付瑞東，李藝君

燕山大學(xué)亞穩(wěn)材料制備技術(shù)與科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河北秦皇島 066004

1 序言

攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding, FSW）是由英國(guó)焊接研究所（TWI）于1991年發(fā)明的一項(xiàng)全新固態(tài)焊接技術(shù)[1]，至今已走過(guò)近30年的發(fā)展歷程。最初，這種焊接方法主要用于解決高強(qiáng)鋁合金熔化焊中存在的氣孔、熱裂紋等冶金問(wèn)題，因此航空航天領(lǐng)域是這一技術(shù)的主要應(yīng)用市場(chǎng)。隨著人們對(duì)攪拌摩擦焊焊接機(jī)理認(rèn)識(shí)的不斷深入，其特有的大應(yīng)變、高應(yīng)變速率、熱變形組織特點(diǎn)和優(yōu)異的焊接接頭性能，已逐漸被用于其他領(lǐng)域金屬材料的焊接[2]。截至目前，對(duì)攪拌摩擦焊技術(shù)的關(guān)注度仍然很高，圖1a是基于美國(guó)工程索引統(tǒng)計(jì)的自1994—2020年發(fā)表的文章數(shù)量，顯示發(fā)表文章數(shù)量呈現(xiàn)逐年增加的趨勢(shì)。圖1b是世界各國(guó)發(fā)表文章數(shù)量統(tǒng)計(jì)，從中可以看出，我國(guó)已成為開(kāi)展此項(xiàng)技術(shù)研究最多的國(guó)家，同時(shí)也說(shuō)明攪拌摩擦焊技術(shù)在中國(guó)已受到廣泛重視。本文僅從攪拌摩擦焊技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展概況、最新進(jìn)展以及未來(lái)發(fā)展方向等三方面進(jìn)行簡(jiǎn)要概述。

圖1 世界各國(guó)自1994年以來(lái)發(fā)表文章數(shù)量統(tǒng)計(jì)

2 攪拌摩擦焊技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展歷程

2002年至今攪拌摩擦焊技術(shù)在我國(guó)發(fā)展的大事記如圖2所示。2002年北京625所（現(xiàn)為中國(guó)航空制造技術(shù)研究院）從TWI引進(jìn)攪拌摩擦焊技術(shù)并負(fù)責(zé)該技術(shù)在亞太地區(qū)的推廣和應(yīng)用，標(biāo)志著攪拌摩擦焊技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展元年。同年成立了中國(guó)攪拌摩擦焊中心，并組建了我國(guó)第一個(gè)以攪拌摩擦焊技術(shù)開(kāi)發(fā)及裝備制造為主要業(yè)務(wù)的北京賽福斯特技術(shù)有限公司。然而，由于當(dāng)初TWI專利保護(hù)的限制以及市場(chǎng)認(rèn)可度較低，導(dǎo)致該技術(shù)在推廣和應(yīng)用中受到比較大的阻力。2003年第一臺(tái)靜龍門式攪拌摩擦焊設(shè)備交付哈爾濱工業(yè)大學(xué)，標(biāo)志著攪拌摩擦焊技術(shù)在我國(guó)正式步入市場(chǎng)化。隨后中國(guó)科學(xué)院金屬研究所、江蘇科技大學(xué)、燕山大學(xué)以及甘肅理工大學(xué)等高校相繼引入攪拌摩擦焊專用設(shè)備并開(kāi)展相關(guān)應(yīng)用基礎(chǔ)研究。中航集團(tuán)下設(shè)的北京和上海航天機(jī)械廠是最早引入該技術(shù)的生產(chǎn)單位，并相繼開(kāi)展了攪拌摩擦焊航天產(chǎn)品的試制工作。

2005年以后，隨著人們對(duì)攪拌摩擦焊焊接機(jī)理認(rèn)識(shí)的深入以及市場(chǎng)認(rèn)可度的提高，攪拌摩擦焊技術(shù)在我國(guó)開(kāi)始步入快速發(fā)展時(shí)期。目前，該技術(shù)已經(jīng)在我國(guó)大飛機(jī)地板、艦船上層建筑用大寬幅帶筋拼焊板、高鐵和地鐵車廂、鋁合金汽車輪轂、電動(dòng)汽車電池托板和各種散熱器等產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用。不僅國(guó)內(nèi)出現(xiàn)了多家專業(yè)設(shè)備制造商，市場(chǎng)需求也呈現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2019年我國(guó)生產(chǎn)的攪拌摩擦焊設(shè)備超過(guò)200臺(tái)套，主要供應(yīng)給電動(dòng)汽車和軌道交通車輛制造領(lǐng)域。電動(dòng)汽車電池托盤和散熱器等產(chǎn)品均已形成規(guī)模化生產(chǎn)能力，年產(chǎn)值突破10億元，鋁合金攪拌摩擦焊汽車輪轂?zāi)戤a(chǎn)值已達(dá)2億元。中車集團(tuán)采用攪拌摩擦焊焊接的動(dòng)車和地鐵車廂已上線運(yùn)行，并初步具備批量生產(chǎn)能力。

圖2 攪拌摩擦焊技術(shù)在我國(guó)發(fā)展的大事記

3 我國(guó)攪拌摩擦焊技術(shù)的最新進(jìn)展

從攪拌摩擦焊發(fā)明至今，國(guó)內(nèi)外基于攪拌摩擦焊的基本原理，發(fā)展了諸如雙軸肩攪拌摩擦焊、靜軸肩攪拌摩擦焊、可回抽攪拌針攪拌摩擦點(diǎn)焊、復(fù)合熱源（激光、電弧和感應(yīng)加熱）攪拌摩擦焊、摩擦塞焊等新技術(shù)。其中，雙軸肩和靜軸肩技術(shù)分別在大型運(yùn)載火箭貯罐和散熱器產(chǎn)品中得到應(yīng)用?？苫爻閿嚢栳様嚢枘Σ梁更c(diǎn)焊在大型寬幅空心鋁合金型材焊前裝配中得到應(yīng)用，大大簡(jiǎn)化了焊件的裝夾難度。摩擦塞焊技術(shù)已經(jīng)在海洋管道水下裂紋修復(fù)和雙軸肩攪拌摩擦焊匙孔補(bǔ)焊中得到應(yīng)用。上述各項(xiàng)技術(shù)已在其他文獻(xiàn)中報(bào)道，這里不再贅述。本文僅列舉幾個(gè)我國(guó)正在開(kāi)展的、具有一定潛在應(yīng)用前景的新技術(shù)。

3.1 超高轉(zhuǎn)速攪拌摩擦焊

常規(guī)攪拌摩擦焊主軸轉(zhuǎn)速受傳動(dòng)方式的限制，基本都限定在3000r/min以下。為了進(jìn)行薄板或超薄板焊接，國(guó)外很早就開(kāi)展了超高轉(zhuǎn)速攪拌摩擦焊的研究，而國(guó)內(nèi)開(kāi)展超高轉(zhuǎn)速攪拌摩擦焊相對(duì)較晚。目前，國(guó)內(nèi)江蘇科技大學(xué)[3]采用超高轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)速＞10 000r/min）機(jī)器人攪拌摩擦焊并輔助水冷措施實(shí)現(xiàn)了2024鋁合金薄板的焊接，并且有效地控制了薄板的焊接殘余變形（見(jiàn)圖3）。西北工業(yè)大學(xué)[4]采用6000r/min的高轉(zhuǎn)速進(jìn)行了不同焊接速度下的7075鋁合金薄板攪拌摩擦焊（見(jiàn)圖4），由于使用一種無(wú)針攪拌頭（見(jiàn)圖4a）并采用一定下壓量，導(dǎo)致焊縫減薄比較明顯。值得注意的是，這種超高轉(zhuǎn)速攪拌摩擦焊受電磁主軸額定承載能力限制，很難在較厚板的攪拌摩擦焊接中得到應(yīng)用。

圖3 水冷前后的焊接殘余變形對(duì)比

圖4 轉(zhuǎn)速為6000r/min時(shí)不同焊速下的焊縫表面形貌

3.2 超聲波輔助攪拌摩擦焊

超聲波作為輔助能量源用于攪拌摩擦焊最早是由密歇根大學(xué)提出的，其對(duì)攪拌摩擦焊接頭動(dòng)載和靜載力學(xué)性能的改善效果非常明顯[5]。山東大學(xué)[6]是國(guó)內(nèi)較早開(kāi)展這一研究的單位，他們采用焊接工件表面加載超聲波方法進(jìn)行攪拌摩擦焊，獲得的焊接效果如圖5所示。從圖5可看出，焊縫表面質(zhì)量得到明顯改善，同時(shí)對(duì)焊縫成形缺陷也有顯著抑制作用。超聲波輔助攪拌摩擦焊的技術(shù)特點(diǎn)非常突出，是一種很有工業(yè)應(yīng)用潛力的復(fù)合攪拌摩擦焊技術(shù)。

圖5 2024鋁合金超聲波輔助攪拌摩擦焊原理及焊縫表面形貌

3.3 斜插穿透攪拌摩擦焊技術(shù)

攪拌摩擦焊對(duì)接接頭焊縫背面弱連接缺陷一直是影響接頭可靠性的關(guān)鍵因素。哈爾濱工業(yè)大學(xué)劉會(huì)杰等人發(fā)明了一種全新的斜插穿透攪拌摩擦焊新方法[7]，其工作原理如圖6所示，通過(guò)背部可移動(dòng)支撐和攪拌針穿透焊接工藝有效地解決了背部弱連接缺陷。最近，他們還采用工件背面加載超聲波來(lái)進(jìn)一步改善背部冶金質(zhì)量，并收到良好效果[8]。該方法與現(xiàn)有雙軸肩攪拌摩擦焊技術(shù)相比，避免了雙軸肩攪拌頭易折斷以及焊縫起始和終了位置成形質(zhì)量差等問(wèn)題。但是該方法受背部支撐限制，只能在規(guī)則的長(zhǎng)直或環(huán)焊縫攪拌摩擦焊中得到應(yīng)用。

圖6 一種靜止軸肩輔助支撐傾斜穿透攪拌摩擦焊接裝置及方法

3.4 異質(zhì)材料攪拌摩擦焊

攪拌摩擦焊在異質(zhì)材料焊接方面具有獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，特別是針對(duì)材料物理化學(xué)特性差別比較大的異質(zhì)材料之間的焊接。異質(zhì)材料攪拌摩擦焊的關(guān)鍵問(wèn)題是界面脆性化合物形成機(jī)理及其抑制方法。截至目前，盡管國(guó)內(nèi)外針對(duì)鋁/銅、鋁/鎂、鋁/鐵、鋁/鈦等異質(zhì)材料攪拌摩擦焊進(jìn)行了廣泛地探索研究，但都未能很好地解決異質(zhì)材料界面的脆性化合物問(wèn)題[9]。最近，哈爾濱工業(yè)大學(xué)威海分校的周利等人[10]提出采用摩擦堆焊預(yù)先制備鋁/鋼界面，而后進(jìn)行鋁/鋼搭接攪拌摩擦焊，這為解決鋁/鋼異質(zhì)材料攪拌摩擦焊難題提供了新的思路。山東大學(xué)武傳松等人[11]采用超聲波復(fù)合攪拌摩擦焊來(lái)改善鋁/鎂異質(zhì)界面的脆性化合物形態(tài)和分布。此外，一般的異質(zhì)材料攪拌摩擦焊接頭都存在明顯的性能梯度，這導(dǎo)致接頭受性能較差一側(cè)金屬限制而很難獲得高性能接頭。燕山大學(xué)付瑞東等人[12]提出了一種針對(duì)鋁/銅異質(zhì)材料攪拌摩擦焊接頭進(jìn)行冷軋并低溫退火的后續(xù)處理工藝，有效地消除了異質(zhì)材料接頭兩端的性能梯度。圖7是各種加工條件下的異質(zhì)材料接頭顯微硬度分布對(duì)比，由此可見(jiàn)經(jīng)這一工藝處理后硬度分布梯度被有效降低了，同時(shí)抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率等性能也得到明顯改善[13]。該技術(shù)可為電力及電子領(lǐng)域中的鋁/銅異質(zhì)薄壁器件的制造提供一種新策略。

4 攪拌摩擦焊技術(shù)應(yīng)用展望

目前，關(guān)于攪拌摩擦焊焊接機(jī)理尚有一些關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，如塑性金屬流動(dòng)機(jī)制、熱源模型及動(dòng)態(tài)組織演變機(jī)制等需要進(jìn)一步深入研究。盡管如此，這并未影響攪拌摩擦焊在各領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。作為一項(xiàng)工業(yè)連接技術(shù)，未來(lái)在以下幾個(gè)方面值得開(kāi)展更深入的應(yīng)用基礎(chǔ)研究和新技術(shù)開(kāi)發(fā)。

4.1 薄板攪拌摩擦焊技術(shù)

薄板攪拌摩擦焊需要突破的技術(shù)關(guān)鍵是殘余變形控制和焊縫無(wú)減薄技術(shù)。目前，清華大學(xué)在薄板攪拌摩擦焊接變形機(jī)理及控制方面開(kāi)展了卓有成效的數(shù)值模擬研究[14]，未來(lái)采用數(shù)值模擬方法仍然是研究薄板殘余變形機(jī)制的重要手段。同時(shí)，我國(guó)早年有關(guān)薄板電弧焊殘余變形機(jī)理及控制方面的研究也值得借鑒。例如，方洪淵教授等人提出的預(yù)拉伸方法[15]，其原理是在焊接時(shí)采用預(yù)拉伸或焊后施加反向應(yīng)變，取得了較好的效果。關(guān)橋院士提出的熱沉方法也被證明可有效控制薄板攪拌摩擦焊的殘余變形[16]。此外，對(duì)于薄板接頭來(lái)說(shuō)，攪拌頭軸肩下壓導(dǎo)致的焊縫減薄問(wèn)題一直是尚未解決的技術(shù)難題。國(guó)內(nèi)張會(huì)杰等人在無(wú)減薄攪拌針設(shè)計(jì)和機(jī)理方面開(kāi)展了一些有價(jià)值的研究工作，他們采用大軸肩、無(wú)傾角技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)減薄焊接，并對(duì)焊接機(jī)理提出了新的思考[17]。然而，如何在薄板上實(shí)現(xiàn)無(wú)減薄攪拌摩擦焊是具有挑戰(zhàn)性的研究課題。

圖7 焊后冷軋及退火對(duì)鋁/銅異質(zhì)攪拌摩擦焊接頭的影響

4.2 厚板攪拌摩擦焊技術(shù)

隨著各領(lǐng)域?qū)Y(jié)構(gòu)輕量化需求的日益增加，大厚度輕合金結(jié)構(gòu)攪拌摩擦焊受到廣泛關(guān)注。目前，國(guó)內(nèi)外采用單面或雙面攪拌摩擦焊工藝已實(shí)現(xiàn)厚度＞100mm的厚板焊接。但是，接頭中存在的組織不均勻性、攪拌頭壽命低、設(shè)備焊接柔性差且投資大等問(wèn)題，限制了厚板攪拌摩擦焊的實(shí)際應(yīng)用。最近，燕山大學(xué)基于多層多道的焊接理念，提出一種增材攪拌摩擦焊方法[18]，有望在大厚度輕合金攪拌摩擦焊中得到應(yīng)用。然而，如何提高增材攪拌摩擦焊焊接效率，以及利用機(jī)器人平臺(tái)實(shí)現(xiàn)高度柔性的厚板攪拌摩擦焊，尚有很多關(guān)鍵技術(shù)需要突破。

4.3 高焊接速度攪拌摩擦焊

對(duì)于大批量的焊接產(chǎn)品而言，焊接速度是決定焊接效率的關(guān)鍵指標(biāo)之一。這里所謂的高焊接速度是指攪拌頭行進(jìn)速度，而非主軸轉(zhuǎn)速。目前，國(guó)外已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了焊接速度達(dá)6000mm/min的汽車車門用異質(zhì)鋁合金薄板攪拌摩擦拼焊[19]，而國(guó)內(nèi)尚未開(kāi)展這方面的探索研究。如何提高焊接速度，多數(shù)人的慣性思維是通過(guò)提高主軸轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)。事實(shí)上，由于摩擦產(chǎn)熱效率和塑性變形功與主軸轉(zhuǎn)速并不是簡(jiǎn)單的單調(diào)正比關(guān)系，單純提高主軸轉(zhuǎn)速不僅不能達(dá)到提高焊接速度的目的，同時(shí)還會(huì)增加設(shè)備制造難度和造價(jià)。為此，要實(shí)現(xiàn)高焊接速度攪拌摩擦焊，需通過(guò)攪拌頭形狀的創(chuàng)新設(shè)計(jì)以及焊接產(chǎn)熱機(jī)制等方面的創(chuàng)新研究來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4.4 機(jī)器人攪拌摩擦焊及焊接自動(dòng)化生產(chǎn)

機(jī)器人平臺(tái)具有高的柔性和低的工業(yè)制造成本，是未來(lái)智能化制造的重要技術(shù)平臺(tái)。因此，機(jī)器人攪拌摩擦焊是必然的發(fā)展方向[20]。目前，國(guó)內(nèi)外用于攪拌摩擦焊的機(jī)器人主要有并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)器人和串聯(lián)式機(jī)器人（見(jiàn)圖8）。其中，關(guān)聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)剛度大，可承受較大的焊接載荷，但其位移空間受到自身結(jié)構(gòu)的限制，導(dǎo)致其實(shí)際應(yīng)用尚存在一定困難。串聯(lián)式機(jī)器人具有靈活的自由度且不受空間位置限制，是國(guó)內(nèi)外普遍采用的機(jī)器人平臺(tái)。北京賽福斯特公司研制了國(guó)內(nèi)第一臺(tái)串聯(lián)式機(jī)器人攪拌摩擦焊專用設(shè)備，并成功實(shí)現(xiàn)了鋁合金薄板的焊接[21]，但如何進(jìn)一步提高串聯(lián)式機(jī)器人的焊接能力是需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。對(duì)于大批量生產(chǎn)的攪拌摩擦焊產(chǎn)品，采用自動(dòng)化生產(chǎn)線也是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。2013年北京賽福斯特公司為云南某鋁廠研發(fā)了國(guó)內(nèi)首條攪拌摩擦焊鋁電極板的自動(dòng)化生產(chǎn)線，目前已為客戶制造了10條這種生產(chǎn)線。2018年航天工程裝備（蘇州）有限公司成功出口歐洲的無(wú)人化鋁合金輪轂自動(dòng)化攪拌摩擦焊生產(chǎn)線，集成了二維碼掃描、機(jī)器人自動(dòng)上下料、基準(zhǔn)自動(dòng)識(shí)別定位、輪盤輪輻自動(dòng)裝夾、恒壓力焊接等功能，適用于汽車鋁合金輪轂及筒段環(huán)縫焊接。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于自動(dòng)化攪拌摩擦焊生產(chǎn)線的需求非常旺盛，未來(lái)攪拌摩擦焊裝備的競(jìng)爭(zhēng)將主要集中在機(jī)器人及全自動(dòng)化攪拌摩擦焊裝備市場(chǎng)。

圖8 攪拌摩擦焊機(jī)器人

4.5 焊接缺陷快速在線無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

攪拌摩擦焊的成形機(jī)理與熔化焊有著本質(zhì)上的區(qū)別，其在焊接中產(chǎn)生的焊接缺陷主要有背部弱連接、焊縫區(qū)孔洞或隧道及焊縫表面溝槽等。攪拌摩擦焊焊縫缺陷無(wú)損檢測(cè)一直是該領(lǐng)域的技術(shù)難題，目前所使用的主要方法有X射線檢測(cè)、超聲波檢測(cè)和渦流檢測(cè)等方法。其中，超聲波檢測(cè)技術(shù)被認(rèn)為是最有應(yīng)用前景的攪拌摩擦焊焊接缺陷檢測(cè)手段，例如高分辨力超聲波、激光超聲波、相陣控超聲波以及超聲波衍射等技術(shù)已在一些產(chǎn)品中得到應(yīng)用。但是，對(duì)于弱連接等特殊缺陷和微小缺陷的檢測(cè)，該技術(shù)手段的檢測(cè)能力還需進(jìn)一步提高。因此，探尋新的攪拌摩擦焊接缺陷的在線無(wú)損檢測(cè)技術(shù)仍是未來(lái)需要努力的方向。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文就攪拌摩擦焊在我國(guó)的發(fā)展歷程、創(chuàng)新技術(shù)以及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)做了簡(jiǎn)要概述。經(jīng)過(guò)近20年的發(fā)展，我國(guó)不僅掌握了很多攪拌摩擦焊關(guān)鍵技術(shù)，并使該技術(shù)在很多軍/民用產(chǎn)品中得到實(shí)際應(yīng)用。更重要的是，國(guó)內(nèi)很多高校和科研院所都在從事這方面的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，培養(yǎng)了一大批專業(yè)技術(shù)人才，這為我國(guó)攪拌摩擦焊技術(shù)的未來(lái)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。需要指出的是，盡管攪拌摩擦焊技術(shù)被稱為焊接領(lǐng)域的革命性新技術(shù)，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)不容置疑，但是在多年的發(fā)展和實(shí)踐中，也暴露出該技術(shù)存在的很多局限性。世界上沒(méi)有萬(wàn)能的技術(shù)，只有最適用的技術(shù)。因此，我們?cè)谡J(rèn)知和使用這一焊接技術(shù)的時(shí)候，必須秉承嚴(yán)謹(jǐn)和客觀的態(tài)度，決不能夸大其詞地掩蓋其技術(shù)弱點(diǎn)。