攪拌摩擦焊搭接hook缺陷研究現狀

張方元，侯方軍，唐 強，何 海

（中鋁特種鋁材（重慶）有限公司，重慶 401326）

0 前言

攪拌摩擦焊是一種革命性的固態焊接新型連接工藝技術，該技術由英國焊接研究所（TWI）于1991 年發明。與傳統焊接工藝相比，攪拌摩擦焊在焊接過程中產生的熱量更少，加熱溫度更低（焊接溫度低于熔化溫度），大大降低了殘余應力，因此廣泛應用于化工、核能、航空航天、交通運輸、發電和電子工業等領域。攪拌摩擦焊搭接焊縫因對原材料尺寸公差要求低，可更好代替鉚接工藝，常用于材料熔點相差大、線膨脹系數不同、導熱率及比熱容不同、焊接接頭組織不同等異種合金連接[1-2]。在攪拌摩擦焊搭接過程中，金屬間存在物理界面，焊接過程中金屬由于受熱在焊縫邊緣會產生畸變，形成向上或者向下的物理變形-“hook”。根據ISO 25239 標準中的搭接焊接工藝特性，該變形定義為需要設計限定的焊接缺陷，隨著攪拌摩擦焊技術應用的推廣，hook缺陷研究逐漸進入國內外研究者視野。

1 Hook缺陷表現形貌及形成原因

ISO 25239 攪拌摩擦焊-鋁合金焊接標準中指出，在搭接焊縫中的前進側及后退側都可能存在hook焊接缺陷，其形貌可以向上或者向下。圖1示出了采用右旋螺紋，向上彎曲的hook 缺陷。吳志明[3]等人在6082對搭接接頭前進區末端發現鉤狀缺陷（即hook缺陷），存在于焊接區域接頭位置，形貌類似裂紋，與母材搭接面角度可以達到90°，該缺陷消失于焊核區域與熱機影響區的分界面位置；在后退側發現的hook 缺陷方向向下偏轉，其搭接界面偏轉角度小于45°，該缺陷消失于焊接區域底部與下搭接板的交界處。Karn Kumar Raci[4]等人采用6082-T6-HDPE三明治結構測試攪拌摩擦點焊焊接性能，發現hook 缺陷三明治結構的上中下片界面處都存在hook缺陷。哈爾濱工業大學[5]在焊接及先進連接技術國家重點實驗室做Al-Steel 異種金屬連接實驗，采用的是Q235 材料為底板、純鋁涂覆為中間層，通過攪拌摩擦焊技術進行搭接焊接測試，觀察發現hook 缺陷出現在中間層與搭接層的熱機影響區與焊核區域之間。實驗可見，hook缺陷存在條件為搭接接頭結構，對搭接接頭因為含有搭接接頭部分形貌特征，在攪拌摩擦焊焊接完成后也可能存在hook 缺陷，其與接頭形式有關而與材料種類沒有關系。

圖1 Hook缺陷主要特點及形貌

Fersini D[6]和Buffa .G[7]等人研究攪拌摩擦焊搭接接頭時指出，hook一般是由氧化物粒子和局部冶金結合區域共同組成的幾何缺陷。其發生原因是由于攪拌摩擦焊焊接過程中，搭接接頭存在物理界面，前進側熱機影響區材料受到攪拌針的機械剪切摩擦作用發生偏轉，變形劇烈，該變形力結合攪拌針的螺紋旋轉提升作用力，使母材搭接物理界面發生變形，造成塑性金屬在垂直方向向上流動造成界面畸變，且尺寸較大。后退側熱機影響區的材料由于整個焊接過程都不斷受到來自攪拌針前部及前進側遷移過來的材料的擠壓與拖曳，金屬變形復雜，但整體流動性低于前進側，攪拌針對金屬的提升力較低，影響范圍較弱，因此后退側出現向上偏轉趨勢較弱。

2 Hook缺陷影響因素

2.1 材料配置位置對hook的影響

為了達到輕量化目的，不同鋁合金材料連接時常采用摩擦點焊的方式進行連接。J.M. Piccini[8]等人在研究5052 防銹鋁與6063 鋁合金擠壓型材攪拌摩擦焊時，分別將5052 及6063 鋁材置于最上層，結構分別為5-6 和6-5。試驗發現，當采用6-5 結構時（即6061 鋁材在最上層，5052 鋁材在下層）hook 要小于5-6 結構，這是由于5052 鋁材較6061鋁材具有更好的流動性，5052 鋁材更容易變形導致軟化金屬材料向上受力，hook 尺寸變大。同時，該課題組就攪拌摩擦焊刀具對hook 影響做了研究，hook 大小隨著刀具扎入底層母材深度的增加而增加。在5 ×××/6 ×× × 系列鋁合金搭接焊接中，M.I.Costa[9]等人也得到相同結論，即6-5 系列材料具有更小的hook尺寸。

2.2 焊接刀具對hook的影響

M.I. Costa 團隊研究了不同刀具形貌對hook 尺寸的影響。結果表明：刀具的幾何形狀與搭接材料相對位置一樣重要，當采用錐狀攪拌頭時，要求錐度比一定。稍微增加攪拌頭底部尺寸更有利于性能的提升，這主要是由于采用該配合比時，較短的攪拌頭工具就可以達到材料熔透能力，從而減少hook尺寸，達到提升材料性能的目的。張丹丹[10]等人在Al-Li 合金搭接焊接接頭性能研究中發現，采用不同焊接刀長時，焊接接頭兩端都易出現型材“冷搭接缺陷”；攪拌針長度較母材厚度大0.5 mm 時，hook 尺寸有明顯改善，hook 尖端無裂紋擴展現象。Emad Salari[11]等人在5456 鋁合金中采用了柱狀螺紋、錐狀螺紋、階梯錐狀螺紋及擴口三槽螺紋4種不同幾何形狀的刀具對搭接接頭性能進行了研究。其中柱狀螺紋、錐狀螺紋、擴口三槽螺紋在前進側及后退側都產生了向上方向的hook 缺陷；采用階梯錐狀螺紋進行焊接，后退側熱機影響區及焊核區區域hook基本消失，獲得的接頭性能最佳。

2.3 焊接參數對hook的影響

宋友寶[12]等人以2024/7075 鋁合金為研究對象，研究了不同材料位置及焊接速度對hook 缺陷大小及性能的影響。當采用7075 作為上板材料時可得到接頭性能良好的焊接板，其hook 大小與焊接速度呈反相關關系，hook缺陷沿著垂直和水平方向進行擴展。焊接速度越低，焊接熱輸入越大，產熱量越多，焊核區域溫度越高，流動能力越強，帶動熱機影響區向上流動趨勢越大，hook 尺寸越大。嚴鏗[13]等人在2024薄板搭接界面成型及接頭性能研究中采用三爪型攪拌頭進行單道、雙道焊接，雙道焊接可有效增加焊接搭接面寬度，減少或去除上板前進側界面畸變影響，從而提高材料力學性能。

綜上所述，搭接焊接攪拌摩擦焊不同材料配置因金屬流動性不同對hook 影響也不同，金屬流動性越好，焊接過程中塑性金屬流動性越好，從而提升能力越強，hook尺寸越大；攪拌針形貌及攪拌針長度大小對焊接接頭界面成型性影響不同，hook形狀尺寸與攪拌針的形貌、長度有關。若攪拌針形貌、長度不合適，將導致金屬材料流動性不均勻，在熱機影響區和焊核區之間形成hook 缺陷。良好的焊接工藝是獲得金屬良好性能的前提，焊接工藝參數決定了焊接過程中熱輸入量的大小，即在很大程度上決定了焊接過程中冶金轉變過程，對焊接接頭性能的影響起到決定性作用。

3 Hook缺陷對性能影響

hook 缺陷是因為搭接界面在焊接過程中受到熱、力綜合作用而導致向焊接接頭內部進行延伸的物理缺陷，界面之間存在的氧化物在焊接過程中被高速旋轉的攪拌針攪碎，在hook 缺陷中表現為由底部到頂端逐漸消失，最終形成斷續的氧化物顆粒，有些成為“S”線呈現在焊接接頭中，如圖2所示。因此，hook缺陷將對攪拌摩擦焊接頭性能帶來較大影響。

圖2 Hook缺陷尾端形貌

Hamed Shirazi[14]等人在進行5456鋁合金型材搭接接頭性能研究時發現，hook缺陷對材料有效焊接厚度有影響，在載荷剪切試驗過程中，材料力學性能主要與材料有效厚度（即焊接厚度減去hook 后的有效厚度）有關。在使用過程中，hook缺陷部位是型材產生裂紋的優先部位，因為hook 缺陷為兩界面之間的物理缺陷，材料裂紋傾向明顯，一旦材料發生失效，裂紋將沿著hook 方向迅速擴展。J.M.Piccini等人在研究中更進一步說明了hook大小對裂紋敏感性的影響，他們指出隨著刀具深度增加，hook 大小增加，搭接接頭抗剪性能隨之降低。A. M. S.Malafaia[15]，R. Maciel[16]，L. Reis[17]等人在對攪拌摩擦焊對接接頭疲勞特性的研究中發現，hook缺陷對接頭疲勞特性有較大影響，與無缺陷試樣相比，hook缺陷疲勞特性壽命為無缺陷的65%，壽命更低。

4 Hook缺陷改善方案

hook缺陷對搭接焊接性能影響大，在焊接過程中需要盡量減少hook 缺陷帶來的性能不良。結合hook缺陷的影響因素，其改善方案可以為：

（1）hook 缺陷對焊接接頭的影響主要表現為焊接有效厚度降低，因此在焊接過程中，可將母材較厚一側置于搭接接頭前進側，從而減少hook 尺寸的影響。

（2）通過研究攪拌頭形貌、長度與hook 形貌及大小的關系，根據產品特性制定相應的攪拌頭，以滿足焊接強度設計需求。

（3）在保證焊接接頭內部質量情況下，優化焊接工藝、調整焊接轉速與焊接速度之間的比值，可達到降低hook 缺陷大小來提升焊接綜合性能的目的。

5 結論

隨著輕量化應用在世界制造范圍內的快速推廣及工業化應用，攪拌摩擦焊在有色金屬連接中的應用范圍越來越大，其中hook 缺陷是攪拌摩擦焊在搭接接頭中不可避免的固有缺陷。在加工制造過程中，通過材料不同配置方式、攪拌頭形貌及尺寸優化以及焊接工藝的不斷提升，hook缺陷尺寸可以得到一定的控制，從而材料的力學性能、抗裂紋特性和疲勞特性等綜合性能得到進一步提升。隨著新一波基礎建設的到來，軌道交通、船舶海工等長大型材攪拌摩擦焊技術的推廣還需要一代代科技研發者的潛心研究，為后續攪拌摩擦焊的全面應用奠定技術基礎及理論依據。