侯俊良，周博芳，張紅霞，李桃花，滿武士，謝昊東

湖北汽車工業(yè)學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 十堰 442002

0 引言

汽車產(chǎn)業(yè)是我國國民經(jīng)濟(jì)最重要的支柱產(chǎn)業(yè)之一且保持著快速增長模式，然而，在面對能源短缺與環(huán)境保護(hù)的挑戰(zhàn)時，汽車每減重10%其燃油消耗可降低6%～8%，于是必須發(fā)展汽車輕量化技術(shù)［1］。目前，汽車輕量化主要解決途徑有三種：汽車輕量化材料、先進(jìn)制造工藝、結(jié)構(gòu)優(yōu)化。汽車輕量化材料主要有鋁合金、鎂合金、鈦合金等。傳統(tǒng)焊接方法主要有二氧化碳保護(hù)焊、電阻點焊、MIG焊、激光焊和TIG焊等，具有焊接效率高、工藝成熟等優(yōu)勢，但是易出現(xiàn)氣孔、裂紋且對工人操作要求高。攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding，F(xiàn)SW）作為一種新型綠色的固相連接技術(shù)，可以克服上述缺點且不需要保護(hù)氣體和焊絲，同時可實現(xiàn)機(jī)械自動化。

本文主要對鋁合金材料在汽車制造中的傳統(tǒng)攪拌摩擦焊技術(shù)以及輔助攪拌摩擦焊技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述。

1 鋁合金在汽車輕量化中的應(yīng)用

隨著社會的發(fā)展，新能源汽車將逐步取代傳統(tǒng)燃油車。中國汽車工程師學(xué)會《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》（見圖1），指出要實現(xiàn)汽車輕量化就必須降低車輛平均油耗。鋁合金是汽車輕量化的主要材料之一，其歐洲地區(qū)用量變化如表1所示，預(yù)測在2025年總鋁用量達(dá)到360萬噸，汽車減重10%；2030年單車用鋁超過250 kg，汽車減重35%［2］。

表1 歐洲地區(qū)用鋁預(yù)測［2］Table 1 Forecast of aluminium alloy consumption in Europe

圖1 節(jié)能汽車路線規(guī)劃［2］Fig.1 The development of energy efficient vehicles

此外，如圖2所示，高端汽車的用鋁比例越來越高，均超過50%，奧迪A8車身采用全鋁骨架和鋁合金蒙皮結(jié)構(gòu)，相比傳統(tǒng)鋼體車身減重了43%，同時也采用鋁合金輪輞和鋁合金控制器殼等［3］。

圖2 部分高端車用鋁質(zhì)量百分比［3-5］Fig.2 Percentage of aluminum used in some high-end vehicles

目前，汽車鋁合金材料主要分為變形鋁合金和鑄造鋁合金，依次應(yīng)用于散熱系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)等相關(guān)零部件。典型鋁合金在汽車上的應(yīng)用如表2所示，變形鋁合金幾乎成為覆蓋外板專用鋁合金和車身框架結(jié)構(gòu)［4］。福特公司F-150皮卡車型采用鋁合金車架和車廂，重量減輕52%，燃油效率提高30%［5］。豐田汽車已將鍛造鋁合金AA6061轉(zhuǎn)向節(jié)成功代替了球墨鑄鐵轉(zhuǎn)向節(jié)，減重55%［6］。

表2 典型鋁合金在汽車零部件上的應(yīng)用情況Table 2 Application of typical aluminum alloy in automobile parts

2 傳統(tǒng)攪拌摩擦焊

在攪拌摩擦焊中，有諸多因素會對焊接質(zhì)量造成影響，比如攪拌頭、焊接參數(shù)（焊接速度，攪拌頭轉(zhuǎn)速，下壓量）和填充材料等。主要從攪拌頭形狀、n/v比值、下壓量和填充材料4個方面進(jìn)行闡述。

2.1 攪拌頭形狀

攪拌頭由夾持端，軸肩和攪拌針構(gòu)成，同時也是易耗件。常見軸肩形貌如圖3所示，其軸肩主要有三種類型（凹軸肩、平面軸肩、凸軸肩），其中凹軸肩應(yīng)用最廣［11］。張昭等人［12］發(fā)現(xiàn)軸肩尺寸減小會導(dǎo)致溫度大幅下降。Zhang等人［13］歸納了多種攪拌頭尺寸與板材的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)軸肩直徑約為攪拌針直徑的3倍。毛青青等人［14］研究發(fā)現(xiàn)在軸肩增加漸近線形貌有助于焊縫金屬溫度提高以促進(jìn)金屬流動，當(dāng)漸近線凹槽數(shù)量為4時獲得良好的焊核。

圖3 常見軸肩形貌［11］Fig.3 Typical shoulder shapes and features

攪拌針常見形貌主要分為圓柱形和圓錐形。張忠科等人［15］發(fā)現(xiàn)圓錐形攪拌針產(chǎn)熱和下壓力較高，溫度最高為624 ℃。錐形攪拌針利于金屬流動，使焊縫表面平滑且前進(jìn)側(cè)和返回側(cè)更對稱。孫震等人［16］研究發(fā)現(xiàn)有無螺紋攪拌針在軸肩和攪拌針底面對金屬流動幾乎無影響，但在攪拌針側(cè)面區(qū)域，螺紋使金屬流動性大幅提升，使接頭力學(xué)性能提升；如圖4所示，當(dāng)逆時針旋轉(zhuǎn)時，應(yīng)采用右螺紋1錐形攪拌針，符合抽吸-擠壓理論［17］。劉杰等人［18］發(fā)現(xiàn)在攪拌針側(cè)面加入平面特征（提高掃掠率）使焊核區(qū)變大，抗拉強(qiáng)度提高了23.8%。嚴(yán)超英等人［19］發(fā)現(xiàn)錐形攪拌針隨著端面直徑增大，焊縫根部流動性明顯增強(qiáng)，增大焊接板材厚度。綜上，攪拌頭的作用是產(chǎn)熱，是決定金屬流動性的最重要因素之一，改變攪拌針形狀和加入不同形貌，可進(jìn)一步增強(qiáng)金屬流動性。

圖4 “抽吸—擠壓”理論模型示意［17］Fig.4 Schematic diagram of "suction - squeeze" theoretical model

2.2 n/v比值

鋁合金材料在攪拌摩擦焊過程中，熱源主要由軸肩與材料摩擦提供。攪拌摩擦焊熱輸入公式為：

式中Q為熱功率；μ為摩擦因數(shù)；F為攪拌頭壓力；n為攪拌頭轉(zhuǎn)速（單位：r/min）；k為形狀因子，與攪拌頭尺寸和形狀有關(guān)系；v為焊接速度（單位：mm/min）。

在攪拌摩擦焊穩(wěn)定焊接階段，摩擦因數(shù)（μ）和焊接壓力（F）為定值，此時熱輸入大小僅和n/v（n、v取值需在合理范圍內(nèi)）有關(guān)系。不同板材厚度與n/v比值關(guān)系如表3所示，朱海等人［20］研究發(fā)現(xiàn)3 mm厚2024鋁合金攪拌摩擦焊的n/v比值在3～5之間變化時，n與v的匹配程度基本合適，焊接接頭抗拉強(qiáng)度與各自最大值的相對誤差在10%以內(nèi)，當(dāng)n/v=3時，抗拉強(qiáng)度最高達(dá)到母材的90.4%。彭光建等人［21］研究5 mm厚5A06-6061鋁合金攪拌摩擦焊時發(fā)現(xiàn)在n/v比值存在一定范圍波動（80%～115%）且強(qiáng)度基本穩(wěn)定，當(dāng)n=4.2時達(dá)到最大抗拉強(qiáng)度201.25 MPa，為母材的65.4%。夏羅生［22］研究10 mm厚的2519鋁合金攪拌摩擦焊時發(fā)現(xiàn)n/v比值為最佳值的85%～115%范圍內(nèi)時，焊縫強(qiáng)度與焊縫最高強(qiáng)度誤差在10%以內(nèi)，當(dāng)n/v=6.4時，抗拉強(qiáng)度最大為298 MPa。Mao等人［23］研究了20 mm厚7075鋁合金攪拌摩擦焊時發(fā)現(xiàn)當(dāng)n/v=8.5時，抗拉強(qiáng)度達(dá)到最高，為母材的84.2%。綜上，在采用的攪拌頭形貌差異不大的情況下，隨著板厚的增加，需要更多的焊接熱輸入，n/v比值一般也隨之增大。

表3 不同厚度材料的最佳n/v比值Table 3 Optimum n/v ratio for materials of different thickness

2.3 下壓量

下壓量不僅影響焊接接頭表面形貌，而且影響焊接質(zhì)量，鋁合金板厚與下壓量關(guān)系如表4所示。邢艷雙等人［32］發(fā)現(xiàn)當(dāng)下壓量為0.18 mm時，焊縫成型良好且背部不與墊板粘黏。殷銘等人［33］發(fā)現(xiàn)隨著下壓量增大，抗拉強(qiáng)度先增大后減小，當(dāng)下壓量為0.2 mm時，達(dá)到最大抗拉強(qiáng)度為305 MPa，為母材的90%。相倩等人［34］發(fā)現(xiàn)剪切應(yīng)力的變化類似抗拉強(qiáng)度，當(dāng)下壓量為0.2 mm時，達(dá)到最大剪切應(yīng)力為2 287 N。冀海貴等人［35］發(fā)現(xiàn)隨著下壓量從0.15 mm減小到0.05 mm，后退側(cè)熱力影響區(qū)晶粒方向不變化，前進(jìn)側(cè)熱力影響區(qū)晶粒向下傾斜的程度先增加后減小，當(dāng)下壓量為0.1 mm時，晶粒在熱影響區(qū)前進(jìn)側(cè)后退側(cè)均無傾斜。綜上，采用合適下壓量能顯著提高接頭質(zhì)量，針對不同厚度的焊材，采用的下壓量范圍不同，中厚板和薄板的下壓量一般都小于0.2 mm，超厚板一般大于0.2 mm。

表4 典型鋁合金FSW試驗的最佳下壓量取值Table 4 The optimum plunge depth for typical aluminum alloy

2.4 填充材料

為實現(xiàn)汽車輕量化，異種材料攪拌摩擦焊技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，如Al-Mg，Al-鋼等。為防止金屬間化合物對焊接接頭力學(xué)性能的影響，需要通過不同金屬材料填充來進(jìn)行控制。牛士玉等人［41］在7075-T6鋁合金和鎂合金異種材料攪拌摩擦焊中加入0.05 mm厚Zn箔片，發(fā)現(xiàn)鎂鋁焊縫處減小了金屬間化合物Al-Mg，轉(zhuǎn)變?yōu)镸g-Zn和Al-Mg-Zn，焊接接頭拉伸剪切失效載荷提高了45.6%。付邦龍等人［42］在6061鋁合金和鎂合金異種材料攪拌摩擦焊中加入0.02 mm厚Sn箔片，發(fā)現(xiàn)生成了新相Mg2Sn，大幅減少了金屬間化合物Mg17Al12，使其接頭抗拉強(qiáng)度提高了50%。王彥輝等人［43］在5052鋁合金和鎂合金異種材料攪拌摩擦焊中加入了0.01 mm厚Cu箔片，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了新的化合物MgCu2、AlCu等，有效抑制了Mg17Al12、Mg2Al3等金屬間化合物，抗拉強(qiáng)度提高了60%。

李默陽等人［44］在進(jìn)行5A06鋁合金與冷軋鋼攪拌摩擦焊時以Al-9%Si、Al-9%Si-4%Cu和Al-9%Si-4%Cu-Ni焊絲進(jìn)行填充，發(fā)現(xiàn)采用Al-9%Si時減小了Fe2Al金屬間化合物夾層，抗拉強(qiáng)度提高了20%。高鵬宇等人［45］在進(jìn)行6061與不銹鋼攪拌摩擦焊對接時加入0.3 mm厚AlSi5%焊絲，發(fā)現(xiàn)形成了與焊縫基體結(jié)合較好的Fe-Al-Si化合物，抗拉強(qiáng)度相比普通攪拌摩擦焊提高27%。Zheng等人［46］對A6061-T6與不銹鋼進(jìn)行攪拌摩擦焊時，將0.03 mm厚Zn箔片加入焊接對接面，發(fā)現(xiàn)接頭中形成了新的FeZn10和Fe-Zn、Fe-Al混合層，焊接接頭拉伸剪切失效載荷提高了46.2%。綜上，鋁合金和鎂、銅、鋼等異種金屬的連接會產(chǎn)生金屬間化合物層，通過在對接面加入填充材料對金屬間化合物進(jìn)行調(diào)控，進(jìn)而提高接頭力學(xué)性能。

3 輔助攪拌摩擦焊

目前外加能量可分為電流、激光和電弧等組成的外加熱能輔助攪拌摩擦焊和超聲波組成的超聲輔助攪拌摩擦焊。本節(jié)主要從熱能輔助和超聲輔助兩個方面進(jìn)行闡述。

3.1 熱能輔助

電流輔助攪拌摩擦焊（Electrically Assisted Friction Stir welding，EAFSW），是利用電流通過工件時產(chǎn)生的焦耳效應(yīng)來軟化待焊材料，進(jìn)而改善材料的塑性流動。百亞峰等人［47］為消除焊接缺陷，采用600 A的高強(qiáng)電流，發(fā)現(xiàn)焊接溫度上升且焊核區(qū)晶粒大小減小了25%，消除了孔洞缺陷。此外，Sengupta等人［48］發(fā)現(xiàn)當(dāng)施加150 A電流時，焊接溫度提高了200～300 ℃，焊接效率提高了97%。針對異種材料，Liu等人［49］研究6061鋁合金和TRIP780鋼的EAFSW時，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了Al-Fe互鎖現(xiàn)象，焊接軸向力明顯減少且可以更快達(dá)到最高焊接溫度，使焊接接頭抗拉強(qiáng)度提高，達(dá)到母材的93.7%。

激光輔助攪拌摩擦焊（Laser Assisted Friction Stir Welding，LAFSW），是利用激光對待焊區(qū)域進(jìn)行預(yù)熱，進(jìn)而軟化材料。許輝等人［50］研究了鋁鋼激光輔助攪拌摩擦焊的微觀組織，發(fā)現(xiàn)抗拉強(qiáng)度隨著激光功率的增大先增大后減小，當(dāng)激光功率為500W時，可以消除焊縫內(nèi)部孔洞缺陷。費鑫江等人［51］研究了鋁鋼激光輔助攪拌摩擦焊，發(fā)現(xiàn)在鐵鋁界面處生生了含鐵較高的金屬間化合物，抗拉強(qiáng)度提高到198 MPa。張婧等人［52］針對2219-T6鋁合金LAFSW進(jìn)行焊后力學(xué)性能分析。激光功率從400～700 W，接頭強(qiáng)度提高了25%，硬度提高了32%，減小了橫縱向殘余應(yīng)力。

電弧輔助攪拌摩擦焊（Arc Assisted Friction Stir Welding，AAFSW）是將離子弧或TIG電弧置于攪拌頭前方，對待焊材料進(jìn)行預(yù)熱和軟化。Bang等人［53］研究了6061-T6鋁和STS304鋼的AAFSW，發(fā)現(xiàn)電弧預(yù)熱形成了局部退火，使焊縫斷后延伸率增大，焊接接頭強(qiáng)度達(dá)到母材的93%，相比常規(guī)攪拌摩擦焊提高了15%。Yaduwanshi等人［54］對1100鋁合金進(jìn)行了AAFSW，當(dāng)采用35 A電弧時，力學(xué)性能提高了23%，焊接高溫度提高15%，使焊核區(qū)晶粒細(xì)化。

綜上，引入不同熱能形式對待焊材料進(jìn)行軟化，在一定程度上消除了傳統(tǒng)攪拌摩擦焊的焊接缺陷、提高了焊接效率和接頭質(zhì)量等。但熱能輔助攪拌摩擦焊有能量利用率較低和熱量范圍控制難度大等劣勢，需進(jìn)一步研發(fā)新型熱源或?qū)崮苁┘臃绞竭M(jìn)行創(chuàng)新。

3.2 超聲輔助

超聲波輔助攪拌摩擦焊（Ultrasonic Assisted Friction Stir Welding，UAFSW）是在常規(guī)攪拌摩擦焊中加入超聲振動能量使材料的屈服應(yīng)力降低和產(chǎn)生聲塑性效應(yīng)改變金屬流動性，其可以施加于攪拌頭或待焊材料。

3.2.1 作用于攪拌頭

Park等人［55］將超聲振動垂直于攪拌頭，采用了雙軸承耦合傳遞以及采用矩形超聲頭設(shè)計來保證超聲傳播效率，發(fā)現(xiàn)焊縫表面缺陷消失，提高了焊縫抗拉強(qiáng)度和硬度。Kmuar［56］使用該裝置與傳統(tǒng)攪拌摩擦焊進(jìn)行了對比實驗。發(fā)現(xiàn)UAFSW的焊縫成型良好，在攪拌頭插入階段和焊接穩(wěn)定階段的軸向力分別減少了48%和20%，延長了攪拌頭壽命，但內(nèi)部仍存在孔洞缺陷。賀地求等人［57］將攪拌針與超聲換能器變幅桿合為一體，使超聲軸向施加于攪拌頭，發(fā)現(xiàn)超聲功率為2.25 kW時，焊核區(qū)晶粒組織均勻細(xì)小，消除了未焊透缺陷。張志強(qiáng)等人［58］采用此裝置與傳統(tǒng)攪拌摩擦焊進(jìn)行了對比實驗，發(fā)現(xiàn)該方法可以作用于焊縫深層，改善了金屬流動性，徹底消除了孔洞缺陷，力學(xué)性能提高到515 MPa，為母材的93%。超聲振動垂直/軸向施加于攪拌頭可以有效提高接頭力學(xué)性能和消除焊接缺陷，但超聲能量傳遞到待焊材料過程中有能量損失，需較大的超聲能量，提高了加工成本。

3.2.2 作用于待焊材料

Tarasov等人［59］將超聲頭水平固定于板面上，通過板面將超聲振動傳遞到焊縫中，發(fā)現(xiàn)UAFSW可以減小再結(jié)晶晶粒的尺寸，促進(jìn)鋁合金2195軟化，使其焊縫表面缺陷消失。劉震磊等人［60］研究了超聲距離大小對鋁/鎂異種鋁合金攪拌焊的影響，發(fā)現(xiàn)將超聲固定在鎂側(cè)切距離板材邊緣20 mm時，金屬間化合物呈連續(xù)彎曲狀，有效延緩裂紋擴(kuò)散，接頭拉伸強(qiáng)度增加了16.9%，但超聲頭與攪拌頭距離在不斷變化，導(dǎo)致焊縫強(qiáng)度和成形不均勻。Strass等人［61］將超聲裝置垂直作用于焊接材料一側(cè)，通過SEM分析發(fā)現(xiàn)超聲振動可以擊碎減少金屬間化合物，由原本雙層的Al12Mg17和Al3Mg2變成了單層Al12Mg17，接頭強(qiáng)度提高了30%，但金屬間化合物層厚度增加。呂學(xué)奇等人［62］則直接將超聲作用在攪拌頭待焊接的路徑上，發(fā)現(xiàn)金屬流動性增強(qiáng)，溫度升高，金屬間化合物由5 μm減小到1.5 μm。鐘益斌等人［63］將其與傳統(tǒng)攪拌摩擦焊進(jìn)行對比實驗。發(fā)現(xiàn)超聲輔助下，焊合區(qū)寬度增大，材料流動性增強(qiáng)，消除了接頭孔洞缺陷。超聲振動直接作用于待焊材料避免攪拌頭對超聲能量的損耗，同時傳遞路徑短，超聲能量利用率高；超聲振動作用于攪拌頭待焊路徑上的輔助效果優(yōu)良，具有較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

4 結(jié)論及展望

目前，鋁合金攪拌摩擦焊在新能源汽車中“三電”（電機(jī)殼、電控箱、電池托盤）應(yīng)用越來越廣泛，但針對鋁和鋼等異種混合結(jié)構(gòu)仍處于實驗室階段，需要研發(fā)新型攪拌頭及其相關(guān)設(shè)備工裝來滿足工業(yè)化的生產(chǎn)。鋁合金攪拌摩擦焊設(shè)備雖然具有機(jī)械化、自動化等特性，但焊接效率相對較低且無法對變截面拼焊板的焊接，需研發(fā)具備高度柔性、視覺系統(tǒng)的智能化攪拌摩擦焊設(shè)備，來滿足相關(guān)汽車零部件高效率高質(zhì)量的焊接生產(chǎn)。