回填式搅拌摩擦点焊的研究进展

回填式搅拌摩擦点焊的研究进展作者：石瑶岳玉梅吕赞来源：《机械制造文摘·焊接分册》2017年第06期摘要：回填式搅拌摩擦点焊技术（RFSSW）是一种新型的固相点焊技术，它既拥有与搅拌摩擦焊（FSW）相同的效率高、能耗少、易操作和污染少等优点，又可消除匙孔，因此在航空、航天和汽车制造领域中有着广阔的应用前景。

自发明以来，回填式搅拌摩擦点焊技术已被应用于各种铝合金、镁合金以及异种材料的焊接。

文中综述了回填式搅拌摩擦点焊的研究进展，主要涉及回填式搅拌摩擦点焊的基本原理以及回填式搅拌摩擦点焊接头常见的缺陷、显微组织、力学性能，以及同、异种材料的回填式搅拌摩擦点焊工艺等内容，可对实际工程应用中提高回填式搅拌摩擦点焊接头性能以及合理选择回填式搅拌摩擦点焊工艺参数提供一定的借鉴作用。

关键词：回填式搅拌摩擦点焊；匙孔；铝合金；显微组织；力学性能中图分类号： TG453Abstract： Refill friction stir spot welding （RFSSW） is a new solid state spot joining technology. It not only owns the advantages of high efficiency， low energy consumption， easy operation and low contamination like friction stir welding （FSW）， but also can eliminate the keyhole. Hence RFSSW has wide application prospect in aerospace and automobile fields. Since invention， RFSSW has been used to join all kinds of aluminum alloys， magnesium alloys and dissimilar alloys. This paper introduces the research situation of RFSSW， including principle，common defects， microstructure， mechanical properties， similar and dissimilar RFSSW process. This paper helps to improve joint mechanical properties and choosing appropriate welding parameters in actual engineering applications.Key words： refill friction stir spot welding； keyhole； aluminum alloy； microstructure；mechanical properties0前言铝合金因其较高的比强度、较小的密度和良好的耐腐蚀性等优点而被越来越广泛地使用。

实际应用中各结构件的复杂性使得铝合金的连接成为一个不可避免的问题[1-2]。

然而，传统熔焊方法因铝合金的熔化而常在接头中形成热裂纹、气孔、夹渣、较大残余应力等缺陷使得其不适用与铝及其合金的焊接[3]。

搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding， FSW）是英国焊接研究所于1991年发明的一种固相连接技术，其焊接过程中温度峰值一般不超过材料的熔点，因此可避免绝大多数因材料熔化所导致的缺陷，非常适用于铝合金的焊接。

到目前为止，搅拌摩擦焊接头已成功应用于实际生产中[4]。

作为搅拌摩擦焊的一个重要分支，搅拌摩擦点焊（Friction Stir Spot Welding， FSSW）相对于传统电阻点焊和铆接亦有着很大优势，其典型的应用实例为Mazda公司于2003年在RX-8跑车的后车门上使用搅拌摩擦点焊接头[5]。

据Mazda公司报道，相比于电阻点焊，使用搅拌摩擦点焊生产一个接头可节省约99%的能量且接头的性能更高。

然而，搅拌摩擦点焊过程一个不可避免的缺陷即是其接头中心的匙孔。

匙孔是由于焊接结束后搅拌针的回抽形成的，使用常规搅拌摩擦点焊技术无法消除[6]。

匙孔的存在使得保护漆很难到达其底部，降低接头的抗腐蚀性；此外，在接头受力时匙孔会造成很大的应力集中，严重影响接头的性能[7]。

回填式搅拌摩擦点焊（Refill Friction Stir Spot Welding， RFSSW）技术是德国GKSS中心于2002年发明的一种新的点焊技术，其使用更为复杂的搅拌头结构和组件运动方式，可消除匙孔缺陷[8]。

回填式搅拌摩擦点焊过程所使用的搅拌头主要由不旋转的压紧环，旋转的套筒和搅拌针组成。

本文主要从回填式搅拌摩擦点焊过程的基本原理，接头常见的缺陷、显微组织和力学性能等内容进行介绍，可对实际工程应用中如何避免回填式搅拌摩擦点焊接头缺陷、提高性能以及合理选择回填式搅拌摩擦点焊工艺参数提供一定的借鉴作用。

1回填式搅拌摩擦点焊过程的基本原理回填式搅拌摩擦点焊的搅拌头由三部分组成[9]，分别为压紧环、套筒和搅拌针，如图1所示。

压紧环不旋转，其主要作用有两个，一是压紧待焊板材，二是防止塑性材料的溢出。

作为搅拌材料的主要组件，套筒和搅拌针的外壁一般带有螺纹以增强焊接过程中的材料流动（见图1）。

三组件采用间隙配合，以避免各组件之间的直接接触进而摩擦生热。

对回填式搅拌摩擦点焊来说，根据其搅拌头组件的运动方式不同，可分为套筒下扎式回填式搅拌摩擦点焊和搅拌针下扎式回填式搅拌摩擦点焊，如图2所示[10]，二者的主要区别为焊接过程中作为主要搅拌工具的组件不同。

在焊接过程中的第二阶段，套筒下扎式回填式搅拌摩擦点焊的套筒扎入板材，同时搅拌针回抽，二者的相互运动会在套筒内部形成一空腔以储存因套筒下扎而挤压移动的材料。

同样，在搅拌针下扎回填式搅拌摩擦点焊中，搅拌针作为主要下扎元素。

回填式搅拌摩擦点焊（以套筒下扎式为例）过程主要可分为几步骤。

（1）摩擦生热。

焊接开始时，搅拌头压在试板表面，将试板紧固在工作台上。

套筒和搅拌针开始同向同步旋转，与待焊材料摩擦并产生摩擦热进而软化材料至塑性状态。

（2）套筒下扎，搅拌针回抽。

搅拌针回抽留下空腔，套筒下扎挤压塑性材料填入搅拌针回抽所留下的空腔。

（3）套筒回抽，搅拌针下压。

当套筒下压至一定深度时，套筒和搅拌针则变换垂直运动方向。

此时套筒回抽，搅拌针下压挤压塑性材料以填充套筒所留下的空腔。

（4）形成焊点。

当套筒和搅拌针分别回到试板的上表面时，二者仍需在焊点表面停留一定时间并保持旋转，以得到表面成形良好的焊点。

据文献报道[10]，套筒下扎式回填式搅拌摩擦点焊可获得焊点面积更大的接头，但其在下扎过程中需要更大的下压力。

因为套筒下扎回填式搅拌摩擦点焊接头的性能更高，所以在实际应用中，广大学者一般使用套筒下扎式回填式搅拌摩擦点焊。

2回填式搅拌摩擦点焊接头的常见缺陷对常规搅拌摩擦焊来讲，其接头表面易形成飞边、弧纹和沟槽等缺陷。

通常来讲，飞边和弧纹是搅拌摩擦焊接头的固有缺陷，不可以仅通过改变焊接工艺参数加以消除，近几年新兴起的静止轴肩搅拌摩擦焊可有效避免飞边和弧纹[11]。

沟槽通常是由于焊接过程中的热输入不足所造成，通过提高转速或降低焊速则可以避免。

对于回填式搅拌摩擦点焊来讲，由于焊接过程中不存在搅拌头的平移，因此不存在弧纹缺陷。

图3所示为回填式搅拌摩擦点焊接头表面易出现的几个缺陷[5]。

飞边缺陷在回填式搅拌摩擦点焊接头中较为常见，其形成原因主要是套筒和压紧环之间的间隙配合不当。

凹槽缺陷形成的主要原因是焊接过程中的材料损失。

虽然绝大部分被挤压的材料会在焊接结束时被回填至接头内部，但一小部分材料仍会被‘困’在各组件的间隙中或搅拌针和套筒的螺纹槽中，因此回填式搅拌摩擦点焊的材料也不是完全的回填。

Zhao 等人[12]研究成果指出，焊接结束后搅拌针和套筒同时下压0.2 mm，可有效解决凹槽缺陷带来的问题。

接头表面的材料粘连缺陷会影响接头的美观，其主要和焊接过程中的热输入和材料本身的性质有关，主要避免措施为焊接结束时稍增加热量以降低材料的粘度。

回填式搅拌摩擦点焊过程的内部缺陷也多种多样，且各缺陷的形成原因较为复杂。

常见的内部缺陷有未充分回填、孔洞、热裂纹、连接韧带和钩状缺陷等。

图4所示为常见的未充分回填缺陷[13]，其主要出现在套筒回抽路径接近焊点表面处。

Xu等人[14]的研究结果表明，在焊接过程结束时对套筒和搅拌针同时施加一向下的位移，可成功消除未充分回填缺陷。

图5所示为孔洞缺陷[14]，其一般出现在套筒最大下压处的位置。

Shen等人[15]将孔洞缺陷归因于热输入不足而导致的材料流动性较差，并通过增加焊接时间减小孔洞缺陷。

与图4中的未充分回填缺陷一样，热裂纹缺陷易出现在套筒回抽路径靠近接头表面的位置（图6）。

岳玉梅等人[16]将热裂纹缺陷归因于套筒回抽路径处较弱的原子扩散作用和焊后较大的热残余应力。

许多铝合金表面包围一纯铝层以实现对内部合金的保护。

而此包铝层在回填式搅拌摩擦点焊过程中不会被充分打碎并与母材相互混合，其在焊后往往会停留在原始搭接面处呈中间厚、两侧薄的弯曲形貌，此包铝层被称为连接韧带[17-18]。

因为由纯铝组成，连接韧带的强度往往较低，是回填式搅拌摩擦点焊接头的薄弱区域（图7）。

与传统搭接接头相同，钩状缺陷由原始搭接面的弯曲形成（图8）。

钩状缺陷的存在会大大降低接头的有效承载厚度，从而降低接头性能[19]。

3回填式搅拌摩擦点焊接头的组织和性能与传统FSW接头相似，回填式搅拌摩擦点焊接头的力学性能很大程度上取决于其显微组织。

自回填式搅拌摩擦点焊发明以来，许多学者对其接头的典型区域的微观组织形貌进行研究。

Shen等人[15]研究了7075-T6铝合金回填式搅拌摩擦点焊接头的组织与性能，结果发现接头的焊核区存在两个明显不同的区域，如图9所示。

Li等人[5]以搅动材料的主要因素不同将其两区域分别称为套筒作用区（Shoulder Affected Zone， SAZ）和搅拌针作用区（Pin Affected Zone， PAZ）。

除此之外，Shen等人[15]还发现7075-T6的组织沿板材厚度方向也明显不同。

接头的其余部分组织，如热机影响区、热影响区和母材区等，其组织形态和常规FSW接头无明显不同，此处不作过多陈述。

对于常规FSW接头来说，焊接过程中受到较大的摩擦热使得焊核区强化相溶解，因此硬度值往往会降低。

而对于回填式搅拌摩擦点焊来说，虽然其受热方式与FSW相类似，但其焊接结束阶段搅拌头的特殊运动方式对焊核区材料起到一明显的挤压作用。