搅拌摩擦焊技术的研究进展

武凯，贾贺鹏，孙宇，张华德，林永勇，胡峰峰

(1.南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094; 2.航天工程装备(苏州)有限公司，江苏 苏州 215200)

0 引言

搅拌摩擦焊(friction stir welding, FSW)是英国焊接研究所(The Welding Institute, TWI)在1991年发明的一种新型固相连接技术[1]。FSW的工作温度一般低于被焊材料熔点的80%，可有效避免焊接过程中产生的金属氧化和硬化过程中可能出现的凝固裂纹、收缩和孔洞现象，降低焊接残余应力和残余变形[2]。该项技术可以进行同种金属或异种金属的焊接，尤其适用于铝合金及镁合金的焊接，并能得到较高质量的焊接接头。与传统的熔化焊接技术相比，FSW具有许多明显的优势[3]。它的特点包括焊接效率高、焊接过程成本低、焊接接头强度及可靠性高、焊接变形小、缺陷率低、绿色环保及适用于传统熔焊不可焊的铝合金等材料，为铝、镁等轻合金在工程结构制造领域的广泛应用开辟了新途径[3-4]。本文从FSW技术的机理分析、工艺技术、数值模拟、设备和应用等方面进行综述，论述FSW技术的最新研究和应用进展。

1 机理分析

1.1 工作原理

如图1所示，在FSW过程中，高速旋转的搅拌工具(搅拌头)插入待焊工件的接缝处，并沿着焊缝向前移动，通过搅拌针和轴肩对工件的摩擦产生足够的热量，使其周围被焊金属达到黏塑性状态，在热和塑性流动的共同作用下，利用此黏塑性流动消除自由接触表面，形成致密无缺陷的焊缝组织，实现材料的连接。

图1 搅拌摩擦焊的工作原理图

1.2 微观组织

分析FSW接头的组织演变和微观结构对研究接头力学性能、材料流动行为及优化焊接参数有重要的意义。根据微观组织演化方式的不同，在截面不同焊接区域的宏观展示截面图[5]上可将FSW接头由中心向外划分为4个不同的区域[6]，即搅拌区/焊核区(stir zone, SZ or nugget zone，NZ)、热力影响区(thermo-mechanically affected zone，TMAZ)、热影响区(heat affected zone，HAZ)和母材区(base material，BM)，如图2所示。其中焊接构件在HAZ只受到焊接热循环作用，而TMAZ和NZ受到热和塑性变形共同影响。

图2 FSW接头微观结构区域的典型宏观图

焊核区内晶粒结构的演化主要与材料流变及动态再结晶行为有关，再结晶包含连续动态再结晶和几何动态再结晶，析出相强化型材料还会在此过程中发生第二相粒子的形核、析出、溶解和长大[7]。在NZ内，由于塑性应变和应变率很高，会诱发连续动态再结晶和几何动态再结晶的发生。非连续动态再结晶通常在铝合金中并不常见，这是由于铝合金属于高强度铝合金，其发生动态回复现象非常明显。虽然如此，但是在NZ内过量的热输入条件下会有可能发生非连续动态再结晶[8]。在某些金属中存在着孪晶诱导动态再结晶，其被认为是与孪晶内部储能及应力状态有关，具体形核方式存在多种机制，如孪晶相互交割形核、次级孪生形核、孪晶内小角晶界形核等。综上可知，接头在NZ内的微观结构由细化的等轴晶组成[9-11]。TMAZ的微观结构演化主要是动态回复，因为接头在该区域内经历的温度和塑性变形的量级不足以满足发生再结晶。该区是NZ与HAZ之间的过渡区域，内部的晶粒在一定的晶粒取向上被拉长。HAZ通常受温度作用的影响导致在焊后微观结构(晶粒、析出相)发生了粗化。此外，接头在NZ沿构件厚度方向，其微观结构也会发生变化，这是受到搅拌头轴肩影响的区域和搅拌针作用的区域表现出的差异性。由于受不同搅拌针尺寸的影响，NZ在构件厚度方向的温度和等效应变分布也显得不同[9-12]。PRANGNELL P B等[13]在2195铝合金FSW焊接过程中，利用急停技术分析了接头金属材料的流动规律，揭示了焊接过程中在搅拌针上增加螺旋可提升材料的塑性流动，从而提升接头力学性能。CHEN Z W等[14]在5083铝合金FSW焊接过程中采用急停技术研究接头NZ的材料流动行为，发现搅拌刀具周围的塑化金属跟随着搅拌针的旋转发生移动。

1.3 作用力

FSW过程中的作用力影响接头的形成，对过程作用力的研究，有助于分析接头成形规律并找到提高接头质量的方法。过程作用力主要包括轴向力、沿搅拌头移动方向的纵向力以及垂直于搅拌头移动方向的横向力。3个力应在安全范围内，才能保证加工出无缺陷的焊缝，并延长刀具寿命。

SIMAR A[15]研究表明，轴向力对生热和焊缝熔深有重要的影响。一般而言，为了获得完全的熔透和无缺陷焊缝，对于高熔点温度材料，较高的轴向力是必要的[16]。王希靖等[17]研究了搅拌摩擦焊接中搅拌头前进阻力(纵向力)的变化规律，认为焊接同种材料时，前进阻力的大小与行进速度的大小以及对应的压入量和所使用材料的尺寸都有着正比例的关系；当转速增加时，前进阻力会先增大后减小；对比研究不同的焊接材料，材料硬度和前进阻力有直接关系，硬度越高，前进阻力越大。CRAWFORD R[18]研究了FSW过程中的轴向力，认为轴向力和FSW过程中的转速存在一定的关系。ARORA A等[19]模拟了FSW过程中的转矩及输出功率，指出多面形状的搅拌针能产生较小的力，对指导设计人员如何选择一个合适的轴肩直径和搅拌针截面具有重要意义。

现有文献研究主要集中在焊接工艺参数和刀具几何参数对轴向力和横向力的影响，并通过调整工艺参数改变轴向力和横向力的大小进行在线检测和控制，进而提升焊接质量的在线指标。然而，在宽泛的工艺参数范围内，同时测量横向力、轴向力和纵向力并分析它们的周期性变化和焊接材料性能的工作却鲜有报道。

1.4 疲劳断裂

焊接接头疲劳性能的影响因素主要有接头的表面质量、焊缝区的微观组织、残余应力、焊接工艺参数、外部环境及表面处理技术等。深入了解FSW对焊接接头疲劳寿命的影响，对FSW的工程应用具有重要意义。

刘奋军等[20]采用FSW对厚度为2 mm的2099-T83与2060-T8 Al-Li合金进行搭接。在接头焊缝区可观察到明显的结合界面，焊缝区显微硬度低于母材；搭接接头均在底部母材2060-T8侧的TMAZ与NZ的过渡区断裂，断裂特征为韧、脆混合断裂。康举等[21]发现2219-T8铝合金FSW接头在拉伸过程接头变形主要发生在TMAZ，在相同的应力水平下，TMAZ表面的钝化膜更易破裂，甚至会有微裂纹出现。房湛等[22]研究了2195-T8与2219-T6合金薄板接头组织对焊缝性能的影响。随着焊接速度的提高，接头力学性能相应提高；以2195为前进侧时的接头其力学性能更优越，而接头的断裂位置始终位于2219侧，与前进侧材料无关。SINGH R K R等[23]研究了在3种冷却环境(即自然空气、水和液氮)中，以不同的速度对Al-Mg-Cr铝合金进行FSW。结果表明，水冷时疲劳裂纹扩展速率较低，液氮冷却时焊核区氧化物的存在使疲劳裂纹扩展速率显著增加。ZHANG L等[24]研究了搅拌摩擦焊接6061-T6铝合金的微观组织和力学性能，评估了缺口位置对冲击和疲劳裂纹扩展行为的影响。结果表明，铝合金基体中的颗粒会阻碍疲劳裂纹的扩展，微观结构的不均匀性和裂纹闭合是导致疲劳裂纹扩展速率波动的主要原因。

DAS J等[25]研究各种工艺参数(刀具几何形状、刀具转速和焊接速度)与疲劳裂纹扩展的关系以及如何控制这些参数，从而获得具有最大抗裂性的最佳焊接质量。SALIH O S等[26]通过控制两个重要的工艺参数(刀具转速和焊接速度)，建立了Al-Mg-Si合金在大范围焊接温度和塑性变形下焊接过程中微观组织演变的相互作用关系。研究发现，FSW接头的疲劳性能取决于晶粒尺寸，较小晶粒尺寸FSW接头的疲劳寿命显著提高。RANJAN R等[27]通过小尺寸试样测试和断裂力学分析，研究了FSW单面铝对接接头的疲劳行为。结果表明，FSW接头的疲劳性能优于典型的弧焊接头，并且在弯曲载荷下，与焊接的根部或底部相比，焊接的顶部具有更好的疲劳性能。GAO F Y等[28]使用紧密拉伸韧性试样研究了FSW焊接钛合金接头的断裂韧性，断裂韧性稍微降低至母材断裂韧性的90%。断裂面主要为韧性断裂机制，韧窝较多；裂纹扩展路径平直，并伴有沿晶和穿晶断裂；搅拌区断裂韧性的降低主要与微观组织和组织结构有关。徐韦锋等[29]研究了不同外加总应变幅条件下FSW接头沿板厚方向分层切片的疲劳性能。发现母材疲劳寿命高于FSW接头，与接头中部和底部切片相比，上部疲劳寿命较低。随转速的升高，疲劳寿命降低，焊速对其影响较小。王晨等[30]以SiCp/6092Al复合材料为研究对象，对表面未打磨的接头和经过打磨抛光后的光滑表面接头的疲劳性能进行深入研究。结果表明，与未打磨试样相比，经过打磨抛光后的接头光滑表面试样的疲劳极限提高了40～65 MPa，且高焊速下的光滑试样表现出更高的疲劳极限(205 MPa)，光滑表面接头在疲劳测试时均在最低硬度区及其附近区域发生断裂。

2 工艺技术

2.1 工艺参数分析与优化

FSW焊接工艺参数主要包含刀具的旋转速度、焊接行进速度、倾角、下压量以及冷却环境等。不同的焊接参数组合能够影响焊接过程热循环、刀具受载状态以及材料流变行为。各种参数不是相互独立的，通过优化的参数组合能够得到无缺陷的高质量焊缝。在其他参数保持不变的条件下，当刀具的旋转速度较低时，刀具与焊接材料产生的热量不足以使材料达到塑化状态，无法将未塑化材料进行固相连接，导致焊接缺陷形成；通过提高刀具的旋转速度，使有效热输入量增大，刀具四周塑性及材料流动效果良好，焊接缺陷逐渐消失，形成良好的成形焊缝。在给定刀具几何条件下，热输入和材料流动的调节主要由刀具的旋转速度、焊接行进速度、倾角和下压量等控制。

刘奋军等[31]探讨了6061-T6铝合金薄板的高转速FSW工艺，揭示高转速对铝合金薄板对接接头微观组织和力学性能的影响规律。结果表明，高转速焊接6061-T6薄板时，焊缝表面成型良好，焊缝各区域组织呈连续均匀过渡。董继红等[32]研究了2024铝合金薄板的FSW微观组织和力学性能特征。结果表明，在旋转速度为800 r/min、焊接速度为300 mm/min时，接头抗拉强度、屈服强度和伸长率分别达到461 MPa、332 MPa和14.6%，接头强度可达母材的94.8%，屈服强度可达母材的87.5%。杨超等[33]对2 mm厚的退火态7B04铝合金薄板进行FSW对接焊接，分析了焊接参数对焊接质量、微观组织和力学性能的影响。结果表明，通过控制焊接参数，可获得良好的焊接质量，接头强度系数达100%；焊核区生成细小等轴晶，母材晶粒尺寸约为300 μm；在约400 ℃时超塑性变形行为消失。IQBAL P等[34]通过建立FSW的刚黏塑性模型，采用点跟踪法对焊接缺陷进行了预测，并与实验结果进行了比较。当切入深度为0.3 mm时，可与刀具肩部的界面充分接触，并产生良好的焊接效果。

SADOUN A M等[35]研究发现，使用高销侧面积比(29.83%)的半球销，可得到抗拉强度高、晶粒细小的接头。MANEIAH D等[36]采用H13工具钢对3 mm厚的6061-T6铝合金进行FSW。通过测量转速、倾角、进给量等工艺参数来确定FSW工艺参数对焊接接头拉伸性能的影响。当转速为1 400 r/min、倾角为0°和进给量为100 mm/min时，可获得191 MPa的最高抗拉强度，延伸率10%表示焊缝具有韧性。AHMED K E等[37]研究了6082铝合金在FSW过程中，刀具转速分别为500 r/min、710 r/min、1 000 r/min和1 400 r/min时，硬度和抗拉强度的变化。使用ANOVA法和响应面法对FSW工艺参数进行了优化，确定了接头抗拉强度的最佳值。KADAGANCHI R等[38]建立了具有工艺参数和刀具几何参数的数学模型，预测了FSW铝合金(AA2014-T6)的屈服强度、抗拉强度和塑性响应，采用响应面法建立回归模型预测响应。SHASHI Kumar S等[39]使用响应面法开发的实验设计方法(Box-Benkhen)，对AISI 316L不锈钢薄板进行了对焊结构的研究。当刀具转速为597 r/min、焊接速度为74 mm/min、下压力为13 kN和刀具倾角为1.5°时，可以得到最大抗拉强度为604 MPa的接头。RAJENDRANA C等[40]利用实验设计、方差分析、响应图和轮廓图等统计工具优化FSW工艺参数以获得最大抗拉强度。当刀具转速为900 r/min，焊接速度为110 mm/min、轴肩直径为12 mm、刀具倾角为1.5°时，接头的最大拉伸剪切断裂载荷可达12.76 kN。

刀具的倾角是指刀具轴线与焊接工件表面法线的夹角。焊接时，刀具通过向后方倾斜一定角度使得轴肩端面后沿的部分相比于前沿部分压入工件更深，这样材料在从刀具前方运动到后方的过程便会受到轴肩向下的锻压作用而结合得更加紧密。COLEGROVE P A等[41]研究了刀具0°和2.5°倾斜时焊接所需压力，发现刀具2.5°倾斜时的焊接质量比较理想。RAJENDRAN C等[42]研究了搅拌头倾角对FSW铝合金(AA2014-T6)焊接强度的影响。当搅拌头倾角为1°～3°时，可获得无缺陷的焊接接头；当倾角为2°时，可获得具有最大剪切强度(14.42 kN)和显微硬度(HV132)的接头。MAHTO R P等[43]采用X射线显微计算机断层扫描和金相分析对焊接缺陷进行了定性和定量评估，发现倾角为1°的焊接减少了表面和内部缺陷。所以，倾角一般要求大小适中，倾角太大则容易导致轴肩端面前沿与材料接触不够，难以带动材料流动；而端面后沿则压入材料太深，材料明显挤出。倾角太小则容易将材料向四周挤出形成飞边，后方材料压实效果不佳而易于出现隧道、孔洞等缺陷。

刀具的位置状态也会严重影响焊接质量。刀具偏心是由于刀具相对于主轴中心偏移而引起的，较小的偏移会导致FSW期间的偏心运动[44]。SHAH L H等[45]研究了刀具偏心对AA6061铝合金FSW的影响。结果表明，刀具偏心增加了焊核区的物料流动；当工具偏移0.2 mm时，接头拉伸强度和伸长率并未受到影响。SHAH L H等[46]研究了刀具偏心对AA6061-T651铝合金FSW的影响。结构特征表明，焊缝的表面粗糙度增加，而搅拌区域中的材料流动和混合随着刀具偏心的增加而增强。

2.2 异种材料焊接工艺

由于异种材料的力学性能差异，给连接技术带来了更大的挑战。近年来，许多学者应用FSW技术对异种材料进行搅拌摩擦焊研究。GHOSH M[47]研究了FSW工艺参数对A356铝合金与6061-T6铝合金的焊接力学性能的影响。JAGATHESH K等[48]研究了FSW工艺参数对AA2024和AA6061铝合金焊接性能的影响。通过控制FSW的旋转速度、焊接速度和刀具销直径，进行了设计的FSW实验，获得了高强度的焊接接头。SHUNMUGASUNDARAM M等[49]采用FSW对不同铝合金板材AA6063和AA5052进行了焊接，并使用Taguchi L9正交试验设计对工艺参数进行了优化，确定最佳工艺参数以最大限度地提高焊接接头的抗拉强度。PRASAD M V R D等[50]研究了FSW焊接厚度为5 mm的AA5083和AA6061钢板，根据Taguchi L9方法的正交阵列进行实验，研究了焊接试样的力学性能的伸长率和硬度。张鑫等[51]通过添加中间层材料Zn抑制TC4钛合金和2A14铝合金异种金属焊缝中产生金属间化合物，研究了工艺参数对焊缝成形、接头抗拉强度的影响。结果表明，当焊接速度为75 mm/min、旋转速度为375～950 r/min、偏移量为2.5 mm时，可获得表面成形良好的焊接接头。HOU W等[52]研究了刀具偏置对6061铝合金与工业纯铜在FSW中的不同对焊工艺。当刀具偏置从2 mm减小到0 mm时，焊接接头的极限抗拉强度增加，而当偏移量>1.6 mm时，焊接接头的极限抗拉强度急剧下降。GUO Y N等[53]研究了焊接工艺参数对2024-T3和7075-T6铝合金FSW焊接接头动态拉伸性能的影响。发现HAZ的屈服应力高于SZ和TMAZ的屈服应力。MSOMI V等[54]研究了1050-H14和5083-H111铝合金FSW接头的质量。利用半自动铣床进行焊接，将焊接接头与母材进行对比分析，并且讨论了微观组织观察结果与接头力学性能的关系。

镁、钛及其合金FSW一直是研究者和技术人员面临的挑战。AONUMA M等[55-57]通过将探针插入Mg合金板中并在Ti板侧稍微偏移0.5 mm，可以成功焊接厚度为2 mm的镁合金板和钛板。接头的平均抗拉强度为237 MPa，约为镁合金板的69%，断裂主要发生在镁合金板的搅拌区，部分发生在接头界面。SIVAM S P S S等[58]采用灰色关联度分析法研究了FSW过程中转速、焊接速度、刀销底径和刀具轮廓对Mg/Ti合金FSW响应的影响，并用方差分析法确定了影响FSW响应的最重要因素是焊接速度。CHOI J等[59]在纯Mg和纯Ti之间插入铝箔进行Mg/Ti不混溶体的异种FSW研究。LI Q H等[60]采用FSW对Mg/Ti异种合金进行了塔接焊接，使刀具稍微地渗入底部Ti合金。对接头组织、力学性能和断裂行为进行了系统的研究。FSW技术为获得高质量的Mg/Ti异种合金接头提供了一种有效的方法。

2.3 搅拌头

搅拌头是搅拌摩擦焊设备中最重要的部件之一，由轴肩和搅拌针两部分组成，对焊接接头质量有重要影响。针对搅拌针的研究从很早就开始了，但对搅拌针几何特征的总体认识还不够完善，其对焊接过程中的产热以及与工件材料之间的相互作用仍不明晰。

RAI R等[61]从刀具的几何结构、材料选择、微观结构、承载能力、失效机理和工艺经济性等几个重要方面的研究进展进行了评述，认为搅拌头的发展主要集中在带螺纹的搅拌头和带3个沟槽的搅拌头这两个方面。搅拌针的几何形状被认为是控制材料流动和热量输入以及焊接质量的主要参数之一，通过优化搅拌头几何特征可以促进材料流动和提高焊接质量。SCIALPI A等[62]研究了3种不同的轴肩几何形状(旋涡、内凹、平面)对铝合金6082搅拌摩擦焊接焊缝微观组织和接头力学性能的影响。PATEL V等[63]选取截面形状分别为正四边形、正五边形和正六边形的搅拌针对7075铝合金进行搅拌摩擦焊接工艺试验，只有使用正四边形搅拌针时在焊核区获得了均匀细小的微观组织。FELIX XAVIER MUTHU M 等[64]研究了3种不同外形的搅拌头(螺纹搅拌头、平锥形搅拌头、锥针形搅拌头)对材料显微结构、显微硬度和拉伸性能的影响。在这3种不同外形的搅拌头中，平锥形搅拌头能产生无缺陷搅拌区，并得到力学性能良好的接头，其屈服强度为101 MPa，拉伸强度为106 MPa，焊接效率为68%。SU H等[65]使用3种不同形状搅拌针，通过分析搅拌头的受力情况，得出搅拌头所受前进阻力和搅拌针形状之间的关系式，当使用多边形搅拌针时搅拌头的前进阻力会显著减小。HOU W T等[66]设计了一种具有双销结构的新型搅拌工具，并将其用于异种铝合金AA2024和AA6061对接板的焊接。对于无缺陷接头，双销工具比单销工具在接头截面上的显微硬度分布更均匀。

3 数值模拟

数值模拟技术在熔化焊接的研究中已经得到了广泛的应用。同样，国内外的研究者也将数值模拟技术引入FSW过程的研究。目前，计算固体力学(computational solid mechanics，CSM)方法和计算流体动力学(computational fluid dynamics, CFD)方法被广泛应用于FSW过程的数值仿真。CFD方法主要用于模拟焊接过程中搅拌头周围材料的流动形式和温度场的分布情况，而CSM方法则可以预测焊接温度场、焊接过程中应力和应变的变化过程、残余应力分布和残余变形。对于FSW过程的数值模拟是非常复杂的，主要集中在温度场、应力变形和金属塑形流动分析以及热-流-力耦合的研究，或者其中两个耦合模型的研究。这些数值模型主要有瞬态传热模型、材料流动模型、顺序热力耦合模型和完全热力耦合模型。

焊接过程中温度场的分布形式是FSW的一个重要研究内容。尽管焊接温度低于材料的溶点，但是依然会促使材料发生相变，因此研究焊接过程中温度的变化历程至关重要。近年来，在温度场仿真方面，有些学者通过热-流-力三者的耦合建立了模型，在模型中加入了动态变化的摩擦力，使仿真结果更贴近实际。ZHAO P C等[67]建立计算流体动力学二维模型模拟6061铝合金的FSW过程，发现焊缝两侧的温度分布并不对称，但具有相同的变化趋势，且前进侧的峰值温度比返回侧高约10 K。GHATE N D等[68]提出了一种二维数值方法来研究FSW过程中刀具周围的材料流动以及孔洞的形成机理。FSW过程中的应力和应变足以使夹杂处的孔洞形核和长大。武传松[69]根据搅拌头与工件界面上的受力特点，建立了热流耦合模型，对FSW各个阶段的温度场、流场和产热过程进行了模拟，并分析了3种常用的搅拌头的产热情况。张昭等[70]在对板材变形进行模拟时，发现了低塑性的流动区在搅拌头的后方且接近底部，前进侧和返回侧的温度梯度明显不同，前进侧的温度梯度更大。TANG J M等[71]建立了基于CFD的改进三维模型以预测异种铝合金AA2024和AA7075的搭接FSW期间的温度分布。在前进侧和返回侧存在明显的不对称温度分布，每个观察点的温度分布和变化都不同，观测点的温度迅速上升，但下降缓慢。COLEGROVE P A[41]利用FLUENT软件对FSW过程进行了三维动态模拟。该模型中引入了带螺纹的搅拌头，对搅拌头旋转速度、焊接速度等工艺参数与焊接温度场、材料迁移行为之间的关系进行了分析。BUFFA G等[72]通过完全热力耦合三维模型研究搅拌头形状与焊接速度对焊接接头质量的影响，发现可以通过调整搅拌头形状和焊接速度来提高铝合金焊接接头的质量。在焊缝上部的热量主要来自于搅拌头轴肩的摩擦产热，而焊缝底部的热量主要来自于材料的塑性变形产热，搅拌头转速和焊接转速会影响焊接过程中的温度分布及材料流动。PADMANABAN R等[73]建立了基于CFD的数值模型，预测了异种铝合金AA2024和AA7075的FSW过程中的温度分布和材料流动。结果表明，焊接板中的峰值温度随刀具旋转速度和轴肩直径的增加而升高，而峰值温度随焊接速度的增加而降低；增加刀具旋转速度和轴肩直径会增加物料流动，而增加焊接速度会减少搅拌区的物料流动。

焊接过程中材料的流动伴随着显著的应力变化，导致接头出现残余应力和残余变形，从而影响接头的力学性能。通过FSW的数值仿真对深入研究焊接残余应力分布和焊接残余变形有非常重要的意义。KHANDKAR M Z H等[74]通过建立顺序热力耦合模型来研究焊接过程，发现残余应力是由于温度循环而引起的，表明顺序热力耦合有限元模型可以成功地模拟焊接过程。SELVAMANI S T等[75]通过加载移动热源的方法对6061-T6铝合金的温度场进行了分析，发现搅拌头前进侧的温度比返回侧高，且最高温度在前进侧。RIAHI M等[76]建立了FSW三维数值模型，研究焊接速度对搅拌头与构件之间摩擦生热和残余应力的影响。结果表明，搅拌头轴肩下方的材料具有较大的温度梯度，并且随着焊接速度的增大残余应力逐渐增大。JAMSHIDI A H等[77]建立了不同铝合金焊接的数值模型，研究不同焊接参数对温度和残余应力的影响。研究发现，搅拌头转速对拉伸残余应力区域有较大的影响，而焊接速度主要影响横向残余应力的分布。

通过数值模拟的方式可以优化工艺参数，并根据模拟结果确定搅拌头的尺寸及加工标准，对提高焊接质量有很重要的作用。AHMAD K N等[78]对FSW过程的各个阶段(插入、停留和移动)进行了慢、快工艺参数的模拟，并与以往在同一钢种上的试验结果进行了比较。在每个模型中，发现焊缝形状和焊缝表面飞边与先前的实验结果非常接近。SALLOOMI K N等[79]采用有限元方法对6061-T6铝合金T型接头FSW过程进行了完全热力耦合模拟焊接过程的3个阶段(插入、停留和移动)。计算结果表明，随着刀具的推进，最大应力逐渐由蒙皮部分向纵梁部分移动，摩擦耗散能是产生FSW所需热量的主要原因。BOUKRAA M等[80]通过对典型铝锂合金AA2195-T8最佳工艺条件的预测，结合三维瞬态传热计算的优化来改善工艺参数。LONG L等[81]建立了考虑倾角的三维热力耦合有限元模型。模拟结果显示，焊缝在0°倾角条件下出现虫孔缺陷，而在2°倾角条件下未观察到虫洞缺陷；当刀具倾角为2°时，刀具后部材料的峰值温度和压缩法向应力均升高。ZHANG S等[82]提出了几何模型和不完全接触边界条件的CFD模型，以研究刀具倾角对FSW过程中传热传质的影响；根据仿真结果，得出了刀具倾角对传热传质的3种影响。

4 设备

国内外各大工业集团和研究机构都在搅拌摩擦焊设备方面进行了大量的研究和开发工作。

1999年秋季，位于英国布里斯托尔(Bristol)附近的空中客车公司(Airbus)从哈利法克斯(Halifax)的克劳福德·斯威夫特(Crawford Swift)推出了一台Powerstir搅拌摩擦焊设备，用于制造飞机机翼和机身的焊接。自2000年以来，Powerstir搅拌摩擦焊设备为广泛的工程应用而开发，它不仅能够满足结构刚度和载荷感应的要求，而且可以承受更大的焊接载荷，从而确保精确的力控制和最小的挠度。英国精密技术集团(Precision Technologies Group, PTG)已经将Powerstir搅拌摩擦焊设备的性能提升了一个新的高度，使用PTG固定销工具成功焊接了3 mm和8 mm厚度的航空级合金钢和航空航天级钛合金，在一系列具有挑战性的配置(2 mm～35 mm的铝合金)中也获得了优异的效果。它的主要特征包括：CNC控制、生产监控、力控制、焊接温度监控、联合跟踪、气体保护、机器夹具、数据采集系统和高度感应。

美国通用工具公司(General Tool Company, GTC)一直处于搅拌摩擦焊技术的最前沿，是顶级搅拌摩擦焊公司之一，主要设计和制造AccuStir系列搅拌摩擦焊设备，如图3所示。使用GTC的专利技术来定制设计搅拌摩擦焊设备，可以满足特定行业需求。制造的带有真空夹紧装置的搅拌摩擦焊设备，主要用于航天运载火箭筒体的焊接。

图3 AccuStir型搅拌摩擦焊设备

美国制造技术公司(Manufacturing Technology Inc., MTI)的搅拌摩擦焊接工艺开发和零件生产正在许多行业产生巨大影响。MTI在全球范围内设计、制造和安装了搅拌摩擦焊设备，提供了世界级的搅拌摩擦焊接功能和一系列内部增值服务，包括焊接接头设计、工艺参数开发以及焊前和焊后处理。主要包括RM系列、LS系列、GG系列、双头搅拌摩擦焊。LS1双头搅拌摩擦焊设备是世界上最长的搅拌摩擦焊设备之一，如图4所示。它用于连接各种宽度和长度不超过55 in的平板、板材、薄板或挤压件。双头能力允许同时进行顶部和底部焊接，从而简化了生产。

图4 LS1双头搅拌摩擦焊设备

邦德科技(BOND Technologies)从紧凑型到大型多轴和多主轴系统，提供全系列的搅拌摩擦焊设备。主要包括PM系列、RM系列、LS系列、GG系列、特殊用途设备和补偿点焊。最通用的设备系列是GG系列，该系列提供固定工作台和导轨配置，非常适合处理大批量生产、复杂的几何形状和许多其他应用。

瑞典伊萨公司(Elektriska Svetsnings-Aktiebolaget, ESAB)制造的搅拌摩擦焊设备有标准化的Legio、工程定制的SuperStir(如图5所示)和功能强大的搅拌摩擦焊接机器人Rosio(如图6所示)。Legio拥有的模块化系统可组装适应的焊接工作站，让绝大多数搅拌摩擦焊接应用的需求成为可能；SuperStir属于定制设备，设计符合客户对全面自动化生产的要求；Rosio能够灵活地在三维工作空间的任意方向上焊接复杂的结构，在具有挑战性的FSW新应用中增加了使用的可能性。

图5 SuperStir型搅拌摩擦焊设备

图6 Rosio型搅拌摩擦焊接机器人

日立(Hitachi)开发设计有一维FSW设备、二维FSW设备、三维FSW设备、钢铁用2D-FSW设备、定制式FSW设备和FSW机器人设备。焊接设备具有刀具跟踪系统、自动回缩机头和数据采集系统等功能。

作为精密力和运动控制系统的全球领先提供商以及尖端FSW技术创新者，美国MTS系统公司(MTS Systems Corporation)已开发出一系列先进的搅拌摩擦焊设备，能够在线性和非线性轮廓上产生高速焊接。该公司研究开发的智能化搅拌摩擦焊设备包括：1)I-STIR CNC系列。特点是将先进的控制和仪器与铣床平台相结合，可提供多种工作范围。2)I-STIR BR系统。特点是桥式龙门结构，适合在宽xy平面上进行搅拌摩擦焊接。3)I-STIR VM系统。特点是C型框架结构，适合在长面板上进行x轴搅拌摩擦焊接。

2002年，中国第一家专业化的搅拌摩擦焊技术授权公司—中国搅拌摩擦焊中心即北京赛福斯特技术有限公司成立，标志着搅拌摩擦焊技术在中国市场的研发及工程应用工作的正式开启。公司成立以来，一直致力于搅拌摩擦焊技术在中国的创新发展与推广应用。该公司研制的搅拌摩擦焊设备具有先进、可靠、集成、数控、高效等特点，可以提供纵缝、环缝、平面二维、空间三维、点焊、双轴肩及机器人等搅拌摩擦焊设备。

航天工程装备(苏州)有限公司紧密围绕航空航天、新能源汽车、船舶制造以及电力电子等领域需求，不断突破智能型搅拌摩擦焊的关键软硬件技术，目前总体技术水平已达国际先进水平。现有的优势技术有大载荷主轴、高速电主轴技术，恒压力控制技术，焊缝轨迹控制技术，智能搅拌摩擦焊装备的光机电系统集成技术。

5 应用

目前，FSW技术已经被广泛应用于航空航天、船舶制造、轨道交通、汽车及能源等工业领域。

美国国家航空航天局从1995年开始就投入了大量资源对FSW技术进行开发，并且在之前的Space Shuttle Program与目前Space Launch System等项目中广泛应用。波音公司的Delta IV火箭、Space X公司的Falcon 9火箭和三菱重工的H-IIB火箭制造中都采用了FSW技术。洛克希德·马丁公司针对C-130大型运输机，在飞机货舱地板结构上采用FSW技术，实现了大型飞机壁板结构的整体化制造，降低了制造成本，缩短了制造周期，减少了自身质量。空客公司A350-800/900型飞机，在机身结构设计论证方案中采用FSW制造后的总质量减少了40%，制造周期减少20%。国内的FSW技术自2003年以来快速发展，在技术基础和应用验证开展了十余年的持续研究，中国航空工业集团公司北京航空制造工程研究所率先在新一代战机和运输机上进行了开发和应用。

在欧洲一些国家，FSW技术已在铝质汽车零部件制造中得到广泛应用。德国宝马公司实现了FSW技术在汽车车身、车轮、底盘和油箱等部件制造中的应用。瑞典萨帕公司和日本轻金属公司实现了FSW技术在地铁车辆铝模块化部件焊接中的应用。西门子公司和日立公司已广泛推行FSW技术开展铝合金车体制造。在汽车工业、高速客车与船舶建造领域，FSW技术为高强铝合金替代传统结构钢提供了重要基础。福特、奥迪、通用、路虎、沃尔沃、马自达等汽车公司以及世界各地的许多列车公司都率先应用了FSW技术；瑞典的Sapa公司、日本的川崎重工公司和新西兰的Tenix公司等都广泛使用了FSW技术制造的铝合金结构部件。船舶用铝合金部件是通过单面线性FSW连接长的挤压型板材，从而制造成大面积的板材。使用FSW技术能够为海军舰船制造大型零件，这些零件具有较小的尺寸畸变，可以减少装配和组装中畸变技术的要求；在不降低质量的情况下，降低了从制造到组装的总成本。

6 结语

FSW焊接技术极大地推动了先进制造技术的发展。面向未来，随着新材料、自动控制、智能制造等技术的发展以及异种材料、复合材料和复杂结构的高焊接要求，精密智能化焊接FSW工艺与装备将成为未来研究的主要趋势。