摘要：本文针对厚板铝合金搅拌摩擦焊的国内外研究现状进行了归纳和总结。结果如下：在厚板铝合金搅拌摩擦焊接过程中，合理的设计与选用搅拌头是提高焊接质量的关键，焊接工艺参数的选择要与搅拌头相匹配。焊后接头的组织与性能沿板厚方向呈现不均匀性，作用在焊缝上的摩擦热沿厚度方向存在较大的热梯度，中心横截面的焊接温度场呈“漏斗形”分布，温度分布具有上高下低和上宽下窄的特点。厚板铝合金搅拌摩擦焊后残余应力较大，且上下表面残余应力分布不同，上表面的纵向残余应力呈“M”形状，下表面的纵向残余应力呈倒“V”形，纵向残余应力在焊缝中心线的两侧是不对称分布的。
铝合金厚板被广泛应用于航空航天及兵器工业、船舶制造业和机车、汽车制造业。目前，铝合 金厚板的焊接工艺主要以 MIG 焊为主，MIG 焊用于厚板铝合金是有优越性的，但当电流在 300——400A 以上时焊缝表面容易产生“皱皮”或“起皱”，同时气孔飞溅等焊接缺陷的出现及焊接接头热影响区的软 化问题都限制了厚板铝合金结构件的应用[1]。为了确保焊后接头的质量，需要寻求新的合适的焊接 工艺来实现厚板铝合金的焊接。
搅拌摩擦焊作为一种固相连接技术，具有成本低、无污染，接头无气孔、裂纹等缺陷，且焊后 残余应力及变形小等诸多优点，所以在铝合金焊接中的优势较为明显。对于厚板铝合金搅拌摩擦焊， 由于搅拌头结构和产热的特点，沿板厚方向存在较大的温度梯度分布和塑性金属流动不均匀性，再 加上焊接设备条件的限制，应用薄板焊接常用的工艺参数和搅拌头结构时，难以得到性能优良的焊 接接头。因此对厚板铝合金搅拌摩擦焊的研究具有重要的理论和实际意义。
1.厚板搅拌摩擦焊用搅拌头的研究现状
搅拌头作为搅拌摩擦焊过程中的关键零件，在焊接过程中不仅决定着热输入方式，还影响着其 附近的塑性软化材料的流动形式，因此在厚板铝合金的搅拌摩擦焊中，合理的设计与选用搅拌头是 提高焊接质量的关键。
铝合金硬度相对较低，因而对于搅拌头的材质没有过高的要求，厚板用搅拌头的选择与设计主 要集中在轴肩和搅拌针上，轴肩的主要作用是通过与工件的摩擦产生热量以及防止塑性流动金属的 溢出，通常采用下凹型轴肩，这种设计形式可保证轴肩端部下方的软化材料受到向内方向的力的作 用,从而有利于将轴肩端部下方形成的软化材料收集到轴肩端面的中心以添充搅拌针后方所形成的 空腔,同时,可减少焊接过程中搅拌头内部的应力集中而保护搅拌针[2]。A.Arora[3]指出搅拌头轴肩最理 想的尺寸为板厚的3倍。但这一结论并不适合于厚板搅拌摩擦焊的焊接，一方面轴肩尺寸越大，摩擦产热越多，上层金属容易过热，从而导致焊缝表面的氧化和飞边；另一方面，轴肩尺寸过大是导 致焊缝出现隧道型缺陷的主要原因[4]。
搅拌针的形状与尺寸一直是焊接学者研究的重点，搅拌针的作用在厚板中更为明显，当搅拌针设计不合理时，就会产热不足，塑型金属流动不充分，从而使得下层金属温度偏低、流动不畅导 致组织疏松与空洞。乔凤林[5]在优化搅拌头设计时采用了三种形状的搅拌针：a）圆锥螺纹；b）三 棱锥螺纹；c）三斜槽螺纹进行试验，实验结果表明，三斜槽螺纹搅拌头焊接得到的焊缝综合性能最好。赵明书[6]通过探讨搅拌头形状对于焊缝塑型金属流动的影响规律也验证了三斜槽螺纹的优越性。在焊接厚板时，搅拌头旋转时所转移材料的体积和搅拌头自身体积的比值（动、静态体积比）是十分重要的参数，这个比值对于提高塑化材料的流动性非常重要，优化搅拌针设计的措施都是为了使动静态体积比得以提高，从而使塑型金属沿板厚方向流动充分，改善下层金属的性能。贺地求[7]研制出了一种用于厚板焊接的新型搅拌头，这种搅拌头搅拌针的旋转抛物线轮廓与厚板搅拌摩擦焊接温度场高温区相吻合，确保了焊核区金属充分塑化。同时,搅拌针上的螺旋棱旋向与主轴旋转配合, 推动塑化金属向下流动，改善了厚板焊缝组织沿厚度方向的不均匀性。
2.厚板搅拌摩擦焊工艺参数的研究现状
搅拌摩擦焊是一种复杂的热力耦合过程，焊接参数的变化会显著影响材料的塑性流动以及温度场的分布，进而影响搅拌摩擦焊接头处焊缝成形质量[8]。目前研究较多的焊接工艺参数包括旋转速 度 w、焊接速度 v 以及轴肩下压量，不同于薄板焊接时工艺参数选择范围较宽，厚板焊接时的工艺 窗口较窄，可调范围有限。
随着板厚的增加，为了使得下层金属的塑性流动得以充分进行，需要增加热输入，搅拌摩擦焊的热输入主要采自两个方面：摩擦产热和塑性变形产热，摩擦产热主要取决于旋转速度与焊接速度 的比值，高转速和低焊速可以显著提高厚板焊接时的热输入，贺地求[9]在焊接20mm厚的铝合金板材时，选择的旋转速度为1400rpm、焊接速度为55mm/min，w/v达到了25.4，焊后得到了无缺陷、成形良好的焊缝组织，接头强度达到了母材的81.9%。当板厚增加到30mm时，为了保证焊后接头 的质量，邓航[10]在试验中所采用的旋转速度为2250rpm、焊接速度为12.6mm/min，w/v为178.6，在厚板焊接时，通过高转速和低焊速来增加焊接热输入的作用是有限的，主要原因如下：第一，转速的上限受到设备的制约，使得可焊厚度受到了限制；第二，轴肩与工件的摩擦随着转速的增大而 增大，当转速过大时，焊缝上表面容易过热，氧化严重，甚至出现焊接缺陷；第三，焊速的减小使得生产效率下降。目前，大多数厚板铝合金都是在低转速下实现焊接的[11——14]，虽然转速低导致摩擦产热相对较少，但严铿[15]指出焊接速度的增大会导致塑性变形产热的增大，当焊接速度增加到一定值时，塑性变形产热在焊接热输入中的比例增加，使得焊接热输入不降反升。王世君[16]在焊接速度达到了180mm/min的情况下实现了30mm厚板铝合金的焊接，而此时的旋转速度只有600rpm。但是焊速的提高会加快对搅拌头的磨损，因而焊接参数的选择要与搅拌头相匹配。
合适的焊接工艺参数有助于避免隧道缺陷、孔洞缺陷、表面沟槽和飞边等焊接缺陷的产生，除了旋转速度和焊接速度之外，轴肩下压量、搅拌头倾角、夹具的拘束状态等参数在焊接过程中也要考虑在内[17]。
3.厚板搅拌摩擦焊组织与性能的研究现状
由于各个部位受到的热、机械作用不同，通常将厚板铝合金搅拌摩擦焊的焊接接头的组织分为 焊核区、热机械影响区、热影响区和母材。夏佩云[18]在对厚板焊后组织进行分析时指出，焊核区组 织发生动态再结晶且再结晶的晶粒来不及长大就在搅拌针的机械作用下发生破碎，金相组织呈现为 细小的等轴晶组织。热力影响区域近焊核区发生了局部破碎和粘附长大从而形成较小的等轴晶区， 而其他区域的组织受到搅拌针的剪切作用，发生了一定程度的弯曲变形，呈板条状组织。热影响区 材料未受到搅拌针的机械作用仅仅受到焊接热循环的作用，形成大小不均匀的粗大晶粒。厚板焊接 时由于沿板厚方向上的温度不均匀，因而焊核区的上部晶粒尺寸要明显大于下部区域的晶粒尺寸， 上部为较粗大疏松组织，其中部和下部都为较细小的致密组织[19]。
由于在板厚方向上的尺度较大，通常采用分层切片的方法来研究厚板搅拌摩擦焊接头的力学性能。高辉[20]通过分层法对30mm厚7A05‐T6铝合金搅拌摩擦焊接头焊核区不同位置的力学性能进行了研究,结果表明：焊缝上表面的抗拉强度、屈服强度和断后伸长率最高，焊缝根部最低；焊缝分层切片显微硬度分布均呈W形分布，其中焊核区硬度几乎和母材相当，硬度最低值均出现在前进侧热影响区；焊核区显微硬度由下表面到上表面依次升高。黄永德[21]在研究焊接工艺参数对焊接接头分层力学性能的影响时发现，接头分层抗拉强度比整体抗拉强度小约10MPa。当旋转速度为195及235rpm时，层与层之间的强度变化不大；而当旋转速度为300rpm时，层与层之间的强度出现较大波动，接头底部以及轴肩以下5mm位置处的强度下降。
4.厚板搅拌摩擦焊焊接温度场的研究现状
在搅拌摩擦焊过程中，温度场的变化不仅决定了材料的流动性，进而影响焊缝成形的好坏，还 直接影响着被焊材料的晶粒尺寸、相组成以及残余应力的分布状态，研究厚板铝合金搅拌摩擦焊温度场的变化规律对于制定焊接工艺、研究焊后残余应力都是至关重要的。 徐韦锋[22]等人采用埋入热电偶的方法记录搅拌头旋入和行进过程中特征点的温度变化，结果表
明：在搅拌头旋入工件的过程中，其峰值温度和升温速率随着转速的提高而提高。随着搅拌针开始 行进并进入稳定阶段，其峰值温度略有降低。两个阶段特征点温度循环均显示，距离焊缝越近，其 峰值温度越高，前进侧温度略微高于后退侧温度 15——20℃。沿着板厚方向，温度呈现梯度分布，距 离上表面越远，其获得峰值温度的时间越迟。周卫涛[23]等人检测了厚板焊接中沿焊缝 X 方向、垂直 焊缝 Y 方向和焊缝厚度 Z 方向特征点的温度分布，研究结果表明：X 方向上特征点温度均经历了上 升‐峰值‐下降的过程；Y 方向上特征点峰值温度呈近高远低的温度梯度；Z 方向上特征点峰值温度呈 上高下低的温度分布，且在一定范围内特征点峰值温度随 w/v 比值的增加而变大；w/v 比值的减小 而减小。
周鹏展[24]对于 2519 铝合金厚板的搅拌摩擦焊接时的温度场进行了数值模拟，结果显示：焊缝中 心的最高温度为 792K，搅棒底部的最高温度为 670K，表明作用在焊缝上的摩擦热沿厚度方向存在较 大的热梯度。中心横截面的焊接温度场呈“漏斗形”分布，温度分布具有上高下低和上宽下窄的特点。 李文亚[25]等人研究了质量放大因子对搅拌摩擦焊插入过程温度场的影响，用 Abaqus/Explicit 有限元 软件进行模拟分析表明，采用质量放大因子 106，焊缝区温度呈对称分布，其与搅拌摩擦焊的移动过 程的温度分布规律不一致，焊缝区最高温度出现在搅拌针轴肩边缘下部，其数值接近材料的熔点。
5.厚板搅拌摩擦焊残余应力的研究现状
焊后残余应力对于接头的疲劳性能、抗应力腐蚀开裂能力有着重要的影响，因而研究铝合金厚 板搅拌摩擦焊后接头的残余应力是非常必要的。
徐韦锋[26]等人利用了“小孔释放法”对焊后接头残余应力进行了分析，研究结果表明上表面的纵 向残余应力呈“M”形状，残余拉应力的峰值位于焊接热影响区而下表面的纵向残余应力呈倒“V”形， 纵向残余应力在焊缝中心线的两侧是不对称分布的。Pouget[27]等人研究 AA2050 合金搅拌摩擦焊接头 的残余应力分布时发现，靠近焊缝热影响区附近的残余应力为压应力，其大小为母材屈服强度 30%； 焊缝区的残余应力为拉应力且最大值为母材屈服强度的 50%。经焊后热处理的接头的残余应力较小。 热影响区的压应力对疲劳裂纹的扩展有阻止作用，焊缝区的拉应力有助于疲劳裂纹的萌生和扩展。
6.结束语
虽然我国已具备生产大厚度铝合金搅拌摩擦焊设备的能力，但是关于基础研究还是略显薄弱， 铝合金厚板搅拌摩擦焊接的最大难题便是降低沿厚度方向上的温度梯度，另外关于厚板铝合金搅拌 摩擦焊过程中塑性材料流动规律的研究还是很少涉及的，这些都有待于后来焊接工作者的致力研究， 从而弥补这一方面的空白。
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