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1    攪拌摩擦焊的優點與存在問題             

     攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding，FSW）是英國焊接研究所于1991年發明的一種尤為適于Al材的固態焊接技術。其核心技術特征在于采用了由粗肩與細針組成的同軸臺階式耐磨工具（攪拌頭）。肩的主要作用在于：保護、摩擦加熱（包括預熱與維持兩方面）、保證焊縫表面光滑成形、鍛壓焊縫、驅動表層塑化材料轉移等；針的主要作用在于：攪拌、破膜、界面混合、轉移塑化材料等。攪拌頭所采用的這種分段式特殊結構為同時實現焊縫表面光滑成形（主要靠肩）與焊縫內部界面混合（主要靠針）創造了條件。另一方面，利用工件/工具間的摩擦熱代替工件/工件間的摩擦熱，從而為工件固定、工具運動創造了條件, 進而為其適用于各種接頭型式（對接、搭接、角接等）創造了條件。        

      迄今為止，適于Al材的焊接技術有：交流TIG及VPTIG（變極性TIG）、MIG、VPPAW（變極性等離子弧焊接）等。與上述熔焊工藝相比，屬于固態焊接的FSW具有顯著優點：耗能小、無須焊絲與保護氣體、焊接變形小、參與應力水平低、焊縫晶粒不易長大、無熱裂紋與氣孔這兩類與凝固有關的缺陷、適于各種Al合金（包括熔焊無法焊接的硬鋁——2XXX系列、超硬鋁 ——7XXX系列）等。由于FSW的上述優點，美國波音公司（Boeing Co.）、美國國家宇航局（NASA）早在1994年以后便采用了FSW焊接技術焊接Al合金。               

FSW存在的問題主要有：            

     （1）要求母材必須能夠被剛性固定于工作臺面。對此，目前已有采用雙肩攪拌頭的改進型焊接技術的報道。             

     （2）焊縫末端存在針拔出時殘留的匙孔（keyhole）。對此，已有采用可伸縮針的改進型焊接技術的報道。            

     （3）當母材之一或兩種母材均為屈服強度較高的材料（如鋼材）時，攪拌頭磨損嚴重。目前尚難以應用于鋼材的焊接。對此，日本有人采用陶瓷攪拌頭。但陶瓷攪拌頭存在制備難、加工難、價格貴、供貨及時性差等經濟與技術不足，難以在工業領域普遍推廣。               

FSW的改進工藝方興未艾，在美國于1995~2006年間已有50項相關專利被授權[1]。

      為解決Al與異種高強金屬材料（如銅、鋼、不銹鋼等）焊接過程中的工具磨損問題，拓寬攪拌摩擦焊的應用范圍，西安交通大學焊接研究所特種焊室先后開發了兩種新型焊接工藝—— 攪拌摩擦釬焊（FSB：friction stir bra-zing）與嵌入式攪拌摩擦點焊（EFSSW：embedding friction stir spot welding），并均已申報國家專利。其中FSB不僅可用于Al/steel焊接，還可用于制備Al/steel 雙金屬復合板材。本文簡要介紹FSB與EFSSW的思路、優點與機理方面的初步研究成果。  

2      Al/steel攪拌摩擦釬焊  

2.1    攪拌摩擦釬焊的推出              

       雖然攪拌摩擦焊在國內外業界有強勢影響，但攪拌摩擦焊并非萬能的：最典型的情況是當母材之一是鋼材時（制備雙金屬板時，常常有一種為較硬的鋼材）經典攪拌摩擦焊便難以勝任。其原因在于：若使用普通工具鋼制攪拌頭，則因工具嚴重磨損而難以為繼（除非采用陶瓷攪拌頭，不僅價貴、易碎且市場供貨難以保證）；若為了避免工具磨損而采用無針式攪拌頭時，則無論如何調整參數，兩板界面上無變形、無粘附，界面結合極差, 斷裂于原始界面。此時，恰好正是攪拌摩擦釬焊的用武之地。  

2.2    攪拌摩擦釬焊工藝、機理與應用               

       為了避免鋼材與針的直接接觸導致的對針的嚴重磨損，攪拌摩擦釬焊（friction stir brazing，FSB）在所用工具、壓入深度、能量利用重點方面均不同于傳統攪拌摩擦焊。（1）FSB所采用的工具為無針工具，這是FSB區別于FSW的一個顯著特征。（2）FSB要求柱狀工具的壓入深度較淺，無須穿透Al母材而達到Al/steel界面，這是FSB 區別于搭接攪拌摩擦焊（FSLW）的一個顯著特征。（3）在這種使用無針工具的情況下，上/下界面之間的破膜、機械混合因喪失了針的攪拌作用而難以實現。為此，提出采用冶金途徑—— 即預置中間層，利用冶金反應（共晶反應、還原反應）、溶解代替機械破膜與機械混合，以實現上/下界面之間的潔凈、致密連接。該思路的特點在于充分挖掘摩擦加熱及Al母材熱傳導快的可能潛力，以降低對界面處機械攪拌的要求，從而免去對針的磨損。只要界面溫度適可，便有可能在免機械攪拌情況下，實現上/下界面之間的致密、牢固的連接。相比而言，傳統攪拌摩擦焊更側重于利用強烈塑性變形及其引發的動態再結晶來形成致密、牢固的接頭。              

      當加入鋅釬料后，基于活用攪拌摩擦熱源的思路，以清潔、高效的摩擦熱使鋅充分液化，通過釬料的熔化、母材的快速溶解、氧化膜的破碎與分散、多余液態金屬的擠出，即可在待焊上/下界面間獲得牢固而致密的焊接, 從而完成焊接過程。這樣，便同時解決了經典攪拌摩擦焊存在的或工具磨損（有針情況下），或很容易地沿原始界面開裂（無針情況下）的問題。因此，從應用范圍角度看，攪拌摩擦釬焊的適用范圍更廣，不僅可以用于鋁/鋁搭接，更適于鋁/鋼類含有較硬異種材料搭接的工況，是傳統攪拌摩擦焊的重要補充。

 

接頭不同區域的組織

近期本課題組在關于FSB界面組織演變過程及機理研究中，通過對比急停接頭的縱截面組織（反映界面組織動態演變過程）與正常接頭的橫截面組織（反映最終所得組織），初步提出了如下新觀點（有關試驗結果另文發表）：釬料熔化（實測焊接界面溫度達500℃）；在界面溫度較高的Al /Zn界面，Al母材因共晶反應而快速溶解，形成流動性好的共晶液相，并破碎了Al基體側的氧化膜；在肩下面的前沿部分液相被沿Al/Zn界面向前方、側面呈放射態擠出；在肩下面的中間部分，Fe原子向共晶液相中溶解；在肩下面的后沿部分，Al-Zn-Fe三元液相被擠出；潔凈的Al、steel母材得以直接接觸，并相互擴散形成接頭。基于焊縫最終所留Zn量極低（2%以下）這一基本事實、元素分布特征與上述分析，初步認為，接頭的最終形成機理更為接近于擴散焊，而Zn只是起到了表面預清潔作用。    

      事實上，幾乎所有接頭的能譜分析均表明，焊后接頭界面殘留Zn量極少（盡管Zn箔原始厚度為100μm）。為闡明Zn被擠出的機制，對比了橫截面不同位置處元素的分布與擠出液相流布特征；進而對比了縱截面不同位置處元素的分布與液相擠出流布特征。Zn實際上經歷了兩次較為顯著的擠出過程：第一次發生在肩下較靠前的位置，即Al/Zn共晶反應后，Zn隨共晶液相被沿上界面（Zn/Al界面）擠出，這次擠出有利于破除Al材表面的氧化膜；第二次發生在肩下較靠后的位置，即此時，少量的Fe原子已溶解入Al-Zn 液相之中，被擠出的實際是Al-Zn-Fe 三元液相，這次擠出幾近徹底地排除了Zn，這樣，界面潔凈的Al、Fe得以直接相互擴散，最終在焊接界面處形成幾乎無Zn的Al-Fe金屬間化合物。    

      FSB的應用主要分兩個方面：其一，用于Al/steel異種金屬的焊接；其二，用于制備Al/steel雙金屬復合板、復合型材與復合管（見圖3）。

Al/steel雙金屬復合板

.3   攪拌摩擦釬焊的優點  

2.3.1 攪拌摩擦釬焊相對于傳統爐中釬焊的優點         

      攪拌摩擦釬焊在生產成本方面，省去了釬劑、保護氣體、節能環保，顯示了其低成本、高生產率、低消耗與簡捷的優勢。更為重要的是，在接頭質量改善方面具有以下四大優點：  

2.3.1.1    高溫停留時間短：利用摩擦熱進行局部加熱并可實現快熱/快冷，這一方面有利于提高生產率，更為重要的一面是縮短了高溫停留時間，有利于抑制脆性金屬間化合物的過度增厚。   2.3.1.2    釬縫致密性好：通過傾斜安裝工具可導入豎向分壓力，進而強化擠壓效應，這十分有利于改善搭接接頭致密性。  

2.3.1.3    界面均一性好，釬著率高：預置釬料、壓力的導入、母材快速溶解三方面的因素可改善固/液界面潤濕性，破碎氧化膜，避免普通釬焊宏觀填縫過程中出現的“大包圍”與“小包圍”現象。  

2.3.1.4    可擠出多余液態釬料，限制金屬間化合物過度增厚：正是由于攪拌摩擦釬焊具有可導入壓力這一普通爐中釬焊所不具備的明顯優勢特征，因而可擠出多余釬料，從而可避免母材過度溶解，最終有利于減小殘留金屬間化合物的厚度。所以，從焊接質量保證方面看，攪拌摩擦釬焊也尤為適于鋁材與較硬的異種金屬材料的釬焊。  

 2.3.2   攪拌摩擦釬焊相對于攪拌摩擦焊的特點          

         另一方面，考慮到攪拌摩擦焊在國內外業界的強勢影響，在此，有必要更清楚、全面地論述攪拌摩擦釬焊相對于攪拌摩擦焊的特征及顯著改進效果，以便充分展示兩者的區別。在攪拌摩擦釬焊中，針對搭接焊接上/下界面混合困難、較硬母材對針端部的摩損嚴重這兩大難點，提出了采用無針攪拌頭與共晶反應冶金作用這兩項措施來綜合改善界面結合致密性的技術思路。對于攪拌摩擦焊與攪拌摩擦釬焊兩者間的區別，綜合分析如下：   

2.3.2.1    接合機理不同：用母材的快速溶解（攪拌摩擦釬焊的主要機理）代替了母材的強烈塑性流變與再結晶（攪拌摩擦焊的主要機理），免除了傳統攪拌摩擦焊中要求硬質母材也發生塑性變形的苛求，進而也免除了對設備加壓、加熱能力的苛求。  

2.3.2.2    所用工具不同：大膽采用無針工具帶來三方面的優點：簡化了摩擦工具的設計與制作；避免了針的磨損；消除了殘留尾孔（也稱匙孔或拔出孔），改善了外觀平整度。但應注意具體實施時，考慮到在“無針”情況下，無法用機械方式破除氧化膜（傳統攪拌摩擦焊的主要破膜方式），為保證界面間的緊密接觸與破膜，提出下述兩方面的配合措施：其一，通過冶金措施成功實現上/下界面間的密合、溶解、破膜；其二，通過摩擦工具的傾斜安裝來強化豎向擠壓效果，保證了上板/釬料/下板三者之間的緊密接觸, 為摩擦熱的產生、傳導、界面的活化、冶金反應的順利實現，特別是為界面致密化、多余液態金屬的擠出以及限制金屬間化合物的厚度創造了有利條件。

2.3.2.3    延長了工具使用壽命：通過三方面措施避免攪拌頭端部的磨損：采用無針柱狀工具，取消了較細而弱的針；工件裝配（屈服強度低的鋁材置于上部，高強耐磨的鋼材則置于下部）；限制壓入深度（只需保證攪拌頭斷面與上板表層完全接觸即可，無需穿透上板，避免了與高強耐磨母材的直接接觸）。

2.3.2.4    適用的材質范圍不同：傳統攪拌摩擦焊僅適于Al/Al類較軟母材焊接的情況，無法實現對鋼材的焊接。而攪拌摩擦釬焊中工具與較硬的鋼材之間無需接觸，利用母材的溶解代替了高硬度母材的塑性變形與再結晶，尤為適于母材中有一種為鋁材，而另一種為鋼材（或其他高強耐磨母材）的情況，解決了鋼材焊接的難題，對材質的適應范圍更廣。

2.3.2.5    改進效果的顯著性：        

           首先，外觀方面：消除了尾孔。而攪拌摩擦焊焊縫末端的尾孔必須封填或割除。其次，組織與性能方面：液相的出現使母材迅速溶解，這樣，即使較硬的高強耐磨母材不發生塑性變形也能實現界面間的致密化與冶金連接；獲得了拉剪測試時斷裂位置位于母材鋁板上而非鋁/鋼原始界面的高強度接頭。再次，工具壽命與制作方面：工具制作簡便；不與高強耐磨母材直接接觸而延長了工具的使用壽命。

3      Al/steel嵌入式攪拌摩擦點焊

3.1    日本開發的傳統攪拌摩擦點焊簡介        

       2001年，日本川崎重工公司與馬自達公司合作首次報道了“攪拌摩擦點焊（Friction spot joining，FSJ或Fri-ction stir spot welding，FSSW）”技術, 當時的主要目的是用于代替Al/Al板材間的電阻點焊。令人驚奇的是，與攪拌摩擦焊一樣，攪拌摩擦點焊技術在1~2年內便也極為迅速地獲得了成功的工業應用。目前，攪拌摩擦點焊技術已被用于汽車生產，如局部采用攪拌摩擦點焊技術（車門等）的馬自達RX -8已于2003年4月投放市場。國內亦有跟蹤報道與研究[2-4]。         

       由日本川崎重工與馬自達公司合作開發的傳統攪拌摩擦點焊所用“工具”的重要特點有：（1）有針，且針外周加工有螺紋，以促進板厚方向的塑性流動與混合；（2）肩端為內凹式, 以擴大攪拌區空間沿板厚方向擴展，進而改善上/下界面間的豎向混合。該技術包括下述工序：（1）壓入針（Pl- unging）；（2）攪拌、一體化（Stir-ring），一般持續摩擦時間1~5s；（3）拔出針（Drawing out）。傳統攪拌摩擦點焊的接合機理可簡要概括為：利用攪拌工具摩擦與壓入（旋壓），使第二母材軟化并強迫其產生塑性流動（環向與軸向復合流動，特別是伴隨工具下壓過程出現的沿板厚方向的軸向對流流動），從而形成一“攪拌區”。該攪拌區的特點為：其位置在緊鄰針的“外周”；沿板厚方向成功獲得了跨越原始焊接界面的上/下混合；呈不連續橢圓狀。正是由于“攪拌區”的形成從而實現了上/下板材間的混合與可靠連接。

       早期關于攪拌摩擦點焊的研究主要集中于證明攪拌摩擦點焊相對于電阻點焊的優點。在薄板鋁材焊接方面, 業已證明傳統攪拌摩擦點焊相對于電阻點焊主要具有以下顯著優點：

      （1）性能優：鋁材搭接點焊的性能指標包括拉剪強度、剝離強度與疲勞強度。關于拉剪強度已證明，當焊接規范（特別是工具加壓摩擦時間）合適，形成足夠大的攪拌區時，攪拌摩擦點焊接頭拉剪強度將略高于電阻點焊接頭，且分散性小。這得益于攪拌摩擦點焊為固相接合。但當摩擦時間過長時，引起壓入深度過深，板材減薄嚴重，接頭斷裂載荷因之受影響。

      （2）極為顯著的節能優勢：鋁板電阻點焊有諸多弊端，包括：所需焊接電流大（鋼材的3倍以上）；配電系統所需容量大；回路損耗大（包括焊鉗本體、二次電纜、變壓器損耗）；能量利用率極低，僅為16.7%（為此常須用硬規范）。當采用攪拌摩擦點焊時，對于常用Al合金薄板，驅動電機的電流峰值降至約14A；攪拌摩擦點焊的耗能可小至0.4Wh/點，僅為電阻點焊（40Wh/點）的1%~5%。

      （3）設備系統大為簡化，設備投資小：無需大容量配電系統、焊接變壓器、水冷系統、氣壓系統等設施。  

      （4）易于管理：避免了頻繁的電極修磨與更換。

 3.2   日本開發的傳統攪拌摩擦點焊存在的問題

       由日本川崎重工與馬自達汽車開發的傳統攪拌摩擦點焊技術主要存在下述缺點：

      （1）在接頭外觀方面，存在明顯的匙孔。其原因在于使用的工具為經典的有針工具。

      （2）在適宜材質方面，僅適于上/下板材均為屈服強度較低的鋁材；不適于接頭下板為屈服強度較高的鋼材。其原因在于由于鋼的硬度、屈服強度遠高于鋁材，由此導致兩方面的缺點：一是工具的端部在與鋼材的摩擦中易被鋼材磨損，縮短了鋼制工具的使用壽命；二是在工具壓入過程中由于鋼材難以發生朝上翻卷的強烈塑性變形, 因而鋼材向上嵌入鋁材（位于上板位置）的程度，即上/下界面間的混合程度極為有限，由此導致接頭界面結合強度極低。

       針對上述傳統攪拌摩擦點焊的缺點，西安交通大學焊接研究所特種焊室提出了一種適于鋁與較硬異種材料（如碳鋼、不銹鋼等）搭接的“嵌入式攪拌摩擦點焊”方法。

3.3    Al/steel嵌入式攪拌摩擦點焊工藝的提出   

       嵌入式攪拌摩擦點焊（Embedd-ing friction stir spot welding，EFSSW）在所用摩擦工具設計、工件焊前預加工、墊板模具設計、壓入深度等方面均不同于傳統攪拌摩擦點焊。嵌入式攪拌摩擦點焊的基本思路是，焊前要求在較硬第二母材（如鋼材）上“預先鉆孔”，并采用“無針式”柱狀工具，利用工具端面與軟上板（如鋁板）間的磨擦熱，使上板溫度上升、屈服強度急劇降低而發生軟化，同時在工具的下壓過程中，將高溫、塑化的材料嵌入硬板上預先鉆好的孔內（與此同時硬第二母材也被加熱至較高溫度）, 從而在“熱—力”聯合作用下實現上/下板間的固相接合。由此帶來以下顯著改進：（1）避免了針與較硬第二母材的直接接觸及而導致的對針的嚴重磨損，顯著延長了工具的使用壽命；（2）消除了較深的匙孔，使接頭外觀平整美觀；（3）拓寬了攪拌摩擦點焊可適用的材質范圍。

3.4    Al/steel嵌入式攪拌摩擦點焊接頭  

       圖4a與b分別為嵌入式攪拌摩擦點焊接頭正面與背面的宏觀形貌（試驗所用鋼板孔徑為Φ4mm；墊板槽寬6 mm）。從左至右依次所用規范及拉剪測試中的斷裂載荷見附表。由圖4 可知，接頭正面無匙孔；背面的飽滿情況、外翻情況隨壓入深度增大而趨于明顯。圖5a~e依次為圖4中從左至右各接頭拉剪測試后斷口宏觀形貌。接頭斷裂型式可分為以下幾種類型：

接頭斷裂型式類型

（1）被嵌入的鋁柱經明顯塑性變形后被完全拔出，這種斷裂方式發生在嵌入不飽滿、無向外翻卷的情況下；   

        （2）被嵌入的鋁柱經明顯塑性變形后才斷裂，但并未被拔出，這種情況較為理想；

        （3）被嵌入的鋁柱未發生明顯變形而被沿兩板界面剪斷，斷口相對平整但鋁柱并未被拔出；         

        （4）被嵌入的鋁柱未發生塑性變形、也未被拔出，鋁板本身因出現大的缺口（缺口直徑接近軸肩直徑）而斷裂，這種情況發生在壓入深度過大的情況。           焊接規范對接頭斷裂載荷及斷裂形式的影響規律可初步概括為：在嵌入飽滿且壓入深度適中時，斷裂載荷較高；壓入深度過大，盡管鋁柱嵌入飽滿并在鋼板外側出現外翻卷，但沿板材方向的承載截面過度減薄，接頭強度反而有降低趨勢。  

4       結束語  

        盡管攪拌摩擦焊為固相焊接，有望用于Al與高強異種金屬（如Al/steel）的焊接，但采用傳統攪拌摩擦焊時，為實現界面間的機械混合，攪拌針不可避免地要與較硬鋼材直接接觸摩擦, 由此導致針的嚴重磨損。為克服針的嚴重磨損，拓寬攪拌摩擦焊的工程應用范圍，西安交大焊接研究所開發了一種攪拌摩擦釬焊專利技術，并用其成功應用于Al/steel搭接接頭（所得接頭斷裂于Al板母材內而非原始焊接界面）。此外，針對日本開發的攪拌摩擦點焊技術用于Al/steel異種金屬接頭時同樣存在的針的磨損問題，開發了嵌入式攪拌摩擦點焊技術。

        攪拌摩擦釬焊技術不僅可用于Al /steel焊接，還可用于Al/steel雙金屬復合板、Al/steel/Al三明治復合板的制備。該技術以摩擦熱作為熱源、采用無針柱狀攪拌頭、并預置合適釬料在大氣環境下施焊。與傳統攪拌摩擦焊相比，用母材的溶解代替其塑性變形；可避免鋼材對針端的磨損；無匙孔。另一方面，與傳統爐中釬焊相比，免用釬劑與保護氣體；加熱/冷卻快；可通過工具的傾斜導入壓力；并通過工具旋轉帶動鋁母材的塑性流動在不同施壓位置依次擠出低熔點液態釬料、釬料與Al共晶反應所產生的液相、溶入Fe 的液相；由于最后在鋁鋼界面不殘留液相，而是通過鋁/鋼互擴散形成接頭, 以控制金屬間化合物的增厚。由于有這些特點，攪拌摩擦釬焊特別適用于低熔點和高熔點金屬的焊接，例如Al /steel、Al/Cu、Al/Ti、Ti/steel等組合。