李首誼

重慶交通大學(xué)機電與車輛工程學(xué)院 重慶 400074

1 序言

攪拌摩擦焊（FSW）是20世紀(jì)90年代由英國研制出的全新固相焊接方式。由于其摩擦所要求的工作溫度較低，焊接后的殘余應(yīng)力與變形小，而且焊接時僅消耗攪拌頭，對周圍環(huán)境污染小、無煙塵、低噪聲，所以被廣泛應(yīng)用于輕金屬的焊接[1-3]。攪拌摩擦焊對焊接板材的適用范圍廣，特別是用于焊接鋁/鎂異種低熔點合金，因其幾乎不受工件本身物理、化學(xué)性質(zhì)的影響，故對克服由不同材料的不同性質(zhì)引起的缺陷問題顯示出了巨大優(yōu)勢。鎂合金的優(yōu)點包括重量輕、比強度高、散熱性好、減振性好及耐沖擊載荷能力強等，而鋁合金具有良好的塑性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和耐腐蝕性等優(yōu)點[4，5]。鋁/鎂異種合金的復(fù)合分子構(gòu)造完美融合了兩者的優(yōu)勢，彌補各自結(jié)構(gòu)缺陷，因此擁有巨大的科研與商用價值。鋁/鎂合金在當(dāng)今已知的輕金屬中擁有很高的實用性，因此對于兩種合金構(gòu)件連接的研究，將是未來鋁/鎂合金的研究熱點之一。伴隨著鋁/鎂合金在航空航天（機翼部件）、車輛制造（懸置支架、車門框架、座椅骨架等）、高鐵制造（軌道交通焊接件）等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，攪拌摩擦焊也將得到飛速發(fā)展[6-9]。

2 鋁/鎂異種合金攪拌摩擦焊新工藝

鎂是密排六方結(jié)構(gòu)的晶格類型，而鋁是面心立方結(jié)構(gòu)。由于兩種合金在晶格類型方面存在的差異性，故致使兩者在進行焊接處理時溶解度變低、冶金結(jié)合的可靠性較差；兩種合金焊接中，因高溫環(huán)境而產(chǎn)生共晶反應(yīng)得到Al3Mg2和Al12Mg17兩種金屬間化合物，而金屬間化合物易斷裂的特性，降低了焊接處的抗拉強度，這也是鋁/鎂異種合金焊接最主要的難題。當(dāng)今科研界存在三個主流方式來解決鋁/鎂合金焊接問題：①在焊接時對熱輸入進行調(diào)控，從而減少金屬間化合物的形成。②采用固相焊的方式降低最高溫度。③使用攪拌摩擦焊來減少在焊接中的熱輸入，進而減少焊縫處的冶金反應(yīng)，使焊接中產(chǎn)生的金屬間化合物減少，從而增加接頭強度。此外，也可以利用機械互鎖的方式在界面處增加機械結(jié)合來增強接頭強度。機械互鎖是在對Al-Mg、Al-Cu等異種材料進行焊接處理時常用的增強焊接處接頭強度的方式。盡量減少金屬間化合物以及增加機械互鎖是產(chǎn)生高品質(zhì)鋁/鎂焊接接頭的必備條件，金屬間化合物層厚度的減少能夠使焊縫界面上產(chǎn)生缺陷的概率降低，而良好的機械互鎖結(jié)構(gòu)則可以改善應(yīng)力分布方式，減少裂紋的擴大。目前，主流的研究方法包括：熱源及超聲波輔助、對接面上增加金屬夾層和水下攪拌摩擦焊與靜止軸肩攪拌摩擦焊。主要的輔助熱源有超聲波、電阻熱、激光等，常用的填充金屬有鎳、銅、鋅、錫等。隨著新工藝的不斷涌現(xiàn)，大幅提高了攪拌摩擦焊焊接接頭的力學(xué)性能，減少了接頭可能存在的缺陷，為鋁/鎂異種合金的實際應(yīng)用，提供了有力保障[10]。

3 熱源輔助攪拌摩擦焊

熱源輔助攪拌摩擦焊是一種更先進的復(fù)合焊接方法，它利用輔助熱源在焊接時進行充分加熱而完成固相連接。熱源輔助攪拌摩擦焊可分為三個步驟：產(chǎn)熱→攪拌→鍛壓。在整個焊接過程中，攪拌摩擦焊仍然發(fā)揮著主要的作用，輔助熱源僅起到軟化材料、減小阻力的作用[11]。由于輔助熱源直接為焊縫提供熱量輸入，塑性材料增多，材料的流動和轉(zhuǎn)移能力也得到提高，焊縫易于成形，從而減少了塑性材料轉(zhuǎn)移能力不足造成的表面溝槽及內(nèi)部孔洞等缺陷。陳崢等[12]利用紅外熱源作為輔助熱源完成了對6061-T6鋁合金以及AZ31B-H24鎂合金的焊接。對接頭力學(xué)性能以及形成的組織進行綜合分析，結(jié)果表明：與傳統(tǒng)攪拌摩擦焊相比，熱源輔助攪拌摩擦焊接頭的抗拉強度、屈服強度和伸長率分別提高了25.4%、20.3%和2.4%，接頭抗拉強度分別達到AZ31B-H24鎂合金的90.3%和6061-T6鋁合金的85.3%。紅外熱源通過降低焊核區(qū)不同金屬間的塑性流動狀態(tài)，來減少Al3Mg2金屬間化合物的生成。如圖1所示，傳統(tǒng)攪拌摩擦焊接頭中生成了Al3Mg2和Al12Mg17兩種金屬間化合物，而紅外熱源輔助攪拌摩擦焊接頭中僅存在少量Al12Mg17相，并且Al3Mg2相消失，從而使攪拌摩擦焊焊接頭強度顯著提升。

圖1 紅外熱源輔助攪拌摩擦焊與常規(guī)攪拌摩擦焊的IMCs對比[12]

CHANG等[13]對A6061-T6鋁合金和AZ31B-H24鎂合金進行異種材料激光輔助攪拌摩擦焊，并在對接表面添加了鎳箔。研究發(fā)現(xiàn)：激光加熱鎳箔，鎳均勻分布在鋁和鎂合金的界面上，促進了鎳基金屬間化合物相（NiAl和Ni2Mg）的形成，顯著減少了脆性金屬間化合物的形成，并提高了接頭的抗拉強度。

曾浩然等[14]選用厚度均為20mm的5A06鋁合金和AZ31B鎂合金兩種異質(zhì)金屬，利用電阻絲開展了電阻絲輔助加熱攪拌摩擦焊試驗。研究得出：焊核區(qū)的面積與輔助加熱溫度成正比，溫度越高，面積越大。由于輔助溫度增加時，導(dǎo)致焊縫底部的最高溫度提高且增大了周圍金屬的軟化程度，攪拌針端部附近遷移的塑性金屬量得以增多，改善了焊接接頭的質(zhì)量，進而增大了焊縫底部塑性金屬向外擴散的趨勢，最終顯現(xiàn)出焊核區(qū)面積增大的現(xiàn)象。

輔助熱源攪拌摩擦焊直接為焊縫提供的熱輸入使材料更易于軟化，促進材料的流動，改善接頭的力學(xué)性能。輔助能量提供的熱能降低了對攪拌頭轉(zhuǎn)速和焊接速度的要求，不僅使焊接效率得到極大提升，同時使更多的同種、異種材料在進行焊接時可以應(yīng)用攪拌摩擦焊。

4 超聲波輔助攪拌摩擦焊

PARK[15]通過在焊接攪拌頭上橫向增加超聲波振動的方式，形成了超聲波輔助攪拌摩擦焊。其工作原理是利用超聲波發(fā)生器與換能器實現(xiàn)工頻交流電到動力勢能的轉(zhuǎn)化。首先將電信號的頻率由工頻提高到超聲頻，接著將電能轉(zhuǎn)化為超聲波機械振動，然后通過超聲波傳輸裝置和振動耦合裝置將縱向超聲波振動傳輸至攪拌頭[16，17]。攪拌頭由軸向旋轉(zhuǎn)和橫向超聲波振動相互作用形成自身運動。在焊接時超聲波振動由攪拌頭作用到待焊的工件上。白英浩等[18]對6061-T6鋁合金和AZ31B-H24鎂合金板進行超聲波輔助攪拌摩擦焊試驗，發(fā)現(xiàn)施加超聲波振動后不僅能夠改善鋁/鎂異種接頭焊縫表面粗糙度，更能夠彌補甚至消除接頭處存在的缺陷，從而使得焊接工藝窗口得到提高；同時可以在一定程度上降低焊縫材料的硬度，進而使鋁/鎂異種材料混合面積擴大，在焊接速度為50mm/min時超聲波輔助的抗拉強度可達206MPa，對比在同樣參數(shù)時傳統(tǒng)攪拌摩擦焊接頭強度，提高了26MPa，提高率為14%。雖然超聲波振動不會減少金屬間化合物的種類，但可以明顯降低金屬間化合物的產(chǎn)生，對Al3Mg2相有破碎作用，金屬間化合物最大厚度己經(jīng)由原來的4.5μm減小到了2.6μm，減薄率為42%。焊接過程中的熱循環(huán)測量結(jié)果表明，因為超聲波振動產(chǎn)生的機械能轉(zhuǎn)化為熱能，所以施加超聲波振動后整個焊接過程的溫度稍微升高。由此可知，超聲波輔助攪拌摩擦焊的技術(shù)特點十分突出，是一種具有巨大工業(yè)應(yīng)用潛力的復(fù)合攪拌摩擦焊技術(shù)。

JI S D等[19]利用超聲波輔助研究了6061-T6和AZ31B合金的不同攪拌摩擦焊，以獲得高質(zhì)量接頭。研究發(fā)現(xiàn)：超聲波使得鋁鎂合金混合更加充分、界面連接線增長且材料流動性增加，提高了機械互鎖性能，延緩了裂紋的擴展速度。超聲波引起的聲學(xué)和流動的耦合使部分金屬間化合物破碎成碎片或顆粒。當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度為1200r/min、焊接速度為40mm/min、超聲波功率為1600W時，接頭抗拉強度和伸長率分別達到120MPa和1.5%。

KUMAR等[20]沿攪拌頭徑向?qū)⒊暡ㄊ┘釉跀嚢桀^上，對6061鋁和AZ31B鎂合金進行超聲波輔助試驗。超聲波輔助攪拌摩擦焊的試樣在遠(yuǎn)離熔核區(qū)（靠近熱影響區(qū)）的情況下失效，而傳統(tǒng)攪拌摩擦焊的試樣在熔核區(qū)鎂合金側(cè)破裂。結(jié)果表明：采用超聲波輔助攪拌摩擦焊的試樣在熔核區(qū)沒有出現(xiàn)任何缺陷。而在傳統(tǒng)攪拌摩擦焊情況下，它在HAZ附近斷裂，這意味著超聲波振動有助于減少缺陷的形成，并提高焊接強度，有助于改善焊縫表面粗糙度，進而擴大了焊接窗口。試驗結(jié)果表明，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度為1200r/min、焊接速度為50mm/min時，超聲波輔助攪拌摩擦焊接頭的抗拉強度和伸長率分別提高了17.3%和36.77%，如圖2所示。通過施加超聲振動顯著增加了焊縫材料的軟化程度，進而使鋁/鎂異種材料混合更加充分，結(jié)合界面更完善。

圖2 傳統(tǒng)攪拌摩擦焊和超聲波輔助攪拌摩擦焊拉伸試樣在1200r/min-50mm/min下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線[20]

黃林召等[21]對AZ31鎂合金和5754鋁合金進行超聲波輔助攪拌摩擦焊，在旋轉(zhuǎn)速度為800r/min、焊接速度為250mm/min時，對鋁/鎂異種合金分別進行常規(guī)攪拌摩擦焊與超聲波輔助攪拌摩擦焊，形成的接頭橫截面宏觀形貌如圖3所示。由圖3可知，常規(guī)攪拌摩擦焊存在焊縫底部熱量不足且塑型金屬流動性差的問題導(dǎo)致大量孔洞的產(chǎn)生。而在相同條件下，引入超聲波振動后，則減少了焊接流變的抵抗力，進而提高了焊縫底部金屬的塑性流動性，大幅降低了孔洞的產(chǎn)生。通過對鋁/鎂異種合金進行超聲波輔助攪拌摩擦焊，不僅提高了塑性金屬的流動性，使鎂鋁合金混合更加充分，同時使接頭的力學(xué)性能有了小幅度的增強。

圖3 傳統(tǒng)攪拌摩擦焊和超聲波輔助攪拌摩擦焊接頭橫截面宏觀形貌

超聲波輔助攪拌摩擦焊能改善焊縫成形、減少焊接載荷，使接頭內(nèi)部的孔洞以及隧道缺陷大幅度減少，不僅提升了焊接效率，還改善了晶粒組織。然而，超聲波輔助攪拌摩擦焊設(shè)備改裝較復(fù)雜，能源利用率低，成本高，可控性較差。

5 水下攪拌摩擦焊

水下攪拌摩擦焊是浸入式攪拌摩擦焊（SFSW）中最為典型的一種。使用水作為冷卻手段降低溫度并控制粗化沉淀物，從而提高力學(xué)性能，并且比液氮和其他冷卻手段更便宜、實用[22]。趙翔等[23]對6061鋁合金和AZ31B鎂合金展開了水下攪拌摩擦焊搭接試驗。結(jié)果表明：高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭會帶動環(huán)境中的水進入到攪拌針?biāo)纬傻目涨粌?nèi)將雜質(zhì)清洗沖刷出去，水形成循環(huán)將部分焊接熱量帶出，使得最大焊接溫度降低且析出相聚集長大現(xiàn)象減少，進而降低焊接熱軟化效應(yīng)，使水下環(huán)境中焊縫顯微硬度有所提高（見圖4），并且對于減少毛刺、未焊透缺陷有一定的積極作用。

圖4 兩種焊接環(huán)境中的顯微硬度數(shù)據(jù)擬合曲線對比[23]

楊濤等[24]對7055鋁合金和AZ31鎂合金展開了水下攪拌摩擦焊試驗。研究發(fā)現(xiàn)：水介質(zhì)的冷卻作用抑制了晶粒的生長，接頭溫度明顯降低且大幅度抑制了界面處鋁、鎂元素的擴散，減少了界面處元素間的互相反應(yīng)，加入水介質(zhì)后接頭的金屬間化合物生成量顯著降低，界面無法形成明顯的IMC連續(xù)層，僅有少量微小的Al3Mg2、Al12Mg17、Al2Cu及MgZn2相離散存在。如圖5所示， Al/Mg界面結(jié)合的更加完善，進而降低了裂紋擴展速度，接頭承載力得到了提高，同時使接頭的剪切性能得到了增強。

圖5 不同轉(zhuǎn)速水下攪拌摩擦焊接頭斷口XRD物相圖譜[24]

王璐等[25]選用軋制態(tài)AZ31鎂合金和6061-T6鋁合金進行水下攪拌摩擦焊試驗。結(jié)果表明：循環(huán)水加快了冷卻速度。一方面，降低了鎂、鋁元素的擴散速度；另一方面，它還避免了大面積成分液化，減少了金屬間化合物的生成量，從而提高接頭的剪切性能，使鋁/鎂搭接接頭的界面過渡層厚度減小到2.01μm，如圖6所示。

圖6 不同介質(zhì)中攪拌摩擦搭接焊后Mg/Al界面橫截面SEM圖和EDS線掃描分析[25]

MOHAMMAD等[26]對AA5083鋁合金和AZ31鎂合金分別在空氣、水和液氮三種不同環(huán)境下，以旋轉(zhuǎn)速度為400r/min和焊接速度為50mm/min進行攪拌摩擦焊連接。結(jié)果表明：在液氮中焊接時，接頭的峰值溫度最高為422℃，在水中為367℃，在空氣中為410℃；在水中進行焊接時，接頭最高抗拉強度是167MPa，在液氮中是134MPa，在大氣中是104MPa；在水中時接頭的伸長率最大，在液氮中次之，如圖7、圖8所示。接頭的顯微組織分析表明，在水下與液氮中進行焊接時，能夠產(chǎn)生光滑的攪拌區(qū)界面并且僅有少量混合。伴隨著峰值溫度的減小，金屬間化合物的形成受到明顯抑制，因此沒有產(chǎn)生明顯的晶粒長大現(xiàn)象。然而，當(dāng)在空氣中焊接時，晶粒長大現(xiàn)象以及接頭硬度分布變化明顯。

圖7 不同環(huán)境下攪拌摩擦焊接頭的峰值溫度[26]

圖8 不同焊接環(huán)境下焊接接頭的強度[26]

ZHAO等[27]采用6013鋁合金與AZ31鎂合金異種金屬開展水下攪拌摩擦焊，對接頭組織與力學(xué)性能進行分析，得出攪拌區(qū)存在層片狀的再結(jié)晶鋁合金和鎂合金被攪拌在一起，形成復(fù)雜的夾層。水下攪拌摩擦焊接頭界面產(chǎn)生的金屬間化合物層比大氣中焊接的焊縫薄，且由于較高的冷卻速率，故接頭外觀更加光滑。水下攪拌摩擦焊異種金屬接頭的抗拉強度提高到152MPa，約為AZ31鎂合金母材的64%，伸長率為1.3%，如圖9所示。

圖9 母材和焊接接頭在不同焊接狀態(tài)下的拉伸試驗結(jié)果[27]

水下攪拌摩擦焊提供了較高的冷卻速率，降低了焊接峰值溫度，減少了金屬間化合物的生成，使得接頭的力學(xué)性能有所提高。

6 添加中間層攪拌摩擦焊

除了由鋁/鎂合金的物理和化學(xué)性能差異引起的焊接缺陷外，還有其自身的特點，即這兩種合金在共晶溫度下很容易形成易碎的金屬間化合物，因此，在原有焊接的基礎(chǔ)上，努力避免鋁/鎂合金之間的大量接觸，減少金屬間化合物的產(chǎn)生，從而提高接頭性能。嘗試添加中間金屬（Sn、Cu、Zn等）輔助夾層避免鋁/鎂合金大量接觸，減少鋁/鎂金屬間化合物的產(chǎn)生，以改善接頭性能。鄭博等[28]選用5052鋁合金和AZ31B鎂合金通過增加錫箔輔助夾層展開攪拌摩擦焊試驗。鎂和錫之間存在較強的親和力且極易發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生Mg2Sn，進而起到隔絕鋁鎂互相反應(yīng)生成金屬間化合物的效果，并且進行焊接時錫箔輔助夾層能夠吸收一部分的熱量發(fā)生熔化現(xiàn)象，進而使得焊接時的實際熱輸入降低，這也進一步遏制了鋁/鎂異種材料間的反應(yīng)。而且相比鋁/鎂之間的反應(yīng)，錫與鎂更易生成Mg2Sn，從而提高接頭力學(xué)性能。并且鋁/鎂焊接時的溫度無法達到Mg2Sn的熔點，固態(tài)的Mg2Sn不僅大大降低了金屬的流動性，也使得鋁/鎂之間的混雜程度減弱，從而抑制了接頭內(nèi)部脆性金屬間化合物的產(chǎn)生，而接頭內(nèi)部分散游離的鋁基固溶體、Mg2Sn、Mg17Al12、Mg2Al3復(fù)合結(jié)構(gòu)更是增加了接頭的強度。并且攪拌頭轉(zhuǎn)速與錫箔厚度成反比，錫箔越厚，轉(zhuǎn)速越低。這是由于在有限體積的情況下，隨著錫箔量的增大，錫箔熔化所需的熱量更多，并且錫箔太厚也使焊接時形成更大阻力，接頭成形效果不能達到預(yù)期。如圖10所示，諸多因素的共同作用使得接頭強度隨錫箔厚度的增大而降低。當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度為900r/min、焊接速度為25mm/min時，添加0.1mm的錫箔能夠使接頭最大抗拉強度達165.42MPa。

圖10 添加不同厚度錫箔的接頭抗拉強度[28]

鄭博等[29]對AZ31B/6061異種合金進行攪拌摩擦焊，采用搭接方式，加入錫箔夾層，在旋轉(zhuǎn)速度為1350r/min、焊接速度為50mm/min的條件下，接頭拉剪強度最大達51.2MPa，比沒有添加夾層時提高了78%，且焊縫處主要金屬間化合物為Al12Mg17、Al3Mg2、Mg2Sn。由圖11分析可知，由于錫箔夾層的加入提高了鎂、鋁原子的擴散速率，伴隨Mg2Sn的生成，Al12Mg17和Al3Mg2的含量均有所增加。進一步研究得出，Al12Mg17、Al3Mg2、Mg2Sn相的合金形成熱量分別為-7.16kJ/mol、-9.80kJ/mol、-23.27kJ/mol、8.10kJ/mol，其中Mg2Sn形成熱量絕對值最大，故具有最強的合金化形成能力，最容易形成此相，由此導(dǎo)致Al12Mg17的增量小于Al3Mg2，而Al3Mg2能夠提高接頭韌性，因此有助于提高接頭強度。

圖11 焊接接頭XRD衍射譜[29]

李佩琪等[30，31]對3mm的壓鑄態(tài)AZ91D鎂合金和ADC12鋁合金焊接過程中引入第三方金屬銅，添加銅元素后對焊接接頭產(chǎn)生兩種影響。一方面，由于在焊接接頭中加入了銅元素，鋁、鎂元素均能夠與銅元素反應(yīng)生成Al2Cu、MgCu2等金屬間化合物，兩種金屬間化合物都是延性相，相比于焊核區(qū)形成的脆性金屬間化合物，它們具有較強的塑性，能夠在進行攪拌摩擦焊時對攪拌頭進行潤滑，從而減少摩擦，有利于提高焊縫組織的塑性流動性能，降低Mg17Al12這種脆性金屬間化合物的產(chǎn)生，并對減少鋁/鎂異種合金缺陷有顯著效果。另一方面，由于銅具有較高的熔點，在攪拌摩擦焊過程中無法達到銅的熔化溫度，導(dǎo)致銅元素與鋁、鎂元素反應(yīng)生成 AlCu、Al2Cu、MgCu2等金屬間化合物。由于焊接時部分成分產(chǎn)生液化現(xiàn)象，這些金屬間化合物同Al12Mg17、Al3Mg2、Si等第二相擴散分布在液相中，液態(tài)薄膜的黏度得到提高，導(dǎo)致金屬流動性明顯下降，進而使其無法完全擴展，致使鎂鋁間反應(yīng)生成的金屬間化合物減少。

鄧威等[32]對AZ31B鎂合金和6061鋁合金進行攪拌摩擦焊，在鋁/鎂異種金屬中加入鋅元素后形成的兩側(cè)自由擴散分布搭接接頭界面中，鋅元素在中間過渡區(qū)含量最高。搭接界面中主要由Al12Mg17、Al3Mg2、MgZn、Mg2Zn11等物相組成，可能包含Al5Mg11Zn4、AlMg4Zn11、AlMg2Zn等三元合金相，如圖12所示。加鋅元素后，經(jīng)反應(yīng)產(chǎn)生的鋁固溶體及鋅固溶體抑制了存在于界面結(jié)合區(qū)的Al3Mg2及Al12Mg17金屬間化合物的產(chǎn)生，從而提高了搭接接頭的力學(xué)性能。靠近鎂合金側(cè)的組織，可能存在Al12Mg17、Al5Mg11Zn4和Mg-Zn共晶組織；而與鋁合金側(cè)較近的，可能存在Al3Mg2、Mg/Zn/Al三元共晶組織。

圖12 加入鋅箔后旋轉(zhuǎn)速度為900r/min時搭接接頭XRD衍射分析圖[32]

牛士玉等[33，34]使用攪拌摩擦焊對AZ31B鎂合金和7075-T6鋁合金進行搭接試驗，純鋅箔作為中間層，探究鋅夾層的作用機制。研究得出：加入鋅箔夾層后，軸肩變形區(qū)的黏性變?nèi)跚也牧系乃苄詰?yīng)力變小，材料塑性流動增強，進而使得碎裂的鋁合金進入到軸肩變形區(qū)的量增大， Cold-lap尺寸變小且有利于機械互鎖的形成。引入鋅箔夾層后搭接接頭的機械互鎖性能得到大幅提高，邊界長度和有效搭接寬度得到改善，并且離散且體積小的Mg-Zn及Al-Mg-Zn 金屬間化合物取代了鋁/鎂金屬間化合物散布在軸肩變形區(qū)，大大提高了接頭抗拉伸及剪切的能力。另外，添加的鋅箔厚度不同，塔接接頭成形效果也存在顯著的不同。當(dāng)鋅箔變厚時，有效搭接寬度也增大，軸肩變形區(qū)與熱機影響區(qū)在下板中的邊界長度在采用0.05mm鋅夾層時取得最大值。

添加合適的中間層可有效調(diào)控不同焊接工藝鋁/鎂異種接頭的組織與性能。一方面，中間層優(yōu)先與母材反應(yīng)，生成性能更優(yōu)的物相；另一方面，中間層能夠吸收部分熱量且抑制界面處金屬間的相互滲透，從而減少金屬間化合物的產(chǎn)生。

7 靜止軸肩攪拌摩擦焊

靜止軸肩攪拌摩擦焊（SSFSW）指在焊接時只有內(nèi)部的攪拌針旋轉(zhuǎn)而軸肩不發(fā)生旋轉(zhuǎn)，僅沿著焊接方向進行平移的新型攪拌摩擦焊[35]。由于在焊接時產(chǎn)生的熱量較低，進而并未對接頭性能產(chǎn)生較大的損耗，且焊縫處并未有靜止軸肩的擠壓，因此焊縫不會變薄。WU等[36]對3mm厚的6061-T6鋁合金和AZ31B鎂合金薄板采用靜止軸肩攪拌摩擦焊。結(jié)果表明：采用合適的焊接參數(shù)，接頭的抗拉強度最大值達137MPa，比傳統(tǒng)攪拌摩擦焊接頭在靜拉伸條件下的最大承載能力增強了130%；靜止軸肩攪拌摩擦焊使攪拌針不具有附著性，進而使塑性金屬材料的流動速度得到提升，使鋁/鎂合金更加充分地混合，進而形成更完善的機械互鎖并使界面連接長度增加。并且伴隨著靜止軸肩能夠迅速完成冷卻，鋁/鎂連接界面產(chǎn)生的金屬間化合物層變薄。

LIU等[37]自主研制了底部存在6個槽的無攪拌針靜止軸肩攪拌工具，對6061-T6Al和AZ31B鎂合金分別開展無攪拌針靜止軸肩輔助工具和靜止軸肩攪拌摩擦焊工藝的試驗，來降低材料在攪拌針上的附著。結(jié)果表明：不同于傳統(tǒng)的靜止軸肩攪拌摩擦焊，使用該自制工具后表面成形效果有了明顯改善，經(jīng)機械攪拌后金屬間混合速度增加，焊接參數(shù)窗口得到擴展，金屬間化合物層變薄。靜止軸肩還能夠抑制材料的流出，降低接頭裂紋產(chǎn)生的概率。靜止軸肩不僅提高了生產(chǎn)效率并改善了機械互鎖，也可以延遲金屬間化合物的生長，有利于提高拉伸性能。

LIU等[38]對6061-T6鋁合金和AZ31B鎂合金開展了基于靜止軸肩系統(tǒng)的超聲波輔助攪拌摩擦焊，來觀察引入靜止軸肩系統(tǒng)后能否抑制鋁/鎂異種材料間ICMs的產(chǎn)生，而金屬間化合物正是導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生的主要形成因素以及主要傳播途徑。結(jié)果表明：產(chǎn)生于焊核區(qū)底部且具有插層結(jié)構(gòu)的“洋蔥環(huán)”，能夠提高機械互鎖，超聲波通過振動與聲流把存在于前進測的熱機影響區(qū)附近的連續(xù)金屬間化合物層擊碎變?yōu)殡x散顆粒狀，進而使接頭的拉伸性能得到提高，超聲波輔助摩擦攪拌焊接頭抗拉強度和伸長率的最大值分別為152.4MPa、1.9%；斷裂路徑從傳統(tǒng)攪拌摩擦焊的前進側(cè)的熱機影響區(qū)附近的鋁/鎂界面變?yōu)槌暡ㄝo助攪拌摩擦焊在焊核區(qū)的后退側(cè)處的鋁/鎂界面，如圖13所示。

圖13 兩種工藝下攪拌摩擦焊接頭的宏觀結(jié)構(gòu)[38]

JI等[39，40]對6061-T6鋁合金與AZ31B鎂合金分別進行攪拌摩擦焊與靜止軸肩攪拌摩擦焊，來觀察相同條件下兩種攪拌摩擦焊接頭的表面成形、顯微組織和力學(xué)性能產(chǎn)生的差異。結(jié)果表明：不同于傳統(tǒng)攪拌摩擦焊，引入靜止軸肩后生成的接頭表面光滑且沒有缺陷；靜止軸肩提高了冷卻速度，降低了攪拌針表面的附著性，使焊核區(qū)能進入更多材料，顯著提高了鋁-鎂合金的焊接性；焊核區(qū)由含有重結(jié)晶鋁和鎂晶粒的復(fù)雜插層結(jié)構(gòu)組成，而金屬間化合物出現(xiàn)在鋁和鎂層的界面處。

靜止軸肩攪拌摩擦焊減少了飛邊缺陷出現(xiàn)的可能，抑制了塑化材料從轉(zhuǎn)動的攪拌針兩側(cè)擠出，防止孔洞缺陷的形成；靜止軸肩有利于提高冷卻速度，減薄了金屬間化合物層厚度，拓寬了焊接參數(shù)。

8 結(jié)束語

隨著攪拌摩擦焊新技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，攪拌摩擦焊的應(yīng)用空間將進一步擴大。新型攪拌摩擦焊技術(shù)將促進制造業(yè)更快更好地發(fā)展。同時，這些新技術(shù)也將有更廣闊的市場，在不久的未來將迎來快速發(fā)展和應(yīng)用的高峰。在為提高接頭質(zhì)量方面，攪拌摩擦焊技術(shù)在鋁/鎂異種合金超聲波輔助攪拌摩擦焊、水下攪拌摩擦焊、添加中間層攪拌摩擦焊等復(fù)合焊接方法取得了諸多成果，但在輔助熱源攪拌摩擦焊、靜止軸肩攪拌摩擦焊對異種合金的研究仍然存在不足。目前，對鋁/鎂異種合金接頭焊縫微觀組織的研究主要集中在微觀組織的形貌特征、晶粒組織的形態(tài)和尺寸大小方面，而對更深入的晶?？棙?gòu)、晶粒取向及位錯密度等研究不夠。