劉小超，倪中華，崔遠馳，武傳松，石磊，Hidetoshi Fujii

(1.東南大學(xué),南京,211189；2.南京木木西里科技有限公司,南京,211189；3.山東大學(xué),材料液固結(jié)構(gòu)演變與加工教育部重點實驗室,濟南,250061；4.Joining and Welding Research Institute,Osaka University,Osaka,567-0047,Japan)

0 序言

摩擦焊作為一類典型的固相連接技術(shù)，能夠避免熔化焊中易出現(xiàn)的氣孔、裂紋、夾渣等缺陷[1]，是部分難焊材料首選的焊接方法，在航空航天、交通運輸、武器裝備、礦山機械、海洋工程等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[2-3].

摩擦焊技術(shù)是人們在實踐中摸索出來的焊接方法.摩擦焊誕生之初，由于沒有完善的技術(shù)理論做指引，摩擦焊技術(shù)發(fā)展緩慢.早在1891 年就誕生了第一個利用摩擦熱進行焊接的專利，但是直到20 世紀(jì)50 年代才研發(fā)成功第一種實用的摩擦焊方法，即連續(xù)驅(qū)動摩擦焊[4].此后，慣性摩擦焊、線性摩擦焊以及徑向摩擦焊等相繼得到發(fā)展.1991 年，英國焊接研究所發(fā)明了攪拌摩擦焊[5]，首次利用非消耗的攪拌頭作為焊接工具對工件進行攪拌摩擦焊，極大地拓寬了人們對摩擦焊理論的認知，為摩擦焊技術(shù)的快速發(fā)展奠定了基礎(chǔ).近幾十年，各類摩擦焊新技術(shù)、新工藝層出不窮.

文中從摩擦焊工藝中相互摩擦的對象屬性出發(fā)，對現(xiàn)有的摩擦焊技術(shù)進行歸類，使摩擦焊技術(shù)的基礎(chǔ)理論更加系統(tǒng)、完善，為摩擦焊技術(shù)的創(chuàng)新提供新的視角.

1 摩擦焊的分類

摩擦焊的分類方法有很多，常見的有按照工件相對運動形式或工藝特點進行分類[1-3].文中根據(jù)相互摩擦對象的屬性，提出將現(xiàn)有的摩擦焊技術(shù)歸為3 類：①工件與工件之間相互摩擦，主要包括旋轉(zhuǎn)摩擦焊、線性摩擦焊等；②工件與非消耗性外部工具之間相互摩擦，主要有攪拌摩擦焊、攪拌摩擦點焊等；③工件與可消耗的外部工具之間相互摩擦，有徑向摩擦焊、摩擦-鉚接、摩擦塞補焊、摩擦堆焊以及最近誕生的渦流攪拌摩擦焊[6]等.與第1 類摩擦焊技術(shù)相比，后兩類摩擦焊技術(shù)不依靠工件與工件之間的相對運動，而是依靠外部工具對工件的摩擦進行產(chǎn)熱，從而使工件材料達到塑化狀態(tài)并實現(xiàn)焊接與連接.因此，后兩類摩擦焊技術(shù)具有較高的工藝靈活性，可適用于各種各樣的接頭形式，如對接、搭接、角接、環(huán)縫、點連接、焊接修復(fù)、表面改性、增材制造[3]等.非消耗性外部工具是指外部工具在與工件相互摩擦的過程中，其形狀和尺寸保持不變，焊接完成后，外部工具仍可用于下一道焊縫的焊接；可消耗性外部工具則是指外部工具在與工件相互摩擦的過程中被消耗，成為接頭的一部分，無法再重復(fù)使用.

基于工件與可消耗的外部工具之間相互摩擦的焊接技術(shù)是摩擦焊領(lǐng)域發(fā)展較快的技術(shù)之一，涌現(xiàn)出了不少新技術(shù).下文將重點介紹此類技術(shù)的工藝原理以及最新的研究進展，以期為相關(guān)領(lǐng)域的科研工作者提供參考，爭取該領(lǐng)域的更大進步和創(chuàng)新.

2 摩擦焊的工藝原理和研究進展

2.1 徑向摩擦焊

2.1.1 工藝原理

徑向摩擦焊(radial friction welding)是誕生較早的基于工件與外部可消耗工具之間相互摩擦的焊接技術(shù)，其工藝原理如圖1 所示[7].在徑向摩擦焊工藝中，用于與工件摩擦產(chǎn)熱的外部可消耗工具被稱作徑向環(huán).在一定徑向壓力的作用下，徑向環(huán)與待焊管材之間相互接觸并繞著兩個固定管件的接縫處高速旋轉(zhuǎn)，兩者之間相互摩擦產(chǎn)生的熱量使接觸界面的材料達到塑化狀態(tài).此時，在徑向壓力的基礎(chǔ)上，再施加一個徑向頂鍛力，使徑向環(huán)與待焊管材融為一體，形成牢固的焊接接頭.徑向摩擦焊的頂鍛力有軸向加壓和徑向加壓兩種方式.軸向加壓時，需采用錐面環(huán)將軸向壓力轉(zhuǎn)化為徑向壓力.

圖1 徑向摩擦焊工藝原理示意圖Fig.1 Schematic of radial friction welding

2.1.2 徑向環(huán)與工件的材料匹配

徑向摩擦焊可以用于同質(zhì)管材的焊接.其中，徑向環(huán)的材質(zhì)既可以與母材相同，也可以與母材不同.Della 等人[8]采用同質(zhì)徑向環(huán)實現(xiàn)了超級馬氏體不銹鋼管的徑向摩擦焊.圖2 為典型的接頭和對應(yīng)的微觀組織[8].在接頭內(nèi)殘留的徑向環(huán)區(qū)，形成了細小的原始馬氏體和殘余奧氏體的混合組織.而熱影響區(qū)和熱力影響區(qū)的顯微組織則由原始馬氏體和δ-鐵素體組成.

圖2 超級馬氏體不銹鋼徑向摩擦焊接頭Fig.2 Typical radial friction welding joint of super martensitic stainless steel. (a) macrostructure of the joint cross-section; (b) corresponding microstructure of the region I in Fig.2a

秦國梁等人[9]在優(yōu)化后的焊接工藝參數(shù)下實現(xiàn)了45 鋼徑向環(huán)與37CrMnMo 鋼管的徑向摩擦焊.結(jié)果表明，徑向環(huán)發(fā)生了強烈的塑性變形，焊縫表面有明顯氧化.管體上的熱影響區(qū)很窄，焊縫抗剪強度略高于徑向環(huán)，平均達401 MPa，并具有良好的塑韌性.接頭微觀組織分析表明，45 鋼徑向環(huán)和37CrMnMo 鋼管側(cè)的熱影響區(qū)組織分別為鐵素體+珠光體+貝氏體和貝氏體+少量馬氏體，并且焊縫中心及熱力影響區(qū)的組織得到了細化.陳大軍等人[10]通過慣性徑向摩擦焊試驗獲得了10 鋼徑向環(huán)與35CrMnSi 鋼管的徑向摩擦焊接頭，接頭平均抗剪強度達520 MPa，略高于10 鋼母材.由此可見，采用同質(zhì)或異質(zhì)的徑向環(huán)，均可實現(xiàn)同質(zhì)管材的高質(zhì)量徑向摩擦焊.

徑向摩擦焊的另一個重要用途是用于異質(zhì)棒材和管材(軸/軸套)之間的連接[11].此時較軟的材料通常作為徑向環(huán)，而較硬的材料則作為內(nèi)襯.焊接時，焊機驅(qū)動徑向環(huán)旋轉(zhuǎn)并徑向加壓，通過徑向環(huán)與內(nèi)襯工件之間的摩擦產(chǎn)熱來軟化材料并促使其發(fā)生化學(xué)和物理冶金反應(yīng)，從而將徑向環(huán)焊接在內(nèi)襯的工件表面，實現(xiàn)內(nèi)襯工件的表面功能化.嚴(yán)格意義上說，此時的徑向環(huán)并不屬于文中所定義的外部可消耗工具，其屬性仍是工件，因此不再詳述.

2.1.3 徑向摩擦焊的新發(fā)展及未來趨勢

傳統(tǒng)的徑向摩擦焊由于需要徑向加壓，必須在復(fù)雜的工裝配合下才可實現(xiàn)焊接.近年來，F(xiàn)aes 等人[12]提出了一種新型摩擦焊方法，并命名為“Friex”，亦有學(xué)者稱之為周向摩擦焊(girth friction welding，GFW)[13-14]，其工藝原理和焊接效果如圖3所示[12].該工藝采用一個中間環(huán)在兩個待焊管材之間旋轉(zhuǎn)，并從管材兩端施加頂鍛力，以產(chǎn)生必要的熱和塑性變形，從而實現(xiàn)焊接.基于該工藝原理，Chludzinski 等人[15]最近研發(fā)了一套可焊接直徑達400 mm 的全自動管道周向摩擦焊系統(tǒng)，不足5 min的時間就可以生產(chǎn)出無缺陷的API 5L X46 焊管.

圖3 周向摩擦焊工藝Fig.3 Girth friction welding process. (a) schematic of the process; (b) morphology of the welds

采用周向摩擦焊可以獲得良好的接頭組織和性能.Pissanti 等人[13]利用周向摩擦焊工藝焊接了UNS S32205 雙相不銹鋼管件，并結(jié)合數(shù)值模擬的溫度場和塑性變形場，評估了焊縫橫截面不同位置處的微觀組織.研究結(jié)果表明，在高溫和大塑性變形的共同作用下焊縫區(qū)的奧氏體形態(tài)發(fā)生變化，鐵素體晶粒發(fā)生長大，在臨近焊縫的熱力影響區(qū)的奧氏體取向發(fā)生變化，鐵素體含量有所增加，如圖4 所示.

圖4 雙相不銹鋼周向摩擦焊接頭微觀組織Fig.4 Microstructure of the duplex stainless steel joint produced by girth friction welding. (a) phase of weld zone; (b) phase of thermo-mechanically affected zone; (c) phase of base metal; (d) grain of weld zone; (e) grain of thermo-mechanically affected zone; (f) grain of base metal

De 等人[14]對比了采用周向摩擦焊和鎢極氬弧焊接API 5L X65 管線鋼的接頭微觀組織和殘余應(yīng)力，結(jié)果表明，周向摩擦焊接頭不僅避免了熔焊中的氣孔缺陷，還獲得了較為均勻的接頭微觀組織，對應(yīng)的殘余應(yīng)力分布較熔化焊管件也更為均勻，殘余應(yīng)力的峰值更小.

徑向摩擦焊及其衍生技術(shù)為管/管連接提供了有效的技術(shù)手段，且已在工程實踐中取得了一定的應(yīng)用[8-15].對于未來發(fā)展，除了繼續(xù)探索新工藝外，還應(yīng)考慮進一步拓展徑向摩擦焊及其衍生技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域.因其可采用異質(zhì)徑向環(huán)(中間環(huán))的特點，未來可考慮將其應(yīng)用于異質(zhì)管/管對接的場合.同時，周向摩擦焊也給旋轉(zhuǎn)摩擦焊和線性摩擦焊的工藝改型提供了新的思路,可探索采用中間體旋轉(zhuǎn)或線性運動來實現(xiàn)大型工件或異種材料的旋轉(zhuǎn)或線性摩擦焊.

2.2 摩擦-鉚接復(fù)合工藝

2.2.1 工藝原理

摩擦-鉚接復(fù)合工藝是將摩擦焊與機械鉚接相結(jié)合而形成的一種機械-固相復(fù)合連接方法.基本思路是將鉚釘作為可消耗的外部工具與工件進行摩擦，利用鉚釘與工件之間的摩擦熱來軟化工件材料，提高鉚釘?shù)拇┩感?，降低材料在鉚接過程中的開裂傾向，同時引入鉚釘與工件之間的固相冶金結(jié)合.最基礎(chǔ)的摩擦-鉚接復(fù)合工藝采用實心金屬棒旋轉(zhuǎn)插入工件，通過摩擦和擠壓使棒料在鉚入過程中產(chǎn)生墩粗，從而在材料中形成自鎖[16].另有從流動鉆技術(shù)演變而來的流動鉆鉚技術(shù)，將特制螺釘高速旋轉(zhuǎn)壓入工件，通過螺釘對工件的摩擦產(chǎn)熱，使工件局部發(fā)生軟化和塑性流動，最終與螺釘形成螺紋鉚合[17].這些技術(shù)奠定了摩擦-鉚接復(fù)合的工藝基礎(chǔ).

2.2.2 攪拌摩擦盲鉚接

Gao 等人[18]結(jié)合抽芯鉚接和攪拌摩擦原理提出了攪拌摩擦盲鉚接工藝，如圖5 所示[18-19].通過驅(qū)動抽芯鉚釘高速旋轉(zhuǎn)穿透被連接板材，代替?zhèn)鹘y(tǒng)抽芯鉚接工藝中的制孔和放釘工序，簡化了工藝流程[19].

圖5 攪拌摩擦盲鉚接工藝原理示意圖Fig.5 Schematic of friction stir blind riveting process.(a) positioning; (b) plunging; (c) self-plugging

圖6 為攪拌摩擦盲鉚接頭的宏觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能[18].通過攪拌摩擦盲鉚接工藝獲得的接頭如圖6a 所示，鉚釘從正面旋轉(zhuǎn)壓入工件，工件材料在此過程中被從背面推出，芯軸在抽芯過程中被推入接頭內(nèi)部，形成膨脹頭，從而達到鉚接的效果.圖6b為攪拌摩擦盲鉚接頭與相同尺寸的電阻點焊接頭的拉伸性能對比.攪拌摩擦盲鉚接頭不僅具有較大的承載能力，而且失效位移較大，表明其具有良好的吸能效果.Min 等人[20-22]開展了鋁合金/鋁合金、鋁合金/碳纖維增強聚合物復(fù)合材料以及鋁合金/鎂合金等材料的攪拌摩擦盲鉚接工藝研究，都取得了較為理想的工藝效果.

圖6 攪拌摩擦盲鉚接頭宏觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能Fig.6 Macrostructure and mechanical properties of friction stir blind riveting joint. (a) cross-section of the joint; (b) comparison of tensile properties with resistance spot welding joint

2.2.3 摩擦單元焊

Hahn 等人[23]通過復(fù)合攪拌摩擦點焊和鉚接，提出了摩擦單元焊(friction element welding，F(xiàn)EW)工藝，用于連接鋁合金與超高強鋼，其工藝原理如圖7 所示.將鋼質(zhì)實心鉚釘(摩擦單元)保持高速旋轉(zhuǎn)并從鋁合金側(cè)壓入工件.在此過程中，鉚釘與上層鋁合金之間的摩擦產(chǎn)熱可以塑化鋁合金，降低其開裂傾向，被擠出的鋁合金會流動至鉚釘頭部下方，形成填充.當(dāng)鉚釘接觸下層高強鋼板時，鉚釘與鋼板間形成摩擦，并在熱力作用下形成冶金接合，從而將鋁板“鎖”在鉚釘蓋與下層板之間，實現(xiàn)鋁/鋼之間的連接.Papadimitriou 等人[24]采用摩擦單元焊連接了高強孿生誘發(fā)塑性(twinning induced plasticity，TWIP)鋼和AA5754 鋁合金，其獲得的接頭宏觀和微觀組織如圖8 所示.由圖8可以看出，鉚釘與底層鋼板之間形成了良好的冶金結(jié)合.

圖7 摩擦單元焊工藝原理示意圖Fig.7 Schematic of friction element welding. (a) positioning; (b) plunging; (c) dwelling; (d) forging

圖8 鋁/鋼摩擦單元焊接頭截面宏觀和微觀組織Fig.8 Macroscopic and microstructure of the Al/steel joints produced by friction element welding

2.2.4 自沖式摩擦鉚接

Li 等人[25]提出了自沖摩擦鉚接工藝(friction self-piercing riveting，F(xiàn)SPR)，其工藝原理示意圖如圖9 所示[25-26].該工藝以傳統(tǒng)自沖鉚接工藝為基礎(chǔ)，結(jié)合摩擦生熱的基本原理，使用半空心鉚釘在軸向進給的同時進行高速旋轉(zhuǎn)，利用鉚釘與板材之間的摩擦熱來軟化工件材料，改善其成形性能，從而解決傳統(tǒng)自沖鉚接過程中材料的開裂問題.同時，摩擦熱和壓力的共同作用又促進了接頭中固相連接的形成，最終實現(xiàn)機械-固相復(fù)合連接.

圖9 自沖式摩擦鉚接工藝原理示意圖Fig.9 Schematic of friction self-piercing riveting. (a) rotating; (b) plunging; (c) forming; (d) stopping; (e) retracting

為了控制鉚釘變形，提高機械互鎖的可靠性，馬運五等人[26]提出了分段式自沖摩擦鉚接方法.首先，在旋轉(zhuǎn)刺入階段，通過鉚釘高速旋轉(zhuǎn)、低速進給的方式軟化低延性材料；其次，在軟化變形階段，通過鉚釘停轉(zhuǎn)并快速進給控制鉚釘?shù)淖冃?該方法在抑制開裂的同時顯著提升了接頭機械互鎖的可靠性.

圖10 為自沖式摩擦鉚接接頭鉚釘與工件界面上的微觀結(jié)構(gòu)[26].從圖10b 和圖10c 可以看到，無論是鉚釘與外側(cè)工件之間還是鉚釘與內(nèi)側(cè)工件之間，界面上均存在顯著的元素擴散，這表明鉚釘與工件之間形成了冶金結(jié)合.

圖10 自沖式摩擦鉚接接頭界面微觀結(jié)構(gòu)Fig.10 Interface microstructure of friction self-piercing riveting joint. (a) joint longitudinal cross-section and the corresponding horizontal cross-section on the dotted line; (b) element analysis of the interface between rivet and its outside workpiece; (c) element analysis of the interface between rivet and its inside workpiece

2.2.5 攪拌摩擦鉚焊

張鵬等人[27]提出了一種螺紋鉚釘式攪拌摩擦鉚焊工藝，其工藝原理如圖11 所示.高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭驅(qū)動帶螺紋的鉚釘旋轉(zhuǎn)，并壓入工件.在攪拌頭軸肩和鉚釘?shù)臄嚢枘Σ梁蛿D壓作用下，上、下板材間的材料發(fā)生塑化并形成冶金結(jié)合.同時，軸肩對工件表面的摩擦加熱將使塑化的工件材料將鉚釘緊密包裹鑲嵌，從而獲得依靠螺紋機械鉚合增強的固相焊接接頭.采用攪拌摩擦鉚焊工藝獲得的6061-T6 不等厚鋁合金接頭的微觀組織如圖12 所示[27]，和攪拌摩擦焊接頭類似，在攪拌摩擦鉚焊接頭中，螺紋鉚釘?shù)闹車残纬闪藬嚢鑵^(qū)，由于攪拌區(qū)的存在，上、下鋁合金板之間形成冶金結(jié)合.此外，螺紋鉚釘與鋁合金工件之間還形成了螺紋鉚合.

圖11 攪拌摩擦鉚接工藝原理示意圖Fig.11 Schematic of friction stir riveting welding. (a) positioning; (b) riveting; (c) forming; (d) retracting

圖12 攪拌摩擦鉚焊接頭的微觀組織和力學(xué)性能Fig.12 Microstructure and mechanical properties of the friction stir riveting welding joint. (a) microstructure near the rivet; (b) metallurgical connection; (c) thread riveting

2.2.6 未來發(fā)展趨勢

摩擦-鉚接復(fù)合工藝形式變化多樣，而且絕大多數(shù)是近年來發(fā)展起來的新工藝和新技術(shù).摩擦-鉚接復(fù)合通過將摩擦產(chǎn)熱和傳統(tǒng)的鉚接技術(shù)相復(fù)合，克服了傳統(tǒng)鉚接載荷大、材料易開裂、高強材料對鉚釘質(zhì)量要求高等缺點，為新型輕量化薄壁結(jié)構(gòu)的設(shè)計與制造提供了更多的技術(shù)選擇.然而，摩擦-鉚接復(fù)合工藝可能還存在著生產(chǎn)效率較低的問題.未來除了不斷探索新穎的鉚釘結(jié)構(gòu)外，還應(yīng)考慮如何大幅提高摩擦-鉚接復(fù)合連接的生產(chǎn)效率，采用超高轉(zhuǎn)速摩擦-鉚接或外部能量輔助或是潛在的解決方案.

2.3 摩擦塞補焊

2.3.1 工藝原理

摩擦塞補焊也是一種基于工件與可消耗的外部工具之間相互摩擦的焊接技術(shù)，主要用于局部點狀缺陷的修復(fù).摩擦塞補焊不僅具有固相焊接接頭質(zhì)量高的優(yōu)點，而且修復(fù)效率較高，其工藝原理如圖13 所示[28].在摩擦塞補焊工藝中，用于與工件相互摩擦的外部可消耗工具被稱為塞棒，塞棒在焊接機構(gòu)的驅(qū)動下高速旋轉(zhuǎn)，并與待焊工件相互摩擦.摩擦產(chǎn)生的熱量使工件和塞棒的接觸界面處的材料達到塑化狀態(tài).此時，通過焊接機構(gòu)的操作使塞棒急停在工件中，成為接頭的一部分，形成永久性連接.根據(jù)施力方式的不同，摩擦塞補焊可以分為頂鍛式和拉鍛式.在頂鍛式摩擦塞補焊工藝中，焊接機構(gòu)與支撐夾具位于工件的兩側(cè).因此，不適用于封閉結(jié)構(gòu)的焊接修復(fù).為了解決該問題，研究人員發(fā)明了拉鍛式摩擦塞補焊.在拉鍛式摩擦塞補焊工藝中，焊接機構(gòu)和支撐夾具位于工件同一側(cè)，該工藝可用于封閉式結(jié)構(gòu)的焊接修復(fù)[28].

圖13 摩擦塞補焊工藝原理示意圖Fig.13 Schematic of friction plug welding. (a) friction push plug welding; (b) friction pull plug welding

2.3.2 頂鍛式摩擦塞補焊

目前，關(guān)于頂鍛式摩擦塞補焊的研究較多.在頂鍛式摩擦塞補焊工藝中，根據(jù)塞孔的類型，可以將其分為盲孔塞補焊和通孔塞補焊.在盲孔塞補焊中，工件本身具有一定的剛度，基本上不需要額外的背部支撐，而在通孔塞補焊工藝中，必須有背部模具支撐.

Cui 等人[29]采用水下盲孔摩擦錐形塞補焊(friction taper plug welding,FTPW)焊接S355 低合金鋼，其接頭微觀組織如圖14 所示.研究發(fā)現(xiàn)，在焊縫金屬下部(圖14d)和熱影響區(qū)(圖14e)存在大量的板條貝氏體，少量的針狀鐵素體、多邊形鐵素體和馬氏體.而在焊縫金屬的上部區(qū)域(圖14c)，組織主要為板條馬氏體.接頭的抗拉強度和V 形缺口沖擊吸收能量分別可達500 MPa 和39.5 J.

圖14 低合金結(jié)構(gòu)鋼S355 水下盲孔摩擦塞補焊接頭的微觀組織Fig.14 Microstructure of the S355 steel joint produced by underwater blind hole friction plug welding. (a) macrostructure of the joint cross-section; (b) base metal (region A); (c) upper weld metal (region B); (d) lower weld metal (region C); (e) heat affected zone (region D)

Yan 等人[30]采用盲孔摩擦塞補焊連接了丙烯腈丁二烯苯乙烯薄板，研究了塞棒的直徑和長度以及盲孔的形狀和深度對接頭形貌和力學(xué)性能的影響.結(jié)果表明，直角盲孔的接頭在焊縫底角處會出現(xiàn)不完全熔合缺陷，而圓角盲孔則可得到無缺陷的接頭.塞棒直徑過小、長度過大或盲孔深度較大時易形成空洞缺陷，塞棒長度較小時易發(fā)生弱連接缺陷.

張忠科等人[31]開展了5 mm 厚的6082 鋁合金頂鍛式通孔摩擦塞補焊試驗研究，分析了塞補焊接頭的金屬流動性、微觀組織和力學(xué)性能，如圖15 所示.試驗結(jié)果表明，塞補焊接頭截面上層金屬流動性明顯優(yōu)于下層;焊縫根部受摩擦熱的影響最低且金屬流動性差，使其成為整個塞補焊接頭的薄弱區(qū);在摩擦界面區(qū)，形成大量細小的等軸晶，接頭抗拉強度可達到母材的75%以上.Du 等人[32]對8 mm厚的2219-T87 鋁合金攪拌摩擦焊縫進行了摩擦塞補焊試驗，發(fā)現(xiàn)支撐模具幾何尺寸和頂鍛力對焊縫成形和力學(xué)性能影響較大，適當(dāng)?shù)闹文＞叱叽绾洼^大的頂鍛力有利于獲得無缺陷的接頭.

圖15 通孔摩擦塞補焊Fig.15 Through-hole friction plug welding. (a) schematic of the process; (b) macrostructure of the joint; (c) friction interface (region c); (d) weld root zone (region d)

2.3.3 拉鍛式摩擦塞補焊

拉鍛式摩擦塞補焊由于其在封閉式結(jié)構(gòu)修復(fù)方面的獨特優(yōu)勢，近年來也得到了深入的研究.拉鍛式摩擦塞補焊的工藝效果如圖16 所示[33].

圖16 拉鍛式摩擦塞補焊Fig.16 Friction pull plug welding. (a) geometry of the plug (mm); (b) morphology of the joints; (c) macrostructure of the joint cross-section

王國慶等人[34]采用拉鍛式摩擦塞補焊方法對4 mm 厚的LD10 鋁合金熔焊接頭缺陷進行了補焊.結(jié)果表明，焊縫由細小的等軸再結(jié)晶組織構(gòu)成，塞補焊接頭的抗拉強度可以達到310 MPa，達到或超過熔化焊接頭的強度.盧鵬等人[33]對6～ 8 mm 厚2219-T87 鋁合金進行了拉鍛式摩擦塞補焊工藝試驗，發(fā)現(xiàn)采用圓弧形塞棒、圓柱形塞孔、階梯錐形底孔的砧板能夠改善塞孔附近材料的流動方向和受力條件，進而消除未焊合缺陷.杜波等人[35]對6 mm 厚的2219-T87 鋁合金拉鍛式摩擦塞補焊接頭的組織和性能進行了觀察和測試，發(fā)現(xiàn)焊縫區(qū)發(fā)生明顯軟化，最低硬度出現(xiàn)在靠近連接界面的塞棒熱力影響區(qū)，最低值為84.4 HV.接頭的抗拉強度可達326 MPa，斷后伸長率可達4.45%.Gao 等人[36]通過控制軸向拉鍛力的變化，改善了AA5A06 鋁合金的摩擦塞補焊接頭的焊縫成形和力學(xué)性能.結(jié)果表明，較高的軸向加載速率和拉鍛力可使摩擦界面的產(chǎn)熱更穩(wěn)定，同時摩擦加熱的時間更短.在這種情況下，增加塞棒的軸向進給位移可以進一步提高塞孔周圍材料的塑性流動.Cui 等人[37]研究了2219-T87 鋁合金拉鍛式摩擦塞補焊接頭的晶粒和沉淀相演變.結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在熱力影響區(qū)和接合界面處，晶粒發(fā)生了劇烈的塑性變形和動態(tài)再結(jié)晶，沉淀強化相在焊接過程中溶解，形成了接頭的最薄弱區(qū).接頭的抗拉強度和斷后伸長率分別可達310 MPa 和6.5%.

2.3.4 未來發(fā)展趨勢

摩擦塞補焊主要應(yīng)用于焊接修復(fù)領(lǐng)域，可以對工件局部點狀缺陷進行高質(zhì)量的修復(fù)，具有廣闊的工程應(yīng)用前景.摩擦塞補焊不僅具有接頭強度高、殘余應(yīng)力低、焊接變形小等優(yōu)點，而且可以直接濕法作業(yè)，其應(yīng)用于水下修復(fù)時相比其它工藝有顯著優(yōu)勢.由于摩擦塞補焊的工藝原理相對簡單，工藝變體相對較少，未來發(fā)展可將更多的注意力投入到工藝參數(shù)優(yōu)化和專用設(shè)備的研制上，為解決實際工程問題奠定基礎(chǔ).

2.4 摩擦堆焊

2.4.1 工藝原理

摩擦堆焊又名耗材摩擦焊(friction surfacing，F(xiàn)S)，是一種利用耗材摩擦進行表面修復(fù)或改性的堆焊方法，其工藝原理如圖17 所示[38].在摩擦堆焊工藝中，相互摩擦的對象是基板(工件)和耗材棒(可消耗工具).摩擦堆焊時，首先需要將待堆焊的材料加工成棒材，然后使棒材在軸向壓力下，沿焊接方向移動并高速旋轉(zhuǎn).耗材棒與基板的界面處因摩擦產(chǎn)生塑性層，并不斷地向基板過渡，形成堆焊層.

圖17 摩擦堆焊工藝原理示意圖Fig.17 Schematic of friction surfacing

2.4.2 表面修復(fù)

摩擦堆焊可焊接同種材料，用于表面缺陷的修復(fù).Dunkerton 等人[39]在1984 年就提出摩擦堆焊可以用于修復(fù)局部破損或破裂區(qū)域.Yamashita 等人[40]提出將摩擦堆焊技術(shù)應(yīng)用于核電反應(yīng)堆中的不銹鋼焊縫應(yīng)力腐蝕開裂的修復(fù).修復(fù)時需要預(yù)先在待修復(fù)部位開槽，然后在槽中進行摩擦堆焊.Agiwal 等人[41]針對304 不銹鋼容器的裂紋修復(fù)需求，提出采用20 000 r/min 的超高主軸轉(zhuǎn)速來降低堆焊時所需的軸向力，從而使摩擦堆焊系統(tǒng)便攜和小型化，以便在密閉空間內(nèi)進行現(xiàn)場修復(fù).Damodaram 等人[42]研究了摩擦堆焊工藝修復(fù)Inconel 718 合金表面的人工預(yù)制裂紋.結(jié)果表明，通過優(yōu)化工藝參數(shù)，裂紋可以被完全填充，且堆焊層與基板間接合良好.抗彎試驗表明，彎曲90°以內(nèi)時，堆焊層與基板間不發(fā)生分離和剝落.張旭等人[43]對X65 鋼進行了摩擦堆焊工藝試驗研究.結(jié)果表明，在轉(zhuǎn)速4 000 r/min、堆焊速度200 mm/min、軸向壓力59.7～ 104.4 MPa 范圍內(nèi)可獲得冶金結(jié)合與成形良好的摩擦堆焊層.隨軸向壓力增加，堆焊層寬度增加，厚度減小.與傳統(tǒng)摩擦焊縫細小晶粒組織特征不同，摩擦堆焊層主要為粗大板條和粒狀貝氏體混合組織特征.不同軸向壓力下堆焊層的平均硬度及耐磨性能均高于母材，與母材比較，堆焊層磨損體積最大可降低33.3%.

2.4.3 表面改性

摩擦堆焊還可實現(xiàn)異種材料連接，用于表面改性.將具有特殊性質(zhì)的材料通過摩擦堆焊的方式涂敷在基體材料表面，形成特殊涂層，從而改善基體材料的耐腐蝕、耐磨、抗氧化等特性，或用于制備梯度材料，達到增強、增韌等效果.

Esther 等人[44]運用摩擦堆焊法在Ti-6Al-4V 基體表面制備了AA2124/4%B4C 納米復(fù)合涂層，并測試對比復(fù)合涂層與基體的磨損特性.結(jié)果表明，由于復(fù)合涂層由較軟的鋁基體和超硬的B4C 相組成，使其在承受磨損時具有較小的有效接觸面積和較低的摩擦系數(shù).同時，復(fù)合涂層與基體間又具有良好的界面接合性能，從而使鈦合金基體的耐磨性得以提高.Rahmati 等人[45]將AA2024 通過摩擦堆焊的方法涂敷到AA1050 基板上，顯著提高了AA1050基體的局部耐磨性和強度.Atil 等人[46]采用摩擦堆焊的方法在氧化鋁陶瓷表面制備鋁合金涂層來調(diào)整材料的受力或受熱特性.研究結(jié)果表明，采用摩擦堆焊方法獲得的鋁合金涂層與氧化鋁基體間的結(jié)合強度可達47.8 MPa，與傳統(tǒng)的熱噴涂涂層相當(dāng).Guo 等人[47]采用摩擦堆焊的方法將904L 超級奧氏體不銹鋼涂敷在304 不銹鋼表面，以提高304 不銹鋼基體的抗點蝕性能.試驗結(jié)果表明，摩擦堆焊的涂層維持了904L 不銹鋼良好的抗點蝕性能.

2.4.4 增材制造

摩擦堆焊還可以用于增材制造.摩擦堆焊是將耗材棒通過摩擦的方式沉積過渡到基板上.若將此過程不斷重復(fù)，便可以實現(xiàn)三維零件的增材制造.Batchelor 等人[48]研究了不銹鋼材料的多層摩擦堆焊，發(fā)現(xiàn)可以直接在前一沉積層表面進行連續(xù)沉積，無需任何中間銑削.Vila?a 等人[49]利用摩擦堆焊和銑削加工在鋁合金板表面制造出一條梯形軌道，如圖18 所示.這表明摩擦堆焊作為一種增材制造方式，可以用于零件局部特征的制造.Dilip 等人[50]介紹了采用摩擦堆焊進行增材制造的兩種可行方式：一種是單道次摩擦堆焊后采用數(shù)控機床將其加工為相應(yīng)的切片單元；另一種是多道次摩擦堆焊形成大面積的單層毛坯后再利用數(shù)控機床按要求加工成形.還展示了鐵基材料在兩種增材方式下的多層沉積增材效果，成功制備了具有完全封閉內(nèi)腔的樣品和不同道次由不同材料組成的樣品.研究結(jié)果表明，沉積層表現(xiàn)為細晶鍛造組織，各層和各道次間的接合良好，沉積層的力學(xué)性能與鍛件相當(dāng).Abdelall 等人[51]利用摩擦堆焊和數(shù)控機床加工復(fù)合的方法在低碳鋼表面成功制造出了完整的三維鋁合金零件，為異質(zhì)結(jié)構(gòu)的摩擦堆焊增材制造提供了可能性.

圖18 AA6082-T6 鋁合金摩擦堆焊增材Fig.18 Additive manufacturing of AA6082-T6 by friction surfacing. (a) successive deposition; (b) bulk produced from four overlapped passes; (c)detail of final thickness achieved; (d) milling of linear rail

在摩擦堆焊增材工藝中，耗材棒在軸向壓力下與基板相互摩擦，在界面處形成大量的飛邊，材料浪費嚴(yán)重.近年來，美國MELD 公司研發(fā)了一種耗材受約束的摩擦增材技術(shù)，稱為攪拌摩擦沉積增材(additive friction stir deposition,AFSD)，如圖19 所示[52-53].在中空的旋轉(zhuǎn)軸肩內(nèi)部送給粉末或固體棒料，送給的原材料在壓力和旋轉(zhuǎn)摩擦的作用下沉積在基板或前一層沉積層上，進行增材.與傳統(tǒng)的摩擦堆焊相比，該工藝有了中空的旋轉(zhuǎn)軸肩的約束，耗材不再以飛邊的形式大量損失，節(jié)約了原材料，提高了增材效率.采用攪拌摩擦沉積增材制造鋁合金零件的實例如圖19b 和圖19c 所示.目前攪拌摩擦沉積增材已成功實現(xiàn)了多種鋁合金、銅合金等難以采用常規(guī)方法增材的金屬材料的增材制造[54-55].攪拌摩擦沉積增材也可將金屬切屑重復(fù)利用制成金屬塊體材料[56].總的來說，該工藝表現(xiàn)出良好的發(fā)展?jié)摿?，值得深入研究和大力推廣.

圖19 攪拌摩擦沉積增材制造Fig.19 Additive friction stir deposition. (a) schematic of process principle; (b) deposition process; (c)workblank and machined component

2.4.5 未來發(fā)展趨勢

摩擦堆焊不僅可用于表面修復(fù)和改性，還可用于增材制造，尤其是在增材制造領(lǐng)域，作為一種固相增材工藝，其獲得的沉積層的力學(xué)性能可以和鍛件相媲美.摩擦堆焊增材是對常規(guī)的基于熔化-凝固理論的增材制造技術(shù)的有力補充，對于一些焊接性較差的材料來說，摩擦增材是實現(xiàn)其增材制造的有效途徑，具有廣闊的應(yīng)用前景.因此，未來應(yīng)大力發(fā)展基于摩擦堆焊的增材制造技術(shù)，從設(shè)備、工藝、材料、性能等多方面開展深入研究，為摩擦增材的工業(yè)應(yīng)用奠定技術(shù)和理論基礎(chǔ).

2.5 渦流攪拌摩擦焊

2.5.1 工藝原理

渦流攪拌摩擦焊(vortex-friction stir welding,VFSW)是一種新型的基于工件與可消耗的外部工具之間相互摩擦的焊接技術(shù).該技術(shù)由劉小超等人[6]提出，其基本工藝原理如圖20 所示.

圖20 渦流攪拌摩擦焊工藝原理示意圖Fig.20 Schematic of vortex-friction stir welding

渦流攪拌摩擦焊基于常規(guī)攪拌摩擦焊軸肩下方材料發(fā)生旋轉(zhuǎn)流動的基本原理[57]，利用與待焊工件同材質(zhì)的棒材和外加套筒作為攪拌工具進行攪拌摩擦焊.攪拌棒與套筒之間采用機械方式固定，套筒通過刀柄安裝在常規(guī)攪拌摩擦焊機主軸上.當(dāng)套筒壓在工件上表面并以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時，套筒將驅(qū)動攪拌棒與工件材料進行相互摩擦.由于攪拌棒與母材具有完全相同的材質(zhì)，因此攪拌棒和工件之間的摩擦可視為內(nèi)摩擦.由內(nèi)摩擦引起的粘性耗散產(chǎn)熱將軟化攪拌棒下方的工件材料，使其達到塑化狀態(tài).塑化的工件材料在高速旋轉(zhuǎn)的攪拌棒驅(qū)動下，因動量傳遞效應(yīng)而形成渦流式流動，簡稱渦流.當(dāng)攪拌棒沿著待焊界面向前移動時，其下方的塑化材料渦流會隨著攪拌棒一起移動，渦流再帶動周圍金屬塑性流動形成焊縫.塑化材料渦流實際上起到了常規(guī)攪拌摩擦焊工藝中攪拌頭的作用，因此，這一新工藝被命名為基于同質(zhì)摩擦的渦流式材料流動攪拌摩擦焊，簡稱渦流攪拌摩擦焊.

2.5.2 工藝特征

Liu 等人[58]開展了純鋁的渦流攪拌摩擦焊工藝試驗，獲得的焊縫及對應(yīng)的攪拌棒形狀變化如圖21 所示.焊縫上、下表面的寬度接近，在焊縫末端，因攪拌棒拔起與工件分離而形成一個凸臺，其取代了常規(guī)攪拌摩擦焊焊縫末端的匙孔缺陷.攪拌棒在焊后發(fā)生了嚴(yán)重畸變，無法像常規(guī)攪拌摩擦焊中的攪拌頭那樣重復(fù)利用，因此攪拌棒屬于消耗性部件.但因其結(jié)構(gòu)簡單且與母材同材質(zhì)，與常規(guī)攪拌摩擦焊中的攪拌頭相比，其成本極低，尤其是用于高熔點金屬的攪拌摩擦焊時，其低成本的優(yōu)勢將更為突出.

圖21 渦流攪拌摩擦焊焊縫成形及對應(yīng)的攪拌棒形狀Fig.21 Weld formation and stir bar shape in VFSW. (a)weld top surface; (b) weld bottom surface; (c)lug boss at weld end; (d) stir bar

圖22 為渦流攪拌摩擦焊縫截面和凸臺截面的宏觀結(jié)構(gòu)[58].最為突出的特征是，在凸臺縱截面的中心，冶金性地形成了一條軸線，垂直插入工件，直至焊縫底部.同時，軸線周圍的材料與焊縫側(cè)和母材側(cè)的材料在金相色澤上也形成鮮明對比.這表明焊接時軸線周圍的塑化材料在圍繞這條軸線做圓周運動，也即渦流式材料流動.在渦流攪拌摩擦焊工藝中，雖然套筒和工件表面接觸，但其作用與常規(guī)攪拌摩擦焊中攪拌頭軸肩的作用完全不同.套筒的設(shè)置是為了對塑化材料起剛性約束作用，避免材料外溢造成動量傳遞效應(yīng)減弱.因此，套筒的壁厚一般較薄，其對材料流動和產(chǎn)熱的貢獻幾乎可以忽略不計.

圖22 渦流攪拌摩擦焊縫截面和凸臺截面的宏觀結(jié)構(gòu)Fig.22 Cross-sections macrostructures of the weld and the lug boss in VFSW. (a) weld transverse crosssection; (b) longitudinal cross-section of lug boss

2.5.3 研究進展和未來發(fā)展趨勢

劉小超等人[59]研究了轉(zhuǎn)速對6061-T6 鋁合金渦流攪拌摩擦焊焊縫成形和接頭力學(xué)性能的影響規(guī)律.研究結(jié)果表明，當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時，焊縫背部出現(xiàn)弱連接，接頭強度較低.當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時，因工件和攪拌工具之間的界面打滑而難以形成有效的渦流式材料流動，導(dǎo)致焊縫無法有效成形，出現(xiàn)表面線狀缺陷.在完全焊透的前提下，熱影響區(qū)是接頭軟化最嚴(yán)重的區(qū)域，同時也是拉伸試樣的斷裂部位.

渦流攪拌摩擦焊是基于材料摩擦產(chǎn)熱和塑性流動基本原理而誕生的一種新的工藝形式.由于攪拌工具與工件同材質(zhì)，克服了傳統(tǒng)攪拌摩擦焊中攪拌頭易磨損和斷裂的難題，但是仍保持了攪拌摩擦焊的工藝靈活性，是一種極具潛力的新型摩擦焊方法.渦流攪拌摩擦焊的優(yōu)勢在于焊接高熔點金屬材料，由于采用了與母材同材質(zhì)的攪拌工具，極大地降低高熔點金屬材料攪拌摩擦焊的成本.下一步應(yīng)重點研究鈦合金、高強鋼等先進金屬結(jié)構(gòu)材料的渦流攪拌摩擦焊工藝，推動其工業(yè)應(yīng)用，嘗試取代部分熔化焊工藝，在提高焊接質(zhì)量的同時，達到節(jié)能減排的效果，助力國家碳達峰、碳中和戰(zhàn)略目標(biāo).

由于僅依靠塑性材料內(nèi)部的動量傳遞效應(yīng)，渦流攪拌摩擦焊可焊厚度受到了明顯的制約.如何提高渦流攪拌摩擦焊的可焊厚度，是該工藝面臨的主要問題.未來或可采用背部熱源輔助、雙面協(xié)同焊接等措施，來提升渦流的穿透力.

3 結(jié)束語

(1)基于工件與外部可消耗工具之間相互摩擦的焊接技術(shù)，由于不受外部工具材質(zhì)的制約，其工藝靈活性相對較大，適用于各種各樣的接頭形式，如面向管/管連接的徑向/周向摩擦焊，面向點連接的摩擦-鉚接復(fù)合連接，面向點狀缺陷修復(fù)的摩擦塞補焊，面向表面修復(fù)、改性和增材制造的摩擦堆焊，以及面向板/板對接、搭接的渦流攪拌摩擦焊.

(2)由于技術(shù)優(yōu)勢的存在，基于工件與外部可消耗工具摩擦的焊接技術(shù)也成為當(dāng)前摩擦焊技術(shù)領(lǐng)域最具有創(chuàng)新活力的技術(shù)，以周向摩擦焊、自沖式摩擦鉚接、拉鍛式摩擦塞補焊、摩擦堆焊增材制造、渦流攪拌摩擦焊為代表的新興技術(shù)陸續(xù)出現(xiàn).未來需針對這些新興技術(shù)深入開展工藝機理和應(yīng)用基礎(chǔ)研究.一方面，促進這些新興技術(shù)走向市場，為國民經(jīng)濟建設(shè)服務(wù)；另一方面，為進一步開發(fā)新型的摩擦焊技術(shù)奠定理論基礎(chǔ).