搅拌摩擦焊：优势和局限性，流动过程示意图

搅拌摩擦焊（FSW）是通过一个由轴肩和搅拌针组成的搅拌头旋转并缓慢挤压插入被焊材料中，被焊材料在搅拌头的作用下摩擦塑性变形生热，并在高温状态下随搅拌头旋转从前到后流动，进而再结晶形成焊接接头的过程。图5.8-18是搅拌摩擦焊的示意图。由于搅拌摩擦焊接热源是被焊材料的塑性变形，而材料的屈服强度随温度的升高而降低，在远低于熔化温度时材料的屈服强度可降低到接近零，因此焊接热输入的增加会随着温度的升高而降低，所以理论上焊接温度总是低于被焊材料熔化温度。与普通熔焊相比，搅拌摩擦焊的优势和局限性见表5.8-12。

图5.8-18 搅拌摩擦焊接示意图

表5.8-12 搅拌摩擦焊的优势和局限性

5.8.2.1 搅拌摩擦焊原理

1.搅拌摩擦焊的热源

搅拌摩擦焊是一个机械-热作用过程：被焊金属在高温状态下高应变率塑性变形，从而导致被焊金属微观结构改变进而冶金结合的过程。搅拌摩擦焊的热源由两部分组成：搅拌头与焊件的摩擦生热以及被焊材料在搅拌头轴肩和搅拌针作用下的变形流动生热。搅拌摩擦焊热源的形状、大小和分布与搅拌头几何尺寸、表面特征、焊接参数及焊接环境有关。

常见的搅拌摩擦焊热输入计算方法是计算焊接热通量。

式中 P_av——由搅拌头转矩和旋转速度得到的平均焊接功率；

R_Shoulder和R_Pin——分别为搅拌头轴肩和搅拌针的半径；

H_Pin——搅拌针长度。

假设所有焊接热输入均匀分布在焊接区。

另一种方法是分别计算由轴肩、搅拌针侧面、搅拌针底面所产生的热量。其具体方法是通过焊接状态下被焊材料屈服强度、搅拌头和被焊材料接触状态，以及搅拌头几何尺寸来计算焊接热输入。

式中 δ——轴肩与被焊金属接触状态参数，0≤δ≤1；

τ_yield——焊接温度下被焊材料屈服强度；

μ——摩擦系数；

p——接触表面的均匀压力；

ω——搅拌头旋转角速度；

R_Shoulder和R_Pin——分别为搅拌头轴肩和搅拌针半径；

H_Pin——搅拌针长度；

α——搅拌头轴肩表面与水平面夹角。

正是由于搅拌摩擦焊是一个机械-热物理冶金过程，对其热源的精确模拟需要将机械变形和热物理过程耦合起来，并考虑各种环境条件。

2.搅拌摩擦焊的金属流动变形

被焊金属在搅拌摩擦焊过程中的流动是一个非常复杂的过程，对材料流动变形的研究包含试验手段和仿真模拟手段。试验方法主要有使用标记材料和异种金属焊接两种常用方案，仿真模拟主要有分析模型、数字模型、热-机耦合模型等。图5.8-19所示是典型的采用标记材料显示搅拌摩擦焊过程中金属的流动。采用与母材不同的铝合金作为标记材料，镶嵌在待焊铝合金母材中，搅拌头跨过标记材料完成焊接过程。

图5.8-19 标记材料显示搅拌摩擦焊过程中金属的流动

注：白色为标记材料，焊接方向是由下而上进行的。

3.应变和应变速率

被焊金属剧烈的塑性变形和流动是搅拌摩擦焊过程的特征之一。对应变和应变速率的研究包括试验手段、解析方法和数值模拟技术等。

4.动态重结晶和微观结构演变

由于高温和塑性变形的双重作用，细小的再结晶结构是搅拌摩擦焊缝区的主要特征之一。常见的机制包括：连续动态再结晶、断续动态再结晶、几何动态再结晶等。

5.8.2.2 搅拌摩擦焊基本概念

1.搅拌摩擦焊接头冶金区

按照图5.8-20的坐标系，搅拌头沿焊缝前进方向与z轴的夹角称为搅拌头倾角，通常为0°～5°。材料流动与搅拌头移动（焊接）方向一致的一侧，称为前进侧；材料流动与搅拌头移动方向相反的一侧，称为后退侧。焊接接头大致存在有四个冶金区。轴肩搅拌区和搅拌针搅拌区组成焊缝区，也称焊核区；在焊缝区两侧（前进侧和后退侧）各有一个热-力影响区，晶粒受热-机械作用沿一定方向拉长变形，但此区域的温度和变形又不足以使材料产生充分再结晶；再往外则是热影响区和母材。

2.搅拌摩擦焊的焊接参数及其控制

搅拌摩擦焊的焊接参数可分为控制参数和响应参数两大类。针对不同的控制方式，同一参数可以既是控制参数，也是响应参数。基本搅拌摩擦焊的焊接参数列在表5.8-13中。其中各种力的方向参照图5.8-20的坐标系。另外，搅拌头材料、尺寸与几何特征、焊接环境与材料装夹也可视为控制参数，焊接接头成形、焊缝微观组织与结构、残余应力与变形、接头质量与性能等也可看成响应参数。

图5.8-20 搅拌摩擦焊接头冶金区域划分

表5.8-13 常用搅拌摩擦焊的焊接参数

焊接间距是搅拌摩擦焊的特有参量，即搅拌头每旋转一周沿焊接方向移动的距离，或者搅拌头沿焊接方向移动单位距离所旋转的周数，它们分别用（mm/周）和（周/mm）表示。

在一般搅拌摩擦焊过程中，搅拌头沿焊缝方向直线形移动产生的热量比旋转产生的热量要小很多，不到旋转热量的1%，因此搅拌摩擦焊的功率都由搅拌头旋转速度和转矩来计算，

P=Tω （5.8-4）

式中 P——焊接功率；

T——搅拌头转矩；

ω——搅拌头旋转速度。

搅拌摩擦焊的热输入可用式（5.8-5）计算，

式中 q_v——焊接热输入；

Q——焊接能量；

L——焊接距离；

t——焊接时间；

v——焊接速度。

把式（5.8-4）代入式（5.8-5），就得到用转矩和焊接间距计算的热输入公式，

式中 C₁——搅拌头沿焊接方向移动一个单位距离所旋转的周数；

C₂——搅拌头每旋转一周沿焊接方向所移动的距离。

搅拌摩擦焊控制参数可参照表5.8-14进行选择。

表5.8-14 搅拌摩擦焊控制参数选择建议

图5.8-21为三种铝合金搅拌头功率和转矩随搅拌头旋转速度的变化关系。焊缝晶粒尺寸会随着搅拌头旋转速度的升高而增加，如图5.8-22所示。

增加搅拌头轴肩和搅拌针直径会引起焊接热输入功率和焊接温度以及焊接阻力的增加。焊接过程中，应该正确控制搅拌头的旋转速度和行进速度，同时控制搅拌头对被焊材料的压力或压入被焊材料的程度。通常，压力控制得到的焊接接头表面成形更好，质量更稳定。对于焊接响应参数，过大的x方向阻力、y方向阻力和搅拌头转矩是造成搅拌头，特别是搅拌针在焊接过程中失效的主要原因。另外，由于焊接动载引发的疲劳断裂也是搅拌针常见的失效原因之一。

图5.8-21 铝合金搅拌摩擦焊的搅拌头转矩 和输入功率随搅拌头旋转速度的变化

注：5083和7050厚度9.5mm，2219厚度8.3mm。轴肩直径28.6mm，搅拌针直径10mm，焊接速度76.2mm/min。

3.搅拌摩擦焊的流程

典型搅拌摩擦焊的流程包括：被焊材料制备、材料定位装配与装夹、预制孔（大厚度或高温高强材料）、起动搅拌头旋转、压入被焊材料、延时（主要用在大厚度和高温材料的连接）、行进焊接、搅拌头与被焊材料分离等步骤。在焊接铜合金、钛合金以及钢铁等高温材料时，还包括开关惰性保护气体步骤。特殊情况下，还有预热、搅拌头制冷和焊材制冷等步骤。

图5.8-22 搅拌头旋转速度、焊接峰值温度和焊缝晶粒尺寸的关系

注：6063-T5铝合金，4mm厚。

特殊情况的搅拌摩擦焊，可在低温或高温状态下进行，也可在水下或真空中进行，这些特殊工况会影响焊接产热和散热的速度和大小。

4.搅拌摩擦焊的接头

高质量的搅拌摩擦焊的接头上表面与被焊金属上表面平齐，下表面平整，降低焊接接头的应力集中，提高其抗疲劳断裂能力。搅拌摩擦焊的接头表面有鱼鳞状纹路，如图5.8-23所示。通常，搅拌摩擦焊的接头尾部存在不通孔（常规搅拌摩擦焊）或通孔（自适应双轴肩搅拌摩擦焊）。

图5.8-23 搅拌摩擦焊的接头上表面典型鱼鳞纹

搅拌摩擦焊接头包括焊缝区或焊核区、热-力影响区（TMAZ）、热影响区（HAZ）和母材四个部分。图5.8-24所示为典型搅拌摩擦焊的接头断面图。

图5.8-24 典型搅拌摩擦焊的接头断面图

焊缝区温度最高，存在剧烈的塑性变形和流动，会发生再结晶，常为细小的等轴晶，如图5.8-25所示。焊缝区晶粒尺寸受到焊接参数、搅拌头尺寸和特征、强制冷却或加热以及被焊材料合金构成等的影响。这些因素控制了焊接温度和变形，从而影响焊缝区的晶粒尺寸。在厚度方向上，靠近搅拌头轴肩部位的晶粒尺寸较大，靠近接头底部较小。在同一高度上，前进侧的晶粒尺寸比后退侧稍大。

铝合金接头的热-力影响区十分明显，但在一些高强度高温金属接头中热-力影响区不太明显或该区域很小。

热影响区只受到焊接热的影响，没有受到搅拌头机械搅拌作用，没有明显的塑性变形。与母材相比，其晶粒形状和尺寸没有明显变化，但由于焊接热的影响，使力学性能发生改变。对于高强度铝合金等材料来说，热影响区往往是接头强度的薄弱环节。

5.搅拌摩擦焊缺陷

搅拌摩擦焊的接头常见焊接缺陷包括表面缺陷和内部缺陷两种，其中，常见表面缺陷有表面未焊合、表面过热、过多飞边和大沟槽、未焊透和过焊透等，而常见的内部缺陷有蠕虫状孔洞和弱接合等。这些缺陷发生部位和可能的原因见表5.8-15。部分缺陷如图5.8-26所示。

5.8.2.3 搅拌摩擦焊接设备

搅拌摩擦焊设备包括焊机、搅拌头和各种工装，如背衬板、定位夹持装置和气体保护装置等。

1.搅拌摩擦焊机

搅拌摩擦焊接技术发展初期，多采用铣床配以相应的装夹实施搅拌摩擦焊接。目前，国内外有专业生产厂家开发搅拌摩擦焊机及成套设备，如北京赛福斯特技术有限公司、ESAB AB、ISTIR Technology等公司。

图5.8-25 焊核区不同部位微观结构和晶粒尺寸（7050铝合金）

表5.8-15 搅拌摩擦焊的焊接缺陷种类、部位和可能的原因

图5.8-26 搅拌摩擦焊的部分焊接缺陷

a）表面未熔合 b）过大飞边和过焊透 c）过大沟槽和焊根蠕虫状孔洞 d）焊冠蠕虫状孔洞 e）弱结合与断裂面

2.搅拌头

（1）搅拌头材料的性能要求 在搅拌摩擦焊过程中，搅拌头处在高温状态下，承受动态转矩和弯矩的作用，并与被焊材料直接接触相互作用。所以在选择搅拌头材料时，其室温和高温强度、断裂韧度、抗疲劳失效能力、耐磨性以及高温化学稳定性等需要着重考虑。另外，搅拌头材料的供货能力、价格成本以及机械加工性能也需要特别注意。主要性能、要求见表5.8-16。

（2）搅拌头材料种类 到目前为止，适用于搅拌头的材料一直在探索中，表5.8-17是常见的几种搅拌头材料的应用场合，表5.8-18是搅拌头材料的选择方案。

表5.8-16 搅拌头材料的主要性能、要求

表5.8-17 常见的几种搅拌头材料的应用场合

表5.8-18 搅拌头材料的选择（美国牌号）

对于铝合金和镁合金，H13工具钢是搅拌头及轴肩的首选材料。在焊接大厚度和高强度铝合金时，MP159钴合金是搅拌针的最佳材料。对于焊接铜合金的搅拌头，Nimonic 105、Inconel 718、Waspalloy和镍铬钛合金101可作为搅拌针材料，Densimet则用作轴肩材料，在焊接长度3.3～20m，厚度50mm的铜合金时，没有肉眼可见的损坏。在试验研究中，PCBN材料也作为搅拌头材料焊接纯铜、铝、青铜和镍-铝青铜。钛合金软化温度高，焊接温度都在1000℃以上，热导率低，并在高温下具有很强的化学活泼性，报道最多的搅拌头材料是W-25%Re合金和W_-1%LaO₂合金。W-1%LaO₂合金价格相对低廉、机械加工性能较好、焊接性较好。铁基材料焊接中常用PCBN和难熔金属作为搅拌头材料。

（3）搅拌头几何形状与特征设计

1）轴肩设计。搅拌头轴肩的功能是：与被焊金属表面摩擦，带动被焊金属塑性变形产热，将变形生热的被焊金属维持在焊缝区中，为塑性金属流动导向等。常用的轴肩设计包括凹形轴肩，平整轴肩，和凸形轴肩三种。

凹形轴肩是最初始的轴肩设计方案，如图5.8_-27所示。凹形轴肩由轴肩边缘向中心凹进去，其半径方向与水平方向的夹角一般为6°～10°。凹形轴肩表面一般是平滑的。在焊接过程中，凹形轴肩的搅拌头向焊接行进方向的后面倾斜，也就是轴肩后部比前部低，常见倾斜角为2°～5°。

图5.8-27 凹形轴肩及焊接倾角

平整轴肩表面与搅拌头轴线垂直。平整轴肩的表面一般加工有特征，如渐开线、同心圆等，以在焊接过程中辅助生热和引导被焊金属流动，如图5.8-28所示。平整轴肩上渐开线一般设计成单头，一些特殊场合也采用双头渐开线。在一定范围内，加大渐开线的宽度和深度会加剧被焊材料的变形流动，进而提高焊接热输入。焊接时，平整轴肩搅拌头一般与被焊金属表面垂直，倾角为0°，既降低焊接阻力，又有利于实施复杂曲面焊接。

凸形轴肩由其边缘往中心是凸出来的，凸形轴肩表面往往也加工有渐开线或类似的几何特征，如图5.8-29所示。

凸形轴肩的主要应用场合包括：被焊材料厚度沿焊接方向有明显变化，凸形轴肩配以合适长度的搅拌针可以达到一次很好焊透的效果；凸形轴肩配以不同长度的搅拌针，焊接同一厚度的材料可达到不同实际轴肩接触面积的效果，如图5.8-30所示。前者，在一定范围内焊接工艺可以无视被焊材料厚度的变化；后者，可以调整轴肩生热在整个焊接热源里的比例以及焊接热输入的大小。

图5.8-28 平整轴肩及表面特征

图5.8-29 凸形轴肩及其表面特征

图5.8-30 凸形轴肩及应用(www.xing528.com)

目前还有一种新型轴肩设计方案——非旋转固定轴肩。在常规搅拌摩擦焊过程中，由轴肩产生的热输入占整个搅拌头生热相当大的比例，因此焊接过程中被焊材料沿厚度方向上的热输入和温度分布不均匀，呈由高（靠近轴肩部分）向低（远离轴肩部分）变化，最终焊接冶金区显微组织由上到下也呈不均匀分布。这种不均匀的热输入还影响到焊接变形和残余应力分布，甚至导致焊接缺陷。为此在搅拌头设计中引入了非旋转固定轴肩。这种搅拌头的轴肩在焊接过程中不旋转，只沿焊接方向和搅拌针同步行进，因此它不会产生额外的热量，焊接热输入基本上来自搅拌针的旋转。如果不考虑搅拌针形状和散热条件的不同，采用非旋转固定轴肩搅拌头的焊接热输入和接头微观组织沿被焊材料厚度方向上分布均匀。

2）搅拌针设计。需要焊透的对接接头，搅拌针的长度应该非常接近被焊材料厚度。搅拌针的形状，主要有圆柱形、圆台形和多边形三种，如图5.8-31所示。最早使用的搅拌针呈圆柱状，并具有一个圆弧形的底部，而不是目前常见的平滑底部。圆台形搅拌针从靠近轴肩部位到远离轴肩部位由粗变细，常用的圆台形搅拌针侧面与中轴线夹角为3°～20°。这种设计有利于对被焊材料施加额外的压力和流动导向，同时在焊接厚板材料和高强度材料的时候可以有效提高搅拌针抗断裂能力。另外，也有采用多边形横断面的搅拌针设计，认为能降低焊接阻力。

图5.8-31 常用搅拌针形状设计

a）圆柱形 b）圆台形 c）多边形

搅拌针的特征主要在其侧面，如光滑侧面、螺纹、平台、螺旋沟槽等。光滑侧面即没有其他任何特征的机械加工表面，一般仅用于特殊场合。螺纹是目前使用最普遍的特征形式。一般搅拌针均采用单头连续V形螺纹，螺纹的螺距及深度与搅拌针直径呈正比。螺纹的旋向和搅拌头在焊接过程中的旋转方向相反，可将塑性状态的被焊金属往底部（远离轴肩方向）挤压。平台是在搅拌针侧面加工出均匀分布的平面，通常搅拌针有三个平台，呈120°均匀分布，但在特殊情况下会有两个或多于三个平台。平台的作用在于改善塑性金属的流动，并减少焊接阻力。平台一般会和螺纹搭配使用，因此搅拌针侧面螺纹往往是不连续的。螺旋沟槽的加工和螺纹相似，但是它的螺距比螺纹大很多。无论多短的搅拌针，其上面的螺纹设计会至少大于一圈，但螺纹沟槽在整个搅拌针长度上往往小于一圈。螺旋沟槽也可以替代平台和螺纹配合使用，即一个搅拌针上有单头V形螺纹和三头均匀分布的螺纹沟槽。这种情况下螺纹沟槽的功能与平台类似，但是螺纹沟槽的旋向可有两种：与螺纹旋向一致和与螺纹旋向相反，它们分别在焊接过程中对材料流动导向与螺纹的作用相同或相反。图5.8-32所示为螺纹+三平台和螺纹+三螺旋沟槽搅拌针设计实例。当搅拌针上只有平台特征，而且平台之间彼此连接，就形成多边形横断面搅拌针。

图5.8-32 搅拌针设计实例

a）螺纹+平台 b）螺纹+螺旋沟槽

（4）特殊搅拌头设计

1）长度可调搅拌针。常规搅拌摩擦焊过程中，搅拌针的长度是固定不变的。但是在特定的设计中，搅拌针的长度可以在焊接过程中调整，以适应不同的焊接厚度。需要一个额外的电动机带动搅拌针沿搅拌头轴线方向移动，同时，搅拌针在设计上也有一些特殊要求，比如必须是圆柱形等。此外，在搅拌摩擦焊的最后阶段，可以通过缓慢地缩短搅拌针的长度来达到消除退出孔的目的。

2）自适应双轴肩搅拌头。自适应搅拌头有两个轴肩，焊接时分别位于被焊金属上表面和下表面，称为上轴肩和下轴肩，并通过搅拌针结合在一起，如图5.8-33所示。自适应双轴肩搅拌摩擦焊不需要背衬板，可以用在难于或不能引入背衬板的焊接场合。上下轴肩的相互作用，抵消了搅拌摩擦焊所需要的巨大轴向压力，理论上轴向压力可以为零。

自适应搅拌头的轴肩通常是平整轴肩或凸形轴肩，搅拌针一般是圆柱形配以螺纹、平台或螺纹沟槽。另外，自适应搅拌针螺纹及螺纹沟槽的上半部和下半部的旋向相反，在焊接时的效果是在厚度方向上引导塑性金属往焊件中性层流动。在结构上，自适应双轴肩搅拌头分两种：可调整上下轴肩间距的搅拌头和不可调整上下轴肩间距的搅拌头。可调整轴肩间距搅拌头的搅拌针穿过上轴肩，与下轴肩通过螺纹连接。焊接时，上轴肩通过较小的轴向压力与被焊金属上表面紧密接触，下轴肩则由搅拌针往上拉，直到其与被焊金属下表面有效接触。然后上下轴肩和搅拌针旋转摩擦，带动被焊材料变形生热，并向前移动形成焊接接头。

由于这种形式的搅拌头上下轴肩间距可调，同一搅拌头可以在一定范围内焊接不同厚度的材料。与可调上下轴肩间距的搅拌头相比，固定轴肩间距搅拌头灵活性稍差，但是它的牢固性相对更高。

图5.8-33 自适应双轴肩搅拌头

3）搭接搅拌头。搭接接头在施焊时应尽量减少被焊材料沿厚度方向的变形流动。搭接接头焊缝两侧均有未焊合的缝隙，如果材料在垂直方向上变形流动过大，邻近的未焊合缝隙会随之变形，在接头两侧形成弯钩状裂缝，对接头的抗破坏能力极为不利。合理的轴肩和搅拌针设计以及合理的焊接参数选用，可以降低缝隙弯曲程度。英国焊接研究所设计的喇叭状搅拌针，有抑制被焊材料沿垂直方向变形流动的作用，如图5.8-34所示。

图5.8-34 喇叭状搅拌针搭接搅拌头

4）点焊搅拌头

点焊搅拌头的设计目标主要是消除退出孔。目前较好的点焊搅拌头设计是可以相互运动的三同轴套件：最外层是可上下运动但不旋转的夹具，中间层是可以上下运动和旋转的轴肩，最里层是可以上下运动和旋转的搅拌针。工作原理如图5.8-35所示，首先是固定夹具，然后搅拌针和轴肩旋转插入被焊金属，但轴肩并不下压到被焊金属上表面位置，给被搅拌针挤出的材料留出空间。当搅拌针达到预定位置后往回抽，同时轴肩继续向下压，直到把塑性状态金属挤压回焊缝区并将其填满，最后搅拌头和被焊材料脱离形成点焊接头。

图5.8-35 搅拌摩擦点焊工作原理

3.辅助设备

搅拌摩擦焊的辅助设备包括：背衬板、定位夹持装置、气保护装置以及其他辅助设备。

搅拌摩擦焊时背衬板需要具有足够的强度、表面光滑、在焊接过程中与被焊材料背面紧密接触、价格合理、可重复使用。对于铝合金和镁合金搅拌摩擦焊，可用表面磨削加工的工具钢作为背衬板材料。焊接钛合金、铜合金和钢铁材料时，必须采用更强韧性的材料来作为背衬板。在焊接板材的时候比较容易引入背衬板并通过定位夹紧装置来达到焊件与背衬板的紧密接触，在焊接复杂形状的焊件时，比如环焊缝，就需要特殊的设计或装夹方式，或者采用自适应双轴肩搅拌摩擦焊来避免使用背衬板。

搅拌摩擦焊的定位夹紧尤其重要，夹具应尽可能靠近焊接部位。图5.8-36a展示了实验室用搅拌摩擦焊时夹紧装置，图5.8-36b所示为北京赛福斯特公司制造的动龙门搅拌摩擦焊设备的激光焊缝跟踪系统。图5.8-36c和d分别是美国NASA航天飞行器外燃料箱和战神I航天飞行器上的一个圆顶搅拌摩擦焊夹持装置。与实验室的装置相比，生产用的搅拌摩擦焊定位夹持装置要复杂得多。厚板焊接时为了减轻定位夹持的负担，可预先采用小轴肩配以短小搅拌针的搅拌头进行定位预连接，防止最终焊接过程中材料因焊接应力过大而移动或开裂。

钛合金等高温材料的搅拌摩擦焊过程中，需要使用惰性气体保护。通常在搅拌头周围套一个气保护罩和紧随搅拌头的气保护拖罩。

其他辅助装备包括：设备冷却装置、搅拌头冷却装置、热输入和热扩散控制装置、预热装置、强制冷却装置和辅助对齐设备等。

5.8.2.4 搅拌摩擦焊的焊接参数

1.铝合金搅拌摩擦焊

确定铝合金搅拌摩擦焊的焊接参数时需要考虑的要素有：材料类别、材料厚度与尺寸、焊机输出功率与搅拌头类型和设计、焊前及焊后热处理、焊接环境等。

由于合金元素含量的差别，1000系列和6000系列铝合金可选用的焊接参数范围较宽，而2000系列和7000系列铝合金可选用焊接参数范围较窄。

被焊合金的厚度越大，轴肩直径就应越大。越长的搅拌针，其直径应该越大，以防止大焊接阻力和扭矩引发搅拌针断裂。同一尺寸的轴肩可以焊接一定厚度范围的铝合金。在搭接接头搅拌摩擦焊接过程中，同一搅拌针长度可以焊接不同厚度的铝合金，理论上从略大于上搭接板厚度到略短于整个搭接厚度都可以施焊。在对接焊过程中，为了保证接头焊透但又不至于焊穿，搅拌针的长度仅比焊件厚度短0.1mm～1.5mm。

薄板搅拌摩擦焊应选择较小的搅拌头，并配以高焊接速度和高搅拌头旋转速度以及较小的轴向压力。中等厚度板材应选择适中的搅拌头尺寸、焊接速度、旋转速度和轴向压力，在一般情况不需要预制孔。厚板的搅拌摩擦焊必须要有预制孔，以缩短搅拌头初始插入所需时间，改善焊缝成形，避免过大飞边和有效防止焊接过热。预制孔的尺寸应比搅拌针尺寸略小，以保证搅拌头压入被焊材料过程中产生足够的焊接起始热输入。厚板搅拌摩擦焊应选择较大的搅拌头尺寸，较低的焊接速度，配以较低的搅拌头旋转速度和较大的轴向压力。在焊接超厚板材时，可以考虑采用双面焊或多道焊来代替单面单道焊。

焊机的功率决定了搅拌摩擦焊过程中最大输出转矩和功率。小功率焊机主要适用于薄板和中等厚度板材的焊接，以及屈服强度较低的铝合金。在工艺设计时要选择较小的搅拌头，避免选择过低的旋转速度和过高的焊接速度。大功率焊机在材料和参数的选择上可以灵活很多。搅拌头的尺寸也会影响到焊接参数的选择：细小的搅拌头和焊针应避免焊接阻力过高的参数，如高焊接速度配以低旋转速度，以防止焊针断裂和搅拌头受损的情况发生。粗大的搅拌头应避免过高的焊接速度和旋转速度，以保持合理的焊接阻力和焊接温度。

常见铝合金搅拌摩擦焊的焊接参数见表5.8-19所示。

图5.8-36 搅拌摩擦焊接定位夹持装置

a）实验室用夹紧装置 b）动龙门长焊缝搅拌摩擦焊设备的激光焊缝跟踪系统 c）外燃料箱焊接夹持装置 d）圆顶焊接夹持装置

表5.8-19 铝合金搅拌摩擦焊的焊接参数（美国牌号）

（续）

注：N/A表示文献未提及该参数的具体数值。

图5.8-37给出了轴肩直径和焊件厚度之间的关系。以厚度约10mm分界，可拟合出双直线关系。对10mm以下的铝合金，轴肩直径受厚度的影响更明显。通常搅拌针直径和轴肩直径呈正比关系，如图5.8-38所示。图5.8-39和图5.8-40所示分别为铝合金焊件厚度与焊接工具旋转速度和焊接速度的关系。

图5.8-37 轴肩直径和焊件厚度的关系

图5.8-38 轴肩直径与搅拌针直径搭配关系

图5.8-39 不同厚度铝合金搅拌摩擦焊的搅拌头转速

图5.8-40 不同厚度铝合金搅拌摩擦焊的焊接速度

2.镁合金搅拌摩擦焊

镁合金可以方便地实施搅拌摩擦焊，焊接温度不高，对搅拌头材料性能要求也不高，焊接过程不需要惰性气体保护。表5.8-20为部分镁合金搅拌摩擦焊的焊接参数。

表5.8-20 镁合金搅拌摩擦焊的焊接参数（美国牌号）

（续）

注：N/A表示文献未提及该参数的具体数值。

镁合金的搅拌摩擦焊大都选用较高的搅拌头旋转速度。图5.8-41所示为2mm厚AZ31镁合金焊接质量与焊接参数的关系。可以看出，优质接头都出现在高旋转速度配合适的焊接速度范围内。同时，焊接速度增加，旋转速度也要增加，才能保证焊接质量。图5.8-42是AZ31搅拌摩擦焊接头表面成形受焊接速度和旋转速度的影响。

图5.8-41 焊接质量与搅拌头旋转速度和焊接速度的关系

图5.8-42 焊接参数对接头表面成形的影响

3.铜合金搅拌摩擦焊

铜合金焊接温度比铝合金和镁合金相对较高，大厚度纯铜的搅拌摩擦焊温度约为850℃比较合适，温度过低容易产生焊接缺陷，温度过高容易损坏Ni-monic搅拌针。表5.8-21为部分铜合金搅拌摩擦焊的焊接参数。

表5.8-21 铜合金搅拌摩擦焊的焊接参数

注：N/A表示文献未提及该参数的具体数值。

图5.8-43所示为60Cu40Zn黄铜的搅拌摩擦焊接头质量与搅拌头转速和焊接速度的关系。铜合金搅拌摩擦焊接头的显微组织如图5.8-44所示。

图5.8-43 黄铜搅拌摩擦焊接头质量与搅拌头转速和焊接速度的关系

4.钛合金搅拌摩擦焊

钛合金的搅拌摩擦焊的焊接温度一般都在800℃以上，在很多情况下都高于钛合金β相转变温度（大约1000℃）。对10.3mm厚的Ti-6Al-4V，用热电偶测量了焊接时轴肩中心和轴肩以上12.7mm处的温度及搅拌头转速的影响，如图5.8-45所示。其中，轴肩和轴肩以上12.7mm处的温度峰值用T₁和T₂表示。在搅拌头转速800r/min条件下，温度值超过1550℃。

一些钛合金搅拌摩擦焊的焊接参数见表5.8-22。表中的搅拌头材料大都选用了W-Re或W-La合金。有些搅拌头还采用了内部强制冷却，以在焊接高温下保护搅拌头。

绝大多数α+β相和α相钛合金的搅拌摩擦焊都采用位置控制方式，压力控制焊接可能带来热输入和焊接温度的不稳定，从而造成焊接状况和质量不稳定的现象。然而β相钛合金在焊接时则没有这个现象，采用压力控制方式的焊接过程和质量稳定。有人认为，这是由于钛合金的α相和β相在高温状态下机械-热性能巨大差别造成的。

图5.8-46所示为厚度10.3mm的Ti-6Al-4V在搅拌摩擦焊中，压力、阻力、转矩和功率与搅拌头转速的关系。从图中可以看出，搅拌头压力（位置控制）和x方向上阻力随搅拌头旋转速度的升高而降低，但y方向的应力变化不大。同时，焊接转矩随搅拌头旋转速率升高而降低，而焊接功率则相应增加。

不同厚度的Ti-6Al-4V搅拌摩擦焊的接头横断面与焊缝成形如图5.8-47所示。可以看出，采用W-La材料的搅拌头可有效焊接3mm到12mm厚的Ti-6Al-4V板材，而且焊缝成形良好。图5.8-48所示为25mm厚的Ti-6Al-4V搅拌摩擦焊的焊缝微观结构，它由粗大的前β相和α相边界构成。

图5.8-44 黄铜搅拌摩擦焊接头的不同冶金区

a）横断面 b）焊缝区（BZ） c）热-力影响区（CMAZ） d）母材

图5.8-45 Ti-6Al-4V搅拌摩擦焊轴肩和搅拌头峰值温度随旋转速度的变化

表5.8-22 钛合金搅拌摩擦焊的焊接参数

（续）

注：N/A表示文献未提及该参数的具体数值。

图5.8-46 Ti-6Al-4V搅拌摩擦焊的压力、扭矩和功率随搅拌头转速的变化

图5.8-47 Ti-6Al-4V搅拌摩擦焊的接头横断面与焊缝成形

a）3mm板厚 b）6mm板厚 c）9mm板厚 d）12mm板厚 e）焊缝表面

在钛合金搅拌摩擦焊过程里，特别是在厚板和大焊接热输入情况下，搅拌头的磨损比较严重。图5.8-49为Ti-6Al-4V焊缝的背散射电子扫描图像，在焊接搅拌带内外均可检测出细小的钨颗粒。

5.钢的搅拌摩擦焊

在钢的搅拌摩擦焊中，除了W-Re合金和W-Mo合金外，目前广泛使用PCBN作为搅拌头材料。表5.8-23为不锈钢、造船用钢和管线钢等多种钢铁材料搅拌摩擦焊的焊接参数。

图5.8-48 25mm厚Ti-6Al-4V搅拌摩擦焊的焊缝微观结构

采用W-Re和PCBN作为搅拌头材料焊接6.35mm厚HSLA65钢，并进行了比较，试验显示W-Re在焊接时发生较大磨损。图5.8-50显示W-Re搅拌头经过不到6m的焊接长度后，轴肩渐开线和搅拌针沟槽磨损得基本消失。PCBN的抗磨损能力比W-Re好很多，但其较差的韧性容易引起搅拌针开裂。

304不锈钢搅拌摩擦焊中，温度随时间的变化如图5.8-51所示。温度测点在焊接表面以下1mm的位置，并且从焊缝中心到热影响区共分布了6个测点。搅拌头材料为PCBN，轴肩直径25mm，搅拌针直径8mm，搅拌头倾角3.5°，搅拌头转速550r/min，焊接速度80mm/min。可以看出，虽然距离焊缝中心0mm和4mm的测点受到搅拌头的影响，但其峰值温度仍达到1200℃，靠近轴肩边缘约780℃。

图5.8-49 Ti-6Al-4V焊缝中的细小钨颗粒

表5.8-23 钢铁合金搅拌摩擦焊的焊接参数

（续）

注：N/A表示文献未提及该参数的具体数值。

①JIS S70C为日本钢号，SAF2507、SAF2205为瑞典钢号，其余为美国钢号。

图5.8-50 W-Re搅拌头焊接HSLA65钢的磨损现象

a）焊前 b）焊接约1m后 c）焊接约2.25m后 d）焊接约5.75m后

HSLA65高强度钢母材和焊缝的显微组织如图5.8-52所示，母材由细小近似等轴的铁素体和珠光体组成，焊缝由马氏体、贝氏体和先共析铁素体组成。这表明焊缝区在焊接过程中的温度超过了奥氏体转变温度Ac₃。同时，原奥氏体晶粒尺寸和针状铁素体特征自焊缝表面从上到下逐渐减小，如图中N（1.5）和N（3）所示，说明焊接过程中热输入和峰值温度经历了如此顺序变化。

图5.8-51 304不锈钢搅拌摩擦焊接温度曲线

RS—后退侧 AS—前进侧

图5.8-52 HSLA65母材和焊缝显微组织

注：P—母材；N（1.5）—距离上表面1.5mm处的焊缝；N（3）—距离上表面3mm处的焊缝。