第1章 绪论
1.1 概述
焊接是一种通过加热或加压或两者并用，使工件达到原子或分子间冶金结合的加工方法。通过焊接，被焊工件不仅在宏观上建立了永久性的联系，而且在微观上建立了原子/分子尺度的内在联系。几乎所有的产品，从几十万吨的巨轮到不足1g的微电子元件，在生产制造中都不同程度地应用焊接技术。焊接已经渗透到制造业的各个领域，直接影响到产品的质量、可靠性和寿命以及生产的成本、效率和市场反应速度。
现代焊接已不再是一种单纯意义上的加工方法，它已经发展成为集材料、机械、力学、电子、控制等多种学科为一体的综合性学科知识体系。焊接过程复杂、发展迅速、应用广泛，在国民经济的发展中扮演着重要角色，有着无法取代的地位和作用。
一般认为焊接技术包括熔化焊、钎焊和固相焊接三类焊接方法。其中，固相焊接能够实现传统熔化焊难以可靠连接的新材料的焊接，成为焊接领域的研究热点。搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding，FSW)作为一种绿色无污染的固相焊接技术，被誉为“继激光焊后又一次革命性的焊接技术”。
1.2 搅拌摩擦焊的由来与发展
搅拌摩擦焊技术是由英国焊接研究所(The Welding Institute，TWI)的工程师 Wayne Thomas于1991年发明的一种新型固相连接与加工技术，并于当年的12月在英国申请了首个专利。研究初期，这项进展仅仅被认为是一个“试验室内的创新”，但是很快就在铝及铝合金产品的焊接方面显示出了非常明显的优势。这为焊接技术开辟了一个崭新的领域，传统意义上不具有可焊接性的2系列和7系列铝合金都可以通过搅拌摩擦焊来实现高效高质量的连接。在整个搅拌摩擦焊过程中不需要焊丝、保护气等耗材。厚度为0.5～100mm的铝合金板材可以单面焊透且焊缝内不会产生气孔。目前，所有的铝、铜、镁、铅和锌及其合金都已经成功地利用搅拌摩擦焊技术实现连接，因此搅拌摩擦焊被认为是近三十年来材料连接领域最重要的发明。图1-1分别为世界第一台和中国高校第一台搅拌摩擦焊设备。
作为一种固相连接方法，搅拌摩擦焊的焊接过程简单、效率高、无污染，接头成形质量高、残余应力与变形小，而且便于实现机械化、自动化，目前已经广泛应用于航空航天、船舶、汽车、化工及电子等工业领域。搅拌摩擦焊一般用于板材、型材和圆筒等构件的焊接。除了最常用的对接接头，搭接、 T形、角接等接头形式也得到了广泛的研究，并在不等厚材料的焊接和多层材料的焊接中得到应用。图1-2为搅拌摩擦焊技术早期的典型应用。
随着搅拌摩擦焊在铝、镁等低熔点金属及其合金焊接中的广泛应用以及技术的成熟，为满足生产发展和工程应用中的实际需要，通过对焊具结构及材料进行优化，搅拌摩擦焊已经成功应用于铜、钛、铁、镍等高熔点金属及其合金的焊接。
图1-1 最早期的FSW设备
异种材料连接结构具有两种材料综合的优异性能，可满足不同工作条件对材料的要求。搅拌摩擦焊具有热输入量低、高温停留时间短、焊接变形小等一系列特点，对克服异种材料之间由于性能差异导致的连接困难具有一定优势，已成为异种材料焊接的热点研究问题。
搅拌摩擦焊过程具有强热机耦合、大塑性变形的特点，过程中总是存在着剧烈的材料剪切和流动作用及温度变化过程，很多物理过程和机制通过试验手段难以进行直观的观测与研究。数值模拟的方法不仅降低了成本，而且可以对整个焊接过程进行动态观测，对实际生产过程有重要的参考价值，成为研究搅拌摩擦焊流动过程及参数优化的重要手段。
传统的搅拌摩擦焊设备主体结构形式与数控机床类似，但随着现代工业对生产自动化和设备智能化的要求越来越高，生产单位开始将工业机器人系统与先进搅拌摩擦焊装备集成。机器人搅拌摩擦焊不仅能够提高自动化生产线的生产效率，而且能够使搅拌摩擦焊适用于复杂结构的焊接，成为搅拌摩擦焊的热门发展方向。
图1-2 FSW技术早期的典型应用
1.3 搅拌摩擦焊工艺简介
1.工艺过程
搅拌摩擦焊过程原理如图1-3所示。搅拌摩擦焊过程会导致焊缝横截面的不对称，通常将焊具切向速度沿焊接方向的一侧称为前进侧(Advancing Side，AS)，而焊具切向速度与焊接方向相反的一侧称为后退侧(Retreating Side，RS)。首先将被焊工件固定在工作平台上，以一定速度旋转的焊具在轴向压力的作用下扎入工件中，直至焊具的轴肩与工件表面接触。由于焊具的强度和硬度大于工件，搅拌针剧烈的搅拌和摩擦作用产生的变形热与摩擦热能够引起材料的软化和塑性变形，搅拌针周围的材料不断地搅拌和混合，伴随着焊具的移动，后退侧软化的材料不断地对前进侧形成的瞬时空腔进行填充。工件由底部垫板和工装夹具牢固固定，并受到焊具轴肩的顶锻压力，因此能够实现焊缝致密连接。
图1-3 FSW过程原理示意图
2.可焊材料
在工程上所有有色金属都可以用搅拌摩擦焊方法来实现焊接，有色金属指的是铝、铜、镁、锌、铅等及其合金。针对低碳钢、不锈钢和钛合金等高硬度和高熔点金属的试验也在持续开展，就目前而言，钛及钛合金的焊接可能是最有前景的。另外，针对钢的搅拌摩擦焊接也已经做了广泛的研究，大部分研究结果都是采用聚晶立方氮化硼(PCBN)材料制作的焊具焊接的。
3.主要参数
搅拌摩擦焊过程中所涉及的主要参数包括焊接速度(焊速)(v，mm/min)、旋转速度(转速)(ω，r/min)、下压量/扎入深度(h，mm)、偏移量和倾斜角度(倾角)(θ，(°))等，其中主要的两个参数是焊接速度和旋转速度，焊接速度减慢、旋转速度加快都能够增加焊接过程中的热输入，进而影响接头质量。在焊接过程中，只有各个参数相互协调，才能获得完整的焊接接头。
4.优点与问题
与传统熔化焊相比，搅拌摩擦焊过程中材料温度一般不超过待焊材料的熔点 Tm，因此接头不会产生因材料熔化而形成的裂纹、气孔和合金元素烧损的焊接缺陷；焊接前无须对工件进行复杂的预处理，焊后的残余应力和变形小；焊接过程中不需要填充材料和保护气体，不会产生弧光辐射、烟尘等，所以搅拌摩擦焊是一种经济、高效、绿色的固相焊接技术。
但是，搅拌摩擦焊也存在着一些不足，例如，焊接过程中需要施加足够大的顶锻压力和行进驱动力，通常情况下焊缝背部需刚性支撑且易出现背部弱连接，导致接头强度降低；焊缝减薄导致有效承载厚度减少，引起焊缝边缘产生应力集中和飞边缺陷；由于焊具的回抽，焊缝尾部的收焊处不可避免地产生匙孔缺陷，造成“木桶效应”，降低焊缝力学性能；与弧焊相比，搅拌摩擦焊技术对工装设备要求较高，较难实现复杂结构的焊接。
1.4 焊具与设备
1.焊具
焊具是搅拌摩擦焊的核心部件，被称为搅拌摩擦焊技术的“心脏”，是搅拌摩擦焊过程中的唯一耗材，对焊缝成形起决定性作用。焊具的几何形状在材料流动中起着至关重要的作用，因此受到了研究人员的极大重视。常规焊具如图1-4所示，焊具分为三个部分，分别是夹持柄、轴肩和搅拌针，其中最重要的是搅拌针和轴肩两部分。
图1-4 焊具的基本结构及组成
焊具有两个主要功能：一是起到局部加热的作用，在焊具压入被焊工件的初始阶段，热量主要来自搅拌针与工件之间的摩擦，另外一部分的热量由材料塑性变形提供。在轴肩接触工件后，轴肩和工件之间的摩擦成为热量最主要的来源。二是起到搅拌作用，促进周围软化材料的流动。
焊具的几何设计决定了焊缝的微观组织、力学性能以及工艺参数。通常所使用的焊具采用内凹式轴肩和圆柱螺纹搅拌针。随着经验的积累和对材料流动认识水平的提高，焊具的几何结构设计有了很大的发展，通过改变轴肩和搅拌针的形状能够改变热输入与材料流动行为。
2.设备
相比于传统的焊接方法，搅拌摩擦焊在焊接工艺、焊缝性能、生产环境和制造成本等方面具有优势。同时，作为一种高度机械化的焊接方法，搅拌摩擦焊可以实现焊接过程中参数的精确控制，同时便于与其他辅助设备进行整合，拓宽搅拌摩擦焊的应用范围。因此，各工业部门开始广泛使用搅拌摩擦焊，并将先进的机械、液压、测控及计算机技术整合到搅拌摩擦焊设备中。
搅拌摩擦焊设备是进行搅拌摩擦焊的基础，用于固定被焊工件、夹持焊具以及加装其他辅助设备。搅拌摩擦焊设备一般由主机、焊接工装、控制系统、液压系统和冷却系统等组成。随着技术的发展和焊接对象的变化，搅拌摩擦焊设备也越来越多样化，出现了立式、卧式、龙门式、悬臂式等比较典型的设备类型。
1.5 接头形貌与焊接缺陷
1.接头形貌
焊接参数、焊具、工件材料的原始组织和温度分布等因素的差异都会影响接头的微观组织特征。图1-5为典型的铝合金搅拌摩擦焊的对接接头，包括焊核区(Weld Nugget Zone，WNZ)、热机影响区(Thermo-Mechanically Affected Zone，TMAZ)、热影响区(Heat Affected Zone，HAZ)和母材(Base Material， BM)。在焊接过程中，焊核区塑性变形程度和产生的摩擦热都是最高的，因此该区域的晶粒转变为细小的等轴晶粒；热机影响区位于焊核区和热影响区之间，不与搅拌针发生直接接触但仍发生了一定程度的塑性变形，同时受到焊接热循环作用，因此热机影响区晶粒由部分动态再结晶晶粒和受热粗化的晶粒共同组成；热影响区处在热机影响区和母材之间，该区域不发生任何塑性变形但受到焊接热循环的影响，因此晶粒明显长大。
图1-5 铝合金搅拌摩擦焊对接接头分区
2.焊接缺陷
作为一种固相连接技术，搅拌摩擦焊接头内部不会出现熔化焊产生的气孔和热裂纹等缺陷。但是，当焊接参数选择不合理或者操作不当时，会引起热输入量不够或者内部塑性材料流动不充分，往往会导致飞边、沟槽、隧道和未焊合等缺陷。搅拌摩擦焊接头中的缺陷通常采用金相观察、超声检查以及 X射线检查等方法进行检测。
飞边缺陷出现在焊缝表面，通常是由于焊接压力过大而导致较多的塑性材料从轴肩两侧挤出，冷却后形成的一种缺陷；沟槽缺陷通常位于前进侧焊缝表面，是焊具在对接板表面机械搅动后未形成连接的一种严重缺陷；隧道缺陷位于接头前进侧的中下部以及焊缝表面附近，其形成原因主要是焊接过程热输入量不足，材料流动不够充分；未焊合是指在焊缝底部未形成连接或不完全连接而出现的裂纹状缺陷，通常搅拌针长度不足或焊接压力过小时容易形成根部未焊合缺陷。
1.6 搅拌摩擦焊技术创新
针对搅拌摩擦焊所存在的一些不足，研究人员展开了一系列的创新性研究，并衍生了一些新技术。为了解决传统搅拌摩擦焊存在的底部需要刚性支撑、尾部匙孔和表面焊缝减薄等固有问题，一系列改进技术相继提出并得到应用。双轴肩搅拌摩擦焊(Bobbin Tool Friction Stir Welding，BT-FSW)能够有效降低设备的轴向载荷、工件背部无须刚性支撑，有效消除焊缝根部缺陷及未焊透缺陷；自支撑搅拌摩擦焊(Self-Support Friction Stir Welding，S-SFSW)能够克服铝合金中空及密闭结构在无刚性垫板支撑条件下常规搅拌摩擦焊技术难以焊接、常规熔化焊方法焊接变形大的问题；静止轴肩搅拌摩擦焊(Stationary Shoulder Friction Stir Welding，SSFSW)能够限制塑性金属从焊缝挤出，保证接头基本与母材等厚，消除了飞边缺陷。此外，零下压量搅拌摩擦焊、焊前增材/减材搅拌摩擦焊、微减薄搅拌摩擦焊、搅拌摩擦点焊与塞焊、耗材搅拌摩擦焊等相继被提出，可行性也都得到了初步的验证。
通过将机械连接和搅拌摩擦焊技术相结合，在冶金连接的基础上进一步整合了机械互锁行为，实现了机械互锁与冶金反应的协同连接，发展出了自铆接搅拌摩擦焊、外源铆接搅拌摩擦焊等机械连接辅助的搅拌摩擦焊技术。通常用于连接物化性质、熔点、变形能力、热膨胀系数等
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