攪拌摩擦焊(friction stir welding 簡稱FSW)是由英國焊接研究所(The Welding Institute-TWI)于1991年發(fā)明的一種新型的固相焊接技術(shù)，自發(fā)明以來，F(xiàn)SW以其它任何一種焊接技術(shù)無可比擬的發(fā)展速度，在國際工業(yè)制造領(lǐng)域得到了大規(guī)模工程化應(yīng)用。截至2009年底，全世界已經(jīng)有3500多家企業(yè)、公司和研究院校得到了FSW專利許可，并致力于FSW技術(shù)研究和應(yīng)用推廣。本文將詳細(xì)闡述攪拌摩擦焊接及其加工技術(shù)在國內(nèi)外工業(yè)制造領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀。

1  攪拌摩擦焊接技術(shù)的應(yīng)用

FSW作為一種固相連接技術(shù)，焊接的材料范圍廣，可用于鋁、鋅、鎂、銅、鈦等金屬及其合金、金屬基復(fù)合材料以及異種金屬及合金的焊接^[1]。與其它焊接方法相比，F(xiàn)SW具有焊接溫度低、不需要填充材料、焊接過程無污染、焊接變形小、接頭性能優(yōu)良等特點(diǎn)。因此FSW技術(shù)的應(yīng)用前景廣闊，已廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶、陸路交通等行業(yè)。

1.1 在航空航天工業(yè)中的應(yīng)用

在航空領(lǐng)域，歐洲航空公司已經(jīng)采用FSW技術(shù)進(jìn)行飛機(jī)框架結(jié)構(gòu)焊接，如蒙皮、衍條、加強(qiáng)件之間的連接、壁板和地板的連接、飛機(jī)門預(yù)成形結(jié)構(gòu)件、起落架倉蓋、外掛燃料箱等。

由于飛機(jī)特有的薄壁復(fù)雜結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，TWI開發(fā)了FSW平直對(duì)焊、點(diǎn)焊、膠接復(fù)合焊、函數(shù)曲線焊和空間軌跡焊等方法[2]。FSW平直對(duì)焊常用于平板和型材的對(duì)接，如飛機(jī)機(jī)身蒙皮平直結(jié)構(gòu)的縱縫對(duì)接、大型飛機(jī)型材地板的焊接等，如圖1(a)所示；FSW點(diǎn)焊常用于大型壁板和

空間曲面的焊接，如飛機(jī)內(nèi)部加強(qiáng)板的平板和L形型材的搭接、飛機(jī)機(jī)身蒙皮和L形加強(qiáng)筋的搭接、飛機(jī)艙門、窗門和口蓋等預(yù)成形壁板結(jié)構(gòu)的搭接、飛機(jī)機(jī)翼帶筋壁板的搭接，另外，F(xiàn)SW點(diǎn)焊還可對(duì)航空構(gòu)件缺陷進(jìn)行修復(fù)，如裂紋、破孔、缺口和斷裂等[3]；FSW函數(shù)曲線焊常用于飛機(jī)薄壁搭接結(jié)構(gòu)焊接，如美國NASA已經(jīng)把該技術(shù)應(yīng)用于新一代“宇宙神”火箭的燃料貯箱的制造，如圖1(b)所示。

圖1飛機(jī)框架結(jié)構(gòu)件的FSW焊接

在航天領(lǐng)域，美國波音公司和防御實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用FSW技術(shù)焊接某些火箭部件，波音公司和麥道公司用其焊接了Delta-Ⅱ與Delta-Ⅲ型運(yùn)載火箭和航天飛機(jī)的推進(jìn)劑燃料儲(chǔ)箱的縱縫，并成功發(fā)射升空。此外，發(fā)動(dòng)機(jī)承力框架、鋁合金容器、航天飛機(jī)外儲(chǔ)箱、載人返回倉等也應(yīng)用FSW技術(shù)焊接。

圖2 采用FSW技術(shù)焊接的鋁合金型材壁板

1.2 在船舶和海洋工業(yè)中的應(yīng)用

船舶和海洋工業(yè)是國際上最早將FSW技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品制造的行業(yè)。1996年挪威Marine公司與Maritime公司對(duì)船用平板和型材拼接成大型壁板的流水生產(chǎn)線制造技術(shù)進(jìn)行了研究開發(fā)，并應(yīng)用于雙體快艇和巡航班輪，目前挪威大約25%的船用鋁合金構(gòu)件采用FSW技術(shù)制造；日本Sumitomo輕金屬公司采用FSW焊接了鋁質(zhì)蜂窩結(jié)構(gòu)板件和耐海水的板材，快艇、游艇等的甲板、側(cè)板、防水隔板、船體外殼、主體結(jié)構(gòu)件、直升機(jī)平臺(tái)、離岸水上觀察站、船用冷凍器、帆船桅桿及其結(jié)構(gòu)件等重要部件也采用FSW；澳大利亞Adalaide大學(xué)與英國TWI合作開發(fā)了一種輕便型的攪拌摩擦焊設(shè)備，用于輕型高速海洋游船的曲面壁板的焊接；瑞典Sapa公司利用攪拌摩擦焊技術(shù)完成了漁船深度冷卻需要的中空鋁合金壁板結(jié)構(gòu)件焊接。2006年4月，中國攪拌摩擦焊中心設(shè)計(jì)制造國內(nèi)第一臺(tái)用于大型船用型材拼焊的攪拌摩擦焊設(shè)備，并從同年8月開始批量制造寬幅鋁合金型材帶筋板，應(yīng)用到國產(chǎn)新型導(dǎo)彈快艇及出口艦船^[4]。圖2為采用FSW技術(shù)焊接的長12米、寬5米的鋁合金型材壁板。迄今為止，攪拌摩擦焊寬幅鋁合金船舶壁板已經(jīng)在中國大連、上海、武漢、廣西及廣州等多家主力船舶制造廠推廣，在多個(gè)船舶制造項(xiàng)目中得到成功應(yīng)用，包括我國新研制的世界領(lǐng)先的“雙體穿浪隱形導(dǎo)彈快艇”和出口越南、密克羅尼西亞民船。

1.3 在陸路交通工業(yè)中的應(yīng)用

在列車制造領(lǐng)域，F(xiàn)SW技術(shù)主要應(yīng)用為高速列車、軌道列車、地鐵車廂和有軌電車、集裝箱等。1997年日本日立公司首次將攪拌摩擦焊用于鋁合金列車車體制造；日本川崎重工與住友輕金屬公司將FSW技術(shù)用于地鐵車輛，焊接工件長度已超過3km，并已用于日本新干線車輛的制造，時(shí)速達(dá)285km/h，質(zhì)量完全合格；在歐洲及其它國家，如法國的阿爾斯通公司、德國西門子公司及加拿大的龐巴迪公司等在新型列車車體制造中采用FSW技術(shù)，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)樵阡X合金列車制造中占主導(dǎo)地位的焊接技術(shù)。圖3為采用FSW焊接的軌道列車地板

在汽車制造領(lǐng)域，F(xiàn)SW技術(shù)主要應(yīng)用于引擎、底盤、車身支架、汽車輪轂、液壓成型管附件、車門預(yù)成型件、車體空間框架、卡車車體、載貨車的尾部升降平臺(tái)、汽車起重器以及裝甲車的防護(hù)甲板等。2000年TOWER汽車公司采用FSW技術(shù)實(shí)現(xiàn)了汽車懸掛支架、輕合金車輪、防撞緩沖器、發(fā)動(dòng)機(jī)安裝支架以及鋁合金車身的焊接。2004年日本Showa Aluminum和Tokai Rubber公司實(shí)現(xiàn)了汽車懸掛系統(tǒng)鋁合金懸臂FSW批量化制造。2005年美國Ford汽車公司采用FSW技術(shù)制造GT賽車。目前，攪拌摩擦焊應(yīng)用于汽車工業(yè)主要是大批量鋁合金汽車縫合胚料（TWB）的制造以及小批量專用汽車的制造。挪威Hydro Aluminum公司首先采用FSW實(shí)現(xiàn)了鋁合金汽車輪轂的攪拌摩擦焊制造；美國AO Smith公司采用FSW實(shí)現(xiàn)了鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)框架的攪拌摩擦焊接；德國Audi公司和GKSS公司將FSW短焊技術(shù)用于鋁合金汽車零件的制造，并發(fā)展成FSW點(diǎn)焊技術(shù)^[5]，日本馬自達(dá)公司將其應(yīng)用到“馬自達(dá)RX-8”型跑車后門框的焊接，如圖4所示。

1.4 在其他領(lǐng)域中的應(yīng)用

在其他方面，F(xiàn)SW也有較多的應(yīng)用，如民用建筑工業(yè)中的鋁合金橋梁、裝飾板、門窗框架、管線、鋁合金反應(yīng)器、熱交換器等；電子工業(yè)中的發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、電器連接件、電器封裝等。此外，F(xiàn)SW還應(yīng)用在冰箱冷卻板、廚房電器、“白色”家用物品和工具、天然氣和液化氣儲(chǔ)箱、家用裝飾等。

2 攪拌摩擦加工技術(shù)的應(yīng)用

除了作為一種先進(jìn)焊接方法外，F(xiàn)SW還可用于材料微觀組織的改性和新材料制備，這種方法稱為攪拌摩擦加工(FSP)。FSP技術(shù)利用攪拌頭所造成加工區(qū)材料的劇烈塑性變形、混合、破碎和熱暴露，實(shí)現(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)的致密化、均勻化和細(xì)化。1999年，美國密蘇里大學(xué)的Mishra博士首次采用FSP技術(shù)制備了細(xì)晶超塑性鋁合金。目前，F(xiàn)SP技術(shù)已在表面晶粒細(xì)化、超塑性、表面復(fù)合材料制備等方面取得應(yīng)用。

2.1 表面晶粒細(xì)化與超塑性

可通過FSP技術(shù)細(xì)化晶粒的材料有兩類，一類是晶粒本身就粗大的鑄造合金，如鑄造鋁合金與鎂合金。普通Al-Si-Mg合金鑄件由于粗大的針狀Si相和枝晶以及縮孔、疏松等缺陷，導(dǎo)致其力學(xué)性能，尤其是塑性和疲勞性能較低。傳統(tǒng)上采用各種化學(xué)改性和熱處理方法對(duì)其進(jìn)行改性處理，然而這些方法不僅工序繁雜，而且不能完全消除鑄造空洞，也很難使微觀組織完全均勻化。Ma^[6]等人的研究表明，采用FSP技術(shù)對(duì)A356鑄件進(jìn)行加工后，粗大針狀Si相被破碎成近似等軸粒子并均勻分布在鋁基體中，鑄造空洞被彌合，枝晶被破碎，基體晶粒被細(xì)化，A356鑄件的力學(xué)性能得到明顯改善。另一類是超硬鋁合金，如2xxx、7xxx系鋁合金，通過FSP破碎粗大的析出相并使重溶于鋁基體中^[7]。經(jīng)FSP處理過的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶區(qū)，晶粒大小一般為0.5-5mm^[8]，可獲得超塑性，既可降低成形壓力，又可防止普通成形過程中因材料變形能力差導(dǎo)致的開裂，另外，加入第二相粒子(如SiC)，可防止FSP細(xì)化組織在后續(xù)加熱中過度長大。

FSP是一種新型的超塑性材料制備技術(shù)。Mishra^[9]等人首先報(bào)道了攪拌摩擦加工7075鋁合金的超塑性，當(dāng)應(yīng)變速率為1×10^-2s^-1、溫度為490℃時(shí)，可獲得超過1000%的超塑性延伸率；Saito^[10]等人在焊接速度和旋轉(zhuǎn)速度分別為0.5mm/s、1540r/min條件下得到超塑性1050鋁合金；Ma^[11]等人采用FSP對(duì)Al-4Mg-1Zr合金進(jìn)行處理，得到1.5mm的微細(xì)晶粒。當(dāng)應(yīng)變速率為1×10^-1s^-1、溫度為525℃時(shí)，最大延伸率為1280%，超塑性顯著；溫度為550℃時(shí)，最大延伸率仍為1210%，這表明高溫下也能保持較好的超塑性；Charit^[12]等人采用FSP技術(shù)對(duì)2024鋁合金進(jìn)行處理，獲得高應(yīng)變速率下的超塑性，當(dāng)應(yīng)變速率為1×10^-2s^-1、溫度為430℃時(shí)，最大延伸率達(dá)到525%，將FSP流動(dòng)應(yīng)力和延伸率與母材進(jìn)行比較，如圖6所示；Liu^[13]等人研究了Al-Zn-Mg-Cu合金FSP的低溫超塑性，當(dāng)應(yīng)變速率為1×10^-2s^-1、溫度范圍為200-350℃時(shí)，延伸率達(dá)到350-540%。

圖5 2024鋁合金FSP的應(yīng)力應(yīng)變曲線

2.2 表面復(fù)合材料制備

FSP 是一種綠色的表面復(fù)合材料制備新技術(shù)，采用FSP技術(shù)將材料表面的金屬基體與增強(qiáng)材料在固態(tài)下進(jìn)行機(jī)械混合，制備出高硬度、耐磨的顆粒強(qiáng)化“表面復(fù)合材料”，其原理圖如圖7所示。預(yù)先在基板表面加工窄而淺的小槽(3mm×3mm以下) ，填充增強(qiáng)材料，采用FSP技術(shù)使陶瓷顆粒分布均勻化。與其他制備方法相比，該技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：①FSP在固態(tài)下進(jìn)行，可避免界反應(yīng)與有害相的形成，適應(yīng)于處理各種金屬材料；②FSP可顯著細(xì)化表層晶粒，明顯降低金屬孔洞的產(chǎn)生，且組織結(jié)構(gòu)致密；③FSP較為簡便、易于控制，且具有節(jié)能、環(huán)保的特點(diǎn)。

Mishra^[14]等人首次采用FSP技術(shù)把SiC陶瓷顆粒嵌入5083鋁合金表層，制得了厚度范圍在50-200mm的復(fù)合材料層。結(jié)果表明，當(dāng)攪拌頭探針端部插入深度位于板材上表面以下2.03mm位置時(shí)，顆粒增強(qiáng)的表面層與基體材料具有較好的結(jié)合界面，其中上層為SiC顆粒增強(qiáng)區(qū)域，下層為基體材料5083 鋁合金，兩層之間具有良好的界面，沒有出現(xiàn)SiC顆粒在分界層附近團(tuán)聚的現(xiàn)象。復(fù)合材料層的顯微硬度HV為85，SiC顆粒體積含量在13%左右時(shí)，顯微硬度HV提高至123，SiC 顆粒體積含量在27%左右時(shí)，顯微硬度HV提高至173，比基體高出一倍；Mahmoud^[15]等人采用FSP技術(shù)把平均顆粒直徑為1.25mm的SiC陶瓷粉末嵌入5mm厚A1050-H24鋁板的表層中，制得厚約1.5mm的表面復(fù)合材料層，并研究了轉(zhuǎn)速、加工速度、槽寬、槽的位置對(duì)顆粒分布的影響；Shafiei^[16]等采用FSP技術(shù)把納米級(jí)Al₂O₃顆粒嵌入到6082鋁合金中形成顆粒增強(qiáng)的表面復(fù)合材料層。結(jié)果表明，多道FSP技術(shù)能夠有效促進(jìn)納米級(jí)陶瓷顆粒的均勻分布，與母材相比，復(fù)合材料層的硬度是母材的3倍，耐磨性是母材的5倍；Morisada^[17]等人研究采用SiC顆粒增強(qiáng)AZ31鎂合金板材。SiC顆粒尺度為1mm，F(xiàn)SP加工前對(duì)板材開槽，將SiC 顆粒置于其中，槽的橫截面積為1×2mm²。結(jié)果表明，F(xiàn)SP加工使得基體材料AZ31 的晶粒得到細(xì)化，晶粒度由79.1mm減小到6mm，顯微硬度HV由48提高至69.3；Lee^[8]等采用FSP技術(shù)成功把納米尺寸的SiO₂陶瓷嵌入到AZ61鎂合金中，形成納米級(jí)復(fù)合材料。經(jīng)過4道FSP加工，納米級(jí)陶瓷顆粒被成功地均勻分散到基體中，復(fù)合材料層的平均晶粒尺寸在0.5-2mm，復(fù)合材料層的硬度是基材硬度的2倍。

圖6 FSP制備表面復(fù)合材料原理示意圖

3  展望

詳細(xì)論述了攪拌摩擦焊接技術(shù)在航空航天、船舶、陸路交通等工業(yè)制造領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，介紹了攪拌摩擦加工技術(shù)在晶粒細(xì)化、制備超塑性材料與表面復(fù)合材料中的應(yīng)用，并展望了攪拌摩擦焊接及其加工技術(shù)的應(yīng)用前景。

在國際上，F(xiàn)SW技術(shù)經(jīng)歷了近二十年的發(fā)展，在航空、航天、船舶、軌道交通、汽車、及電力等行業(yè)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用，并且正在進(jìn)一步普及和日趨完善。在國內(nèi)，F(xiàn)SW技術(shù)開發(fā)及推廣應(yīng)用才剛剛起步，其應(yīng)用目前主要集中在航空、航天、兵器、船舶等軍工制造領(lǐng)域。但是在國家政策和項(xiàng)目的支持下，F(xiàn)SW技術(shù)必將推廣應(yīng)用于其它工業(yè)領(lǐng)域，面對(duì)國內(nèi)潛在的巨大市場需求，F(xiàn)SW技術(shù)在未來的5年內(nèi)將迎來高速發(fā)展和應(yīng)用的高峰。

近年來，F(xiàn)SP技術(shù)得到了飛速發(fā)展，現(xiàn)已發(fā)展成為一種新型的金屬材料塑性加工技術(shù)，并且是實(shí)現(xiàn)材料大塑性變形的主要手段之一，在研究金屬材料的強(qiáng)韌化機(jī)理、探索制備高性能材料方面具有重要的啟示作用與學(xué)術(shù)價(jià)值。目前，F(xiàn)SP已在細(xì)晶超塑性鋁合金制備、鑄造合金微觀結(jié)構(gòu)改性、復(fù)合材料制備、材料合成等方面顯示了良好的應(yīng)用前景。隨著研究的深入，F(xiàn)SP將發(fā)展成為一種成熟的、多用途的材料加工技術(shù)，并在工業(yè)領(lǐng)域取得實(shí)際應(yīng)用。