铝合金搅拌摩擦焊接头四区域组织演变与性能关联：从母材区到热影响区晶粒粗化、热机影响区动态回复-部分再结晶、焊核区完全动态再结晶的微观结构梯度化特征及力学性能差异化机制

铝是地壳中含量最多的金属元素，也是产量最大的有色金属[1]。铝的密度低(2.7g/cm³),约为钢(7.83g/cm³)的1/3。经过热处理强化后，铝及铝合金的比强度接近超高强度钢，可用于制造轻质复杂结构部件[2]。铝合金具有低密度、高比强度、良好的焊接性和耐蚀性，且成本低、可回收，在汽车制造、轨道交通、船舶工程和航空航天等领域得到广泛应用[3-4]。传统的铝合金焊接工艺主要包括激光焊(laser beam welding,LBW)、激光电弧复合焊(laser-arc hybrid welding,LAHW)、钨极氩弧焊(tungsten inert gas welding,TIG)以及熔化极气体保护焊(metal inert gas welding,MIG)等多种方法。这些方法均属于熔化焊，而铝合金导热系数高、热膨胀系数大、凝固温度范围宽、易生成氧化物，导致其焊接质量不稳定[5]，常出现气孔、夹杂物以及热裂纹等缺陷，降低了接头性能[6]。作为一种新型固相连接工艺，搅拌摩擦焊(friction stir welding,FSW)可以有效解决熔焊过程中产生的问题[7]，使焊接过程中材料不熔化，无气孔、无热裂纹、变形和残余应力小，接头力学性能优异，特别适合于铝合金、镁合金等低熔点合金的焊接，成为焊接领域的研究热点。基于此，本文对铝合金搅拌摩擦焊的研究现状进行了全面总结，并从搅拌摩擦焊的原理、显微组织特征、工艺参数对性能的影响以及各类新型搅拌摩擦焊工艺等方面展开分析，结合该技术面临的问题与挑战，展望了铝合金搅拌摩擦焊未来的研究方向，以期为相关研究提供参考。

1、搅拌摩擦焊的基本原理

搅拌摩擦焊是1991年由英国人提出的一种固相连接方法[8]。

搅拌摩擦焊是将一个高速旋转的搅拌针插入待焊接材料的接触面，通过轴肩带动搅拌针旋转来搅拌混合接触面金属，使其相互固态融合以达到焊接的目的。轴肩需要有一定的压下量，保证搅拌区的金属始终处于三向压应力状态。搅拌针的长度应略小于母材厚度。搅拌针和轴肩组成搅拌头，以一定速度沿焊接方向水平移动，利用旋转的搅拌针和轴肩与工件之间的摩擦实现局部加热，使搅拌头周围的材料发生软化。随着搅拌头的旋转和平移，软化材料混合，发生动态再结晶，形成焊核区，与其邻近的金属依次形成热机影响区和热影响区，然后随温度逐渐降低形成焊缝。搅拌摩擦焊的焊接温度通常高于再结晶温度，低于母材熔化温度。在搅拌摩擦焊中，搅拌头的转动方向与搅拌头移动方向相同侧定义为前进侧(advancing side,AS),相反侧定义为后退侧(retreating side,RS)[9]。

2、铝合金搅拌摩擦焊接头显微组织特征

受到热循环和热变形的双重作用，搅拌摩擦焊接头微观结构演变与熔化焊存在明显差异。铝合金搅拌摩擦焊接头组织可以分为4个区域:母材区(base materials,BM)、热影响区(heat affected zone,HAZ)、热机影响区(thermal-mechanical affected zone,TMAZ)和搅拌区(stir zone,SZ)/焊核区(weld nugget zone,WNZ)。

不同区域的微观结构(包括晶粒形态尺寸、位错密度和第二相的大小分布等)不同,对焊接接头性能有显著影响。研究表明[11-14]:受热力耦合作用,搅拌区发生动态再结晶，形成了细小均匀的等轴晶。热机影响区也受到高温和塑性变形的影响，由于热量和变形应变不足,发生动态回复和部分动态再结晶,晶粒细长。热影响区仅受到焊接过程中热循环的影响，晶粒粗化，接头性能恶化。

3、铝合金搅拌摩擦焊工艺参数对组织性能的影响

3.1 搅拌头形状及尺寸

搅拌头包括搅拌针和轴肩，其形状和尺寸会改变搅拌摩擦焊过程中的局部热输入、材料流动行为以及微观组织结构演变，从而影响接头性能[15-17]。

搅拌针形状直接影响焊接过程中的材料流动和塑性变形，进而影响焊接接头的强度和硬度，以及缺陷的形成。常用的搅拌针形状包括螺纹圆柱形、螺纹圆锥形、圆柱形、圆锥形、三角形、方形、五边形、六边形等，如图3所示。采用不同搅拌针形状所得接头，其显微组织及焊缝质量不同。

研究表明，使用方形搅拌针可以最大化地增加搅拌量，使焊接接头的组织更均匀、晶粒更细、缺陷更少，显著改善搅拌摩擦焊接头的综合力学性能。Gadakh等[18]通过建模和显微组织分析，研究了三角形、正方形、五边形和六边形等不同搅拌针对AA2014-T6铝合金搅拌摩擦焊接头的影响。结果表明，与三角形搅拌针比，方形搅拌针在焊接过程中温度梯度更小,焊接接头晶粒尺寸最小。Kesharwani等[19]采用正方形和正六边形搅拌针对AA7075-T6板材进行焊接。结果表明，使用方形搅拌针可以增强焊接过程中的材料流动，细化晶粒，具有更高的强度、硬度和伸长率。此外使用正方形搅拌针焊接接头的伸长率、硬度、屈服强度和抗拉强度均高于使用正六边形搅拌针的焊接接头。Yadav等[20]使用不同形状(即平面圆柱形、螺纹圆柱形、圆台形和方形)的高速钢搅拌头对AA6082-T6管分别进行了单道次和两道次焊接。结果表明，方形搅拌针焊接的样品缺陷面积减小，展现出优异的抗拉强度和焊接效率。

搅拌针的尺寸也会影响焊缝质量。搅拌针尺寸偏小，焊接过程中所需热量和塑性变形程度不足，阻碍接头组织发生动态再结晶,焊接接头质量下降;搅拌针尺寸偏大，焊接过程中热输入大，容易造成强化相回熔以及晶粒粗化长大，接头的强度和硬度降低，甚至会造成接头软化。

除了搅拌针以外，轴肩的尺寸也会影响焊接接头组织分布。轴肩直径越大，热影响区越宽。该参数还会对接头的强度、伸长率和表面缺陷产生作用,正确选择轴肩直径可以改善接头力学性能。Fuse[21]研究了不同轴肩直径(Φ20、Φ22、Φ24mm)双轴肩搅拌摩擦焊(bobbin tool friction stir welding,BTFSW)工艺参数对6mm厚6061-T6铝合金焊接接头的组织性能影响，随着轴肩直径的增加，抗拉强度和伸长率增大,接头缺陷逐渐减少。

Kumar[22]研究了搅拌头的轴肩直径、偏移量和倾斜角等参数对5083-H111和6082-T6铝合金异种搅拌摩擦焊拉伸性能的影响。结果表明，轴肩直径过小时，轴肩与构件的接触面积偏小，加工过程中产生的热量不足,无法发生动态再结晶;同时还会影响材料流动速率和塑性变形，最终降低了接头的拉伸性能。当轴肩直径较大时，轴肩和金属表面之间接触面积大，产生较高的摩擦热，促进晶粒长大，导致拉伸性能降低。

3.2 转速

搅拌头转速是搅拌摩擦焊的另一重要参数，该参数通过影响焊接过程中的热输入和塑性变形状态，进而影响铝合金的接头质量。

搅拌头转速影响搅拌区的大小。随着搅拌头转速的增加，搅拌区的尺寸增大。同时，该参数还会影响焊接接头的抗拉强度、伸长率、显微硬度和晶粒尺寸。Kosturek等[23]设定搅拌头转速为200、400、600和800r/min,移动速度为100mm/min,对5mm厚的AA2519-T62合金搅拌摩擦焊接接头进行了宏观和微观结构观察以及显微硬度、拉伸和疲劳测试。结果表明，随着转速的增加，搅拌区尺寸和显微硬度增加，焊缝的屈服强度和抗拉强度有增加的趋势。Prabha等[24]研究了转速(900、1120、1400、1800r/min)对4mm厚的AA5083铝合金板材搅拌摩擦焊力学性能和微观组织的影响。实验结果表明:由于搅拌头转速增加，产生粗大的晶粒组织，抗拉强度降低。在低转速(1120r/min)下焊接的试样具有最大的抗拉强度，伸长率较高。Nishant等[25]研究了水下搅拌摩擦焊(underwater friction stir welding,UFSW)中搅拌头转速对6061-T6和5083-H12铝合金焊接接头力学性能的影响。研究显示，随着搅拌头转速的增大，搅拌区和热机影响区的形状和尺寸增大，搅拌区的平均晶粒尺寸先减少再增大，焊接接头的抗拉强度先增大再减小。断裂形式由脆性断裂变为塑性断裂，在710r/min时，接头表现为脆性断裂;而1120、1400、1800r/min时，接头具有不同形状的韧窝，表现为塑性断裂。

提高转速可以增加搅拌头和工件之间的摩擦,为焊接提供足够的热量。随着板材厚度的增加，焊接过程需要更多热量，应该提高搅拌头转速。但搅拌头转速过高，可能会导致工件过热或形成大量缺陷，因此,焊接过程中应选择合适的转速,确保足够热量的同时保证焊接质量。

3.3 移动速度

移动速度是指搅拌摩擦焊焊接过程中搅拌头沿焊接方向移动的速率。与搅拌头转速类似，该参数同样会影响焊接过程中的热量传递，增大移动速度会减小焊接区域的摩擦热。此外，移动速度对接头的晶粒尺寸、动态再结晶程度和焊接效率产生显著影响。

随着移动速度的提高，搅拌摩擦焊接接头的晶粒尺寸减小。Rajkumar等[26]以固定的转速，采用不同的移动速度(30、50和60mm/min)对AA6061合金进行搅拌摩擦焊。结果表明:通过提高移动速度，焊接接头的晶粒尺寸减小。Kim等[27]分析了AA7075-T6合金在搅拌摩擦焊移动速度为150~350mm/min时微观组织。研究显示，在较高的移动速度下，焊接接头发生连续动态再结晶，受到热力耦合作用，形成细小均匀的等轴晶。Rinu等[28]研究了移动速度(80、112mm/min)对6061-T6和7050-T7451铝合金搅拌摩擦焊接接头的材料流动、组织及性能的影响。研究表明,在低焊接速度下,热输入大,搅拌区晶粒长大时间长，焊核区晶粒尺寸随着搅拌头移动速度的提高显著减小，通过细晶强化来改善接头的抗拉强度和屈服强度。Anandan[29]将转速设定为1000r/min,倾斜角为2°,研究了不同移动速度(25、45、65、85mm/min)对AA7050-T7651和AA2014A-T6焊接接头组织和性能的影响。结果表明，当搅拌头移动速度增加时，接头组织的晶粒尺寸减小，强度增加，在65mm/min时，抗拉强度达到最大。Song等[30]研究了搅拌摩擦焊移动速度(100、150、200、250mm/min)对异种铝合金焊接组织及性能的影响。结果表明，随着移动速度的增加，搅拌区平均晶粒尺寸减小。在较高的移动速度下，热循环温度降低，抑制了由残余热量引起的焊后晶粒粗化;同时，剧烈的塑性变形导致位错密度显著升高，促使接头组织发生动态再结晶。二者的综合作用抑制了再结晶后的晶粒粗化,并有助于强度的提高。但移动速度过高，焊缝形成缺陷，接头强度降低。随着搅拌头移动速度的增加，搅拌摩擦焊接接头的抗拉强度先增大后减小。

4、铝合金的其他搅拌摩擦焊工艺

搅拌摩擦焊在铝及铝合金焊接领域展现出显著优势，但在实际应用和机理研究中仍具有一定挑战。传统搅拌摩擦焊容易出现以下问题:①在异种合金焊接时易形成中间相，使接头性能恶化;②材料流动和热输入不足，焊缝底部易出现根部未焊透;③焊接过程中受到材料流动和塑性变形的影响，导致热影响区扩大，晶粒长大，影响接头强度。对此，国内外学者在铝合金搅拌摩擦焊工艺优化方面进行了大量研究，以提高焊接接头的力学性能，扩大搅拌摩擦焊的应用场景。

4.1 水下搅拌摩擦焊

为了拓展铝合金搅拌摩擦焊的应用范围，发展出UFSW。作为一种新型的固相焊接工艺，水下搅拌摩擦焊突破了传统焊接技术在深水环境下存在的诸多限制，成为水下焊接的一种利器，被应用于船舶、海洋工程、深海资源开发等领域的水下制造与修复，在一些特殊情况下也应用于航空航天领域。该工艺在焊接过程中，水不仅没有使焊接接头质量恶化，反而起到有益的作用，不仅隔绝了空气，减少了氧化，而且提高了工件的冷却速度，细化了晶粒，从而提高了焊接接头的质量。

Dong等[31]采用EBSD研究了AA7003-T4和AA6060-T4水下搅拌摩擦焊接头组织变化规律。研究发现，在焊核区，形成了细小的等轴晶组织。由于冷却速度的提高，水下搅拌摩擦焊平均晶粒尺寸远小于普通搅拌摩擦焊。Datta等[32]使用传统的FSW和UFSW对1mm厚的AA5052铝合金进行焊接。结果表明，与传统搅拌摩擦焊焊接工艺相比，水下搅拌摩擦焊焊接接头的抗拉强度提高了20%，伸长率提高了22.4%。Nishant等研究了搅拌头转速对6061-T6铝合金水下搅拌摩擦焊焊缝力学性能的影响。结果表明，随着转速的增加，平均晶粒尺寸减小，抗拉强度和硬度增加;当转速进一步增大，晶粒尺寸增大，抗拉强度和硬度减小。结果还表明，与传统的搅拌摩擦焊工艺相比，水下搅拌摩擦焊接头抗拉强度增大了20%，晶粒更小。

4.2 搅拌摩擦点焊

搅拌摩擦点焊(friction stir spot welding,FSSW)是一种固态焊接工艺，它利用高速旋转的搅拌针与焊接材料接触所产生的摩擦热，使焊接材料快速软化并搅拌连接，最终形成具有低长宽比的焊接接头，可作为传统铆接与电阻点焊的潜在替代技术。搅拌摩擦点焊主要有直插式、填充式、回填式、摆动式及无针插入式等5种不同形式。

Lewise等[34]研究了材料流动对AA2024/AA7075异种搅拌摩擦点焊过程中力学性能和微观组织的影响。结果表明，焊接过程中的材料流动导致元素重新分布，改善了组织均匀性，晶粒细化，接头的屈服强度和抗拉强度提高。Feizollahi等[35]研究了搅拌摩擦点焊中搅拌针直径对6061-T6和5052-T32异种接头组织性能的影响。研究发现，随着搅拌针直径的增加，热影响区的晶粒尺寸增大，显微硬度降低。使用无针搅拌头可以增大搅拌区的显微硬度，并使显微硬度变化均匀。Becker等[36]研究了填充式搅拌摩擦点焊工艺参数对焊接接头残余应力分布的影响。研究表明，残余应力基本没有发生变化，受残余应力影响的区域随着温度的升高而增大。

4.3 超声波搅拌摩擦焊

在搅拌摩擦焊过程中施加超声振动，可以促进搅拌区金属流动且不产生明显温度变化。这种焊接工艺称之为超声波搅拌摩擦焊。这种焊接工艺在消除焊接缺陷、提高接头力学性能方面具有显著效果。

El-zathry等[37]比较了常规搅拌摩擦焊和超声波搅拌摩擦焊制备的AA2060-T8接头的微观结构和力学性能。结果表明，超声波搅拌摩擦焊显著改善了材料流动，使析出相在基体中分布更加弥散、均匀。此外，超声波搅拌摩擦焊的抗拉强度约为常规搅拌摩擦焊的3倍。Zhang等[38]采用常规搅拌摩擦焊和超声波搅拌摩擦焊开展了6mm厚的7N01-T4铝合金板焊接，并对这两种焊接工艺下的焊缝成形特性和材料流动状态进行了研究。研究发现，超声振动可以显著提高无缺陷焊接接头的焊接速度，改善接头的表面质量，降低轴向力。在1200r/min的转速下，超声波搅拌摩擦焊可以制备出无缺陷的焊接接头，焊接速度比常规搅拌摩擦焊高50%，伸长率高8.8%。Chowdhury等[39]采用常规搅拌摩擦焊和超声波搅拌摩擦焊分别对Al6026试样进行焊接,研究了不同工艺条件下搅拌头磨损程度。研究表明，采用超声波搅拌摩擦焊焊接Al6026试样时，搅拌头磨损率降低了25%,搅拌头的服役时间得到了有效提升。

5、铝合金搅拌摩擦焊的问题与挑战

首先是焊接材料形状及尺寸的局限性问题。由于搅拌摩擦焊是通过摩擦产热进行焊接，热输入有限,而且多数情况下单侧加热(摩擦面加热),适用于薄板工件的焊接。对于尺寸较大的工件,如铝合金船体外壳厚板,由于焊接过程中温度分布不均匀,焊缝不同区域的组织性能差异较大，使得搅拌摩擦焊很难在大尺寸的厚板焊接中获得广泛应用。因此,如何改善搅拌摩擦焊的温度分布成为其面临的一种挑战。

其次是设备复杂、移动性差，使用成本高等问题。相比TIG和MIG仅需焊枪和焊丝而言，搅拌摩擦焊需要较为复杂的设备:数控机床、夹持端、刚性垫板、各种搅拌头等，不仅使其移动性差，限制了其应用场景,而且设备初始投入较高,对于小批量的焊接工件其单件焊接成本较高。此外，搅拌头容易磨损,使其具有较高的运行成本。如何简化搅拌摩擦焊的设备，使其小型化、可移动化，以及提高搅拌头的使用寿命成为其面临的又一挑战。

再次就是工艺参数优选的问题。搅拌头的形状、尺寸、转速、移动速度以及轴向力等，均会影响接头的材料流动、温度分布和力学性能[40-44]。这些工艺参数相互关联，在焊接过程中对接头的组织性能产生复杂影响，需要通过大量实验得到合适的工艺参数。因此，如何通过简单的实验或计算快速得到最佳的焊接工艺参数也是其面临的挑战之一。

表1 搅拌摩擦焊、熔化极气体保护焊、钨极氩弧焊三种不同焊接方法的比较

6、结语与展望

铝及铝合金焊接结构已成为军工与民用结构制造领域中不可或缺的组成部分，随着工业化的发展，新型铝及铝合金的焊接材料和焊接工艺将变得越来越重要。搅拌摩擦焊接头力学性能优异,焊接过程中气孔及热裂纹等缺陷少，无需填充材料和保护气氛，热变形和残余应力小，在铝及铝合金焊接领域展现出显著优势，成为一种具有巨大应用潜力的铝合金焊接技术，特别是对一些含有易挥发金属元素的铝合金(如高镁铝合金)焊接，提供了新途径。基于铝合金搅拌摩擦焊焊接工艺的研究现状，对未来研究方向展望如下:

(1)搅拌摩擦焊工艺参数会影响焊接过程中的材料流动和温度分布，从而影响接头的组织性能。后续可深入研究材料流动和温度分布的规律，明确工艺参数与两者的关系，建立数值模型，以优选出最佳的焊接工艺参数。

(2)搅拌摩擦焊的未来研究方向应聚焦于成本控制和规模化生产。通过实现大规模生产，降低单位生产成本，以推动搅拌摩擦焊从高端制造向低端制造转变。

(3)发展无支撑搅拌摩擦焊,简化焊接设备,使其小型化、可移动化,扩大搅拌摩擦焊的应用场景,进一步拓展搅拌摩擦焊应用范围。

(4)发展辅加外场(机械能辅助和热能辅助)的焊接工艺研究，进一步提高焊接接头质量。

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（注，原文标题：铝合金搅拌摩擦焊工艺研究现状_商梦瑶）

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