孟祥晨，曹炳琪，李玉龍，谷 晨，萬 龍，黃永憲

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)先進焊接與連接國家重點實驗室，哈爾濱 150001；2.北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京 100076；3.首都航天機械有限公司，北京 100076）

在國家節(jié)能減排和建設(shè)制造強國的大環(huán)境下，輕量化設(shè)計是提高構(gòu)件性能、降低能耗、減少環(huán)境污染的有效途徑之一[1–2]。目前，能夠滿足結(jié)構(gòu)使役性能和輕量化設(shè)計的重要途徑為材料本體性能的提高和材料的優(yōu)化配置。在新一代的飛行器中，波音787夢幻客機和空客A350XWB采用了結(jié)構(gòu)質(zhì)量約為53%的聚合物基復(fù)合材料和輕金屬，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計。中國商飛C919大飛機整體構(gòu)造重量上聚合物基復(fù)合材料使用數(shù)量占20%[3]。將聚合物基復(fù)合材料應(yīng)用在無人機尾部時，可減少傳統(tǒng)鋁合金重量的60%左右，可滿足超聲速飛行飛機的設(shè)計要求。目前，金屬與聚合物材料連接主要采用機械連接或膠接[4–5]。機械連接操作相對簡單，但在連接部位易出現(xiàn)應(yīng)力集中，降低可靠性，且連接件使接頭重量增加，不利于輕量化設(shè)計。膠接技術(shù)相對成熟，但工藝周期長，接頭抗沖擊、抗疲勞和耐濕熱等性能不足，降低接頭服役性能?？梢姡酆衔锱c鋁合金異質(zhì)結(jié)構(gòu)能夠達到結(jié)構(gòu)性能要求和輕量化設(shè)計的雙重技術(shù)指標，但仍未有效解決其輕量化設(shè)計中涉及的焊接與連接等關(guān)鍵技術(shù)問題。

攪拌摩擦焊（Friction stir welding,FSW）作為一種固相連接技術(shù)，涉及溫度、力學(xué)、冶金及其相互作用，具有焊接溫度低、塑性變形劇烈、接頭質(zhì)量高、綠色無污染等特點，可有效避免熔化焊接過程中所引起的氣孔和裂紋等缺陷[6]。FSW基本不受材料的晶體結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)等因素的影響，能夠有效地克服異質(zhì)材料由于性能差異導(dǎo)致的焊接困難等問題，因此在金屬與聚合物特異性材料焊接領(lǐng)域具有巨大的優(yōu)勢。本文從金屬與聚合物FSW焊接參數(shù)、焊縫成形、組織特征、力學(xué)性能與性能提升策略等方面進行綜述，并在此基礎(chǔ)上展望了金屬與聚合物特異材料FSW的未來發(fā)展趨勢。

焊接參數(shù)

聚合物與鋁合金在組成結(jié)構(gòu)上存在顯著差異。與傳統(tǒng)鋁合金的晶體結(jié)構(gòu)不同，熱塑性聚合物擁有不同長度的分子鏈，焊接過程中短分子鏈已達到熔點時，長分子鏈還未熔化，因此熱塑性聚合物無固定的熔點而是熔化范圍，且遠低于鋁合金的熔點。焊接過程中，可能導(dǎo)致鋁合金未充分塑化，而聚合物材料已發(fā)生老化或降解等情況。同時，聚合物與鋁合金難以發(fā)生直接的界面反應(yīng)，易導(dǎo)致焊縫成形差和界面結(jié)合強度過低等問題。對聚合物及其復(fù)合材料與金屬的FSW而言，影響接頭成形和性能的關(guān)鍵因素主要分為3大類：工藝參數(shù)、焊具結(jié)構(gòu)和材料性能，如圖1所示[7]。工藝參數(shù)和焊具結(jié)構(gòu)取決于聚合物和金屬的力學(xué)性能，如剛度、強度和塑性等。對高熔點或高比熱容材料，在保證焊縫成形的基礎(chǔ)上，適當降低熱輸入有利于控制高熔點材料接頭性能；低熔點或低比熱容材料則需要相對較低熱輸入。材料的熱物理性能主要影響焊接熱循環(huán)和傳熱能力；高熱導(dǎo)率材料易實現(xiàn)熱量傳導(dǎo)到聚合物，但熱耗散現(xiàn)象嚴重。聚合物材料熱導(dǎo)率遠低于鋁合金，難以傳導(dǎo)焊接熱輸入以預(yù)熱前側(cè)材料，在保證聚合物材料不老化的基礎(chǔ)上，適當提高熱輸入可促進材料流動和接頭成形。

圖1 影響熱塑性聚合物FSW接頭質(zhì)量的因素Fig.1 Factors affecting friction stir welded joint quality of thermoplastic polymers

1 工藝參數(shù)

旋轉(zhuǎn)速率和焊接速度控制焊接熱輸入，影響聚合物材料結(jié)晶行為和力學(xué)性能。在保證材料充分軟化的條件下，熱輸入越低，結(jié)晶度越小，反之亦然。高旋轉(zhuǎn)速率提供高熱輸入，而低焊接速度增加接頭高溫區(qū)的停留時間，反之亦然。此外，塑性材料溢出程度與焊接傾角、偏移量、下扎深度及焊具與工件的接觸面積等密切相關(guān)。Shahmiri等[8]表明對于鋁合金與聚合物的攪拌摩擦搭接焊（Friction stir lap welding，F(xiàn)SLW），旋轉(zhuǎn)速率從800r/min增加到1200r/min，提高了焊接熱輸入，熱膨脹系數(shù)差異大導(dǎo)致界面裂紋缺陷。Liu等[9]進行了PA與6061鋁合金之間摩擦搭接焊（Friction lap welding，F(xiàn)LW），焊接過程中無針焊具與鋁合金板摩擦產(chǎn)熱，通過熱傳導(dǎo)傳遞熱量至聚合物，實現(xiàn)焊接，如圖2和圖3所示[9]。他們使用Lb/LLR評價焊接參數(shù)，Lb為接頭橫截面所有氣泡寬度之和，LLR為搭接界面總長度。增加焊接速度降低焊接產(chǎn)熱，減小氣泡生成率且降低Lb/LLR值。但當旋轉(zhuǎn)速率從1000r/min增加到3000r/min，焊接熱輸入的增加導(dǎo)致Lb/LLR從0.53降低到0.17，主要是軟化的鋁合金板向聚合物側(cè)彎曲擠壓塑性聚合物，降低了缺陷數(shù)量并增加有效界面連接長度，提高了力學(xué)性能。Khodabakhshi等[10]指出對于5059鋁合金和HDPE的FSW，當旋轉(zhuǎn)速率高于710r/min時，HDPE易老化且焊縫中易出現(xiàn)溝槽缺陷；低于710r/min時，不充分熱輸入易引起孔洞缺陷。Wu等[11]指出對于FLW技術(shù)，攪拌針偏向后退側(cè)（Retreating side，RS）可降低RS材料的冷卻速率、增加RS連接界面寬度并減小接頭與前進側(cè)（Advancing side，AS）非均勻溫度場差異，降低氣泡數(shù)量，獲得高強接頭。

圖2 金屬與聚合物FLW示意圖Fig.2 Schematic illustration of joining metal and polymer by FLW

圖3 典型鋁合金與聚合物FLW接頭Fig.3 Typical FLW polymer/Al alloy joint

2 焊具結(jié)構(gòu)

焊具作為FSW的核心，主要包含軸肩和針直徑、軸肩和針形貌以及針長度[12]。以上因素均影響焊接過程材料流動和產(chǎn)熱。Wu等[13]采用無針焊具成功實現(xiàn)了Cu與CFRP材料的FLW連接，界面無缺陷，且連接界面主要以Cu2O為過渡層。Ravi等[14]指出對于Al6082–T6/HDPE/Al6082–T6/HDPE/Al6082–T6三明治結(jié)構(gòu)的攪拌摩擦點焊（Friction stir spot welding，F(xiàn)SSW），方形攪拌針可制造更大的連接面積和適當長度、寬度與高度的“鉤狀”組織，提高了聚合物與鋁合金機械咬合能力。Huang等[15]提出了三銑平面螺紋攪拌針連接PEEK與AA2060–T8鋁合金，焊縫內(nèi)部形成了大尺寸的鋁鉚結(jié)構(gòu)，有效地增加了異質(zhì)結(jié)構(gòu)的宏觀機械咬合能力，接頭最大拉剪強度達33MPa，焊具結(jié)構(gòu)和接頭組織如圖4和圖5所示[15]。除了以上影響因素以外，焊接預(yù)熱對于低熱導(dǎo)率的聚合物是非常必要的。Adyin等[16]分別采用室溫、預(yù)熱溫度50℃和80℃連接4mm厚超高分子量PE，發(fā)現(xiàn)焊接預(yù)熱促進了沿厚度方向溫度的均勻一致性。此外，Vijendra等[17]提出了感應(yīng)加熱焊具，實現(xiàn)待焊板材短時加熱并提升攪拌效果，影響焊接過程的結(jié)晶機制，提高接頭力學(xué)性能。

圖4 形性共控FSW示意圖Fig.4 Schematic of friction stir welding with co-controlling shape and performance

圖5 SCF/PEEK與2060–T8鋁合金FSLW宏觀組織Fig.5 Macro structure of FSLW joint between SCF/PEEK and 2060–T8 Al alloy

力學(xué)性能

聚合物與鋁合金FSW接頭的力學(xué)性能與聚合物結(jié)晶度、焊接缺陷（弱連接、微裂紋、氣泡、根部未連接等）、連接界面特性及機械連接行為密切相關(guān)。不充分的材料流動或高熱輸入易導(dǎo)致塑性材料溢出焊縫，形成焊接缺陷，極易在拉伸過程中引起裂紋，降低接頭力學(xué)性能。圖6為鋁合金與聚合物異質(zhì)接頭FSW最大強度[8–10,18–24]。Yusof[25]和Rahmat等[26]進行了3mm厚PC板和7075鋁合金FSW，采用了軸肩直徑、針直徑和針長度分別為9mm、1mm和1mm的焊具。材料流動促使塑性變形的7075鋁合金轉(zhuǎn)移到PC并與其形成互鎖結(jié)構(gòu)，成為鋁合金與聚合物之間的主要連接模式，但無擴散和陶瓷相。在下扎深度、焊接速度和旋轉(zhuǎn)速率分別為0.2mm、100mm/min和3250r/min時，接頭抗拉強度和延伸率分別為4.72MPa和0.18%。Liu等[9]采用AA6061為上板且PA為下板的配置進行了FLW。焊縫無明顯的變形和翹曲現(xiàn)象，減少了矯正變形所需的巨大花費和時間。當旋轉(zhuǎn)速率和焊接速度分別為2000r/min和600mm/min時，拉伸斷裂未發(fā)生在鋁合金與聚合物連接界面，而是位于靠近NZ邊緣PA板處。在較寬參數(shù)范圍內(nèi)，均可獲得強度為5～8MPa高質(zhì)量接頭。增加旋轉(zhuǎn)速率不僅增加熱輸入，而且提高了AA6061鋁合金向PA板材的彎曲程度。但過高熱輸入易導(dǎo)致鋁合金與聚合物之間形成氣泡，降低承載能力。Liu等[18]采用800目粒度砂紙對AZ31B鎂合金進行表面預(yù)處理增加粗糙度，并與PA板材進行連接。通過控制PA的高溫分解和氣體溢出，氣孔體積得到有效控制，極大地提高了接頭強度。不同于FLW，Ratanathavorn等[19]采用FSLW連接6111鋁合金和PPS聚合物。其中，旋轉(zhuǎn)針扎入下板促進鋁合金碎片與熔融聚合物混合，制備了鋁合金/聚合物異質(zhì)接頭；聚合物填充區(qū)與周圍鋁合金之間形成宏觀機械咬合；鋁合金與聚合物之間熱膨脹系數(shù)差異導(dǎo)致鋁合金與熔化再凝固聚合物界面形成氣孔缺陷。當焊接速度較低或攪拌針與墊板之間的距離較大時，易引起熔融聚合物材料過量地垂向流動并溢出焊縫，降低接頭斷裂載荷，導(dǎo)致接頭斷裂位于鋁合金/聚合物界面。Shahmiri等[8]表明聚合物與鋁合金焊接反應(yīng)層主要包含C、O和Al元素；剪切強度達5.1MPa，約為聚合物基體剪切強度20%，高于或相當于其他方法接頭；提高熱輸入增加了反應(yīng)層厚度和界面層寬度，降低了接頭剪切強度，反之亦然；此外，高熱輸入引起的熱降解和低結(jié)晶度誘導(dǎo)的分子量損失亦導(dǎo)致接頭強度降低。蘭州理工大學(xué)彭軍[20]指出點焊接頭結(jié)合力來自于兩種材料之間接觸界面的分子力與機械結(jié)合力，其中ABS分子與鋁合金表面、Al2O3氧化物在摩擦熱的作用下發(fā)生交聯(lián)固化，形成分子間結(jié)合力。Rout等[21]采用分子動力學(xué)方法研究PP與純鋁FSW，表明范德華力為主要連接機制，拉伸強度僅為1MPa。可見，基于FSW技術(shù)，鋁合金與聚合物異質(zhì)結(jié)構(gòu)連接潛力巨大，但通過焊接參數(shù)和焊具結(jié)構(gòu)調(diào)控，由于界面結(jié)合難控制，仍難以取得優(yōu)質(zhì)聚合物與鋁合金異質(zhì)FSW接頭。

圖6 不同F(xiàn)SW技術(shù)下異質(zhì)接頭最大拉剪強度Fig.6 Maximum tensile shear strengths of heterogeneous joints by different FSW techniques

典型焊接缺陷及成因

當參數(shù)或焊具不合理時，焊接缺陷易出現(xiàn)在接頭內(nèi)部，惡化接頭成形和性能。表1為聚合物/鋁合金FSW典型缺陷圖、定義及成因[27-31]，主要為飛邊、表面未填充、根部未焊透、氣泡、隧道、孔洞與裂紋等。

表1 聚合物與鋁合金FSW接頭典型缺陷Table 1 Typical defects appeared at joints during FSW between polymers and Al alloys

在聚合物與鋁合金FSW過程中，低熱輸入引起材料流動不充分，導(dǎo)致孔洞或隧道缺陷形成于SZ中，可通過調(diào)控下扎深度、旋轉(zhuǎn)速率和焊接速度消除。通常來講，以上兩種缺陷常出現(xiàn)在焊縫AS。對于接頭AS材料，材料所承受的剪切力和壓力方向相反，而RS兩種作用力方向相同。因此，更多的材料易流向攪拌針后方的RS，導(dǎo)致孔洞或隧道缺陷出現(xiàn)在AS。表面未填充缺陷是孔洞或隧道缺陷的加劇情況，主要由不充分的材料流動引起。針對厚度減薄問題，Zafar等[27]指出高旋轉(zhuǎn)速率導(dǎo)致的過熱和半熔態(tài)材料溢出焊縫，導(dǎo)致接頭的有效承載厚度減薄，降低接頭性能。氣孔缺陷的形成與結(jié)構(gòu)水演變、氣體溢出、材料熱降解和熱脹冷縮密切相關(guān)?；谔祭w維增強聚合物和鋼的激光焊，Tan等[28]提出了熱降解和熱膨脹差的假說：CTE差異大誘導(dǎo)的氣孔呈現(xiàn)出不規(guī)則且粗糙的內(nèi)壁，熱降解引起的氣體演化引起的氣孔呈現(xiàn)光滑的內(nèi)壁。Abibe等[32]發(fā)現(xiàn)當PEI材料焊接前未干燥處理且包含0.48%結(jié)構(gòu)水時，焊接過程中結(jié)構(gòu)水蒸發(fā)是導(dǎo)致氣泡的主要原因。氣孔的出現(xiàn)常導(dǎo)致承載面積降低，形成接頭裂紋源，降低力學(xué)性能。RS孔洞缺陷是聚合物與鋁合金FSW接頭中最致命的缺陷，易導(dǎo)致應(yīng)力集中和有效結(jié)合面積減小，降低接頭力學(xué)性能。在FSW過程中，接頭AS材料比RS材料承受更大的塑性變形，引起AS變形熱高于RS。同時，聚合物材料較低的熱導(dǎo)率限制了摩擦熱從AS傳導(dǎo)至RS。因此，RS不充分熱輸入和材料流動導(dǎo)致孔洞缺陷出現(xiàn)在接頭RS。除此之外，另一個重要的缺陷是根部未焊透。對于高熱導(dǎo)率材料，根部未焊透缺陷主要由較短的攪拌針或下扎深度過小所致。但是，對于低熱導(dǎo)率聚合物材料（0.5W/（m ·K）），位于針尖和背部墊板之間的材料難以被加熱和軟化。在較低的焊接峰值溫度下，材料難以被攪拌并流動，產(chǎn)生根部未焊透缺陷，降低接頭有效承載面積并易變成裂紋源，惡化接頭拉伸性能。

聚合物與鋁合金FSW強化技術(shù)

根據(jù)以上的討論可知，熱塑性聚合物及其復(fù)合材料與鋁合金FSW中，當焊接參數(shù)或焊具不合理時，引起表面成形差、內(nèi)部缺陷嚴重和界面結(jié)合不良等問題，不利于接頭成形和性能。通過大量的文獻調(diào)研發(fā)現(xiàn)，對于聚合物與鋁合金特異性材料攪拌摩擦焊連接機制，主要為聚合物與鋁合金之間的機械咬合、化學(xué)連接、分子間作用力等。為了促進材料流動、機械咬合和界面反應(yīng)，提高接頭成形性和性能，從焊具結(jié)構(gòu)設(shè)計、表面預(yù)處理與焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計3方面開展了相關(guān)的研究工作。

1 焊具結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了減小或消除傳統(tǒng)FSW的大飛邊和孔洞等焊接缺陷，一些研究者對傳統(tǒng)FSW攪拌頭進行了改進。Strand[31]、Rezgui[33]、Eslami[34]和Huang等[35]提出“靜止靴”FSW，該焊具主要包含攪拌針、靜止靴和加熱裝置。攪拌針主要產(chǎn)生摩擦熱，軟化和攪拌材料；與常規(guī)靜止軸肩不同，“靜止靴”為長條形，可預(yù)熱材料、防止材料溢出并降低冷卻速率；加熱裝置內(nèi)部具有一個溫度控制器，可額外提供輔助熱源，降低焊縫冷卻速率。Rezgui等[33]采用木質(zhì)靜止靴焊接HDPE材料并采用數(shù)值模擬方法進行驗證，取得了較好的一致性。但靜止靴FSW最大挑戰(zhàn)是阻止塑性材料溢出和長焊縫中軸肩斷裂。為了避免該問題的發(fā)生，Eslami等[34]研究了PC、Teflon、鋁、木材和銅旋轉(zhuǎn)軸肩對接頭成形的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)Teflon靜止靴最優(yōu)，可取得高質(zhì)量表面成形，原因在于外部的銅套可吸收更多的熱量。通過以上的結(jié)果可知，靜止靴可有效解決焊縫表面成形問題，但需輔助加熱措施，其增加了焊具結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。但是，針對焊接工作部核心部件之攪拌針，研究內(nèi)容匱乏。

2 表面預(yù)處理

鋁合金與聚合物之間的連接主要依靠物理吸附（范德華力和氫鍵）、化學(xué)連接（化學(xué)成鍵）和機械連接（宏觀/微觀機械咬合）。范德華力和氫鍵連接極弱，因此膠接和機械連接是主要的連接方式。雖然通過異質(zhì)材料的混合可實現(xiàn)機械咬合，但巨大的CTE差異易引起鋁合金與聚合物之間形成裂紋缺陷，減小膠接結(jié)合面積，降低接頭性能。目前，通過改善材料表面能來提高膠接和微觀機械連接的有效途徑之一是表面預(yù)處理，從而保證待焊材料表面能高于或等于可取得完全潤濕且良好的粘接能。表面預(yù)處理方法主要分為機械預(yù)處理、電化學(xué)預(yù)處理和其他外源能量輔助處理，如圖7所示。機械預(yù)處理是將SiC等粒子高速噴射到鋁合金表面，能夠有效增加表面粗糙度；化學(xué)預(yù)處理、電化學(xué)預(yù)處理和激光表面預(yù)處理都能夠在鋁合金表面形成不同形狀和尺寸的孔洞或凹槽結(jié)構(gòu)。相比較來說，化學(xué)刻蝕工藝參數(shù)不穩(wěn)定且形成的孔洞尺寸和形狀不均勻；電化學(xué)陽極氧化處理能夠制備納米孔洞，其陽極氧化工藝相對穩(wěn)定，形成的孔洞均勻且密度高，其孔徑大小和厚度可調(diào)；激光處理可在合金表面形成格子狀、溝槽狀及圓孔狀微型結(jié)構(gòu)，由于其制備的凹槽尺寸較大且對外觀形貌影響較大，故該方法多適用于鋼鐵類材料的表面造型。

圖7 表面預(yù)處理方法分類Fig.7 Categories of surface pre-treatment methods

表2為不同預(yù)處理技術(shù)下金屬表面形貌[36-39]?？梢?，不同方式的預(yù)處理均在一定程度上增加了金屬表面粗糙度，有利于促進金屬與聚合物材料微觀機械咬合效果，提升異質(zhì)接頭力學(xué)性能。Yusof等[25,40]研究了5052鋁合金和PET聚合物的FSSW。高表面粗糙度引起了高質(zhì)量界面連接形成于5052鋁合金和PET聚合物之間。采用原始接收態(tài)（表面粗糙度Ra0.31μm）的焊接接頭的拉剪載荷僅為0.4～0.8kN，而經(jīng)過表面預(yù)處理的焊接接頭拉剪載荷達到4.8～5.2kN。當熔融的聚合物作用在粗糙的表面時，填充基體表面不規(guī)則的凹陷和孔洞等，形成機械咬合。Lambiase等[36,41–43]采用激光毛化處理制備了表面微凸起形貌，焊接過程中摩擦擠壓力促進金屬凸起進入塑性聚合物中，同時局部微凹陷亦被聚合物所填充，促進微觀機械咬合效果。Fuchs等[37]也采用激光毛化制備了錐狀凸起形貌，當無針焊具經(jīng)過上層鋁合金時，摩擦產(chǎn)熱軟化下層聚合物，擠壓力促進錐狀凸起扎入聚合物中，形成宏觀機械連接，提升接頭性能。鉻酸陽極化和磷酸陽極氧化是航空工業(yè)中最常用的表面預(yù)處理方式。鋁表面的氧化層作為隔離層防止鋁合金腐蝕。氧化膜的厚度和形貌主要依靠電流、電壓和相應(yīng)的電阻率。同時，鋁合金表面的氧化膜包含大量細小的微觀孔洞，呈六角形結(jié)構(gòu)均勻分布。因此，當熔融的聚合物填充進這些微小孔洞后，與金屬形成微觀機械咬合和膠接效果，提高了接頭強度。同時，表面的Al2O3易與–OH基團形成共價鍵，提高膠接效果。Aliasghari等[44]探討了PEO預(yù)處理對5052鋁合金和PP聚合物FSSW的影響。制備的熱隔離且多孔的陶瓷層為聚合物的填充和咬合提供有利位置，形成微觀機械連接，提高接頭強度。但聚合物的熱降解和氣泡缺陷導(dǎo)致承載面積減小和應(yīng)力集中，降低接頭強度。值得強調(diào)的是，為得到優(yōu)質(zhì)的鋁合金/聚合物異質(zhì)接頭，合適的表面預(yù)處理工藝極其必要。

表2 不同預(yù)處理技術(shù)下表面形貌Table 2 Surface morphologies under different pre-treatment techniques

3 新型摩擦鉚焊結(jié)構(gòu)形式

3.1 回填式攪拌摩擦點焊

回填式攪拌摩擦點焊（Friction spot joining，F(xiàn)SpJ）是基于FSW的衍生技術(shù)，由德國亥姆霍茲聯(lián)合會發(fā)明并注冊專利。FSpJ焊具主要包含壓緊環(huán)、套筒和攪拌針。焊接過程中，套筒旋轉(zhuǎn)并扎入待焊板材一定深度，但并未與下層熱塑性聚合物基復(fù)合材料接觸，同時攪拌針旋轉(zhuǎn)向上回抽[45]；在摩擦熱和軸向力的共同作用下，部分塑性變形的鋁合金流向由攪拌針回抽留下的空腔；同時，聚合物板材熔化或軟化并與鋁合金接觸。最后，攪拌針再次下扎而套筒回抽，實現(xiàn)鋁合金板材的二次填充，完成整個焊接過程。圖8[46]為典型鋁合金與聚合物基復(fù)合材料FSpJ接頭。鉚釘結(jié)構(gòu)形成于鋁合金/復(fù)合材料界面且微扎入復(fù)合材料，形成機械咬合結(jié)構(gòu)，提高接頭強度。同時，焊接過程中產(chǎn)生的摩擦熱通過熱傳導(dǎo)的方式由上層鋁合金傳導(dǎo)至下層聚合物基復(fù)合材料，產(chǎn)生了較薄的熔融層，形成焊接接頭。此外，F(xiàn)SpJ接頭具有無匙孔、厚度減薄小、焊接時間短、工藝簡單、無纖維斷裂和力學(xué)性能高等優(yōu)勢。

圖8 鋁合金與CFRP的FSpJ示意圖與接頭成形Fig.8 Schematic and joint formation during FSpJ between CFRP and Al alloys

3.2 摩擦注射鉚焊

當前，連接金屬與聚合物部件廣泛使用的一種方法為堆疊焊，其主要通過金屬或聚合物發(fā)生變形誘導(dǎo)形成機械連接。目前，堆疊焊技術(shù)在汽車車體等典型位置取得應(yīng)用[47–48]。堆疊焊過程如下：將熱塑性聚合物的表面凸出的圓柱裝配進入金屬表面預(yù)制幾何兼容孔，對聚合物圓柱施加能量使其軟化并變形，產(chǎn)生類似鉚釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)單元，實現(xiàn)機械咬合。根據(jù)能量類型和圓柱軟化方式，堆疊焊可分為冷堆疊、熱具堆疊、熱氣堆疊、超聲堆疊及紅外/激光堆疊等[49]。冷、熱堆疊工藝存在聚合物彈性恢復(fù)問題；超聲波堆疊技術(shù)設(shè)備昂貴；紅外/激光堆疊僅適用于光學(xué)兼容聚合物。Abibe等[32]提出了摩擦注射鉚接（Friction-based injection clinching joining，F(xiàn)–ICJ），如圖9所示[50]。F–ICJ具有無需表面預(yù)處理、操作簡單、環(huán)境無污染、無任何氣體或煙霧、適用于生產(chǎn)線等。

圖9 F–ICJ連接過程與組織特征Fig.9 Joining phase and microstructural characteristics of F–ICJ

3.3 摩擦填充點焊

Karami等[51]提出一種新型的螺紋孔摩擦點焊（Threaded hole friction spot welding，THFSW）技術(shù)，如圖10所示。焊接過程前在鋁合金板預(yù)置螺紋孔，焊具與螺紋孔同軸裝配。隨后，焊接過程中焊具旋轉(zhuǎn)且下扎進入鋁合金板材0.3mm的深度，當與鋁合金板接觸時產(chǎn)生摩擦熱，通過上層鋁合金板材的熱傳導(dǎo)作用，預(yù)熱下層聚合物材料。由于聚合物低熱導(dǎo)率的特點，聚合物材料軟化或塑化僅發(fā)生在鋁合金與聚合物界面。當焊具進一步下扎時，軟化聚合物材料被擠壓進入鋁合金板螺紋孔中，停留數(shù)秒之后，焊具回抽，形成宏觀機械咬合效應(yīng)，接頭最大剪切強度達到聚合物材料基體強度的80%。

圖10 THFSW示意圖Fig.10 Illustration of THFSW

3.4 摩擦自鉚焊

兼顧冶金連接與機械連接雙重模式，Meng等[52]提出了摩擦自鉚焊（Friction self-riveting welding，F(xiàn)SRW）技術(shù)，如圖11[52]所示。微弧氧化預(yù)處理在鋁合金表面制備了多孔氧化膜結(jié)構(gòu)，增加了鋁合金表面粗糙度，有利于促進聚合物材料在多孔氧化物鋁合金表面潤濕鋪展；多孔氧化膜結(jié)構(gòu)有效地促進了鋁合金與復(fù)合材料之間的微觀機械咬合效應(yīng)。鋁合金側(cè)宏觀預(yù)制孔為鋁合金與復(fù)合材料之間的連接提供宏觀的機械咬合，表面氧化膜可促進其冶金連接效果，實現(xiàn)異質(zhì)接頭的多重強化。通過FSRW技術(shù)，聚合物基復(fù)合材料異質(zhì)接頭最大剪切強度為27MPa，拉剪斷裂位于復(fù)合材料側(cè)，而非復(fù)合材料與鋁合金的連接界面，呈現(xiàn)良好的界面連接效果。FSRW避免了常規(guī)機械鉚接過程中復(fù)合材料增強纖維破損嚴重的問題，并轉(zhuǎn)化常規(guī)膠接單一界面為多模式復(fù)合強化界面，可實現(xiàn)聚合物基復(fù)合材料與鋁合金的優(yōu)質(zhì)連接。

圖11 摩擦自鉚焊示意圖Fig.11 Schematics of friction self-riveting-welding

3.5 摩擦填充鉚焊

為進一步提升聚合物與鋁合金之間的界面咬合效果，并解決FSRW過程中宏觀預(yù)制孔過大難以實現(xiàn)有效填充的問題，Huang等[53]提出了摩擦填充鉚焊技術(shù)（Friction filling staking joining，F(xiàn)FSJ），如圖12所示。在鋁合金側(cè)制備宏觀預(yù)制孔，并引入額外聚合物材料填充塞。焊接過程中，填充塞不斷地旋轉(zhuǎn)并下扎進入預(yù)制孔內(nèi)部，與預(yù)制孔周圍鋁合金和下層聚合物材料摩擦產(chǎn)熱與塑性流變。在頂端力和摩擦熱的作用下，促進填充塞與鋁合金發(fā)生冶金結(jié)合，并和下層聚合物材料發(fā)生界面愈合與分子擴散。在優(yōu)化的焊接參數(shù)下，取得了完整性高的異質(zhì)接頭。填充塞不僅可作為一個有效的機械鉚釘，而且可與鋁合金材料產(chǎn)生界面反應(yīng)，促進異質(zhì)材料連接。機械咬合與局部冶金連接是FFSJ接頭的主要連接機制。FFSJ具有裝配精度高、工藝簡單、焊接時間短和力學(xué)性能優(yōu)異等優(yōu)勢，在鋁合金與聚合物優(yōu)質(zhì)連接方面潛力巨大，可滿足輕量化設(shè)計的需求。

圖12 FFSJ技術(shù)示意圖Fig.12 Schematic of FFSJ technique

結(jié)論

（1）FSW技術(shù)具有低溫和大塑性變形的特點，兼顧冶金連接與機械連接雙重模式，焊接聚合物及其復(fù)合材料與鋁合金材料優(yōu)勢巨大，可滿足結(jié)構(gòu)性能和輕量化設(shè)計的雙重要求。

（2）通過調(diào)控工藝參數(shù)和優(yōu)化焊具結(jié)構(gòu)可取得優(yōu)異的異質(zhì)接頭。通常高旋轉(zhuǎn)速度配合低焊接速度有利于增加焊接熱輸入，改善接頭成形并提高力學(xué)性能；三銑平面螺紋攪拌針增加材料應(yīng)變速率，提升異質(zhì)材料機械混合效果和咬合能力，形成鋁鉚結(jié)構(gòu)，提高接頭承載能力。

（3）焊接缺陷是造成聚合物與鋁合金異質(zhì)結(jié)構(gòu)FSW性能低的主要原因，具體為鋁合金與聚合物異質(zhì)接頭表面成形差且成品率低；界面缺陷嚴重，焊后殘余應(yīng)力易導(dǎo)致接頭開裂；聚合物材料受熱易降解或引起氣泡等缺陷，降低界面結(jié)合效果。

（4）兼顧焊接冶金連接與鉚接機械連接雙重模式，可有效促進聚合物與鋁合金異質(zhì)接頭的成形與承載。通過焊具結(jié)構(gòu)設(shè)計、表面預(yù)處理與焊接結(jié)構(gòu)優(yōu)化可消除焊接缺陷并增強異質(zhì)結(jié)構(gòu)成形與咬合效果。靜止靴配合三銑平面螺紋攪拌針可阻礙塑性材料溢出并增強焊縫內(nèi)部材料流動，提高抗剪強度；表面預(yù)處理措施增加待焊材料表面粗糙度并改變表面化學(xué)狀態(tài)，實現(xiàn)了微結(jié)構(gòu)多孔鑲嵌及冶金連接，提高了接頭力學(xué)性能。

（5）未來，針對不同聚合物與不同鋁合金之間連接的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，設(shè)計合適的接頭形式及連接方式，開發(fā)適用于工業(yè)生產(chǎn)的柔性攪拌摩擦焊接裝備，滿足聚合物及其復(fù)合材料/鋁合金異質(zhì)材料大尺寸復(fù)雜結(jié)構(gòu)的可靠連接和生產(chǎn)效率需求。