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： TG453

Abstract： 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 properties

0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