鋁合金是工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的有色金屬材料，在航空、航天、汽車、機械制造、船舶、建筑、裝修及化學(xué)工業(yè)中已大量應(yīng)用。材料技術(shù)的進步使鋁合金材料得到了快速發(fā)展,迄今已經(jīng)發(fā)展出航空鋁合金、宇航鋁合金、裝甲鋁合金、鋁基復(fù)合材料等不同系列和品種。隨著近年來科學(xué)技術(shù)以及工業(yè)經(jīng)濟的飛速發(fā)展，對鋁合金焊接結(jié)構(gòu)件的需求日益增多，使用量僅次于鋼，但鋁合金物理性質(zhì)造成的焊接問題也成為亟待攻克的重大難題。

圖1 .中國鋁合金產(chǎn)能走勢

在通常情況下,對于這些先進的鋁合金材料,制造工藝一般不推薦甚至禁止使用熔焊進行連接。但是攪拌摩擦焊可以焊接所有系列的鋁合金[2-3] (圖2),從方法上徹底解決了鋁合金材料的焊接問題。

圖2.?不同系列鋁合金材料可焊性對比

鋁合金特殊的物理性質(zhì)決定，鋁合金焊接難度大。因為鋁合金表面有一種熔點為2060℃非常難熔的氧化膜；采用傳統(tǒng)的熔化焊接方法，焊接時易產(chǎn)生氣孔，還會造成焊接面產(chǎn)生裂紋；甚至容易造成產(chǎn)品變形；熱導(dǎo)率大，焊接過程中還造成焊接接頭軟化。

中國攪拌摩擦焊中心賽福斯特，研發(fā)的攪拌摩擦焊技術(shù)，完全解決了鋁合金的特殊物理性質(zhì)造成的困擾。攪拌摩擦焊采取的是一種先進的固相連接工藝，與傳統(tǒng)的熔化焊接方法相比較 ,攪拌摩擦焊具有晶粒細小 ,疲勞性能、拉伸性能和彎曲性能良好、無塵煙、無氣孔、無飛濺、節(jié)能、無需焊絲、焊接時不需使用保護氣體、焊接后殘余應(yīng)力和變形小等優(yōu)點。幾乎成為一種完全為鋁合金材質(zhì)定制的焊接技術(shù)。

圖3. 攪拌摩擦焊原理

鋁合金攪拌摩擦焊焊縫表面與機械銑削加工痕跡相類似,呈現(xiàn)周期性的波紋特征。焊縫的寬度與攪拌工具的軸肩直徑相一致。鋁合金材料攪拌摩擦焊縫的宏觀顯微組織一般具有典型的"洋蔥環(huán)"狀特征。根據(jù)焊縫區(qū)域晶粒的特點和所經(jīng)歷的物理冶金過程,攪拌摩擦焊接頭一般具有4個特征區(qū)域,從焊縫中心到母材金屬分別是:動態(tài)再結(jié)晶區(qū)、熱-機影響區(qū)、熱影響區(qū)、母材金屬。其中動態(tài)再結(jié)晶區(qū)域的材料經(jīng)歷了高應(yīng)變速率條件下的回復(fù)和再結(jié)晶過程,熱-機影響區(qū)金屬材料在熱循環(huán)和摩擦壓力條件下主要發(fā)生了晶粒的畸變和長大,并且是攪拌摩擦焊區(qū)別于熔焊的特征區(qū)域。

圖4. 攪拌摩擦焊接船用寬幅鋁合金帶筋板

對于所有系列的鋁合金材料,攪拌摩擦焊工藝技術(shù)已經(jīng)基本成熟,在焊接厚度上早期英國焊接研究所（TWI）已經(jīng)實現(xiàn)了100mm 厚度以上鋁合金結(jié)構(gòu)可靠焊接。在中國,2003年北京航空制造工程研究所中國攪拌摩擦焊中心就已經(jīng)實現(xiàn)20mm厚度2000系列宇航材料的攪拌摩擦焊,2007年又實現(xiàn)了單道40m 厚度（雙面70mm)鋁合金攪拌摩擦焊接。到2010 攻克大厚度鋁合金攪拌摩擦焊關(guān)鍵技術(shù)，單面焊接厚度達到80mm。如今150mm大厚度鋁合金攪拌摩擦焊的雙面焊接技術(shù)也已經(jīng)突破。

圖5. 攪拌摩擦焊接實現(xiàn)80mm鋁合金厚板焊接

圖6.厚板115mm鋁合金攪拌摩擦焊接剖面

從焊接結(jié)構(gòu)角度講,一般認為攪拌摩擦焊是長、直焊縫（平板對接和搭接)的理想焊接方法,但是,實際上由于攪拌摩擦焊過程不存在被焊接材料的熔化,焊縫成形和質(zhì)量不會受到焊縫或工件位置的影響,主要依靠設(shè)備來保證,攪拌摩擦焊可以實現(xiàn)全位置結(jié)構(gòu)的焊接,如水平焊、垂直焊、仰焊以及任意位置和角度的軌道焊接。典型的攪拌摩擦焊接頭形式包括板板對接、多層對接、多層搭接、T形接頭、角接等。

圖7. 攪拌摩擦焊接焊縫結(jié)構(gòu)

中國攪拌摩擦焊中心賽福斯特2007年研制成功的國內(nèi)首臺大型多軸數(shù)控攪拌摩擦焊設(shè)備,已經(jīng)實現(xiàn)航天燃料貯箱橢球形箱底產(chǎn)品的縱縫和環(huán)縫攪拌摩擦焊。2008 國產(chǎn)大飛機部件實現(xiàn)攪拌摩擦焊制造。2015 實現(xiàn)國內(nèi)汽車鋁合金電池托盤攪拌摩擦焊接制造。

在國家相關(guān)機構(gòu)和部門的支持下,中國攪拌摩擦焊中心賽福斯特已經(jīng)完成了系列化的鋁合金材料的攪拌摩擦焊力學(xué)性能研究,其中包括純鋁、硬鋁、鍛鋁、鑄鋁超硬鋁及鋁鋰合金材料等。對于非熱處理強化鋁合金材料（如5083Al),攪拌摩擦焊的熱循環(huán)過程對材料的連接強度沒有影響,攪拌摩擦焊接頭硬度會明顯提高,拉伸測試一般在遠離焊縫的母材上斷裂,連接系數(shù)已達到了100%。對于熱處理強化鋁合金（如6082-T6、2219-T87和7075-T7351等),接頭強度的最低值一般出現(xiàn)在靠近焊核區(qū)的前進側(cè),經(jīng)過焊后固溶熱處理,接頭的性能可以得到回復(fù)和強化。對于7000系列超硬鋁和裝甲鋁合金,經(jīng)過自然時效,接頭的強度可以得到進一步提高。圖8為中國攪拌摩擦焊中心賽福斯特于2008年研究獲得的飛機鋁合金材料攪拌摩擦焊接頭室溫性能數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)的取得為我國新型飛機制造技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

圖8.?飛機鋁合金攪拌摩擦焊接頭室溫性能數(shù)據(jù)

中國攪拌摩擦焊接中心賽福斯特，18年來專注于攪拌摩擦焊接技術(shù)，已經(jīng)為國際國內(nèi)航天、航空、軌道交通、船舶、汽車工業(yè)、電子電力等工業(yè)企業(yè)提供了上千套解決方案。攪拌摩擦焊接技術(shù)正在快速的為更多的行業(yè)實現(xiàn)高強度焊接需求，如汽車電池托盤、汽車輪轂、汽車電機殼、激光器散熱系統(tǒng)、各種水冷散熱器、建筑鋁模板、5G基站配件等等。攪拌摩擦焊接技術(shù)已經(jīng)從軍用技術(shù)快速轉(zhuǎn)換為民用技術(shù)，廣泛應(yīng)用于鋁合金金屬材料焊接需求的工業(yè)企業(yè)。因全球環(huán)保及節(jié)能減排意識的增強，鋁及鋁合金的綠色環(huán)保性能被社會廣泛認可，鋁合金需求規(guī)模快速增長，中國攪拌摩擦焊接中心賽福斯特研發(fā)的攪拌摩擦焊技術(shù)正好迎合了鋁合金焊接需求的契機，為鋁合金的快速發(fā)展應(yīng)用起到了重要的推動作用。