，局部表現(xiàn)為帶有解理面的脆性破壞。

熱源輔助攪拌摩擦焊利用輔助熱源提供額外的熱量，彌補(bǔ)了常規(guī)FSW焊接的不足，提高了FSW的焊接質(zhì)量和焊接速度。但缺乏對(duì)多種熱源輔助攪拌摩擦焊技術(shù)的連接機(jī)制的深入研究，焊接工藝也有待進(jìn)一步優(yōu)化，輔助熱源FSW未來(lái)應(yīng)致力于提高輔助熱源加熱位置以及熱輸入大小的可控性[17]。

5結(jié)論

異種材料連接結(jié)構(gòu)的應(yīng)用前景不斷擴(kuò)大，而對(duì)于攪拌摩擦焊有色金屬材料（如鋁-鎂、鋁-銅、鋁-鋼等）的連接具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

異種材料攪拌摩擦焊除有同種材料FSW的工藝參數(shù)外，還有對(duì)接接頭方式中焊材的相對(duì)位置、探

針相對(duì)焊接接縫的偏移量、以及搭接方式中的焊材上下位置、攪拌針插入深度等。

圖4 Al6061-T6/STS304的FSW/HFSW（鎢極氬弧輔助攪拌摩擦焊）接頭應(yīng)力應(yīng)變曲線

異種材料的攪拌摩擦焊技術(shù)存在的難題是接頭中金屬間化合物的生成會(huì)不利于其力學(xué)性能。解決措施為：對(duì)異種材料FSW過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，深入研究焊接機(jī)理（溫度場(chǎng)，材料流動(dòng)等）；保證塑性流動(dòng)的情況下，控制接頭溫度使其低于兩金屬的共晶反應(yīng)點(diǎn)；合理調(diào)整焊接參數(shù)（包括焊前板材的放置位置、攪拌針的偏移量、插入位置等），控制金屬間化合物的生成；在待焊金屬表面鍍層；引入輔助熱源，預(yù)熱軟化材料，提高金屬塑性流動(dòng)能力等。

引入新熱源，偏置于熔點(diǎn)較高的材料一側(cè)，提高其軟化程度，同時(shí)避免熔點(diǎn)較低的材料過(guò)熱，從而提高整體材料流動(dòng)能力，最終提高焊接接頭質(zhì)量。

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Friction stir welding for dissimilar materials and heat assisted friction stir welding technology

LIU Quanlong，KONG Liang，WANG Min
（Shanghai Key Laboratory of Materials Laser Processing and Modification,Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China）

This paper points out the characteristics and applications of the friction stir welding technology（FSW）and its advantages in dissimilar materials connection.There are respectively some extra welding parameters in friction stir welding of dissimilar materials compared to that of similar materials in the butt and lap joint.The materials of the pin tool are stringently required.The research status of the friction stir welding（FSW）of dissimilar materials in recent years is briefly summarized.The formation and the influence on themechanicalpropertiesofthebrittle inter metallic compounds（IMC）duringthefrictionstirweldingofdissimilarmaterialsareintroduced. In the aspects of metal flow mechanism and numerical simulation，research the formation and growth of inter metallic compounds and put forward possible solutions.For high-melting-point materials，this paper introduces the heat assisted friction stir welding technology, common heat source，the advantages of heat assisted FSW in dissimilar materials welding and the shortage of research on heat assisted FSW.Dissimilar materials welding and the shortage of research on heat assisted FSW.

dissimilar materials；friction stir welding；intermetallic compound；heat assisted friction stir welding technology

TG453+.9

C

1001-2303（2016）11-0050-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.11.09

獻(xiàn)

劉全龍，孔諒，王敏.異種材料及復(fù)合熱源攪拌摩擦焊[J].電焊機(jī)，2016，46（11）：50-54.

2016-05-16；

2016-07-18

劉全龍（1991—），男，江蘇徐州人，在讀碩士，主要從事焊接自動(dòng)化工程與控制方面的研究。