羅 鍵 陳 歡 劉姍姍

(重慶大學(xué) 機械傳動國家重點試驗室，重慶 400044)

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慣性摩擦焊接頭特性的研究現(xiàn)狀

羅 鍵 陳 歡 劉姍姍

(重慶大學(xué) 機械傳動國家重點試驗室，重慶 400044)

利用飛輪儲存的能量來進行零件連接的摩擦焊為慣性摩擦焊(IFW)，IFW中飛輪取代了連續(xù)驅(qū)動裝置，飛輪的使用使得整個過程在操作上更便捷。文中根據(jù)已有的研究對IFW接頭的特性進行了總結(jié)概述，包括接頭硬度、抗拉強度、沖擊強度等各個方面。重點討論了焊接過程中接頭特性的影響因素，研究了摩擦壓力、時間、頂鍛壓力等因素在接頭焊接中所起的作用，對后續(xù)的焊接研究提供一定的參考。最后探討了慣性摩擦焊目前存在的問題，并提出了未來的發(fā)展方向及研究重點。

慣性摩擦焊 接頭屬性 工藝參數(shù) 現(xiàn)狀與發(fā)展

0 序 言

摩擦焊是通過兩零件的相對運動產(chǎn)生摩擦熱，熱效應(yīng)引起的塑性變形使工件焊接在一起的過程。慣性摩擦焊(IFW)是摩擦焊的一種，它是利用飛輪貯存的能量使一個工件進行旋轉(zhuǎn)，并且旋轉(zhuǎn)速度隨著兩工件的摩擦而逐漸降低，當兩工件摩擦產(chǎn)生的熱到達一定程度時，在另一工件上施加頂鍛壓力，在壓力和熱共同作用下形成一個良好接頭的過程。這種焊接方法廣泛的應(yīng)用在航空、汽車等行業(yè)的零部件連接中。與傳統(tǒng)的氣體保護焊、激光焊等熔化焊相比，IFW具有焊接時間短、熱輸入少、熱影響區(qū)域窄、作業(yè)環(huán)境干凈、操作安全等優(yōu)點。同連續(xù)摩擦焊相比，又具有工藝參數(shù)少、參數(shù)穩(wěn)定性好、便于實現(xiàn)自動控制、接頭質(zhì)量穩(wěn)定等特點。由于在焊接過程中，接頭處于非熔化狀態(tài)，可以避免孔洞、固化裂紋等缺陷。因此，與以往的焊接方式相比，IFW無論是在操作方面還是接頭質(zhì)量方面都具有很大的優(yōu)勢。

IFW的研究一直是一個熱點問題，包括宏觀飛邊的形成、微觀的晶粒尺寸等問題，國內(nèi)外學(xué)者已作了大量研究并取得了一定的成果。羅鍵等人[1]采用CT-25特種摩擦焊機來焊接35CrMnSi 鋼和T3銅材料，并觀察了接頭的焊接面特征以及元素存在狀態(tài)，結(jié)果表明，在焊接界面附近Fe和Cu元素均相互擴散，形成了接合面咬合狀態(tài)良好的接頭。 A.Kurt等人[2]研究了AISI1010鋼和ASTM B22青銅軸向焊接中工藝參數(shù)對接頭性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)摩擦壓力、頂鍛壓力以及時間對接頭性質(zhì)都有影響，但他們的影響趨勢并不完全一致，同時接頭的軸向縮短量隨頂鍛時間的增加呈現(xiàn)指數(shù)增長趨勢。由于青銅材料具有低的屈服強度和高的熱傳導(dǎo)率，焊接過程中，塑性變形主要發(fā)生在銅側(cè)。

目前有關(guān)慣性摩擦焊的綜述大多是對焊接過程和宏微觀接頭特征的總結(jié)討論，而對硬度、腐蝕性能等特性的討論相對較少。文中根據(jù)已有相關(guān)IFW的研究結(jié)果，對IFW的焊接接頭的力學(xué)性能和工藝參數(shù)的影響進行研究總結(jié)，同時探討IFW目前存在的問題及未來發(fā)展的方向。

1 慣性摩擦焊分類

IFW目前主要用于焊接軸對稱類零件，研究較多的為軸向慣性摩擦焊和徑向慣性摩擦焊，兩者施加的頂鍛力方向不同。軸向摩擦焊是當產(chǎn)熱達到一定程度時，沿軸向?qū)ぜ┘禹斿懥?，使兩工件在軸向擠壓下焊接在一起；徑向摩擦焊有徑向加壓軸向焊接和徑向加壓徑向面焊接兩種形式。徑向摩擦焊的兩種形式中，前者常用于石油管道等的連接，焊接過程中長的管道不動，徑向環(huán)進行旋轉(zhuǎn)加壓使長管道焊接在一起。

兩類慣性摩擦焊由于頂鍛壓力方向的不同，焊接過程中材料的流動方向會有所差異，所形成的飛邊形貌也會有差異，但硬度等力學(xué)特性方面具有很多相同之處。

2 接頭力學(xué)特性研究

慣性摩擦焊接頭力學(xué)特性研究的重點和其他焊接方法相同，主要為接頭硬度、抗拉強度、沖擊強度和抗腐蝕性等。以下將從上述幾個方面對接頭性能進行探討。

2.1 微觀硬度

接頭的微觀硬度與微觀組織有關(guān)，焊接過程中由于接頭各個部分經(jīng)歷的熱過程不同，接頭會產(chǎn)生不同的微觀區(qū)域，如母材區(qū)(BM)、熱影響區(qū)(HAZ)、熱機械影響區(qū)(TMAZ)等。通常TMAZ在焊接過程中受到機械力和摩擦熱的雙重作用，該區(qū)域晶粒被拉長，發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，晶粒尺寸小于母材區(qū)，HAZ在摩擦熱的作用下發(fā)生晶粒粗化，晶粒尺寸較大。

通常來說，晶粒尺寸小的區(qū)域微觀硬度大。接頭接觸面處受到熱和力的雙重作用，此處晶粒尺寸最小，微觀硬度最高；HAZ區(qū)域的晶粒尺寸最大，微觀硬度最小。不銹鋼等材料的軸向摩擦焊中，接頭硬度在軸向上距離焊接面不同位置處的硬度值是變化的，其變化規(guī)律與晶粒尺寸變化趨勢相對應(yīng)；同時徑向方向從中心到外表面的硬度值也是不同的。

在鋼材料焊接時，接頭在快速冷卻過程中可能發(fā)生奧氏體到馬氏體的轉(zhuǎn)變，此時硬度也會提高，原因是快速冷卻產(chǎn)生的馬氏體相是一種脆硬組織，具有很高的硬度，可見冷卻速率對接頭的硬度有很大影響。同時馬氏體等脆性相的形成又會降低接頭的沖擊韌性。因此為了提高接頭的焊后性能，通常會對接頭進行熱處理，使接頭中的馬氏體脆性組織再次轉(zhuǎn)化為高溫奧氏體，緩慢冷卻到室溫形成殘余奧氏體和馬氏體的混合物，以提高接頭的沖擊韌性等力學(xué)性能。但后處理可能產(chǎn)生的碳化物等沉淀帶來的脆化效應(yīng)又會降低接頭的韌性，因此，焊后熱處理過程要在一定的控制下進行。

隨著摩擦壓力、時間、頂鍛壓力及轉(zhuǎn)速的提高，接頭溫度升高，導(dǎo)致冷卻速率較大，硬度提高。同時隨著接頭的溫度升高，塑性變形加大，微觀晶粒細化，接頭硬度提高。A.Kurt等人觀察到接頭硬度隨著摩擦和頂鍛壓力的增加而增大，卻隨著頂鍛時間的增加而減小，這可能是因為頂鍛時間的加長使高溫塑性材料過度擠出，接頭冷卻率下降。在奧氏體不銹鋼與銅合金異種材料摩擦焊接過程中，研究發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)速度對接頭的抗拉強度和界面硬度起到主要影響，而頂鍛壓力對接頭的抗拉強度和界面硬度起到較小的影響[3]。

2.2 抗拉強度

接頭抗拉強度取決于有效滑移長度，而滑移長度和焊接接頭的冷卻速率有關(guān)，對于大的冷卻速率，接頭內(nèi)部發(fā)生相變，導(dǎo)致接頭內(nèi)部晶粒方向差異較大，晶粒的滑移受到阻礙，接頭的抗拉強度變大。同時大的冷卻速率產(chǎn)生的硬化組織又會使接頭產(chǎn)生脆化效應(yīng)，降低接頭的強度以及韌性。接頭的冷卻速率主要受焊接工藝參數(shù)影響，因此，選擇合適的工藝參數(shù)對提高接頭強度有很大的意義。

研究工藝參數(shù)對軸向摩擦焊接頭抗拉強度的影響，多個試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)在其他焊接參數(shù)不變的情況下，接頭的抗拉強度隨著摩擦壓力的增大呈現(xiàn)出如圖1的變化趨勢。起初是由于隨著摩擦壓力的增加，接頭的塑性變形增大，強度值逐漸增大，而后隨著壓力的繼續(xù)增加，由于材料的過度擠出以及某些中間相形成，抗拉強度逐漸降低。摩擦?xí)r間也具有類似的影響趨勢，即抗拉強度隨著摩擦?xí)r間的增加到達一個峰值，隨后抗拉強度隨時間的增加而降低?？梢钥闯?，摩擦壓力和時間對抗拉強度的影響具有類似的作用。當參數(shù)選擇合適時，接頭抗拉強度值稍低于抗拉強度較小的母材側(cè)的強度值。

圖1 摩擦壓力對抗拉強度的影響

在低碳鋼和純鋁的摩擦焊中，M.Kimura等人[4]觀察到隨著摩擦?xí)r間的增加，摩擦扭矩逐漸增大直至初始峰值，隨后摩擦扭矩減小。摩擦壓力的增加會減少扭矩到達峰值的時間。接頭效率(接頭抗拉強度和鋁母材極限抗拉強度的比值)和摩擦?xí)r間也有相似的變化趨勢，并且在摩擦扭矩剛過峰值的時刻，接頭效率也達到曲線峰值，即接頭抗拉強度峰值在扭矩剛過峰值的時刻出現(xiàn)。一方面頂鍛壓力的增大可以減小接頭軟化區(qū)域的寬度，從而增大接頭抗拉強度。另一方面由于包辛格效應(yīng)的存在，當焊接過程中的頂鍛壓力大于鋁母材的屈服應(yīng)力時，鋁母材的拉伸強度降低，接頭連接效率下降。因此為了得到高的接頭連接效率，頂鍛壓力不能過大，而摩擦?xí)r間則控制在摩擦扭矩到達初始峰指處。

焊接過程中接頭內(nèi)的脆性金屬間化合物的形成將會降低接頭的抗拉強度。W.B.Lee等人[5]發(fā)現(xiàn)隨著退火時間的增加及溫度的升高，接頭的中間化合物厚度增加，接頭脆性加大，抗拉強度減小。但當焊接參數(shù)選擇合適時，焊接過程能夠很好控制接觸面處中間化合物的厚度，使其不超過一定的范圍，從而獲得較好的接頭質(zhì)量。

在合適的焊接參數(shù)下，接頭能得到很好的抗拉強度以滿足靜態(tài)或動態(tài)環(huán)境下的應(yīng)用。在實際焊接中，使用統(tǒng)計分析的方法能夠得到最優(yōu)的焊接參數(shù)組合。在奧氏體不銹鋼與銅合金異種材料摩擦焊接過程中，采用響應(yīng)面分析法優(yōu)化摩擦焊工藝參數(shù)，獲得抗拉強度最大、界面硬度最小的焊接接頭。采用三因素、五水平中心復(fù)合正交矩陣來確定試驗條件，得到20個焊接接頭，測定了焊接接頭的抗拉強度和界面硬度。采用方差分析方法來確定起顯著作用的參數(shù)，使用回歸分析得到經(jīng)驗關(guān)系模型。使用設(shè)計專家軟件構(gòu)造響應(yīng)圖和等高線圖來優(yōu)化摩擦焊工藝參數(shù)。使用得到的經(jīng)驗關(guān)系模型可以有效地預(yù)測焊接接頭的抗拉強度和界面硬度，其置信水平達95%。從形成的等高線圖可以得到所需的摩擦焊接的最佳條件。

但在同直徑焊接中得出的最優(yōu)參數(shù)組合在不同直徑的焊接應(yīng)用中不一定適用。因為隨著焊接兩工件直徑比率D/d或?qū)挾萕(如圖2所示)的增大，接頭熱損失增大，導(dǎo)致抗拉強度減小,此時的最優(yōu)工藝參數(shù)可能比同直徑的參數(shù)有所增加。

圖2 不同直徑工件的焊接示意圖

有些焊件在使用的過程中承受動載荷的作用，此時需考慮焊接接頭的疲勞強度。在碳鋼和奧氏體不銹鋼的異種金屬焊接中，接頭的疲勞強度值稍低于中碳鋼的值，即接頭疲勞強度由兩種金屬中值較弱的金屬決定，這和接頭的抗拉強度有相似的特性。高速鋼S6-5-2與中碳鋼AISI1040的焊接也觀察到接頭疲勞強度稍低于強度較弱的母材強度[6]。

2.3 剪切強度

徑向摩擦焊中無法測試抗拉強度，但剪切強度與其為線性比例關(guān)系。因此，可以用接頭的剪切強度來衡量抗拉強度。有關(guān)徑向焊接的研究大都顯示接頭剪切強度值足夠，但剪切強度的影響因素沒有過多研究。根據(jù)軸向和徑向焊接的過程及原理大致類似，因此，影響抗拉強度的因素也同樣影響剪切強度。

2.4 沖擊強度

焊接接頭的沖擊強度是接頭特性的另一個考察項，沖擊強度與韌性有關(guān)。接頭的沖擊韌性受材料微觀組織及屈服力的影響。韌性大小取決于裂紋延展的難易而不是裂紋產(chǎn)生的難易，裂紋路徑影響著裂紋的延展。對于微觀組織粗糙的接頭，由于晶粒間的屈服應(yīng)力、組織成分和硬化率等的差異，使得裂紋路徑發(fā)生偏移，裂紋延展困難，接頭的沖擊韌性提高。反之，對于微觀結(jié)構(gòu)平滑的接頭，裂紋延展更容易，接頭容易發(fā)生沖擊斷裂。研究發(fā)現(xiàn)微觀晶粒尺寸影響著接頭的沖擊韌性，這可能是因為晶粒尺寸的大小影響著微觀結(jié)構(gòu)的均勻性，同樣會對裂紋的延展路徑產(chǎn)生影響，從而影響接頭的沖擊韌性。當然焊接過程中，脆性相的形成會降低接頭的韌性，使其沖擊強度下降。

在異種金屬的慣性摩擦焊中，接頭的沖擊強度由兩種金屬共同決定。M.Sahin等人[7]在中碳鋼和奧氏體不銹鋼的焊接中發(fā)現(xiàn)，接頭的沖擊強度由強度較大的母材金屬決定，這與接頭的抗拉強度特性有所不同。將中碳鋼AISI1040和高速鋼AISI304進行慣性摩擦焊接，接頭沖擊強度稍大于AISI304的沖擊強度。但不銹鋼AISI304的同種材料的慣性摩擦焊中，試驗中接頭的沖擊強度約為母材金屬的2倍[8]?？梢钥闯?，在合適的焊接條件下，可以得到比母材沖擊強度大的接頭，保證焊件承受沖擊的能力。

2.5 抗腐蝕性

抗腐蝕性是焊件抵抗腐蝕的能力。焊件可能應(yīng)用在腐蝕性的環(huán)境中，接頭的耐腐蝕性是焊接研究的另一個重點問題。P.Woollin[9]等人發(fā)現(xiàn)超級馬氏體焊接接頭抵抗晶間應(yīng)力腐蝕開裂的能力與Cr元素的含量有關(guān)，Cr含量的增加有助于提高焊件的抗腐蝕性。當Cr元素以C，N化合物的形式沉淀時，形成Cr消散區(qū)域，這一區(qū)域容易發(fā)生晶間應(yīng)力腐蝕開裂。試驗中采用后處理的方法使Cr再次溶解，以減少晶間腐蝕。但是后處理存在著若干問題，如氧化層變厚、抗點蝕能力降低、形成馬氏體降低抗沖擊強度等。另外，在焊接材料中加入Ti元素，由于其更容易與焊接材料中的C，N形成C，N化合物，從而避免Cr元素的大量沉淀，起到提高抗腐蝕性的作用。

除了改善接頭自身的性質(zhì)，還可以通過添加保護措施的方法提高接頭抗腐蝕性，即通過在接頭表面添加防護層，隔絕接頭材料與周圍環(huán)境的接觸，比如常見的噴漆、鍍層等方法。

2.6 元素擴散

焊接過程中，接頭處發(fā)生元素擴散，待焊的兩個材料在接觸面處相互熔合，發(fā)生冶金反應(yīng)，從而形成兩工件的連接。中碳鋼和高速鋼焊接的過程中,碳原子從中碳鋼向高速鋼擴散，中碳鋼出現(xiàn)脫碳區(qū)域，硬度、強度降低。元素擴散程度的大小在一定程度上決定了焊接接頭的優(yōu)劣。對于一個好的焊接接頭，充分的元素擴散是必需的。元素的擴散量和擴散常數(shù)有關(guān)，而擴散常數(shù)又取決于原子遷移率。遷移率越大，擴散常數(shù)越大，元素擴散越多。晶格配位數(shù)也起著很大的作用，配位數(shù)大時，擴散系數(shù)變大，元素擴散進入的程度加大。

在35CrMnSi/T3的焊接過程中，羅鍵等人在焊接界面觀察到Fe和Cu元素的擴散現(xiàn)象，并且由于Fe，Cu元素晶格配位數(shù)的不同，F(xiàn)e擴散到Cu基體的距離比Cu擴散到Fe基體的大。Fe/Cu元素在擴散進入的基體中以有限溶解度的固溶體或氧化物的形式存在。在研究Cu/Al摩擦焊接頭內(nèi)中間化合物的特性時，發(fā)現(xiàn)電流作用使得擴散沿著位錯、晶粒邊界等短程路徑進行而非穿過晶格擴散，這時原子的擴散速度加快，中間化合物形成厚度加大[10]。

與焊接接頭的其他特性類似，工藝參數(shù)的增加能使接頭的塑性變形變大，接合面的咬合程度變大，元素間的擴散程度更大，從而形成結(jié)合能力更好的接頭。

2.7 材料流動

在慣性摩擦焊的過程中，由于焊接零件存在相對運動，產(chǎn)生的摩擦熱使接觸面材料發(fā)生塑性變形，而粘塑性材料在頂鍛壓力的作用下被擠出形成飛邊，焊接過程存在著材料的流動現(xiàn)象。材料良好的塑性流動是形成完好接頭的前提條件。若焊接不能保證充分的塑性流動，則會由于焊縫兩側(cè)的材料無法充分融合而形成未焊合缺陷，不能形成良好接頭；同時由于材料流動不充分，飛邊形成少，焊接表面的氧化層膜不能被完全擠出，接頭中殘存的雜質(zhì)會降低接頭強度。

軸向摩擦焊和徑向摩擦焊的材料流動存在一定的差異。軸向摩擦焊中，材料沿接觸面徑向向外流出，在靠近焊接表面處，流動方向幾乎平行于接觸面，如圖3所示；而在徑向焊接中，摩擦環(huán)相對內(nèi)部軸或環(huán)狀焊件進行旋轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生摩擦熱，接觸處附近的材料發(fā)生塑性變形，徑向環(huán)在頂鍛力的作用下將接觸面的塑性材料擠出，在徑向環(huán)的兩端形成飛邊，如圖4所示。

焊接工藝參數(shù)對材料的流動速度和方向都有一定的影響。工件的旋轉(zhuǎn)速度、摩擦力和時間等工藝參數(shù)的增大會加速焊接過程的熱量產(chǎn)生，使材料塑性變形加大，流動能力增強。因此，工藝參數(shù)的加大會導(dǎo)致焊接接頭的飛邊增加。軸向焊接中，飛邊的形成同時伴隨著軸向縮短量的產(chǎn)生，縮短量的多少也受到焊接的工藝參數(shù)影響，通常隨著工藝參數(shù)的增加而增加。足夠的飛邊或者軸向縮短量能夠保證形成強度足夠、缺陷較少的焊接接頭，但飛邊的產(chǎn)生并不是越大越好，過多的材料擠出會導(dǎo)致接頭的熱量流失，降低抗拉強度。因此，在焊接過程中，應(yīng)選擇合適的工藝參數(shù)以得到合適的飛邊。

圖3 軸向摩擦焊材料流動圖

圖4 徑向摩擦焊中材料流動圖

焊接飛邊的產(chǎn)生同時受材料自身特性的影響。在常見的焊接材料中，與不銹鋼相比，鋁和銅的熔點低，屈服應(yīng)力小，導(dǎo)熱系數(shù)大。因此，鋁或銅與不銹鋼的摩擦焊中，前者塑性變形大，形成的飛邊大，而鋼側(cè)塑性變形小，形成的飛邊小。中碳鋼和高速鋼的焊接中，由于中碳鋼的高溫強度比高速鋼小，中碳鋼在焊接過程中產(chǎn)生了較大飛邊。在不銹鋼與銅的焊接中，飛邊不僅隨著工藝參數(shù)的增加而增大，同時受到銅合金的密度影響，即密度的增大導(dǎo)致飛邊的增大。

3 IFW的現(xiàn)狀及展望

上文對IFW的接頭特性進行了研究總結(jié)，可以看出與傳統(tǒng)焊接相比，IFW的焊接過程更易控制，接頭質(zhì)量也更容易保證，而且焊接接頭容易避免在熔化焊中常見的缺陷，具有很大的應(yīng)用前景。但是有關(guān)慣性摩擦焊的研究仍舊不夠充分，相對軸向焊接，徑向摩擦焊的研究信息更少，現(xiàn)有的研究大多局限在接頭是否焊合等初步階段。工業(yè)生產(chǎn)中，銅、鋁、鋼的應(yīng)用都非常廣泛，一定會涉及到它們之間的連接問題，而對IFW焊接材料的研究中，更多地集中在鋼之間或銅鋼之間，而對于銅鋁或鋁鋼的研究相對較少。徑向摩擦焊的焊接常用CT-25/CT-130等系列焊機，徐曉菱團隊研發(fā)的CT-J150/235特種摩擦焊機，可以完成連續(xù)驅(qū)動軸向摩擦焊、慣性驅(qū)動軸向摩擦焊、飛輪摩擦焊和慣性徑向摩擦焊，通過添加定相位裝置亦能進行軸向的相位摩擦焊。目前國內(nèi)IFW焊機的自動化、智能化程度不高，與國際水平相比還有很大差距。

徑向摩擦焊有很大的應(yīng)用前景，是未來IFW研究的一個重點，尤其是剪切機制、硬度等力學(xué)特性方面的問題。另外，擴大焊接材料范圍也是一個重點方向，研究更多材料的焊接特性才能擴大IFW在工業(yè)中的應(yīng)用范圍。同時，開發(fā)低成本、高效、智能的摩擦焊機也是亟待研究的課題。

4 結(jié) 論

通過對IFW接頭的硬度、抗拉強度、沖擊強度和腐蝕性等的討論，概括出了IFW的接頭特征及影響因素，對后續(xù)的焊接過程有一定的參照指導(dǎo)作用。

研究發(fā)現(xiàn)焊接工藝參數(shù)對接頭的性能有較大影響。隨著工藝參數(shù)的增加，焊接界面的產(chǎn)熱量增加，接頭冷卻速率變大，接頭硬度增大；同時大的冷卻速率使得接頭內(nèi)部發(fā)生相變，晶粒滑移受到更大阻礙，抗拉強度增大。但焊接參數(shù)超過一定范圍后，塑性材料被過度擠出，冷卻速率有下降的趨勢。焊接過程中熱量的增加，使得材料塑性變形大，接觸面處的材料咬合程度大，元素擴散充分；同時材料流動能力大，形成大的飛邊。為了得到缺陷少、強度大的接頭，在焊接中可采用統(tǒng)計分析的方法確定最優(yōu)的工藝參數(shù)組合。

盡管IFW有很大的優(yōu)勢，在未來的工業(yè)發(fā)展中存在巨大潛能，但目前有關(guān)IFW的研究仍不夠充分，IFW在工業(yè)中的應(yīng)用范圍也不夠廣泛。另外，開發(fā)低成本、自動化、智能化的IFW焊機也是亟待解決的課題。

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2016-03-21

TG456.9

羅 鍵，1971年出生, 教授, 博士生導(dǎo)師。主要從事摩擦焊研究。