黄永宪，马潇天，王丽娟，孟祥晨，万 龙

（1.哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室，黑龙江哈尔滨150001；2.大连船舶重工集团装备制造有限公司，辽宁 大连 116000）

搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding，FSW）作为一种新型固相连接技术[1]，利用高速旋转的焊具与被焊工件的摩擦，使焊具周围材料发生剧烈塑性变形，并通过焊具旋转挤压使塑性材料流动到焊具后侧，形成致密焊缝[2]。FSW 具有无污染、热输入低和焊接变形小等优点[3-4]。随着FSW 研究和应用的深入，其固有模式带来的焊接问题引起了广泛关注。例如，FSW 过程无需填充材料，虽可保持接头成分一致性，但需要搅拌针高速旋转并压入被焊件摩擦和形变产热，同时轴肩维持一定的下压量保证摩擦产热和焊缝强化，焊缝材料势必外溢，即产生飞边缺陷，致使承载厚度减薄。当2.0 mm 厚度的结构焊缝减薄0.1 mm 时，其承载能力至少降低5.0%，难以满足大承载高可靠结构设计。FSW 被称为无缺陷、高质量、高效率的焊接方法，焊具（即搅拌头）一般为非消耗结构，焊接结束后搅拌针拔起，焊缝末端无塑性材料填充，形成匙孔缺陷，降低结构服役性能。目前，实现匙孔或者焊缝缺陷的准等强修复仍属于技术瓶颈范畴[5]。FSW 为固相焊接，热源来自焊具与工件之间的摩擦，为保证其相对运动，待焊工件需刚性固定，对于复杂结构的焊接，如高铁车体铝合金中空型材、大型筒体或管状密封等结构空间限制较大，其背部刚性支撑施工困难。

此外，在满足同种材料高可靠焊接的同时，异种材料（异种金属及金属/聚合物）的连接同样受到了广泛关注[6-9]。异种材料的焊接结构不仅可发挥各自的性能优点，满足工作环境的使用要求，而且可以提高材料利用率，节约能源，降低成本。随着国家节能减排战略的大力实施，铝/钢异种金属及聚合物/铝异种材料之间的连接有效实现了结构轻量化设计，在航空航天及汽车等运载交通领域具有较广的应用前景。异种材料之间物理和化学性质差异大，FSW 过程中存在搅拌头磨损严重、焊缝成形差及连接强度低等问题，需要进一步提高焊具寿命、接头可靠性及高强度系数性能设计。

本文按照FSW 固有模式的特点，从焊缝成形、匙孔及缺陷修复及背部支撑三个方面对FSW 创新性技术的开发进行了总结，并针对异种材料焊接中抑制焊具磨损及高可靠连接等新技术的特点及研究进行了阐释。

1 FSW 固有问题

FSW 的热源来自焊具/工件之间的摩擦，为保证焊具与工件之间产生足够的摩擦热及焊缝处材料的流动，焊具需要一定的压入深度。同时，工件背部需提供刚性支撑，抵消焊具的下压力，防止工件变形。而且，焊接结束后焊具需回抽撤离工件。由于FSW 过程中的限制要求，其固有问题主要包括焊缝表面成形、匙孔缺陷及背部支撑三个方面。针对这三个方面的问题，对近年来FSW 创新性技术的特点及研究应用进行介绍。

1.1 焊缝表面成形

轴肩压入构件表面并旋转，带动塑性材料从其边部溢出焊缝，形成飞边缺陷，飞边对焊接过程的稳定性、表面成形及焊缝厚度的影响较为严重。控制焊缝飞边及减薄的新技术包括辅助碾压、静止轴肩及轴肩零压入量。Y.X.Huang 等[10-11]提出一种随焊碾压搅拌摩擦焊接新方法（In Situ Rolling Friction Stir Welding，IRFSW），焊接过程中通过滚球对焊缝进行碾压，把溢出轴肩的塑性材料重新碾压到焊缝中，实现焊缝表面成形控制。相比传统FSW，该技术有效避免了焊缝飞边缺陷，表面形成平整光滑的焊缝，且焊缝表面残余拉应力显著降低，部分区域产生表面残余压应力，纵向变形降低了34.4%，接头软化区显微硬度提高了20.0%，如图1 所示。在碾压的作用下，基体表面形成梯度微结构，降低表面摩擦系数，提高了材料耐磨性能。

为防止塑性材料在轴肩旋转带动下溢出焊缝，H.J.Liu 等[12-13]提出了非旋转轴肩式搅拌摩擦焊方法（Non - Rotational Shoulder Assisted Friction Stir Welding，NRSA-FSW），该焊具的设计包括搅拌针、静止轴肩和夹持柄。对2219-T6 铝合金进行NRSAFSW 时，在较宽焊速范围（50～300 mm/min）均获得无缺陷接头。焊接过程中仅搅拌针旋转，静止轴肩未发生旋转，仅在焊缝表面发生滑动，防止塑性材料溢出，消除了焊缝飞边缺陷并改善了焊缝减薄现象，获得了外观成形良好的焊缝。由于轴肩未转动，摩擦产热减少，搅拌作用减弱，使热力影响区变窄，如图2 所示。此外，NRSA-FSW 亦有助于改善焊接接头微观结构的不对称性和不均匀性以及显微硬度分布。S.D.Ji 等[14]也证明了静止轴肩可使焊缝表面光滑，飞边较少，且消除焊缝弧形纹。接头断裂位置位于热力影响区，断裂形态为典型的韧性断裂。当焊接速度为400 mm/min 时，接头的最大抗拉强度达到母材的82.0%。

导致焊缝飞边及焊缝减薄的直接原因为轴肩压入构件表面，M.Guan 等[15]针对轴肩压入量开发了一种无减薄搅拌摩擦焊技术（Non-Weld-Thinning Friction Stir Welding，NWT-FSWed）。该技术提出“一次焊接，二次成形”的概念，焊具采用内外两轴肩设计，焊接过程中内侧小轴肩压入构件表面，完成对焊缝的锻压成形，而外侧大轴肩采用零压入量，把内侧小轴肩挤出的塑性材料重新碾压，回填至焊缝中，实现焊缝第二次成形，如图3 所示。通过研究AA6082-T4 铝合金的NWT-FSWed，获得了表面光滑、无飞边缺陷的接头，且避免了焊缝减薄，其接头抗拉强度达到母材的91.0%。该技术从根本上抑制了焊缝飞边及焊缝减薄，实现了高效率、高质量的近等强焊接。

1.2 焊缝及缺陷匙孔

传统FSW 技术在焊接结束后会留下匙孔，减少接头有效连接面积，易产生应力集中，且抗腐蚀能力较弱。对于整个接头，匙孔的存在会形成“木桶效应”，降低整体接头的服役性能。针对搅拌摩擦点焊技术，通过焊具设计可实现无匙孔焊接。Y.Q.Zhao 等[16]采用回填式搅拌摩擦点焊（Refill Friction Stir Spot Welding，RFSSW）连接了 7B04-T74 铝合金。RFSSW 焊具主要包括搅拌针、套筒和夹紧环，焊接过程中套筒下压而搅拌针上移，形成一个储存塑性材料的空间，然后套筒上移而搅拌针下移，把储存的塑性材料回填至匙孔中，如图4所示。

该技术成功获得了无匙孔的点焊接头，随套筒下压深度增加，接头拉剪载荷先增大后减小，当套筒插入深度为3 mm 时，其破坏为拉伸-剪切混合断裂模式，提高了接头强度，拉剪载荷达到最大（11 921 N）。但是，当套筒下压深度超过2 mm 时，部分塑性材料被挤到夹紧环和套筒之间的间隙中，造成材料损失，焊缝表面产生环形槽缺陷，焊接结束时通过保留0.2 mm 的焊具压入量可消除环形槽缺陷。针对焊后已产生的匙孔及局部缺陷的修复，需要引入额外的填充材料。M.Reimann 等[17]采用RFSSW 对 6 mm 厚 7075-T651 铝合金通孔进行修复，通孔中预置填充棒，经过RFSSW 技术处理，获得无缺陷高质量修复接头。

黄永宪等[18]开发了填充式搅拌摩擦焊接技术（Filling Friction Stir Welding，FFSW），填充修复过程如图5 所示。耗材棒高速旋转压入匙孔，与匙孔摩擦产热发生塑性变形和流动，轴肩下压至基体表面保持旋转，使附近材料发生塑性变形和流动，提起焊具实现匙孔的固相填充补焊。当采用同质材料耗材棒对2219-T6 铝合金进行匙孔修复时，补焊接头的抗拉强度和伸长率均达到原始优质焊缝的95.0%，断裂位置位于前进侧热影响区，补焊界面结合紧密，无明显裂纹。B.Han 等[19]采用 7075-T6 铝合金耗材棒对2219-T6 铝合金进行匙孔修复，修复接头的抗拉强度和伸长率分别达到原始焊缝的96.0%和99.0%。FFSW 基于摩擦形变产热塑性材料固相填充，实现了缺陷准等强修复，有效提高了接头服役寿命。

1.3 背部支撑

针对中空及密封结构、装配内部支撑垫板工艺复杂，增加了制造成本和焊接难度，且由于焊具缺乏穿透性易产生根部未焊合缺陷，为拓宽FSW 的工况性，在焊具设计上采用自组装上下双轴肩，为焊缝成形提供背部支撑力。H.J.Liu 等[20]利用自反应搅拌摩擦焊（Self-Reacting Friction Stir Welding，SRFSW）连接了6061-T6 铝合金。该焊具由上轴肩、搅拌针和下轴肩组成，两轴肩之间的作用力起到锻压焊缝的作用，无需底部支撑板，且可通过旋转下轴肩调节两轴肩之间的距离以适应不同板厚的焊接，如图6 所示。该技术在较低的焊速下可获得无缺陷接头，由于板材的上下表面均会产生摩擦及变形，焊核区呈沙漏形，最大抗拉强度为母材的69.0%，断裂处位于前进侧的热影响区。

SRFSW 焊具的下轴肩较大，焊接时需要预钻导孔，增大了焊接复杂性。Y.X.Huang 等[21-23]提出自支撑搅拌摩擦焊接方法（Self-Support Friction Stir Welding，SSFSW），其焊具由上凹轴肩、下凸轴肩和锥形搅拌针组成，焊接示意图如图7 所示。与传统的FSW 相比，该技术无需垫板，且消除了焊缝根部未焊透缺陷。焊缝上下侧表面光滑无缺陷，抗拉强度达到母材的69.0%，试件受拉破坏呈现韧性断裂模式。该技术下轴肩直径较上轴肩小，焊接过程中可直接将焊具压入工件中，无需预钻导孔，提高了焊接效率。SRFSW 与SSFSW 技术虽克服了焊接支撑问题，实现了中空及密封结构的高效焊接，但其获得的接头强度普遍较低，抗拉强度较传统FSW 接头低7.0%～20.0%[24]。因此，进一步提升无支撑FSW 技术的接头强度为该技术目前需要突破的研究方向。

2 异种材料高质量焊接技术

相比同种材料的FSW，异种材料FSW 影响因素较多，其高质量焊接更具挑战性。由于不同材料之间属性差异大，其焊接过程中存在诸多问题。例如，材料硬度不同，焊具受力及产热不均匀；热导率不同，热量传输分配不均匀；熔点差异大，材料软化不同步；热膨胀系数不同，界面残余应力大等，这些问题严重影响焊接质量。因此，对异种金属及金属/聚合物FSW 中存在的问题及解决技术进行总结。

2.1 异种金属搅拌摩擦焊接

异种金属FSW 的难点在于软/硬材料的高质量FSW，由于材料的熔点及硬度差异大，FSW 过程中易发生焊具磨损，焊具磨损不仅影响其使用寿命，还易增大焊接过程不稳定性，难以保证接头质量。解决焊具磨损的方案一般可分为两类，一是设计几何形状复杂的焊具，增强塑性材料的流动并降低搅拌力；二是结合辅助工艺，改善材料软化程度。Y.X.Huang 等[25-26]开发了强形变诱导FSW，搅拌针采用轴向三缺口设计，为界面塑性材料提供强形变作用，赋予动-静相结合流动模式；搅拌针端部膨大设计，增大界面有效承载面积；端部设计内凹工作面，使底部塑性材料向心流动，抑制根部弱连接和未焊透等缺陷，如图8 所示。该技术不仅有效避免了搅拌针的磨损，还消除了传统搭接接头的勾状和冷搭接缺陷，铝/钢接头拉剪载荷达到铝合金基体的85%，断裂发生在铝合金的焊核区而非铝/钢界面处，实现了铝/钢异种金属的高可靠连接。J.T.Xiong 等[27]设计了铣刀式搅拌针，焊接过程中搅拌针具有良好的耐磨性，其接头界面处生成薄的金属间化合物层并形成微型互锁结构，接头的最高剪切强度高于铝母材。

解决焊具磨损的另一方案为引入各种类型的辅助工艺，热辅助工艺可实现焊前预热金属，促进其软化，减小搅拌头的磨损。热源辅助工艺包括电热辅助、激光辅助和电弧辅助。X.Liu 等[28]通过电热辅助FSW 实现了铝/钢的有效连接，该技术在FSW 过程中施加局部电流场，利用高密度电流诱导材料塑性变形使其软化，减小焊接阻力，可有效减缓搅拌头磨损。此外，施加电流可加速原子扩散并降低化学反应的活化能，影响界面层的形成和生长，铝钢界面处观察到薄的金属间化合物层以及微型互锁结构，进一步提高了接头强度，如图9 所示。激光辅助FSW[29]和电弧辅助FSW[30]则是在焊具前方的钢表面施加高强度点状激光束或电弧，通过对钢板进行预热降低钢的强度和硬度，减轻搅拌头磨损，同时改善材料的流动性和混合性，增强接头强度。

通过在摩擦界面引入涂层可有效避免焊具的磨损，Y.X.Huang 等[31]采用摩擦堆焊辅助搅拌摩擦焊技术（Friction Surfacing Assisted Hybrid Friction Stir Welding，FS-HFSW）实现了铝/钛可靠连接，焊前在TC4 钛合金板材表面旋转挤压铝合金棒材，使TC4 钛合金表面堆焊0.2 mm 厚铝合金涂层，作为2A12 铝合金/TC4 钛合金FSW 过程的辅助手段，焊接过程控制搅拌针尖端扎入铝合金堆焊层而不接触钛合金表面，如图10 所示。该技术成功避免了焊具磨损，且铝合金堆焊层与钛合金基体界面处发生冶金反应产生纳米级TiAl3金属间化合物以及复杂机械互锁结构，冶金连接及机械连接的协同作用提高了接头性能，抗拉强度达到铝合金基材的85.3%。G.F.Zhang等[32]在铝/钢界面引入钎料中间层，采用无搅拌针焊具摩擦上层铝合金，由于低熔点钎料的冶金反应实现了界面的连接，成功解决了焊具磨损问题。

异种金属FSW 另一关键技术在于接头连接强度的提升，界面处原子扩散促进其发生冶金连接，而过多硬脆金属间化合物易于裂纹的萌生，恶化接头性能，界面处产生的微型互锁结构为界面提供了机械结合力，提高接头强度[28]。为进一步有效结合冶金连接与机械连接作用，Y.X.Huang等[33-34]提出了自铆接搅拌摩擦焊技术（Self-Riveting Friction Stir Lap Welding，SRFSLW），该技术焊前在底板上预钻一排通孔，通孔直径小于搅拌针直径，焊接时上板热塑性材料在焊具的挤压下填充到底板的预制孔中，形成铆接结构，搅拌针略微接触到钢表面，使界面处形成冶金连接，如图11 所示。在铝/钢异种金属的SRFSLW 中，接头表面光滑，预制孔均被铝合金填充，与无预制孔接头相比，其接头强度提高了23.0%，伸长率提高了85.0%。断裂时铝/钢界面和形成的铝铆钉处均发生失效，表明该技术有效实现了接头机械连接与冶金连接的协同作用。

2.2 金属/聚合物搅拌摩擦焊接

由于聚合物熔点较低，焊接过程中因熔化而溢出焊缝，产生焊缝飞边及焊缝表面粗糙等缺陷，材料的过多溢出会使焊缝内部产生气孔缺陷，严重降低接头力学性能。为控制焊缝表面成形及提升接头力学性能，Y.X.Huang 等[35]采用静止轴肩和三铣平面锥形螺纹搅拌针相结合的技术，静止轴肩可防止因轴肩区材料温度过高而发生严重软化，三铣平面锥形螺纹搅拌针可提高材料流动及混合能力。在对碳纤维增强聚醚醚酮/铝合金连接研究中，该工艺消除了聚合物侧弱连接缺陷，避免了塑性材料溢出，提升了接头表面完整性。同时，搅拌针剧烈的搅拌作用使铝合金与聚合物界面处形成较大的铝锚结构，提高接头机械互锁能力，且搭接界面处生成反应层，增强了接头连接性能，如图12所示。W.Ratanathavorn 等[36]也指出铝锚结构产生的机械互锁有效改善了金属/聚合物接头的拉剪性能。

热堆叠工艺通过诱导金属或聚合物发生变形，形成可靠的机械连接，而利用摩擦加热的热堆叠方法具有连接强度高、操作简单及无污染等特点。A.B.Abibe 等[37]提出了摩擦注射铆接技术（Friction-Based Injection Clinching Joining，F-ICJ），将带有表面凸出圆柱的聚合物装配到具有预制孔的金属板的下端，搅拌针旋转并下扎入聚合物圆柱内部，直至轴肩与金属板材接触，停止下压并保持旋转一定时间，焊具回抽，完成整个焊接过程。在摩擦热和轴向压力条件下，聚合物软化变形并填充金属预制孔，通过机械连接方式紧密连接，如图13所示。F-ICJ 接头的极限拉剪载荷约为1 419 N，且由于聚合物铆钉为空心结构，提升了强度质量比。但是，在搅拌针的剪切作用下，聚合物铆钉内部形成热力影响区，且易产生孔隙等缺陷，降低接头强度。

聚合物表面凸出的圆柱结构加工复杂，增加了焊接成本及焊接时间。Y.X.Huang 等[38]开发了搅拌摩擦铆焊技术（Friction Filling Staking Joining，FFSJ），上侧金属预制通孔，填充塞随焊具转动、插入预制孔，填充塞与金属和聚合物摩擦发生塑性变形并填充金属预制孔，缩回焊具待聚合物冷却后形成复合接头，如图14 所示。铝合金预制孔完全由塑化再凝固的填充塞所填充，铝合金与聚合物板材界面及其附近区域分布着已固化聚合物，实现了机械连接和胶接的有效结合，接头性能较常规模式有较大提升。此外，该工艺具有装配精度高、效率高及工艺简单等优点。

3 结束语

FSW 作为一种绿色焊接技术，具有热输入低、接头质量高及变形和残余应力小等优点，在金属及复合结构的连接上优势巨大。然而，FSW 过程中焊缝减薄、匙孔缺陷和背部支撑等固有问题制约着其发展应用。通过随焊碾压、静止轴肩和无减薄搅拌摩擦焊等技术的开发显著改善了焊缝飞边及减薄等成形问题，提高了接头承载性能；RFSSW 和FFSW 为无匙孔焊接及焊缝缺陷修复提供了技术支撑；焊具上下双轴肩的设计解决了背部支撑问题，提高了焊缝背部成形质量。

异种材料（异种金属及金属/聚合物）的高可靠连接是实现轻量化、低成本及节能减排的重要途径，强形变焊具设计及辅助工艺的结合可减小焊具磨损和控制焊缝成形，实现了高可靠和高质量的异种材料焊接。通过多种连接模式（冶金连接和机械连接）的有效结合，显著提高了异种材料接头可靠性及承载能力。为了进一步推广相关技术工业应用，针对焊缝耐久性能、服役寿命仍需系统研究。同时，探索一种基于搅拌摩擦焊固相焊接的高承载耐蚀抗疲劳焊接方法，延长关键重要结构使役寿命，并明晰其基本科学问题势在必行。