目前铝合金搅拌摩擦焊技术研究存在问题及趋势

       搅拌摩擦焊(Friction. Stir. Welding-FSW)是英国焊接研究所(TWI)于1991年发明的一项固相摩擦焊接技术。FSW作为一种固相连接技术，具有传统熔焊方法无法相比的许多优势。FSW可以成功地实现各种铝合金、镁合金等轻合金的连接，尤其是能够可靠连接熔焊方法很难焊接的Al-Cu. (2000系列)和Al-Zn. (7000系列)等高强铝合金。在航空航天结构制造领域，FSW为替代传统的铆接搭接/紧固连接工艺提供了极为广阔前景；在汽车工业、高速客车与船舶建造领域，FSW为大量采用高强铝合金替代传统结构钢材料、实现各种结构轻量化发展提供了重要基础。
        1..FSW技术特征
        FSW采用一种非消耗、旋转的具有特殊几何形状的摩擦搅拌工具挤入被连接工件连接处，通过沿连接线的旋转和横向移动实现金属材料的冶金连接。与传统摩擦焊采用两个工件接触面产生摩擦热方式明显不同，FSW的关键创新点在于应用了第三个非消耗的摩擦搅拌工具，通过摩擦工具与两个工件连接界面的挤压接触产生摩擦热源形成致密连接接头。基于这种摩擦热源方式，FSW将只适用于对接接头的传统摩擦焊接方式拓宽到了对接、搭接、角接及T型接头形式。
       FSW技术特征主要体现在两方面：1)、将传统焊接界面的整体摩擦转变为连续不断的局部摩擦，使固定摩擦热源变为移动焊接热源，这样将有效降低焊接过程中摩擦载荷；2)、采用带有轴肩和搅拌头的非消耗摩擦工具，实现局部摩擦界面的连续挤压结合。搅拌工具轴肩的关键作用是将传统摩擦焊中通过整体移动工件施加的顶锻压力，转换为利用轴肩施加挤压顶锻力而工件固定不动，搅拌头沿连接界面的高速旋转即产生局部摩擦热源，又搅拌旋压局部塑性金属并将搅拌头前缘的塑性金属旋转回填到后面，在工具轴肩的顶锻压力下形成冶金连接。
        由于具有上述特征，与传统摩擦焊比较FSW设备功率明显降低、摩擦压力与顶锻载荷明显降低、连接接头形式也多样化。
        FSW技术的关键是非消耗搅拌工具。搅拌头的旋转回填作用是形成焊缝的必要条件，而轴肩对塑性金属的限制包围和顶锻压力则是形成焊缝的充分条件。为了获得更多摩擦热生成和深、宽比更大焊缝，对搅拌工具几何形状进行了大量研究(图2示)；而工业化生产为保证工艺参数稳定性和焊缝质量重复性，对搅拌工具的高温强度(焊接铝合金温度在400℃~500℃)和耐磨损性提出很高的要求。
        在传统旋转摩擦焊中，由于轴向顶锻、挤压和径向速度的作用，焊接初始表面的氧化物或杂质将被挤出焊缝形成飞边，因而旋转摩擦焊具有“自清洁”作用；但在FSW中将不再具有这种“自清洁”作用，焊接界面氧化物或杂质只有被搅拌工具破碎后弥散分布于焊缝微观组织中，而这一过程显然与搅拌工具形状、旋转速度、移动速度和顶锻压力直接相关。这将成为影响FSW焊缝综合力学性能的重要因素，也是导致FSW工艺参数不具有普遍适用性的关键所在。
        2..FSW研究现状及存在问题
        2．1.研究现状
        FSW技术被称为继激光焊后焊接技术的又一次重要突破，在国际材料加工与连接研究领域、铝合金结构制造领域引起巨大冲击，其潜在的应用前景在航空航天、汽车工业、船舶建造及铁路车辆等领域受到极大关注。在近17年的发展过程中，全世界范围内的各大工业集团都在FSW技术原理、冶金材料、工艺性能、自动化设备及工业应用方面进行了大量的研究开发工作。
        欧洲空中客车公司1995年就开始评估FSW进行飞机机身结构制造的可能性，目前已在机身与机翼产品应用方面完成许多基础性研究；日本日立公司1995年开始FSW应用于高速客车车体制造的开发研究，目前已成功制造各种车体结构近300辆以上；美国波音公司于1995年用FSW进行航天飞行器的大型燃料贮箱的制造。目前在国外FSW工业应用拓宽到航空、航天、船舶、汽车及国防等各领域。
        2002年为了促进和提升我国航空航天工业制造水平，北京航空制造工程研究所与英国焊接研究所(TWI)签定了FSW专利转让与实施许可合同，成为中国唯一的FSW设备制造商，负责在中国地区全面推广应用FSW技术。截止2008年由该单位授权的国内FSW专利许可用户已达26家。
        2004年美国为促进FSW技术在工业领域的广泛应用，在其国家自然科学基金会组织下成立了搅拌摩擦加工中心目前该中心已发展为5所大学24个工业和国家研究机构组成的团体。
        到目前为止TWI已主办了7届关于FSW技术的国际研讨会，第8届FSW国际研讨会已在筹备阶段并确定2010年在德国GKSS举行。
FSW技术基础研究与商业化工业应用正处在快速发展过程中，FSW技术在近17年的发展历程中受到极大关注、并投入大量经费进行应用开发的关键在于：FSW不仅能解决很难焊接高强铝合金的连接问题、明显改善铝合金焊接接头的质量，而且能有效减轻结构重量、降低制造成本并提高生产效率(这在航空航天工业尤为重要)，从而获得巨大的经济效益和社会效益。
        2．2.存在问题
        2．2．1..搅拌工具及工艺参数
        FSW实际上是一种机械连接方法，焊接过程具有明显个性化，其规范参数不具有普遍适用性。FSW焊缝性能首先取决于搅拌工具几何形状、其次是关键工艺参数、被焊材料、板厚度和接头类型。为获得无缺陷FSW焊缝，必须对搅拌工具、材料、板厚度和接头类型进行详细说明。
        FSW焊接工艺参数包括旋转速度(w)、移动速度(Vf)、顶锻压力(Fz)或压入深度(hs)，针对给定的搅拌工具、材料和板厚度，工艺参数变化范围是不同的，必须对其进行全面系统的研究。
        2．2．2..“弱连接”缺陷
        FSW中可能出现各种特有焊接缺陷，工艺参数不匹配将产生沿焊缝的隧道、虫洞或表面沟槽宏观缺陷，无法形成致密焊缝；摩擦热输入不充分将产生未焊透及未熔合缺陷等。
        但即使获得致密冶金连接焊缝，FSW中还可能出现其固有的“弱连接”缺陷，由于FSW不再具有“自清洁”作用，原始连接界面上的氧化物或杂质等在搅拌不充分情况下将在焊缝截面产生一种连续折线状缺陷(图4示)，Tobias. Jene等研究表明，FSW焊缝中的线状缺陷分布形态复杂，不仅沿焊核截面厚度方向、而且沿焊缝长度方向均有分布，是一种三维的曲面分布形态，并对FSW接头的应力-应变曲线和抗拉强度具有明显的降低作用。在FSW过程中即要保证稳定的轴肩压入量、又要避免搅拌头端部与支撑底板的直接接触，这样使得对接接头根部连接质量很难控制图5 FSW焊缝根部弱连接缺陷
        试验表明，FSW对接接头根部“弱连接”缺陷深度~0.35mm时基本不影响焊接接头静载强度，但对疲劳性能将产生显著影响(图6示). ，搭接接头“钩状”缺陷同样明显降低接头的疲劳强度。
        疲劳行为是航空结构最为重要的使用性能之一，FSW焊缝中固有缺陷特征表明，其焊接结构在抗疲劳断裂行为方面可能存在某些局限性，这将对FSW工艺在飞机机身结构制造中的推广应用产生巨大影响。
        实际上早在FSW工艺研究初期，有研究者就已经注意到某些铝合金(如2024、2014、2090和7050等)FSW对接接头很难消除根部缺陷。
目前国内FSW研究仍局限于连接原理、材料焊接性、微观组织及静载拉伸性能等初始性问题的分析，缺乏对更高层次FSW接头关键力学性能(如断裂韧性、疲劳及腐蚀性能、焊后FSW热处理规范、焊缝异常晶粒变化及冲压成型性等)研究。
        在引进、吸收和继承国外先进FSW技术的基础上，如果缺乏不断进取探索精神和独特创造性思维，则很难在继承基础上有所创新、在原有技术与工艺上获得突破性研究结果。
        3..FSW技术发展趋势
        3．1.工艺改进
       目前基于传统FSW工艺已研究开发出许多材料先进加工技术。高温材料如钛合金、镍基合金、不锈钢及高强钢等的FSW工艺已处于实验室研究阶段，但由于搅拌工具材料高温强度、磨损性及高成本的局限性，其工业化应用还需要进行大量研究工作]。
        MTS公司[提出一种自反作用双轴肩搅拌工具，可以不需要背面刚性支撑垫板，期望有效增加FSW工艺的操作灵活性。虽然该工艺已在试验中获得成功，但在工业化应用中仍存在局限性。其原因在于为了维持摩擦压力和横向移动，双轴肩搅拌工具中间的搅拌柱(搅拌头)，必须同时承受巨大扭矩和横向载荷复合作用(而搅拌柱直径明显小于轴肩)，这将对搅拌柱高温强度和磨损性提出极为苛刻的要求，实际上很难满足批量化重复性焊接要求。
        传统FSW过程中焊接温度场是被焊材料与板厚度的函数，板厚度愈大沿板厚度温度梯度愈不均匀，在焊接钛合金时当板厚度超过12mm，则很难获得无根部缺陷的可靠焊缝。为此NASA提出一种热搅拌焊接方法，实际上是一种改进的“辅助热源”FSW方法。
        在TSW中辅助热源、搅拌工具和顶锻加压过程在操作工艺上是完全分开的，辅助热源由一种感应线圈产生，所以工件的加热温度场是相对独立的系统，搅拌工具只有搅拌头没有轴肩，在搅拌头后面有顶锻挤压滚轮压力机构。NASA证实TSW可以成功焊接较大厚度的钛合金板结构，在航天制造领域有广泛应用前景。
        3．2.搅拌摩擦点焊(FSSW)
        搅拌摩擦点焊是在“线性”FSW基础上研究开发的一种创新焊接技术。FSSW可以形成一种点焊的搭接接头，在焊接铝、镁等轻合金方面与传统电阻点焊比较具有明显的优势，因而在汽车和其它航空航天工业领域引起很大的关注。
        目前已公开报道了两种不同的FSSW技术。第一种是日本Mazda汽车公司于1993年提出的固定搅拌工具的摩擦点焊方法(图12示)，搅拌头与搅拌工具轴肩固定为整体，在形成的点焊缝中心存在一种退出凹孔。第二种方法是德国GKSS研究中心于1999年提出的原位回填式摩擦点焊方法(图14示)，采用分离的搅拌头和搅拌工具肩部，通过精确控制搅拌头和搅拌工具肩部的相对运动，在搅拌头回撤同时填充搅拌头在焊接过程中形成的退出孔，焊后点焊缝表面平整其中心没有凹孔。
        日本Mazda公司在MAZDA-FSSW工艺研究方面处于世界领先地位，2003年Mazda公司已将FSSW用于新的运动车型Mazda. RX-8的发动机罩和后门生产；2004年Mazda公司与日本川崎重工合作共同进行工业应用研究，设计研制了与Kawa-saki机器人结合的搅拌摩擦点焊枪机构，用于替代汽车生产线上传统电阻点焊机器人设备13。MAZDA-FSSW在汽车工业领域引起极大关注：可直接替代铝合金的传统电阻点焊接；明显节省能源和降低成本，消耗电能降低99%、设备投入降低40%；在高强度薄钢板车体材料方面具有潜在应用前景。
        GKSS-FSSW虽然设备成本高、工艺过程较复杂，但点焊缝外观平整、接头强度高。德国RIFTEC公司在GKSS-FSSW工艺研究方面处于世界领先地位。2006年该技术已应用到奥迪汽车铝合金部件制造中，2007年美国已将该技术应用于原位铆接接头修复。
        FSSW技术是目前航空、航天及汽车工业领域具有国际先进水平的连接技术。在国外目前这项技术的工业化应用正处在不断发展中；在国内该技术从基础研究及工业应用(尤其是在航空、航天结构制造领域)研究等方面基本空白。但是无论从结构整体性能、还是从有效运载及能源消耗等方面考虑，轻量化是目前汽车、航空及航天结构所考虑的最为重要的因素之一，而铝合金是各种汽车、航空及军用结构轻量化发展中主要采用的结构材料。由于在轻合金连接方面具有明显的优势，FSSW势必替代传统电阻点焊及铆接工艺成为汽车、航空航天及军用结构组装中最具潜力的先进结构制造方法。
        4..结论
1)、FSW是目前最先进的材料连接加工技术之一，在材料连接基础理论方面具有深入的基础研究内容和发展趋势；在工业结构制造领域具有明确的工程应用背景并可获得巨大经济与社会效益。
2)、FSW在我国航空航天、汽车车体、高速客车及船舶建造等方面的工业化应用，还需要进行大量、全面系统及广泛深入的关键力学性能(断裂韧性、疲劳及腐蚀性能、焊后FSW热处理规范、焊缝异常晶粒变化及冲压成型性等)应用基础研究。
3)、期望能建立广泛有效、切实协作与合作的研究开发团体或FSW先进制造技术联合研发工程中心(类似美国的NSF-CFSP)，这对加速推动和促进FSW在国内工业领域的发展具有重要意义。