鋁是地殼中含量最多的金屬元素，也是產量最大的有色金屬[1]。鋁的密度低(2.7g/cm3),約為鋼(7.83g/cm3)的1/3。經過熱處理強化后，鋁及鋁合金的比強度接近超高強度鋼，可用于制造輕質復雜結構部件[2]。鋁合金具有低密度、高比強度、良好的焊接性和耐蝕性，且成本低、可回收，在汽車制造、軌道交通、船舶工程和航空航天等領域得到廣泛應用[3-4]。傳統的鋁合金焊接工藝主要包括激光焊(laser beam welding,LBW)、激光電弧復合焊(laser-arc hybrid welding,LAHW)、鎢極氬弧焊(tungsten inert gas welding,TIG)以及熔化極氣體保護焊(metal inert gas welding,MIG)等多種方法。這些方法均屬于熔化焊，而鋁合金導熱系數高、熱膨脹系數大、凝固溫度范圍寬、易生成氧化物，導致其焊接質量不穩定[5]，常出現氣孔、夾雜物以及熱裂紋等缺陷，降低了接頭性能[6]。作為一種新型固相連接工藝，攪拌摩擦焊(friction stir welding,FSW)可以有效解決熔焊過程中產生的問題[7]，使焊接過程中材料不熔化，無氣孔、無熱裂紋、變形和殘余應力小，接頭力學性能優異，特別適合于鋁合金、鎂合金等低熔點合金的焊接，成為焊接領域的研究熱點。基于此，本文對鋁合金攪拌摩擦焊的研究現狀進行了全面總結，并從攪拌摩擦焊的原理、顯微組織特征、工藝參數對性能的影響以及各類新型攪拌摩擦焊工藝等方面展開分析，結合該技術面臨的問題與挑戰，展望了鋁合金攪拌摩擦焊未來的研究方向，以期為相關研究提供參考。

1、攪拌摩擦焊的基本原理

攪拌摩擦焊是1991年由英國人提出的一種固相連接方法[8]。

攪拌摩擦焊是將一個高速旋轉的攪拌針插入待焊接材料的接觸面，通過軸肩帶動攪拌針旋轉來攪拌混合接觸面金屬，使其相互固態融合以達到焊接的目的。軸肩需要有一定的壓下量，保證攪拌區的金屬始終處于三向壓應力狀態。攪拌針的長度應略小于母材厚度。攪拌針和軸肩組成攪拌頭，以一定速度沿焊接方向水平移動，利用旋轉的攪拌針和軸肩與工件之間的摩擦實現局部加熱，使攪拌頭周圍的材料發生軟化。隨著攪拌頭的旋轉和平移，軟化材料混合，發生動態再結晶，形成焊核區，與其鄰近的金屬依次形成熱機影響區和熱影響區，然后隨溫度逐漸降低形成焊縫。攪拌摩擦焊的焊接溫度通常高于再結晶溫度，低于母材熔化溫度。在攪拌摩擦焊中，攪拌頭的轉動方向與攪拌頭移動方向相同側定義為前進側(advancing side,AS),相反側定義為后退側(retreating side,RS)[9]。

2、鋁合金攪拌摩擦焊接頭顯微組織特征

受到熱循環和熱變形的雙重作用，攪拌摩擦焊接頭微觀結構演變與熔化焊存在明顯差異。鋁合金攪拌摩擦焊接頭組織可以分為4個區域:母材區(base materials,BM)、熱影響區(heat affected zone,HAZ)、熱機影響區(thermal-mechanical affected zone,TMAZ)和攪拌區(stir zone,SZ)/焊核區(weld nugget zone,WNZ)。

不同區域的微觀結構(包括晶粒形態尺寸、位錯密度和第二相的大小分布等)不同,對焊接接頭性能有顯著影響。研究表明[11-14]:受熱力耦合作用,攪拌區發生動態再結晶，形成了細小均勻的等軸晶。熱機影響區也受到高溫和塑性變形的影響，由于熱量和變形應變不足,發生動態回復和部分動態再結晶,晶粒細長。熱影響區僅受到焊接過程中熱循環的影響，晶粒粗化，接頭性能惡化。

3、鋁合金攪拌摩擦焊工藝參數對組織性能的影響

3.1 攪拌頭形狀及尺寸

攪拌頭包括攪拌針和軸肩，其形狀和尺寸會改變攪拌摩擦焊過程中的局部熱輸入、材料流動行為以及微觀組織結構演變，從而影響接頭性能[15-17]。

攪拌針形狀直接影響焊接過程中的材料流動和塑性變形，進而影響焊接接頭的強度和硬度，以及缺陷的形成。常用的攪拌針形狀包括螺紋圓柱形、螺紋圓錐形、圓柱形、圓錐形、三角形、方形、五邊形、六邊形等，如圖3所示。采用不同攪拌針形狀所得接頭，其顯微組織及焊縫質量不同。

研究表明，使用方形攪拌針可以最大化地增加攪拌量，使焊接接頭的組織更均勻、晶粒更細、缺陷更少，顯著改善攪拌摩擦焊接頭的綜合力學性能。Gadakh等[18]通過建模和顯微組織分析，研究了三角形、正方形、五邊形和六邊形等不同攪拌針對AA2014-T6鋁合金攪拌摩擦焊接頭的影響。結果表明，與三角形攪拌針比，方形攪拌針在焊接過程中溫度梯度更小,焊接接頭晶粒尺寸最小。Kesharwani等[19]采用正方形和正六邊形攪拌針對AA7075-T6板材進行焊接。結果表明，使用方形攪拌針可以增強焊接過程中的材料流動，細化晶粒，具有更高的強度、硬度和伸長率。此外使用正方形攪拌針焊接接頭的伸長率、硬度、屈服強度和抗拉強度均高于使用正六邊形攪拌針的焊接接頭。Yadav等[20]使用不同形狀(即平面圓柱形、螺紋圓柱形、圓臺形和方形)的高速鋼攪拌頭對AA6082-T6管分別進行了單道次和兩道次焊接。結果表明，方形攪拌針焊接的樣品缺陷面積減小，展現出優異的抗拉強度和焊接效率。

攪拌針的尺寸也會影響焊縫質量。攪拌針尺寸偏小，焊接過程中所需熱量和塑性變形程度不足，阻礙接頭組織發生動態再結晶,焊接接頭質量下降;攪拌針尺寸偏大，焊接過程中熱輸入大，容易造成強化相回熔以及晶粒粗化長大，接頭的強度和硬度降低，甚至會造成接頭軟化。

除了攪拌針以外，軸肩的尺寸也會影響焊接接頭組織分布。軸肩直徑越大，熱影響區越寬。該參數還會對接頭的強度、伸長率和表面缺陷產生作用,正確選擇軸肩直徑可以改善接頭力學性能。Fuse[21]研究了不同軸肩直徑(Φ20、Φ22、Φ24mm)雙軸肩攪拌摩擦焊(bobbin tool friction stir welding,BTFSW)工藝參數對6mm厚6061-T6鋁合金焊接接頭的組織性能影響，隨著軸肩直徑的增加，抗拉強度和伸長率增大,接頭缺陷逐漸減少。

Kumar[22]研究了攪拌頭的軸肩直徑、偏移量和傾斜角等參數對5083-H111和6082-T6鋁合金異種攪拌摩擦焊拉伸性能的影響。結果表明，軸肩直徑過小時，軸肩與構件的接觸面積偏小，加工過程中產生的熱量不足,無法發生動態再結晶;同時還會影響材料流動速率和塑性變形，最終降低了接頭的拉伸性能。當軸肩直徑較大時，軸肩和金屬表面之間接觸面積大，產生較高的摩擦熱，促進晶粒長大，導致拉伸性能降低。

3.2 轉速

攪拌頭轉速是攪拌摩擦焊的另一重要參數，該參數通過影響焊接過程中的熱輸入和塑性變形狀態，進而影響鋁合金的接頭質量。

攪拌頭轉速影響攪拌區的大小。隨著攪拌頭轉速的增加，攪拌區的尺寸增大。同時，該參數還會影響焊接接頭的抗拉強度、伸長率、顯微硬度和晶粒尺寸。Kosturek等[23]設定攪拌頭轉速為200、400、600和800r/min,移動速度為100mm/min,對5mm厚的AA2519-T62合金攪拌摩擦焊接接頭進行了宏觀和微觀結構觀察以及顯微硬度、拉伸和疲勞測試。結果表明，隨著轉速的增加，攪拌區尺寸和顯微硬度增加，焊縫的屈服強度和抗拉強度有增加的趨勢。Prabha等[24]研究了轉速(900、1120、1400、1800r/min)對4mm厚的AA5083鋁合金板材攪拌摩擦焊力學性能和微觀組織的影響。實驗結果表明:由于攪拌頭轉速增加，產生粗大的晶粒組織，抗拉強度降低。在低轉速(1120r/min)下焊接的試樣具有最大的抗拉強度，伸長率較高。Nishant等[25]研究了水下攪拌摩擦焊(underwater friction stir welding,UFSW)中攪拌頭轉速對6061-T6和5083-H12鋁合金焊接接頭力學性能的影響。研究顯示，隨著攪拌頭轉速的增大，攪拌區和熱機影響區的形狀和尺寸增大，攪拌區的平均晶粒尺寸先減少再增大，焊接接頭的抗拉強度先增大再減小。斷裂形式由脆性斷裂變為塑性斷裂，在710r/min時，接頭表現為脆性斷裂;而1120、1400、1800r/min時，接頭具有不同形狀的韌窩，表現為塑性斷裂。

提高轉速可以增加攪拌頭和工件之間的摩擦,為焊接提供足夠的熱量。隨著板材厚度的增加，焊接過程需要更多熱量，應該提高攪拌頭轉速。但攪拌頭轉速過高，可能會導致工件過熱或形成大量缺陷，因此,焊接過程中應選擇合適的轉速,確保足夠熱量的同時保證焊接質量。

3.3 移動速度

移動速度是指攪拌摩擦焊焊接過程中攪拌頭沿焊接方向移動的速率。與攪拌頭轉速類似，該參數同樣會影響焊接過程中的熱量傳遞，增大移動速度會減小焊接區域的摩擦熱。此外，移動速度對接頭的晶粒尺寸、動態再結晶程度和焊接效率產生顯著影響。

隨著移動速度的提高，攪拌摩擦焊接接頭的晶粒尺寸減小。Rajkumar等[26]以固定的轉速，采用不同的移動速度(30、50和60mm/min)對AA6061合金進行攪拌摩擦焊。結果表明:通過提高移動速度，焊接接頭的晶粒尺寸減小。Kim等[27]分析了AA7075-T6合金在攪拌摩擦焊移動速度為150~350mm/min時微觀組織。研究顯示，在較高的移動速度下，焊接接頭發生連續動態再結晶，受到熱力耦合作用，形成細小均勻的等軸晶。Rinu等[28]研究了移動速度(80、112mm/min)對6061-T6和7050-T7451鋁合金攪拌摩擦焊接接頭的材料流動、組織及性能的影響。研究表明,在低焊接速度下,熱輸入大,攪拌區晶粒長大時間長，焊核區晶粒尺寸隨著攪拌頭移動速度的提高顯著減小，通過細晶強化來改善接頭的抗拉強度和屈服強度。Anandan[29]將轉速設定為1000r/min,傾斜角為2°,研究了不同移動速度(25、45、65、85mm/min)對AA7050-T7651和AA2014A-T6焊接接頭組織和性能的影響。結果表明，當攪拌頭移動速度增加時，接頭組織的晶粒尺寸減小，強度增加，在65mm/min時，抗拉強度達到最大。Song等[30]研究了攪拌摩擦焊移動速度(100、150、200、250mm/min)對異種鋁合金焊接組織及性能的影響。結果表明，隨著移動速度的增加，攪拌區平均晶粒尺寸減小。在較高的移動速度下，熱循環溫度降低，抑制了由殘余熱量引起的焊后晶粒粗化;同時，劇烈的塑性變形導致位錯密度顯著升高，促使接頭組織發生動態再結晶。二者的綜合作用抑制了再結晶后的晶粒粗化,并有助于強度的提高。但移動速度過高，焊縫形成缺陷，接頭強度降低。隨著攪拌頭移動速度的增加，攪拌摩擦焊接接頭的抗拉強度先增大后減小。

4、鋁合金的其他攪拌摩擦焊工藝

攪拌摩擦焊在鋁及鋁合金焊接領域展現出顯著優勢，但在實際應用和機理研究中仍具有一定挑戰。傳統攪拌摩擦焊容易出現以下問題:①在異種合金焊接時易形成中間相，使接頭性能惡化;②材料流動和熱輸入不足，焊縫底部易出現根部未焊透;③焊接過程中受到材料流動和塑性變形的影響，導致熱影響區擴大，晶粒長大，影響接頭強度。對此，國內外學者在鋁合金攪拌摩擦焊工藝優化方面進行了大量研究，以提高焊接接頭的力學性能，擴大攪拌摩擦焊的應用場景。

4.1 水下攪拌摩擦焊

為了拓展鋁合金攪拌摩擦焊的應用范圍，發展出UFSW。作為一種新型的固相焊接工藝，水下攪拌摩擦焊突破了傳統焊接技術在深水環境下存在的諸多限制，成為水下焊接的一種利器，被應用于船舶、海洋工程、深海資源開發等領域的水下制造與修復，在一些特殊情況下也應用于航空航天領域。該工藝在焊接過程中，水不僅沒有使焊接接頭質量惡化，反而起到有益的作用，不僅隔絕了空氣，減少了氧化，而且提高了工件的冷卻速度，細化了晶粒，從而提高了焊接接頭的質量。

Dong等[31]采用EBSD研究了AA7003-T4和AA6060-T4水下攪拌摩擦焊接頭組織變化規律。研究發現，在焊核區，形成了細小的等軸晶組織。由于冷卻速度的提高，水下攪拌摩擦焊平均晶粒尺寸遠小于普通攪拌摩擦焊。Datta等[32]使用傳統的FSW和UFSW對1mm厚的AA5052鋁合金進行焊接。結果表明，與傳統攪拌摩擦焊焊接工藝相比，水下攪拌摩擦焊焊接接頭的抗拉強度提高了20%，伸長率提高了22.4%。Nishant等研究了攪拌頭轉速對6061-T6鋁合金水下攪拌摩擦焊焊縫力學性能的影響。結果表明，隨著轉速的增加，平均晶粒尺寸減小，抗拉強度和硬度增加;當轉速進一步增大，晶粒尺寸增大，抗拉強度和硬度減小。結果還表明，與傳統的攪拌摩擦焊工藝相比，水下攪拌摩擦焊接頭抗拉強度增大了20%，晶粒更小。

4.2 攪拌摩擦點焊

攪拌摩擦點焊(friction stir spot welding,FSSW)是一種固態焊接工藝，它利用高速旋轉的攪拌針與焊接材料接觸所產生的摩擦熱，使焊接材料快速軟化并攪拌連接，最終形成具有低長寬比的焊接接頭，可作為傳統鉚接與電阻點焊的潛在替代技術。攪拌摩擦點焊主要有直插式、填充式、回填式、擺動式及無針插入式等5種不同形式。

Lewise等[34]研究了材料流動對AA2024/AA7075異種攪拌摩擦點焊過程中力學性能和微觀組織的影響。結果表明，焊接過程中的材料流動導致元素重新分布，改善了組織均勻性，晶粒細化，接頭的屈服強度和抗拉強度提高。Feizollahi等[35]研究了攪拌摩擦點焊中攪拌針直徑對6061-T6和5052-T32異種接頭組織性能的影響。研究發現，隨著攪拌針直徑的增加，熱影響區的晶粒尺寸增大，顯微硬度降低。使用無針攪拌頭可以增大攪拌區的顯微硬度，并使顯微硬度變化均勻。Becker等[36]研究了填充式攪拌摩擦點焊工藝參數對焊接接頭殘余應力分布的影響。研究表明，殘余應力基本沒有發生變化，受殘余應力影響的區域隨著溫度的升高而增大。

4.3 超聲波攪拌摩擦焊

在攪拌摩擦焊過程中施加超聲振動，可以促進攪拌區金屬流動且不產生明顯溫度變化。這種焊接工藝稱之為超聲波攪拌摩擦焊。這種焊接工藝在消除焊接缺陷、提高接頭力學性能方面具有顯著效果。

El-zathry等[37]比較了常規攪拌摩擦焊和超聲波攪拌摩擦焊制備的AA2060-T8接頭的微觀結構和力學性能。結果表明，超聲波攪拌摩擦焊顯著改善了材料流動，使析出相在基體中分布更加彌散、均勻。此外，超聲波攪拌摩擦焊的抗拉強度約為常規攪拌摩擦焊的3倍。Zhang等[38]采用常規攪拌摩擦焊和超聲波攪拌摩擦焊開展了6mm厚的7N01-T4鋁合金板焊接，并對這兩種焊接工藝下的焊縫成形特性和材料流動狀態進行了研究。研究發現，超聲振動可以顯著提高無缺陷焊接接頭的焊接速度，改善接頭的表面質量，降低軸向力。在1200r/min的轉速下，超聲波攪拌摩擦焊可以制備出無缺陷的焊接接頭，焊接速度比常規攪拌摩擦焊高50%，伸長率高8.8%。Chowdhury等[39]采用常規攪拌摩擦焊和超聲波攪拌摩擦焊分別對Al6026試樣進行焊接,研究了不同工藝條件下攪拌頭磨損程度。研究表明，采用超聲波攪拌摩擦焊焊接Al6026試樣時，攪拌頭磨損率降低了25%,攪拌頭的服役時間得到了有效提升。

5、鋁合金攪拌摩擦焊的問題與挑戰

首先是焊接材料形狀及尺寸的局限性問題。由于攪拌摩擦焊是通過摩擦產熱進行焊接，熱輸入有限,而且多數情況下單側加熱(摩擦面加熱),適用于薄板工件的焊接。對于尺寸較大的工件,如鋁合金船體外殼厚板,由于焊接過程中溫度分布不均勻,焊縫不同區域的組織性能差異較大，使得攪拌摩擦焊很難在大尺寸的厚板焊接中獲得廣泛應用。因此,如何改善攪拌摩擦焊的溫度分布成為其面臨的一種挑戰。

其次是設備復雜、移動性差，使用成本高等問題。相比TIG和MIG僅需焊槍和焊絲而言，攪拌摩擦焊需要較為復雜的設備:數控機床、夾持端、剛性墊板、各種攪拌頭等，不僅使其移動性差，限制了其應用場景,而且設備初始投入較高,對于小批量的焊接工件其單件焊接成本較高。此外，攪拌頭容易磨損,使其具有較高的運行成本。如何簡化攪拌摩擦焊的設備，使其小型化、可移動化，以及提高攪拌頭的使用壽命成為其面臨的又一挑戰。

再次就是工藝參數優選的問題。攪拌頭的形狀、尺寸、轉速、移動速度以及軸向力等，均會影響接頭的材料流動、溫度分布和力學性能[40-44]。這些工藝參數相互關聯，在焊接過程中對接頭的組織性能產生復雜影響，需要通過大量實驗得到合適的工藝參數。因此，如何通過簡單的實驗或計算快速得到最佳的焊接工藝參數也是其面臨的挑戰之一。

表1 攪拌摩擦焊、熔化極氣體保護焊、鎢極氬弧焊三種不同焊接方法的比較

6、結語與展望

鋁及鋁合金焊接結構已成為軍工與民用結構制造領域中不可或缺的組成部分，隨著工業化的發展，新型鋁及鋁合金的焊接材料和焊接工藝將變得越來越重要。攪拌摩擦焊接頭力學性能優異,焊接過程中氣孔及熱裂紋等缺陷少，無需填充材料和保護氣氛，熱變形和殘余應力小，在鋁及鋁合金焊接領域展現出顯著優勢，成為一種具有巨大應用潛力的鋁合金焊接技術，特別是對一些含有易揮發金屬元素的鋁合金(如高鎂鋁合金)焊接，提供了新途徑。基于鋁合金攪拌摩擦焊焊接工藝的研究現狀，對未來研究方向展望如下:

(1)攪拌摩擦焊工藝參數會影響焊接過程中的材料流動和溫度分布，從而影響接頭的組織性能。后續可深入研究材料流動和溫度分布的規律，明確工藝參數與兩者的關系，建立數值模型，以優選出最佳的焊接工藝參數。

(2)攪拌摩擦焊的未來研究方向應聚焦于成本控制和規模化生產。通過實現大規模生產，降低單位生產成本，以推動攪拌摩擦焊從高端制造向低端制造轉變。

(3)發展無支撐攪拌摩擦焊,簡化焊接設備,使其小型化、可移動化,擴大攪拌摩擦焊的應用場景,進一步拓展攪拌摩擦焊應用范圍。

(4)發展輔加外場(機械能輔助和熱能輔助)的焊接工藝研究，進一步提高焊接接頭質量。

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（注，原文標題：鋁合金攪拌摩擦焊工藝研究現狀_商夢瑤）

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