轻量化材料搅拌摩擦焊摩擦技术研究现状及展望

向大海

摘要：石油能源在世界能源消耗中占比最大，石油能源是不可再生资源，它的大量消耗会引起能源供给和环境污染问题。轻量化是解决能源供给和环境污染有效的方法。搅拌摩擦焊本身是一种固相焊接工艺，具有效率高、能耗低、污染少等特点，本文综述了轻量化材料在搅拌摩擦焊技术应用中的研究现状，并对未来发展做出展望。

关键词：轻量化；搅拌摩擦焊

0 引言

由于人类向地球排放大量的温室气体，人类的生存环境逐步恶化，随着经济的发展，人们愈发重视环境问题和能源问题。减少石油能源的消耗，是解决环境问题的有效措施之一。有研究表明，汽车重量减少5%，百公里耗油量将减少3-4%，CO2排放减少3%，制动距离减少2.5%，百公里加速时间缩短至原来的92%，转向更加灵活，同时轮胎寿命和材料疲劳寿命进一步延长[1-2]。使用密度较低的材料替代传统的钢铁材料是轻量化的基本思路，但是使用这种材料还需要结合材料的结构以及相关的生产技术，对于发展轻量化的基本方法一般有两种，其中一种就是使用质量较轻的高强材料运用合适以及实惠性能比较高的已经成型的技术，从而进一步完成减少整体零件重量的目标；另一种方法就是运用相关零件的内部结构的更改和对汽车整个零件进行内部结构更改或者是提升相关的工艺技术等等方式去完成减少整体零件重量的目标。不管是运用什么样的方式方法，进行轻量化都是必须的，本文从轻量化的金属材料出发，综述了轻量化材料在搅拌摩擦焊技术研究现状，并对未来发展做了展望。

1 轻量化材料在工业上的应用现状

随着各国对汽车尾气排放标准的提高，汽车工业一直致力于轻量化结构的设计和应用，钢正逐步被新的替代材料所取代。在金属材料中，镁合金和铝合金是重要的钢铁材料的替代者。根据镁视觉2020的一份报告显示，美国福特汽车公司已经在汽车中用350 磅镁合金部件取代630磅的铁部件[2]。铝合金在成形性和耐腐蚀性方面有着明显的优势，它的密度只有钢的1/3，其良好的性能优势被越来越多的人们所发现并且看重，然后将其逐步运用到制造汽车各个零件当中去。对于搅拌摩擦焊技术（FSW）在汽车制造行业当中所展示出来的用途一般有下列几个层面：第一种就是用于制造铝合金的车圈、第二种可用于连接各种材料的焊接、第三种可用于制造普通汽车的零件等等。相关的详细用途则表现为各种车的外形构架等等诸多用途。图1指的是运用搅拌摩擦焊技术进行制造的汽车空调压缩机发动机转子零件。图2则是搅拌摩擦焊燃料贮箱筒段模拟件。

图1 搅拌摩擦焊汽车空调压缩机发动机转子部件

 

图2 搅拌摩擦焊燃料贮箱筒段模拟件

2 搅拌摩擦焊技术

搅拌摩擦焊指的是一种新式的固相焊技术[3]，其工作原理图如图3所示。焊接原理是：利用高速旋转的搅拌针插入工件内部，搅拌针的轴肩压住焊接工件，利用搅拌针旋转过程中产生的摩擦热，使工件处于热塑性状态并被挤压在一起，随着热量的降低形成新的连接。

由于搅拌摩擦焊技术在铝合金焊接上具有无与伦比的优势，国内的城轨及高铁制造厂家均先后建设了搅拌摩擦焊技术生产线。国内外先进的搅拌摩擦焊设备及最新的搅拌摩擦焊技术也被应用到各个领域上，设备均具备激光跟踪、恒压控制等先进的功能，能够实时监控焊接压力、焊接间隙及错边，很好地保证了焊接质量。

   

图3 搅拌摩擦焊原理图

3 轻量化材料搅拌摩擦焊研究现状

3.1 铝合金

铝合金中，尤其是5000系（Al-Mg）铝合金具有着相当优秀的成形性能以及良好的焊接性能，所以利用铝合金进行焊接无论是在材料还是在内部结构层面上都有着能够实现减轻零件质量完成轻量化目标的重要条件，是当前进行车辆轻量化的最佳材料。

搅拌摩擦焊相比于其它的焊接技术更利于连接像铝合金一样的轻质材料，符合焊接铝合金的相关需求。但是铝合金的熔点较低，约为600℃，而且其导热性能优良，然而受到热能之后会导致膨胀，因此使用焊接就会使得上述特征让连接的地方极其容易产生出裂缝等等问题，非常影响到汽车的安全。目前，大量学者针对上述问题开展了深入研究。

对于搅拌摩擦焊所需要参照的数值是比较多的，例如所需要的搅拌针的大小、搅拌的时候所需要掌控的速度以及进行焊接所需要参照的速度等等，这其中搅拌的时候所需要掌控的速度以及进行焊接所需要参照的速度，这两个参照的数值是相当重要的，为分析研究这些数据以及后续所带来的各类影响，刘会杰等人将2060-T8Al-Li合金作为重要的分析研究对象，探讨其研究价值。经过众多的研究探讨，我们可以知道：跟随着旋转速度的提升，热机所能够影响的范围也在逐步向着焊核区域发展。由于旋转速度的升高使得连接处所需要的抵抗的压强也在增加，这就导致速度的提升之后连接处的抵抗压强下降，延伸率也略有下降，旋转速度于接头强度和延伸率对应关系如图4所示[4]。

根据霍尔佩奇公式，细化晶粒可以有效提高屈服强度和塑性，韩国的研究学者运用配套着冷却系统的焊接设备将A6082铝合金作进一步的加工，大量的实验结果阐明，使用这样的焊接方式会建设缝隙的存在，提升整体的韧性以及强度。并且当进行连接的速度提升的时候，细化晶粒也会相对应的减少，使得接口处的强度以及韧性都会大幅度的提升

[5]。

中国科学院中的马宗义等研究人员研究结果表明，2219Al-T6 铝合金FSW接口处的韧性普遍都跟连接所需要的速度有着直接的关系，并且伴随着连接的速度提升，这其中的旋转速度对它的影响较少[6]。

图4 2060-T8 铝合金FSW接头的单向拉伸性能

3.2镁合金

镁合金拥有着诸多的优势，是目前工业上应用最轻的金属结构材料和特殊用途的功能材料。

镁合金由于有较低的层错能，及其易于在发生变化的时候会产生动态，从而进行结晶［7］，镁合金各个地方经典的焊接后的相关内部组织如图5。塑性变形可有效细化镁合金晶粒，提高镁合金的强度和塑性，但是也会产生明显的织构，因为这一类的变化过程也正是众多研究专家探讨的热点之一。Liu等［8］研究学者经过SEM以及EBSD去分析探讨这一类材料在进行焊接之后所产生的内部组织的各项变化。

利用嵌入跟踪金属材料，例如铜箔、铝箔、钢球等，研究塑性流动也是研究热点之一。不过因为不同的焊接材料直接固然地会存在一定的差异，因此材料的流动性能肯定会收到相应的影响，这样就会导致无法确保真实的流动性能状况如何。

3.3 镁/铝异种材料

镁/铝异种合金的搅拌摩擦焊相对于同种金属焊接而言难度较大，组织性能调控相对困难，随着研究的深入可通过调整焊接工艺、合金化、复合焊接等方法来实现镁/铝异种合金焊接的良好性能。

黄林昭等人开展了5754铝/AZ31镁等各种材料进行相关的实验，众多的实验结果都阐明，在不恰当的工艺参数下，接头中容易产生隧道、洞孔等缺陷。在较小的旋转速度作用下，接头部分没有得到充分的热输入，这样焊接部分的金属就没有形成较高的流动性，这样会导致沟槽会出现各种各样的缺陷问题。并且如果搅拌头的旋转速度超过了规定值时，搅拌头的螺纹会被因为金属包裹而无法发挥出原有的作用，最终焊接部分也会出现沟槽的相关问题。

Baghdadi等人研究了4mm厚的AZ31B镁合金/6061铝合金，所需要的连接方法是将其进行对接，大量的实验结果都表明，阻碍镁/铝异种这一类异合金焊接强度的普遍要素都是因为这一类的金属连接处产生了相关的脆性这两者金属之间的化合物，设定变量为焊接参数与旋转参数，能够改变由Mg17Al12、Mg2Al3金属间化合物薄层的厚度，使焊接质量有所提高，最佳工艺参数为：焊接旋转速度为600r/min，进给速度为40mm/min，此时，能够获得抗拉强度最大值为180 MPa。

陈影等学者对厚度为3毫米的5083铝合金/AZ31B镁合金进行了一系列的搅拌摩擦焊技术的研究，例如对搅拌头的尺寸大小、旋转的速度、加工工艺等对接头所产生的各种影响，结果发现，采用低于上层板厚的搅拌针(2.8mm)，下压量为0.2mm，旋转速度在850-1350rpm，进给速度在20-50mm/min 区域内，可以获得成型较好、强度较高的接头，剪切强度最大可以达到81.6MPa。工艺参数的改变实际上改变了连接界面过渡层的种类，界面过渡层分为：固溶体过渡层、固溶体和局部共晶液相和共晶过渡层三种形式，其中，固-液过渡层能够获得最大的力学性能。此外，Liang、王东以及周红云等研究学者就从搅拌头的偏转以及所需要的旋转速度方面上对于镁/铝二者结合的搅拌头在内部结构以及功能的影响；Firouzdor、Buffa等人探索了板材放置位置对镁/铝搅拌摩擦焊组织演化的影响；   

Malarvizhi等研究专家讨论了搅拌头大小对于镁/铝二者结合的搅拌头功能的作用；Guo等研究学者则是探讨了关于摩擦力对于镁/铝二者结合的搅拌头在内部结构以及力学方面功能的影响。

图5 搅拌摩擦焊接头微观组织 (a) WNZ; ( b) HAZ; ( c) TMAZ; ( d) BM

4 总结与展望

轻量化是工业生产的主旋律之一，在轻量化材料进行焊接的过程中采用搅拌摩擦焊接技术能够有效地推动焊接技术的革新，提高焊接材料的耐用程度。当今世界正在进行新一轮的科技革命以及产业革命，作为基础的科学技术之一的轻量化材料焊接技术也受到了越来越多的学者的关注。在对相关资料进行整合之后，本文总结归纳了以下几点摩擦焊接技术未来的发展趋势：

(1)提高异种镁合金材料之间的焊接效果：搅拌摩擦焊本身具有固相连接以及物理冶金的作用，因此能够实现异种材料之间优良的焊接效果。例如，在进行异种材料的焊接过程中使用搅拌摩擦焊技术会进行一道机械搅拌的工序。这道工序具有以下几点作用：第一，促进了异种材料之间相互渗透以及扩散，这一过程会保持一种均匀过渡的状态，使焊接材料之间分子分布均匀；第二，减少不同类型的焊接材料之间各种问题的出现，提高焊接的成功率。随着新技术的不断出现，如今已经可以较好实现不同类型的铝合金之间的搅拌摩擦焊，但是对于实现镁合金材料之间的搅拌摩擦焊技术还需要投入更多的人力物力。但是不可否认的是，镁合金材料的用途也越来越广，因此实现不同类型的镁合金之间的搅拌摩擦焊技术成为了一种十分明显的趋势。

(2)对焊接技术所使用的搅拌头进行进一步的优化：在镁合金材料的焊接过程中，搅拌头起着基础性的作用，不但影响着焊接材料的流动性，还会影响到材料的分子结构。但是现阶段所采用的搅拌头还存在一定的不足之处，例如种类单一，不能实现多样化的焊接效果；质量较差，无法满足较高质量的焊接效果等。所以，需要对搅拌头进行进一步的优化升级：采用更性能更好的材料来制作搅拌头，使其具备更好的工作性能。值得注意的是，在设计高性能搅拌头的过程中，要合理利用好计算机技术的作用，保障设计的高精度。

(3)在焊接的过程中可以使用数值模拟的方式来进行：因为在进行搅拌摩擦焊的过程中涉及到了十分复杂的变量，例如导热、形变以及分子的变化，因此可以使用数值模拟的方式来简化焊接过程，提高焊接的效率，保障焊接的成功率。所以在实际的工作过程中，要构建起合理的模型来帮助焊接技术的进步，也要提高技术人员使用相关软件技术水平。

(4)合理利用好新型的辅助热源 FSW 工艺: 在实际的焊接过程中，技术人员发现传统的FSW工艺已经无法满足更高质量的要求，例如会加快搅拌头的磨损程度等，因此必须开发出新型的辅助热源 FSW 工艺来提高焊接的效率。通过辅助热源加热焊件，搅拌头就不用承担起更多的负担，只需要进行搅拌从而完成焊接即可，这样就可以减少搅拌头的磨损，降低维护的成本。

参考文献:

[1]罗仁芝,黄振宇,李雨露等.汽车检测与维修专业教学改革探讨[J]. 中国高新技术企业,2010 (1): 190-191.

[2] 李永钧.解读我国新能源汽车战略[J].轻型汽车技术,2010(10):49- 52.

[3] 杜坤,吴卫枫,魏庆丰,等.车身轻量化材料及其连接技术分析[J]．汽车工艺与材料,2013(5):18-23.

[4]熊峰，张大童，鄢勇，邱诚．焊接参数对AZ31 镁合金搅拌摩擦焊接头组织和力学性能的影响[J]．金属铸锻焊技术，2011，40( 1) : 1．

[5] 黄林召. 5754Al/AZ31Mg异种合金搅拌摩擦焊工艺及接头组织性能研究[D]. 江苏科技大学, 2016.

[6] 陈影铝合金5083/镁合金AZ31异种金属搅拌摩擦搭接焊及连接机理研究[D]. 大连交通大学, 2012.

[7] 王东, 刘杰, 肖伯律, 等. 铝合金/镁合金搅拌摩擦焊接界面处Mg/Al反应及接头力学性能[J]. 金属学报, 2010, 46(05): 589-594.

[8] 周红云, 周琦, 夏浩, 等. 搅拌头偏置对铝镁异种合金搅拌摩擦焊焊缝成形的影响[J]. 机械制造与自动化, 2017, 46(04): 27-30.