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摘要：搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding，简称FSW）作为一项新型、绿色、节能的固相连接技术，近几年已成为国内外焊接领域研究与探讨的热点。本文就搅拌摩擦焊的技术特点、微观组织、应用现状等，以及搅拌摩擦焊在铝基合金、镁基合金、其他合金等方面的研究现状加以阐述，最后对搅拌摩擦焊在焊接技术领域中的发展前景进行展望。

关键词：搅拌摩擦焊；铝基合金；镁基合金；发展前景

引言

英国焊接研究所于1991年发明了搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding）[1]，其过程原理见图1，它由插入工件接缝内部的搅拌针（Pin）和轴肩与被焊工件的摩擦产生的摩擦热共同作用，使得被焊工件加热至高温塑性状态，该温度一般低于材料熔点，约为熔点的80-90%[2]。在高速旋转的搅拌头作用下，处于高温塑性状态的材料被挤压和搅拌，从而绕着搅拌头从搅拌后退侧（RS）绕过探针到搅拌头搅拌前进侧（AS）的尾部[3]。自搅拌摩擦焊发明以来，国内外焊接学者对其进行了大量的实验与研究[4]，国外关于搅拌摩擦焊（FSW）的研究比较前沿与深入，英、美等国正在进行锌、钛、低碳钢以及复合材料等的搅拌摩擦焊（FSW）研究。国内关于搅拌摩擦焊（FSW）的研究发展呈现起步晚的现象，不过近几年许多专业研究机构与部分研究院校得到了长足的发展。本文就目前搅拌摩擦焊的国内外研究现状进行综述，为有志于进行搅拌摩擦焊的相关人员提供参考信息。

图1 搅拌摩擦焊过程原理示意图

1 铝及铝合金搅拌摩擦焊技术研究现状

铝及铝合金作为一类应用非常广泛的有色金属材料，若采用传统熔焊方法焊接铝及铝合金会出现诸如焊接接头性能较差、焊接接头的断裂韧度较低、产生热裂纹的倾向性较大等很多无法避免的问题，而搅拌摩擦焊可以很大程度上改善或解决铝及铝合金熔焊时存在的上述问题，使其在铝及铝合金中有着很好的应用前景[5]。铝及铝合金搅拌摩擦焊的研究主要集中在焊接接头微观组织及力学性能方面[6]。对铝及铝基合金搅拌摩擦焊过程，尤其是铝及铝基合金焊缝金属在搅拌摩擦焊过程中的塑性流动方面的研究还不够深入。

1.1 铝及铝合金搅拌摩擦焊接头微观组织研究现状

目前对搅拌摩擦焊接头形成机理和焊缝的微观组织的研究较多。Murr L[7]等对1100铝合金在搅拌速度和焊接速度分别为400rpm和60mm/min进行了相关显微组织研究，结果表明焊核区的主要组织特征是等轴晶。Rhodnev C G[8]等研究了7075铝合金板搅拌摩擦焊，结果表明焊缝为典型的再结晶组织。赵衍华[9]等采用2014铝合金进行搅拌摩擦焊对接焊，试板尺寸为250×100×8mm，搅拌速度、焊接速度和搅拌头倾角分别为400rpm、50mm/min、2°，其断口组织形貌如图2所示，焊核区位于接头的中心，受到搅拌针强烈的搅拌和焊接热循环的双重作用下发生动态再结晶，形成细小的等轴晶。由于热-机影响区的位置距离搅拌针较远，受到搅拌针作用远小于焊核区组织，因此，这部分材料最终呈现回复晶粒组织。热影响区组织在焊接过程中仅仅受到热循环作用，所以该区组织相对于母材稍微有粗化现象。轴肩影响区情况和焊核区类似，所以轴肩影响区最终组织也为细小的等轴晶[10]。

1.2 铝及铝合金搅拌摩擦焊接头力学性能研究现状

关于铝及铝合金搅拌摩擦焊接头力学性能的研究，国内外出现了大量的参考文献与理论成果，兰州理工大学的一篇硕士学位论文就铝合金的搅拌摩擦焊接工艺进行了较为深入全面的研究[10]，结果表明，转速一定时焊速过高或过低，都会影响接头强度。赵衍华[9]等进行的2014铝合金进行搅拌摩擦焊对接焊，得出结论：焊接接头的抗拉强度、抗弯强度大约相当于母材力学强度指标的70%～80%。国外学者也对铝及铝合金搅拌摩擦焊接头力学性能进行了大量深入的研究，Y J Chao[11]等通过南卡罗莱纳大学机械工程学院科研团队的技术支持，采用分离式霍普金森压杆系统（the split Hopkinson presure bar，简称SHPB）对AA2024-T3和AA7075-T7351两种铝合金进行相关力学性能测试。

2 镁及镁合金搅拌摩擦焊技术研究现状

采用常规的焊接方法焊接镁合金存在许多问题：焊缝及近焊缝区金属易发生过热和晶粒长大、在焊接过程中易引起较大的热应力、焊件变形大、产生裂纹和晶粒间过烧的倾向大、焊接时还易生产氢气孔等[12]。采用搅拌摩擦焊可以避免这些缺陷，但是相对于搅拌摩擦焊在铝及铝合金材料方面的研究，搅拌摩擦焊在镁及镁基合金方面的研究还不够深入[13]。

张华[12]等采用AZ31镁合金作为实验材料，且提出应用搅拌头旋转速度R与焊接速度V的比值R/V作为评定参数，实验得出结论：R/V值的大小与焊接接头强度指标呈类似“高斯”分布的关系，即在一定范围内，随着R/V值的增大搅拌摩擦焊焊接接头的抗拉强度增加，超过这个范围，R/V值的增加反而会降低接头强度，然后对实验材料进行拉伸断裂处理，进而进行断口形貌扫描，显示拉伸断裂的位置为热影响区，断口机制为准解理断裂和韧性断裂的组合。由搅拌摩擦焊焊接镁及镁合金得到的接头微观组织与搅拌摩擦焊焊接铝及铝合金得到的接头微观组织及各区微观组织的演变机理大体类似。

3 其他合金搅拌摩擦焊技术研究现状

搅拌摩擦焊在铝及铝基合金方面应用于研究较为深入，也相应的得到了一些理论或实际的结果，搅拌摩擦焊在镁合金方面的研究在不断的探索与实践过程中，同时由于工程上应用合金的多样性，搅拌摩擦焊在其他合金方面的研究也都有涉及，如搅拌摩擦焊在不锈钢、微合金钢的应用研究等[14]，但这些研究尚不完善，得到的一些结论也处于质疑与待证阶段。所以虽然搅拌摩擦焊在其他多种合金材料都有所涉及，但其研究尚待深入。

4 搅拌摩擦焊技术发展前景展望

作为革命性的绿色焊接技术，搅拌摩擦焊的出现对连接技术的发展产生了巨大的冲击和推动[15]。搅拌摩擦焊（FSW）因其在铝、镁合金良好的可焊性，促使搅拌摩擦焊（FSW）自发明以来在铝合金、镁合金等传统熔焊难以焊接成形的材料中得到了快速的推广，铝、镁合金以及各种钢材的搅拌摩擦焊（FSW）技术已被广泛的应用于航天、航空、电气、船舶、电子、汽车、核工业等领域，同时在高熔点材料焊接领域也获得了一定的发展。研究、实践表明搅拌摩擦焊（FSW）焊接技术已经能够用来焊接多种有色金属，如铅合金、锌合金、镁合金、铜及铜合金、钛合金和铝基复合材料等，甚至能够用于焊接黑色金属，如钢等。

随着焊接设备的发展，可应用搅拌摩擦焊焊接的材料会更加广泛，同时可通过工艺优化接头性能，降低生产成本，而且容易实现自动化生产。搅拌摩擦焊加工技术最近在复合材料的制备、材料合成等方面也显示出了良好的应用前景。展望搅拌摩擦焊这种高效、绿色的焊接技术将在今后的发展中得到更好的研究与应用。

参考文献

[1]栾国红，柴鹏，孙成彬，等.飞机制造的前景技术——搅拌摩擦焊[J].航空制造技术，2004（11）：14-47.

[2]刑建东，陈金德.材料成形技术基础[M].北京：机械工业出版社，2000，246-269.

[3]赵衍华，林三宝，贺紫秋，等.二维搅拌摩擦焊过程的数值模拟[J].中国有色金属学报，2005，15（6）：865-869.

[4]韩文妥，李光，万发荣，等.带热沉装置的搅拌摩擦焊研究[J].电焊机，2009，10（10）：54-60.

[5]王大勇，冯吉才，王攀峰.搅拌摩擦焊用搅拌头研究现状与发展趋势[J].焊接，2004，（6）.

[6]DAWES C J，THOMAS W M.Friction Stir Process Welds Aluminum Alloys [J].Welding Joumal ，1996，75（3）：41-45.

[7]Murr L E，Liu G，McClure J C.Dynamic recrystallization in friction-stir welding of aluminum alloy 1100[J].J Master Scilett，1997，16（22）：1801.

[8]Rhodnev C G，Machonev M V，Bingel W H，et al.Effect of friction stir welding on microstructure of 7075 aluminum[J].Scripta Masterialia，1997，37（1）：69.

[9]赵衍华，林三宝，吴林.2014铝合金搅拌摩擦焊接过程塑性金属流变可视化[J].焊接学报，2005，26（6）.

[10]阿荣.铝合金的搅拌摩擦焊接工艺研究[D].兰州：兰州理工大学，2004.