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1 攪拌摩擦焊的優(yōu)點(diǎn)與存在問題

攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding，F(xiàn)SW）是英國(guó)焊接研究所于1991年發(fā)明的一種尤為適于Al材的固態(tài)焊接技術(shù)。其核心技術(shù)特征在于采用了由粗肩與細(xì)針組成的同軸臺(tái)階式耐磨工具（攪拌頭）。肩的主要作用在于：保護(hù)、摩擦加熱（包括預(yù)熱與維持兩方面）、保證焊縫表面光滑成形、鍛壓焊縫、驅(qū)動(dòng)表層塑化材料轉(zhuǎn)移等；針的主要作用在于：攪拌、破膜、界面混合、轉(zhuǎn)移塑化材料等。攪拌頭所采用的這種分段式特殊結(jié)構(gòu)為同時(shí)實(shí)現(xiàn)焊縫表面光滑成形（主要靠肩）與焊縫內(nèi)部界面混合（主要靠針）創(chuàng)造了條件。另一方面，利用工件/工具間的摩擦熱代替工件/工件間的摩擦熱，從而為工件固定、工具運(yùn)動(dòng)創(chuàng)造了條件, 進(jìn)而為其適用于各種接頭型式（對(duì)接、搭接、角接等）創(chuàng)造了條件。

迄今為止，適于Al材的焊接技術(shù)有：交流TIG及VPTIG（變極性TIG）、MIG、VPPAW（變極性等離子弧焊接）等。與上述熔焊工藝相比，屬于固態(tài)焊接的FSW具有顯著優(yōu)點(diǎn)：耗能小、無須焊絲與保護(hù)氣體、焊接變形小、參與應(yīng)力水平低、焊縫晶粒不易長(zhǎng)大、無熱裂紋與氣孔這兩類與凝固有關(guān)的缺陷、適于各種Al合金（包括熔焊無法焊接的硬鋁——2XXX系列、超硬鋁 ——7XXX系列）等。由于FSW的上述優(yōu)點(diǎn)，美國(guó)波音公司（Boeing Co.）、美國(guó)國(guó)家宇航局（NASA）早在1994年以后便采用了FSW焊接技術(shù)焊接Al合金。

FSW存在的問題主要有：

（1）要求母材必須能夠被剛性固定于工作臺(tái)面。對(duì)此，目前已有采用雙肩攪拌頭的改進(jìn)型焊接技術(shù)的報(bào)道。

（2）焊縫末端存在針拔出時(shí)殘留的匙孔（keyhole）。對(duì)此，已有采用可伸縮針的改進(jìn)型焊接技術(shù)的報(bào)道。

（3）當(dāng)母材之一或兩種母材均為屈服強(qiáng)度較高的材料（如鋼材）時(shí)，攪拌頭磨損嚴(yán)重。目前尚難以應(yīng)用于鋼材的焊接。對(duì)此，日本有人采用陶瓷攪拌頭。但陶瓷攪拌頭存在制備難、加工難、價(jià)格貴、供貨及時(shí)性差等經(jīng)濟(jì)與技術(shù)不足，難以在工業(yè)領(lǐng)域普遍推廣。

FSW的改進(jìn)工藝方興未艾，在美國(guó)于1995~2006年間已有50項(xiàng)相關(guān)專利被授權(quán)[1]。

為解決Al與異種高強(qiáng)金屬材料（如銅、鋼、不銹鋼等）焊接過程中的工具磨損問題，拓寬攪拌摩擦焊的應(yīng)用范圍，西安交通大學(xué)焊接研究所特種焊室先后開發(fā)了兩種新型焊接工藝—— 攪拌摩擦釬焊（FSB：friction stir bra-zing）與嵌入式攪拌摩擦點(diǎn)焊（EFSSW：embedding friction stir spot welding），并均已申報(bào)國(guó)家專利。其中FSB不僅可用于Al/steel焊接，還可用于制備Al/steel 雙金屬?gòu)?fù)合板材。本文簡(jiǎn)要介紹FSB與EFSSW的思路、優(yōu)點(diǎn)與機(jī)理方面的初步研究成果。

2 Al/steel攪拌摩擦釬焊

2.1 攪拌摩擦釬焊的推出

雖然攪拌摩擦焊在國(guó)內(nèi)外業(yè)界有強(qiáng)勢(shì)影響，但攪拌摩擦焊并非萬能的：最典型的情況是當(dāng)母材之一是鋼材時(shí)（制備雙金屬板時(shí)，常常有一種為較硬的鋼材）經(jīng)典攪拌摩擦焊便難以勝任。其原因在于：若使用普通工具鋼制攪拌頭，則因工具嚴(yán)重磨損而難以為繼（除非采用陶瓷攪拌頭，不僅價(jià)貴、易碎且市場(chǎng)供貨難以保證）；若為了避免工具磨損而采用無針式攪拌頭時(shí)，則無論如何調(diào)整參數(shù)，兩板界面上無變形、無粘附，界面結(jié)合極差, 斷裂于原始界面。此時(shí)，恰好正是攪拌摩擦釬焊的用武之地。

2.2 攪拌摩擦釬焊工藝、機(jī)理與應(yīng)用

為了避免鋼材與針的直接接觸導(dǎo)致的對(duì)針的嚴(yán)重磨損，攪拌摩擦釬焊（friction stir brazing，F(xiàn)SB）在所用工具、壓入深度、能量利用重點(diǎn)方面均不同于傳統(tǒng)攪拌摩擦焊。（1）FSB所采用的工具為無針工具，這是FSB區(qū)別于FSW的一個(gè)顯著特征。（2）FSB要求柱狀工具的壓入深度較淺，無須穿透Al母材而達(dá)到Al/steel界面，這是FSB 區(qū)別于搭接攪拌摩擦焊（FSLW）的一個(gè)顯著特征。（3）在這種使用無針工具的情況下，上/下界面之間的破膜、機(jī)械混合因喪失了針的攪拌作用而難以實(shí)現(xiàn)。為此，提出采用冶金途徑—— 即預(yù)置中間層，利用冶金反應(yīng)（共晶反應(yīng)、還原反應(yīng)）、溶解代替機(jī)械破膜與機(jī)械混合，以實(shí)現(xiàn)上/下界面之間的潔凈、致密連接。該思路的特點(diǎn)在于充分挖掘摩擦加熱及Al母材熱傳導(dǎo)快的可能潛力，以降低對(duì)界面處機(jī)械攪拌的要求，從而免去對(duì)針的磨損。只要界面溫度適可，便有可能在免機(jī)械攪拌情況下，實(shí)現(xiàn)上/下界面之間的致密、牢固的連接。相比而言，傳統(tǒng)攪拌摩擦焊更側(cè)重于利用強(qiáng)烈塑性變形及其引發(fā)的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶來形成致密、牢固的接頭。

當(dāng)加入鋅釬料后，基于活用攪拌摩擦熱源的思路，以清潔、高效的摩擦熱使鋅充分液化，通過釬料的熔化、母材的快速溶解、氧化膜的破碎與分散、多余液態(tài)金屬的擠出，即可在待焊上/下界面間獲得牢固而致密的焊接, 從而完成焊接過程。這樣，便同時(shí)解決了經(jīng)典攪拌摩擦焊存在的或工具磨損（有針情況下），或很容易地沿原始界面開裂（無針情況下）的問題。因此，從應(yīng)用范圍角度看，攪拌摩擦釬焊的適用范圍更廣，不僅可以用于鋁/鋁搭接，更適于鋁/鋼類含有較硬異種材料搭接的工況，是傳統(tǒng)攪拌摩擦焊的重要補(bǔ)充。

FSB接頭拉剪測(cè)試結(jié)果（斷裂于Al母材而非界面）

接頭不同區(qū)域的組織

近期本課題組在關(guān)于FSB界面組織演變過程及機(jī)理研究中，通過對(duì)比急停接頭的縱截面組織（反映界面組織動(dòng)態(tài)演變過程）與正常接頭的橫截面組織（反映最終所得組織），初步提出了如下新觀點(diǎn)（有關(guān)試驗(yàn)結(jié)果另文發(fā)表）：釬料熔化（實(shí)測(cè)焊接界面溫度達(dá)500℃）；在界面溫度較高的Al /Zn界面，Al母材因共晶反應(yīng)而快速溶解，形成流動(dòng)性好的共晶液相，并破碎了Al基體側(cè)的氧化膜；在肩下面的前沿部分液相被沿Al/Zn界面向前方、側(cè)面呈放射態(tài)擠出；在肩下面的中間部分，F(xiàn)e原子向共晶液相中溶解；在肩下面的后沿部分，Al-Zn-Fe三元液相被擠出；潔凈的Al、steel母材得以直接接觸，并相互擴(kuò)散形成接頭。基于焊縫最終所留Zn量極低（2%以下）這一基本事實(shí)、元素分布特征與上述分析，初步認(rèn)為，接頭的最終形成機(jī)理更為接近于擴(kuò)散焊，而Zn只是起到了表面預(yù)清潔作用。

事實(shí)上，幾乎所有接頭的能譜分析均表明，焊后接頭界面殘留Zn量極少（盡管Zn箔原始厚度為100μm）。為闡明Zn被擠出的機(jī)制，對(duì)比了橫截面不同位置處元素的分布與擠出液相流布特征；進(jìn)而對(duì)比了縱截面不同位置處元素的分布與液相擠出流布特征。Zn實(shí)際上經(jīng)歷了兩次較為顯著的擠出過程：第一次發(fā)生在肩下較靠前的位置，即Al/Zn共晶反應(yīng)后，Zn隨共晶液相被沿上界面（Zn/Al界面）擠出，這次擠出有利于破除Al材表面的氧化膜；第二次發(fā)生在肩下較靠后的位置，即此時(shí)，少量的Fe原子已溶解入Al-Zn 液相之中，被擠出的實(shí)際是Al-Zn-Fe 三元液相，這次擠出幾近徹底地排除了Zn，這樣，界面潔凈的Al、Fe得以直接相互擴(kuò)散，最終在焊接界面處形成幾乎無Zn的Al-Fe金屬間化合物。

FSB的應(yīng)用主要分兩個(gè)方面：其一，用于Al/steel異種金屬的焊接；其二，用于制備Al/steel雙金屬?gòu)?fù)合板、復(fù)合型材與復(fù)合管（見圖3）。

Al/steel雙金屬?gòu)?fù)合板

.3 攪拌摩擦釬焊的優(yōu)點(diǎn)

2.3.1 攪拌摩擦釬焊相對(duì)于傳統(tǒng)爐中釬焊的優(yōu)點(diǎn)

攪拌摩擦釬焊在生產(chǎn)成本方面，省去了釬劑、保護(hù)氣體、節(jié)能環(huán)保，顯示了其低成本、高生產(chǎn)率、低消耗與簡(jiǎn)捷的優(yōu)勢(shì)。更為重要的是，在接頭質(zhì)量改善方面具有以下四大優(yōu)點(diǎn)：

2.3.1.1 高溫停留時(shí)間短：利用摩擦熱進(jìn)行局部加熱并可實(shí)現(xiàn)快熱/快冷，這一方面有利于提高生產(chǎn)率，更為重要的一面是縮短了高溫停留時(shí)間，有利于抑制脆性金屬間化合物的過度增厚。 2.3.1.2 釬縫致密性好：通過傾斜安裝工具可導(dǎo)入豎向分壓力，進(jìn)而強(qiáng)化擠壓效應(yīng)，這十分有利于改善搭接接頭致密性。

2.3.1.3 界面均一性好，釬著率高：預(yù)置釬料、壓力的導(dǎo)入、母材快速溶解三方面的因素可改善固/液界面潤(rùn)濕性，破碎氧化膜，避免普通釬焊宏觀填縫過程中出現(xiàn)的“大包圍”與“小包圍”現(xiàn)象。

2.3.1.4 可擠出多余液態(tài)釬料，限制金屬間化合物過度增厚：正是由于攪拌摩擦釬焊具有可導(dǎo)入壓力這一普通爐中釬焊所不具備的明顯優(yōu)勢(shì)特征，因而可擠出多余釬料，從而可避免母材過度溶解，最終有利于減小殘留金屬間化合物的厚度。所以，從焊接質(zhì)量保證方面看，攪拌摩擦釬焊也尤為適于鋁材與較硬的異種金屬材料的釬焊。

2.3.2 攪拌摩擦釬焊相對(duì)于攪拌摩擦焊的特點(diǎn)

另一方面，考慮到攪拌摩擦焊在國(guó)內(nèi)外業(yè)界的強(qiáng)勢(shì)影響，在此，有必要更清楚、全面地論述攪拌摩擦釬焊相對(duì)于攪拌摩擦焊的特征及顯著改進(jìn)效果，以便充分展示兩者的區(qū)別。在攪拌摩擦釬焊中，針對(duì)搭接焊接上/下界面混合困難、較硬母材對(duì)針端部的摩損嚴(yán)重這兩大難點(diǎn)，提出了采用無針攪拌頭與共晶反應(yīng)冶金作用這兩項(xiàng)措施來綜合改善界面結(jié)合致密性的技術(shù)思路。對(duì)于攪拌摩擦焊與攪拌摩擦釬焊兩者間的區(qū)別，綜合分析如下：

2.3.2.1 接合機(jī)理不同：用母材的快速溶解（攪拌摩擦釬焊的主要機(jī)理）代替了母材的強(qiáng)烈塑性流變與再結(jié)晶（攪拌摩擦焊的主要機(jī)理），免除了傳統(tǒng)攪拌摩擦焊中要求硬質(zhì)母材也發(fā)生塑性變形的苛求，進(jìn)而也免除了對(duì)設(shè)備加壓、加熱能力的苛求。

2.3.2.2 所用工具不同：大膽采用無針工具帶來三方面的優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)化了摩擦工具的設(shè)計(jì)與制作；避免了針的磨損；消除了殘留尾孔（也稱匙孔或拔出孔），改善了外觀平整度。但應(yīng)注意具體實(shí)施時(shí)，考慮到在“無針”情況下，無法用機(jī)械方式破除氧化膜（傳統(tǒng)攪拌摩擦焊的主要破膜方式），為保證界面間的緊密接觸與破膜，提出下述兩方面的配合措施：其一，通過冶金措施成功實(shí)現(xiàn)上/下界面間的密合、溶解、破膜；其二，通過摩擦工具的傾斜安裝來強(qiáng)化豎向擠壓效果，保證了上板/釬料/下板三者之間的緊密接觸, 為摩擦熱的產(chǎn)生、傳導(dǎo)、界面的活化、冶金反應(yīng)的順利實(shí)現(xiàn)，特別是為界面致密化、多余液態(tài)金屬的擠出以及限制金屬間化合物的厚度創(chuàng)造了有利條件。

2.3.2.3 延長(zhǎng)了工具使用壽命：通過三方面措施避免攪拌頭端部的磨損：采用無針柱狀工具，取消了較細(xì)而弱的針；工件裝配（屈服強(qiáng)度低的鋁材置于上部，高強(qiáng)耐磨的鋼材則置于下部）；限制壓入深度（只需保證攪拌頭斷面與上板表層完全接觸即可，無需穿透上板，避免了與高強(qiáng)耐磨母材的直接接觸）。

2.3.2.4 適用的材質(zhì)范圍不同：傳統(tǒng)攪拌摩擦焊僅適于Al/Al類較軟母材焊接的情況，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼材的焊接。而攪拌摩擦釬焊中工具與較硬的鋼材之間無需接觸，利用母材的溶解代替了高硬度母材的塑性變形與再結(jié)晶，尤為適于母材中有一種為鋁材，而另一種為鋼材（或其他高強(qiáng)耐磨母材）的情況，解決了鋼材焊接的難題，對(duì)材質(zhì)的適應(yīng)范圍更廣。

2.3.2.5 改進(jìn)效果的顯著性：

首先，外觀方面：消除了尾孔。而攪拌摩擦焊焊縫末端的尾孔必須封填或割除。其次，組織與性能方面：液相的出現(xiàn)使母材迅速溶解，這樣，即使較硬的高強(qiáng)耐磨母材不發(fā)生塑性變形也能實(shí)現(xiàn)界面間的致密化與冶金連接；獲得了拉剪測(cè)試時(shí)斷裂位置位于母材鋁板上而非鋁/鋼原始界面的高強(qiáng)度接頭。再次，工具壽命與制作方面：工具制作簡(jiǎn)便；不與高強(qiáng)耐磨母材直接接觸而延長(zhǎng)了工具的使用壽命。

3 Al/steel嵌入式攪拌摩擦點(diǎn)焊

3.1 日本開發(fā)的傳統(tǒng)攪拌摩擦點(diǎn)焊簡(jiǎn)介

2001年，日本川崎重工公司與馬自達(dá)公司合作首次報(bào)道了“攪拌摩擦點(diǎn)焊（Friction spot joining，F(xiàn)SJ或Fri-ction stir spot welding，F(xiàn)SSW）”技術(shù), 當(dāng)時(shí)的主要目的是用于代替Al/Al板材間的電阻點(diǎn)焊。令人驚奇的是，與攪拌摩擦焊一樣，攪拌摩擦點(diǎn)焊技術(shù)在1~2年內(nèi)便也極為迅速地獲得了成功的工業(yè)應(yīng)用。目前，攪拌摩擦點(diǎn)焊技術(shù)已被用于汽車生產(chǎn)，如局部采用攪拌摩擦點(diǎn)焊技術(shù)（車門等）的馬自達(dá)RX -8已于2003年4月投放市場(chǎng)。國(guó)內(nèi)亦有跟蹤報(bào)道與研究[2-4]。

由日本川崎重工與馬自達(dá)公司合作開發(fā)的傳統(tǒng)攪拌摩擦點(diǎn)焊所用“工具”的重要特點(diǎn)有：（1）有針，且針外周加工有螺紋，以促進(jìn)板厚方向的塑性流動(dòng)與混合；（2）肩端為內(nèi)凹式, 以擴(kuò)大攪拌區(qū)空間沿板厚方向擴(kuò)展，進(jìn)而改善上/下界面間的豎向混合。該技術(shù)包括下述工序：（1）壓入針（Pl- unging）；（2）攪拌、一體化（Stir-ring），一般持續(xù)摩擦?xí)r間1~5s；（3）拔出針（Drawing out）。傳統(tǒng)攪拌摩擦點(diǎn)焊的接合機(jī)理可簡(jiǎn)要概括為：利用攪拌工具摩擦與壓入（旋壓），使第二母材軟化并強(qiáng)迫其產(chǎn)生塑性流動(dòng)（環(huán)向與軸向復(fù)合流動(dòng)，特別是伴隨工具下壓過程出現(xiàn)的沿板厚方向的軸向?qū)α髁鲃?dòng)），從而形成一“攪拌區(qū)”。該攪拌區(qū)的特點(diǎn)為：其位置在緊鄰針的“外周”；沿板厚方向成功獲得了跨越原始焊接界面的上/下混合；呈不連續(xù)橢圓狀。正是由于“攪拌區(qū)”的形成從而實(shí)現(xiàn)了上/下板材間的混合與可靠連接。

早期關(guān)于攪拌摩擦點(diǎn)焊的研究主要集中于證明攪拌摩擦點(diǎn)焊相對(duì)于電阻點(diǎn)焊的優(yōu)點(diǎn)。在薄板鋁材焊接方面, 業(yè)已證明傳統(tǒng)攪拌摩擦點(diǎn)焊相對(duì)于電阻點(diǎn)焊主要具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：

（1）性能優(yōu)：鋁材搭接點(diǎn)焊的性能指標(biāo)包括拉剪強(qiáng)度、剝離強(qiáng)度與疲勞強(qiáng)度。關(guān)于拉剪強(qiáng)度已證明，當(dāng)焊接規(guī)范（特別是工具加壓摩擦?xí)r間）合適，形成足夠大的攪拌區(qū)時(shí)，攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭拉剪強(qiáng)度將略高于電阻點(diǎn)焊接頭，且分散性小。這得益于攪拌摩擦點(diǎn)焊為固相接合。但當(dāng)摩擦?xí)r間過長(zhǎng)時(shí)，引起壓入深度過深，板材減薄嚴(yán)重，接頭斷裂載荷因之受影響。

（2）極為顯著的節(jié)能優(yōu)勢(shì)：鋁板電阻點(diǎn)焊有諸多弊端，包括：所需焊接電流大（鋼材的3倍以上）；配電系統(tǒng)所需容量大；回路損耗大（包括焊鉗本體、二次電纜、變壓器損耗）；能量利用率極低，僅為16.7%（為此常須用硬規(guī)范）。當(dāng)采用攪拌摩擦點(diǎn)焊時(shí)，對(duì)于常用Al合金薄板，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電流峰值降至約14A；攪拌摩擦點(diǎn)焊的耗能可小至0.4Wh/點(diǎn)，僅為電阻點(diǎn)焊（40Wh/點(diǎn)）的1%~5%。

（3）設(shè)備系統(tǒng)大為簡(jiǎn)化，設(shè)備投資�。簾o需大容量配電系統(tǒng)、焊接變壓器、水冷系統(tǒng)、氣壓系統(tǒng)等設(shè)施。

（4）易于管理：避免了頻繁的電極修磨與更換。

3.2 日本開發(fā)的傳統(tǒng)攪拌摩擦點(diǎn)焊存在的問題

由日本川崎重工與馬自達(dá)汽車開發(fā)的傳統(tǒng)攪拌摩擦點(diǎn)焊技術(shù)主要存在下述缺點(diǎn)：

（1）在接頭外觀方面，存在明顯的匙孔。其原因在于使用的工具為經(jīng)典的有針工具。

（2）在適宜材質(zhì)方面，僅適于上/下板材均為屈服強(qiáng)度較低的鋁材；不適于接頭下板為屈服強(qiáng)度較高的鋼材。其原因在于由于鋼的硬度、屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)高于鋁材，由此導(dǎo)致兩方面的缺點(diǎn)：一是工具的端部在與鋼材的摩擦中易被鋼材磨損，縮短了鋼制工具的使用壽命；二是在工具壓入過程中由于鋼材難以發(fā)生朝上翻卷的強(qiáng)烈塑性變形, 因而鋼材向上嵌入鋁材（位于上板位置）的程度，即上/下界面間的混合程度極為有限，由此導(dǎo)致接頭界面結(jié)合強(qiáng)度極低。

針對(duì)上述傳統(tǒng)攪拌摩擦點(diǎn)焊的缺點(diǎn)，西安交通大學(xué)焊接研究所特種焊室提出了一種適于鋁與較硬異種材料（如碳鋼、不銹鋼等）搭接的“嵌入式攪拌摩擦點(diǎn)焊”方法。

3.3 Al/steel嵌入式攪拌摩擦點(diǎn)焊工藝的提出

嵌入式攪拌摩擦點(diǎn)焊（Embedd-ing friction stir spot welding，EFSSW）在所用摩擦工具設(shè)計(jì)、工件焊前預(yù)加工、墊板模具設(shè)計(jì)、壓入深度等方面均不同于傳統(tǒng)攪拌摩擦點(diǎn)焊。嵌入式攪拌摩擦點(diǎn)焊的基本思路是，焊前要求在較硬第二母材（如鋼材）上“預(yù)先鉆孔”，并采用“無針式”柱狀工具，利用工具端面與軟上板（如鋁板）間的磨擦熱，使上板溫度上升、屈服強(qiáng)度急劇降低而發(fā)生軟化，同時(shí)在工具的下壓過程中，將高溫、塑化的材料嵌入硬板上預(yù)先鉆好的孔內(nèi)（與此同時(shí)硬第二母材也被加熱至較高溫度）, 從而在“熱—力”聯(lián)合作用下實(shí)現(xiàn)上/下板間的固相接合。由此帶來以下顯著改進(jìn)：（1）避免了針與較硬第二母材的直接接觸及而導(dǎo)致的對(duì)針的嚴(yán)重磨損，顯著延長(zhǎng)了工具的使用壽命；（2）消除了較深的匙孔，使接頭外觀平整美觀；（3）拓寬了攪拌摩擦點(diǎn)焊可適用的材質(zhì)范圍。

3.4 Al/steel嵌入式攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭

圖4a與b分別為嵌入式攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭正面與背面的宏觀形貌（試驗(yàn)所用鋼板孔徑為Φ4mm；墊板槽寬6 mm）。從左至右依次所用規(guī)范及拉剪測(cè)試中的斷裂載荷見附表。由圖4 可知，接頭正面無匙孔；背面的飽滿情況、外翻情況隨壓入深度增大而趨于明顯。圖5a~e依次為圖4中從左至右各接頭拉剪測(cè)試后斷口宏觀形貌。接頭斷裂型式可分為以下幾種類型：

接頭斷裂型式類型

（1）被嵌入的鋁柱經(jīng)明顯塑性變形后被完全拔出，這種斷裂方式發(fā)生在嵌入不飽滿、無向外翻卷的情況下；

（2）被嵌入的鋁柱經(jīng)明顯塑性變形后才斷裂，但并未被拔出，這種情況較為理想；

（3）被嵌入的鋁柱未發(fā)生明顯變形而被沿兩板界面剪斷，斷口相對(duì)平整但鋁柱并未被拔出；

（4）被嵌入的鋁柱未發(fā)生塑性變形、也未被拔出，鋁板本身因出現(xiàn)大的缺口（缺口直徑接近軸肩直徑）而斷裂，這種情況發(fā)生在壓入深度過大的情況。焊接規(guī)范對(duì)接頭斷裂載荷及斷裂形式的影響規(guī)律可初步概括為：在嵌入飽滿且壓入深度適中時(shí)，斷裂載荷較高；壓入深度過大，盡管鋁柱嵌入飽滿并在鋼板外側(cè)出現(xiàn)外翻卷，但沿板材方向的承載截面過度減薄，接頭強(qiáng)度反而有降低趨勢(shì)。

4 結(jié)束語

盡管攪拌摩擦焊為固相焊接，有望用于Al與高強(qiáng)異種金屬（如Al/steel）的焊接，但采用傳統(tǒng)攪拌摩擦焊時(shí)，為實(shí)現(xiàn)界面間的機(jī)械混合，攪拌針不可避免地要與較硬鋼材直接接觸摩擦, 由此導(dǎo)致針的嚴(yán)重磨損。為克服針的嚴(yán)重磨損，拓寬攪拌摩擦焊的工程應(yīng)用范圍，西安交大焊接研究所開發(fā)了一種攪拌摩擦釬焊專利技術(shù)，并用其成功應(yīng)用于Al/steel搭接接頭（所得接頭斷裂于Al板母材內(nèi)而非原始焊接界面）。此外，針對(duì)日本開發(fā)的攪拌摩擦點(diǎn)焊技術(shù)用于Al/steel異種金屬接頭時(shí)同樣存在的針的磨損問題，開發(fā)了嵌入式攪拌摩擦點(diǎn)焊技術(shù)。

攪拌摩擦釬焊技術(shù)不僅可用于Al /steel焊接，還可用于Al/steel雙金屬?gòu)?fù)合板、Al/steel/Al三明治復(fù)合板的制備。該技術(shù)以摩擦熱作為熱源、采用無針柱狀攪拌頭、并預(yù)置合適釬料在大氣環(huán)境下施焊。與傳統(tǒng)攪拌摩擦焊相比，用母材的溶解代替其塑性變形；可避免鋼材對(duì)針端的磨損；無匙孔。另一方面，與傳統(tǒng)爐中釬焊相比，免用釬劑與保護(hù)氣體；加熱/冷卻快；可通過工具的傾斜導(dǎo)入壓力；并通過工具旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)鋁母材的塑性流動(dòng)在不同施壓位置依次擠出低熔點(diǎn)液態(tài)釬料、釬料與Al共晶反應(yīng)所產(chǎn)生的液相、溶入Fe 的液相；由于最后在鋁鋼界面不殘留液相，而是通過鋁/鋼互擴(kuò)散形成接頭, 以控制金屬間化合物的增厚。由于有這些特點(diǎn)，攪拌摩擦釬焊特別適用于低熔點(diǎn)和高熔點(diǎn)金屬的焊接，例如Al /steel、Al/Cu、Al/Ti、Ti/steel等組合。