張 晗，朱志明

1) 清華大學(xué)機(jī)械工程系，北京 100084 2) 清華大學(xué)先進(jìn)成形制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084 3) 中國(guó)人民解放軍32555部隊(duì)，廣州510730

摩擦焊（Friction welding，F(xiàn)W）是一類應(yīng)用于材料連接的固相熱壓焊方法，通過(guò)被焊工件接合面之間所施加壓力及高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生摩擦熱，在接合面及其鄰域達(dá)到熱塑性態(tài)后，再加壓頂鍛而使被焊工件連接成一體. FW是一個(gè)涉及熱、力、冶金、傳質(zhì)及其相互作用的復(fù)雜過(guò)程[1-3].

FW的概念由來(lái)已久，早在1891年，英國(guó)人J H Bevington就提出并獲得利用摩擦熱進(jìn)行焊接和擠壓的專利. 然而，直到1956年，才由前蘇聯(lián)學(xué)者研發(fā)出第一種實(shí)用的FW工藝—連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊（Continuous-drive friction welding, CDFW）. 20世紀(jì)60年代，F(xiàn)W技術(shù)在全球范圍獲得發(fā)展和推廣應(yīng)用，在同種或異種材料的高質(zhì)量連接中發(fā)揮了重要作用. 在汽車工業(yè)中，F(xiàn)W被用于焊接排氣閥、后橋殼和前輪驅(qū)動(dòng)軸等. 20世紀(jì)70年代中期之前，僅有CDFW在工業(yè)生產(chǎn)中獲得了實(shí)際應(yīng)用；之后，線性摩擦焊（Linear friction welding, LFW）等其他形式的FW技術(shù)陸續(xù)出現(xiàn)，非圓形零件得以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量FW連接[4-5]. 當(dāng)前，世界各主要工業(yè)國(guó)均有研究機(jī)構(gòu)對(duì)FW技術(shù)進(jìn)行深入的持續(xù)研究，如英國(guó)焊接研究所（The welding institute, TWI）、美國(guó)愛(ài)迪生焊接研究所（Edison welding institute, EWI）、法國(guó)焊接研究所（French welding institute, FWI）等.TWI在線性摩擦焊（LFW）、摩擦堆焊（Friction surfacing, FS）、攪拌摩擦焊（Friction stir welding,FSW）等方面取得了顯著成就，尤其是FSW技術(shù)，被認(rèn)為是鋁合金焊接的重大突破，在航天制造領(lǐng)域獲得重要應(yīng)用[6-7].

我國(guó)于1957年首次在哈爾濱焊接研究所（簡(jiǎn)稱哈焊所）建立了摩擦焊實(shí)驗(yàn)室，1965年，通過(guò)封閉加壓原理首次實(shí)現(xiàn)了鋁/銅的FW焊接. 1970年，我國(guó)將FW技術(shù)用于制造異種鋼排氣閥、鍋爐水冷壁、刀具、化工閥門等，1978年用于石油鉆桿管體和接頭的連接[8-9]. 20世紀(jì)80年代，F(xiàn)W技術(shù)被應(yīng)用于汽車半軸的焊接. 經(jīng)過(guò)數(shù)十年的研究，我國(guó)科研機(jī)構(gòu)對(duì)FW技術(shù)的研究日趨深入與成熟，其應(yīng)用進(jìn)一步拓展至航空航天[10-11]、高速鐵路[12]、電子工業(yè)[13]、船舶制造[14]等領(lǐng)域. FW技術(shù)以其優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、無(wú)污染的特色，在高技術(shù)領(lǐng)域零部件的生產(chǎn)制造中發(fā)揮著重要作用[15].

本文在對(duì)FW技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)歸納、合理分類及工藝特性簡(jiǎn)短說(shuō)明之后，首先，通過(guò)回顧連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊（CDFW）這一典型旋轉(zhuǎn)摩擦焊技術(shù)的研究和應(yīng)用，對(duì)其工藝過(guò)程進(jìn)行了深入剖析，探討了工藝參數(shù)控制和優(yōu)化問(wèn)題及其對(duì)接頭微觀組織和力學(xué)性能的影響機(jī)理；然后，對(duì)有限元模擬和分析方法在CDFW中的應(yīng)用研究及相關(guān)新技術(shù)的發(fā)展等進(jìn)行了簡(jiǎn)要總結(jié)；最后，給出了采用CDFW進(jìn)行異種金屬和非金屬材料焊接的工藝創(chuàng)新. 本文的主要目的是促進(jìn)對(duì)CDFW技術(shù)的更深入理解，以進(jìn)一步拓寬其發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域.

1 摩擦焊接技術(shù)的分類和優(yōu)勢(shì)

通常，按被焊工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)形式來(lái)區(qū)分摩擦焊（FW）類別：一類是被焊工件繞中心軸旋轉(zhuǎn)的連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊（CDFW）、慣性摩擦焊（Inertia friction welding, IFW）和相位摩擦焊（Phase friction welding, IFW）等；第二類是被焊工件不做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而是第三體或攪拌工具做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的徑向摩擦焊（Radial friction welding, RFW）和攪拌摩擦焊（FSW）等；第三類是被焊工件做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的線性摩擦焊（LFW）或堆敷材料做旋轉(zhuǎn)及移動(dòng)復(fù)合運(yùn)動(dòng)的摩擦堆焊（FS）等，如圖1所示.

也可按工藝特點(diǎn)對(duì)FW技術(shù)進(jìn)行分類：按照焊接界面是否達(dá)到被焊工件相變溫度，可劃分為高于相變溫度的普通（高溫）FW，低于相變溫度的低溫FW以及在超塑性溫度區(qū)間（如碳鋼奧氏體化溫度Ac1至Ac1以下15～25 ℃區(qū)間）的超塑性FW；按照在FW過(guò)程中所采取的工藝措施，可劃分為在惰性氣體保護(hù)氛圍下進(jìn)行的氣體保護(hù)FW，通過(guò)感應(yīng)線圈對(duì)被焊工件加熱的感應(yīng)加熱FW，對(duì)被焊工件施加外部電流的導(dǎo)電加熱FW；按照與其他工藝的復(fù)合情況，可分為在被焊工件表面預(yù)置合適釬料的釬層FW，利用FW原理將硬質(zhì)材料嵌入至較軟材料的嵌入FW；按照焊接環(huán)境，除在空氣中進(jìn)行的常規(guī)FW外，還有在水下進(jìn)行的水下FW，如圖1所示[1,16-18].

圖1 摩擦焊接技術(shù)分類Fig.1 Classification of the friction welding technology

與熔化焊接技術(shù)相比，F(xiàn)W的最大優(yōu)勢(shì)是實(shí)現(xiàn)了被焊工件的固相連接，即無(wú)需使待焊工件達(dá)到熔融態(tài)，加之所施加的各種力使熱塑性金屬產(chǎn)生局部變形，形成的焊縫為鍛造組織而非鑄造組織，從而有效地提高了焊接接頭的力學(xué)性能. FW技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)為：(1) 接頭性能優(yōu)良，可有效減少裂紋、氣孔、偏析等缺陷，高溫和熱塑性金屬的局部形變進(jìn)一步使焊縫產(chǎn)生再結(jié)晶，可獲得與母材性能相近的接頭[2,19]；(2) 能耗少（只有熔焊的10%～20%）、效率高，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和大規(guī)模生產(chǎn)，接頭可靠性高，可重復(fù)性好[20]；(3) 原材料消耗少、清潔無(wú)污染，無(wú)需焊條、焊絲、焊藥及保護(hù)氣體等，也不產(chǎn)生弧光、火花、煙霧和焊渣等[1]；(4) 具有廣泛的可焊性，可焊接碳鋼、合金鋼和有色金屬等同種材料，還可以是2種性能相差較大的異種金屬材料，也適用于焊接性能完全不同的金屬與非金屬材料，如合金與塑料、陶瓷等[10,21-22]；(5) 焊件準(zhǔn)備容易、對(duì)操作人員技術(shù)要求低. 待焊工件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，可將其連接面的毛刺、毛邊及雜質(zhì)等有效清除，焊前無(wú)需拋光、打磨等工藝措施，且可預(yù)置全部工藝參數(shù)[2].

FW技術(shù)也存在不足之處：一是焊接過(guò)程將形成飛邊，從而無(wú)法應(yīng)用于因空間限制無(wú)法實(shí)施飛邊去除工藝的場(chǎng)合；二是至少有一個(gè)待焊件可塑性變形；第三是FW設(shè)備造價(jià)昂貴，由于待焊工件需要做旋轉(zhuǎn)、線性、軌道等運(yùn)動(dòng)，要求驅(qū)動(dòng)電機(jī)能提供較大驅(qū)動(dòng)力[2].

2 連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊接過(guò)程及工藝參數(shù)對(duì)接頭性能的影響

2.1 連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊接過(guò)程及工藝參數(shù)

CDFW的原理和工藝參數(shù)變化規(guī)律如圖2所示. 安裝在電機(jī)主軸上的工件以恒速旋轉(zhuǎn)，安裝在移動(dòng)夾具上的工件水平移動(dòng)，同時(shí)對(duì)工件施加適當(dāng)?shù)妮S向壓力（摩擦壓力），使工件接觸面之間相互摩擦升溫，當(dāng)溫度達(dá)到使被焊工件的接合面及其鄰域呈熱塑性態(tài)時(shí)，迫使工件快速停止旋轉(zhuǎn)，同時(shí)，迅速施加頂鍛力，并保持一段時(shí)間，以使被焊工件的端部產(chǎn)生足夠的塑性變形，從而使兩工件牢固地連接在一起. 根據(jù)工藝參數(shù)的變化，CDFW可分為摩擦和頂鍛2個(gè)階段，根據(jù)摩擦扭矩的變化，可進(jìn)一步將摩擦階段分為加熱摩擦和準(zhǔn)穩(wěn)定摩擦 2 個(gè)子階段（圖 2（b））.

圖2 連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊. （a）原理示意圖；（b）工藝參數(shù)變化規(guī)律Fig.2 Continuous-drive friction welding: (a) schematic diagram; (b) change of the process parameters

在加熱摩擦階段，工件端面上的微凸體發(fā)生黏接與剪切，產(chǎn)生大量的滑動(dòng)摩擦熱；隨著接觸面積的增大，摩擦扭矩快速升高，摩擦界面處的溫度也迅速上升，逐漸覆蓋一層高溫黏塑性金屬；界面產(chǎn)熱機(jī)制由初期的摩擦生熱變?yōu)榻饘偎苄宰冃萎a(chǎn)熱，摩擦扭矩升高到前峰值. 在準(zhǔn)穩(wěn)定摩擦階段，熱量向兩側(cè)工件傳導(dǎo)，母材溫度隨之升高，界面處的高溫黏塑性金屬發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶使變形抗力降低，摩擦扭矩逐漸降低；在軸向壓力作用下，界面處的高溫黏塑性金屬發(fā)生輕微的徑向塑性流動(dòng)，形成較小的飛邊；界面溫度與摩擦扭矩基本保持不變，高溫分布范圍和飛邊逐漸擴(kuò)大.

當(dāng)工件端面及其鄰域的高溫分布范圍、變形量達(dá)到一定程度后，進(jìn)行電機(jī)剎車制動(dòng)，并使工件軸向壓力迅速升高到所設(shè)定的頂鍛壓力，進(jìn)入頂鍛階段；在軸向縮短量急驟增大的同時(shí)，伴隨著界面溫度急劇降低，摩擦扭矩增大，達(dá)到后峰值；通過(guò)相互擴(kuò)散和再結(jié)晶，界面處的兩側(cè)金屬達(dá)到原子級(jí)別的結(jié)合，完成整個(gè)焊接過(guò)程.

2.2 工藝探索及參數(shù)對(duì)接頭性能影響

如圖2(b)所示，CDFW的主要工藝參數(shù)包括電機(jī)轉(zhuǎn)速、摩擦壓力和時(shí)間、頂鍛壓力和頂鍛時(shí)間、軸向縮短量等. 從機(jī)理上看，它們影響界面產(chǎn)熱、溫度場(chǎng)與接頭形成機(jī)制；從接頭性能和宏觀形貌上看，它們決定了接頭顯微組織、力學(xué)性能以及飛邊形態(tài). 以探索合理的工藝參數(shù)規(guī)范區(qū)為目標(biāo)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)工藝參數(shù)對(duì)CDFW接頭性能的影響進(jìn)行了廣泛而深入的研究.

2.2.1 電機(jī)轉(zhuǎn)速的影響

電機(jī)轉(zhuǎn)速與界面產(chǎn)熱功率正相關(guān)，提高電機(jī)轉(zhuǎn)速，可以更快地達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)定摩擦階段，并提升最高界面溫度，減少焊接時(shí)間，增加軸向縮短量. 但是，過(guò)高的電機(jī)轉(zhuǎn)速，將影響塑性變形層沿焊接界面的徑向擴(kuò)散，造成焊接缺陷. 2011年，Li和Wang[23]采用仿真和試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究分析了電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)中碳鋼CDFW過(guò)程的影響，結(jié)果表明，焊接過(guò)程準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)摩擦階段的界面溫度隨電機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而升高，軸向縮短量隨電機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而增大.

電機(jī)轉(zhuǎn)速也是飛邊形成及其形貌演變的主要影響因素. 2018年，Li等[12]系統(tǒng)分析了電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)AA6061-T6鋁合金CDFW接頭形貌的影響. 隨著轉(zhuǎn)速的增加，接頭的熱模型依次呈“剪刀形（Scissor shape）”、“雙 橢 圓 形 （Double-ellipse shape）”和“盤形（Disc shape）”，如圖 3 所示. 綜合性能分析表明，900 r·min-1為最優(yōu)轉(zhuǎn)速，達(dá)到預(yù)定的軸向縮短量所需摩擦?xí)r間最短、加熱摩擦階段的摩擦做功（產(chǎn)熱）占比最多；轉(zhuǎn)速超過(guò)1500 r·min-1，接頭出現(xiàn)局部未焊合區(qū).

圖3 不同轉(zhuǎn)速下的AA6061-T6鋁合金CDFW接頭界面形態(tài)演變[12]Fig.3 Evolution of the AA6061-T6 alloy CDFW joint interface morphologies under different rotation speeds[12]

2020年，金峰等[11]研究了電機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)GH4169鎳基高溫合金飛邊成形的影響. 隨轉(zhuǎn)速增加，飛邊依次呈現(xiàn)光滑（Smooth flash）、表面弧紋（Arcuate microcracked flash）、開(kāi)裂形貌（Cracked flash），如圖4所示. 光滑形貌是塑性環(huán)在界面中徑到邊緣處（0.43R～R）形核，隨后鋪展并擠出界面發(fā)生飛邊連續(xù)生長(zhǎng)現(xiàn)象，即飛邊是塑化金屬均勻流鋪、擠出形成的；弧紋和開(kāi)裂形貌對(duì)應(yīng)塑性環(huán)形核在界面內(nèi)側(cè)（0～0.43R），在界面壓力的作用下，塑化金屬被封閉在界面內(nèi)部無(wú)法擠出，飛邊是焊接后期界面金屬快速鐓粗變形形成的. 飛邊形貌對(duì)接頭外緣延伸率有顯著影響：光滑、弧紋、開(kāi)裂形貌分別對(duì)應(yīng)接頭外緣延伸率17%、9%、6%.

圖4 不同轉(zhuǎn)速下的GH4169 CDFW接頭飛邊形貌演變[11]Fig.4 Evolution of the flash appearance of the GH4169 CDFW joint with different rotation speeds[11]

2.2.2 摩擦?xí)r間的影響

摩擦?xí)r間與焊接界面產(chǎn)熱量正相關(guān)，時(shí)間越長(zhǎng)，形成的塑性金屬越多，軸向縮短量越大，有利于接頭快速成型；但摩擦?xí)r間過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)熱量過(guò)多，對(duì)同種金屬，容易達(dá)到熔點(diǎn)，造成接頭與母材性能差異；對(duì)異種金屬，過(guò)長(zhǎng)的摩擦?xí)r間容易形成更多的不利于接頭性能的金屬間化合物（Intermetallic compounds, IMC）層. 摩擦?xí)r間對(duì)接頭抗拉強(qiáng)度、延展性等力學(xué)性能以及微觀組織性能等有重要影響. 2017年，Liang等[13]研究了摩擦?xí)r間對(duì)5A33鋁合金和AZ31B鎂合金CDFW接頭性能的影響. 接頭的頂鍛作用區(qū)、軸向縮短量以及鎂合金側(cè)的全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶區(qū)（Fully dynamic recrystallized zone, FDRZ）的寬度均與摩擦?xí)r間正相關(guān)，如圖5所示. 接頭抗拉強(qiáng)度隨摩擦?xí)r間的增加先增加，后稍微減少并趨于穩(wěn)定，并在5 s時(shí)得到最大抗拉強(qiáng)度，由IMC層造成的硬化區(qū)厚度也與摩擦?xí)r間正相關(guān).

圖5 5A33鋁合金和AZ31B鎂合金CDFW接頭在不同摩擦?xí)r間下的宏觀形貌[13]Fig.5 Optical macrographs of the 5A33 Al alloy to the AZ31B Mg alloy CDFW joints at different friction time[13]

2019年，Cheniti等[24]研究了摩擦?xí)r間對(duì)AISI 304L不銹鋼和WC-Co金屬陶瓷CDFW接頭的影響，發(fā)現(xiàn)飛邊尺寸與摩擦?xí)r間正相關(guān)，如圖6所示. 經(jīng)微觀組織分析發(fā)現(xiàn)，熱影響區(qū)（Heat affected zone, HAZ）和熱力影響區(qū)（Thermal mechanically affected zone, TMAZ）的晶粒尺寸、FDRZ的范圍隨摩擦?xí)r間的增加而增加；通過(guò)力學(xué)性能測(cè)試發(fā)現(xiàn)，接頭楊氏模量隨摩擦?xí)r間的增加而變大，焊縫區(qū)硬度隨摩擦?xí)r間的增加而減少；抗拉強(qiáng)度隨摩擦?xí)r間的增加先增大后減小. 并指出，抗拉強(qiáng)度減少是由于過(guò)高的溫度易導(dǎo)致WC-Co金屬陶瓷產(chǎn)生裂紋.

圖6 不同摩擦?xí)r間的 AISI 304L 和 WC-Co 金屬陶瓷的 CDFW 接頭形態(tài)[24]. （a）4 s；（b）6 s；（c）8 s；（d）10 s；（e）12 sFig.6 Photos of the AISI 304L to WC-Co cermet CDFW joints obtained using different friction times[24]: (a) 4 s; (b) 6 s; (c) 8 s; (d) 10 s; (e) 12 s

2.2.3 軸向壓力的影響

軸向壓力（摩擦壓力和頂鍛壓力）也是探索CDFW工藝參數(shù)對(duì)接頭性能影響的重要方向，適當(dāng)增加軸向壓力，有利于產(chǎn)生更多的塑性變形，增大飛邊尺寸，增強(qiáng)焊縫力學(xué)性能；但過(guò)高的軸向壓力也容易導(dǎo)致過(guò)多的塑性金屬擠出，焊接界面溫度下降. 2011年，Li和Wang[23]通過(guò)仿真和試驗(yàn)研究分析了軸向壓力對(duì)中碳鋼CDFW過(guò)程的影響：軸向縮短出現(xiàn)的時(shí)刻、焊接界面的最高溫度與軸向壓力負(fù)相關(guān)，軸向縮短量與軸向壓力正相關(guān).2019年，Khidhir和 Baban[25]研究了頂鍛壓力對(duì)AISI 1045中碳鋼和AISI 316L奧氏體不銹鋼CDFW接頭性能的影響. 當(dāng)頂鍛壓力增加時(shí)，接頭顯微硬度增加，且高于母材，產(chǎn)生更多的脆性IMC，抗拉強(qiáng)度降低，在75 MPa的較小頂鍛壓力下，獲得了90%的最優(yōu)接合效率（接頭抗拉強(qiáng)度與較軟母材AISI 316L的抗拉強(qiáng)度之比），也就是說(shuō)，過(guò)大的頂鍛壓力對(duì)接頭的抗拉強(qiáng)度是不利的.

2.2.4 綜合分析

對(duì)多工藝參數(shù)組合進(jìn)行綜合分析，可從多個(gè)維度對(duì)CDFW接頭性能進(jìn)行評(píng)估，確定合理的工藝參數(shù)規(guī)范區(qū). 2009年，Kimura等[26]研究了摩擦?xí)r間和頂鍛壓力對(duì)Al-Mg合金（AA5052）和低碳鋼（LCS）CDFW的接合效率與強(qiáng)度的影響，如圖7所示. 結(jié)果表明，接合效率先是與摩擦?xí)r間正相關(guān)，當(dāng)摩擦?xí)r間超過(guò)12 s后，則與其負(fù)相關(guān)；在摩擦?xí)r間為3 s、頂鍛壓力高于150 MPa的條件下，接頭接合效率可達(dá)100%. 2017年，Sakiyan等[27]分析了摩擦?xí)r間和頂鍛壓力對(duì)閥鋼X45CrSi9-3/Nimonic 80A合金CDFW接頭性能的影響，結(jié)果表明，飛邊尺寸隨頂鍛壓力和焊接時(shí)間的增加而增加，提高頂鍛壓力和焊接時(shí)間可有效提高接頭抗拉強(qiáng)度，合適的工藝參數(shù)可使接頭抗拉強(qiáng)度大于母材.

圖7 AA5052與LCS的CDFW接頭形貌（a）及對(duì)應(yīng)的摩擦扭矩曲線（b）[26]Fig.7 Joint morphology (a) and friction torque curve (b) during the CDFW of AA5052 to LCS[26]

2019年，Liu等[28]綜合分析了摩擦壓力40 MPa下，摩擦?xí)r間（FT）、頂鍛壓力（UP）對(duì) Al 6061鋁合金和SS 304不銹鋼CDFW接頭性能的影響，如圖8所示. 隨著頂鍛壓力的增加，Al的塑性變形增加，飛邊尺寸增加，如圖8(a)和圖8(b)所示；接頭的抗拉強(qiáng)度隨摩擦壓力先增大后減小，在頂鍛壓力小于220 MPa的條件下，抗拉強(qiáng)度與頂鍛壓力大致呈線性關(guān)系；摩擦?xí)r間的增加將產(chǎn)生更多的塑性變形，形成包裹狀的飛邊，是影響軸向縮短量的最重要因素，如圖8(c)所示. 顯微硬度測(cè)試發(fā)現(xiàn)，Al母材一側(cè)形成厚度與摩擦?xí)r間正相關(guān)的軟化區(qū).

圖8 工藝參數(shù)對(duì)接頭形態(tài)的影響[28]. （a）FT=4 s, UP=120 MPa；（b）FT=4 s, UP=220 MPa；（c）FT=6 s, UP=220 MPaFig.8 Influence of the process parameters on the joint morphology[28]: (a) FT=4 s, UP=120 MPa; (b) FT=4 s, UP=220 MPa; (c) FT=6 s, UP=220 MPa

2.3 數(shù)值分析和模擬與工藝參數(shù)優(yōu)化

以有限元（Finite element, FE）模擬分析為代表的數(shù)值分析方法，在建立焊接過(guò)程溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)模型、開(kāi)展接頭性能研究中獲得了廣泛應(yīng)用，是深入研究工藝參數(shù)影響規(guī)律及優(yōu)化的有效方法. 2016年，Reddy建立了AA2024-T6鋁合金與Zr705鋯合金CDFW的FE模型，模擬研究了電機(jī)轉(zhuǎn)速、摩擦壓力和時(shí)間以及頂鍛壓力對(duì)接頭抗拉強(qiáng)度、塑性變形和飛邊成型的影響，獲得了最優(yōu)工藝參數(shù)[29]. 2019年，Nan等[30]基于DEFORM軟件建立了GH4169鎳基高溫合金CDFW二維FE模型以研究電機(jī)轉(zhuǎn)速和摩擦壓力對(duì)焊接時(shí)間的影響，如圖9所示，在計(jì)算獲得滑動(dòng)、剪切摩擦之間的臨界轉(zhuǎn)變點(diǎn)時(shí)，使用了最大熵產(chǎn)生原理，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的有效性，結(jié)果表明，臨界轉(zhuǎn)變所需摩擦?xí)r間隨電機(jī)轉(zhuǎn)速的增加先減少、后增加，隨著摩擦壓力的增加而減少.

圖9 GH4169 CDFW 有限元分析[30]. （a）工件的二維軸對(duì)稱和網(wǎng)格模型；（b）溫度場(chǎng)；（c）接頭形貌Fig.9 Finite element (FE) models of the GH4169 CDFW[30]: (a) 2D axisymmetric model and meshing of the workpiece; (b) temperature contour; (c) joint morphology

響應(yīng)表面優(yōu)化方法（Response surface methodology, RSM）、遺傳算法（Genetic algorithm, GA）和田口正交實(shí)驗(yàn)法等統(tǒng)計(jì)方法和優(yōu)化算法可用于深入研究工藝參數(shù)對(duì)接頭力學(xué)性能、微觀組織等的影響規(guī)律，是優(yōu)化焊接工藝參數(shù)的有效方法.2016年，Sahin[31]基于RSM建立了AISI 304不銹鋼和銅CDFW接頭抗拉強(qiáng)度與摩擦壓力和時(shí)間、頂鍛壓力和時(shí)間、電機(jī)轉(zhuǎn)速3組工藝參數(shù)的關(guān)系，獲得了最優(yōu)工藝參數(shù). 分析發(fā)現(xiàn)，摩擦壓力和時(shí)間對(duì)接頭抗拉強(qiáng)度影響最大，電機(jī)轉(zhuǎn)速次之，IMC層使接頭硬度增大，抗拉強(qiáng)度減小. 也是在2016年，Winiczenko[32]使用混合響應(yīng)面法和GA來(lái)建立焊接模型、仿真并優(yōu)化，研究了摩擦壓力和時(shí)間等工藝參數(shù)對(duì)AISI 1020低碳鋼/ASTM A536球墨鑄鐵接頭性能的影響，并獲得最佳工藝參數(shù)，結(jié)果表明，接頭抗拉強(qiáng)度與摩擦壓力和時(shí)間正相關(guān)，如圖10所示. 2019年，Sreenivasan等[33]將 GA應(yīng)用于AA7075鋁合金CDFW電機(jī)轉(zhuǎn)速（SS）、摩擦壓力（FP）、頂鍛壓力（UP）和軸向縮短量（BOL）等工藝參數(shù)優(yōu)化，使用田口正交實(shí)驗(yàn)法研究了工藝參數(shù)對(duì)接頭性能的影響：對(duì)SS，F(xiàn)P，UP，BOL分別設(shè)置了3檔不同參數(shù)，將不同檔的工藝參數(shù)組合進(jìn)行了27組CDFW實(shí)驗(yàn)（UP，BOL的變化規(guī)律一致），使用Minitab-16統(tǒng)計(jì)軟件解算出接頭硬度和拉伸強(qiáng)度的回歸模型，再通過(guò)基于GA的參數(shù)優(yōu)化算法，可以方便地以最小迭代次數(shù)將工藝參數(shù)收斂至不同權(quán)重的優(yōu)化值，解決了需要進(jìn)行大空間搜索工藝參數(shù)的難題.

圖10 AISI 1020和ASTM A536的CDFW及焊接工藝基本流程[32]Fig.10 Experimental setup for AISI 1020 to ASTM A536 CDFW with the basic steps in the welding process[32]

3 異種材料的摩擦焊連接與工藝創(chuàng)新

研究表明，連接前，在工件表面添加溶劑或中間層，是采用FW連接異種材料的有效方法，是潛在的研究和發(fā)展方向. 1998年，Weiss和Sassani[21]使用CDFW連接部分穩(wěn)定氧化鋯陶瓷材料和鋼（St37），實(shí)現(xiàn)方法為，先將陶瓷和鋁合金（Al-Si1MgMn）中間層焊接，再將鋼與鋁合金中間層連接，有效拓展了金屬與非金屬接頭的連接范圍.2003年，Lin等[34]研究了蒸餾水、甲醇、乙醇、丙酮和助溶劑等對(duì)聚氯乙烯（PVC）與聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）CDFW接頭性能的影響，當(dāng)工件開(kāi)始接觸時(shí)，使用毛細(xì)效應(yīng)在工件表面添加溶劑，摩擦熱使溶劑進(jìn)入焊接界面，降低玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，促進(jìn)焊接表面塑化，頂鍛過(guò)程中，溶劑可增加工件的濕潤(rùn)區(qū)域. 結(jié)果表明，使用蒸餾水處理后接頭的抗拉強(qiáng)度最多可提高360%，圖11展示了未使用溶劑和蒸餾水條件下拉伸試驗(yàn)斷面微觀組織形態(tài)，添加蒸餾水后的“點(diǎn)”斷裂區(qū)域要明顯大于未使用溶劑的情形，說(shuō)明經(jīng)溶劑浸潤(rùn)后，PMMA和PVC產(chǎn)生了更為緊密的結(jié)合.

圖11 聚氯乙烯與聚甲基丙烯酸甲酯CDFW焊縫拉伸試驗(yàn)斷面微觀組織形態(tài)對(duì)比（Fud—中心區(qū)，F(xiàn)pd—周邊區(qū)，F(xiàn)pl—中間部分）. （a）未使用溶劑；（b）添加蒸餾水Fig.11 Comparison of the microstructure morphologies of the CDFW joints after the tensile test (Fud—central zone, Fpd—middle section,Fpl—peripheral zone): (a) without solvent treatment; (b) treated with distilled water

IMC層的產(chǎn)生不利于異種金屬FW接頭性能，IMC與母材性能差異較大，容易發(fā)生脆性斷裂，造成焊接缺陷. 2017年，Cheepu等[35]在研究CP-Ti鈦合金與SS 304不銹鋼CDFW過(guò)程中，通過(guò)新型電沉積技術(shù)在不銹鋼工件表面鍍上鎳中間層，可有效減少IMC對(duì)接頭性能的影響，提高接頭抗拉強(qiáng)度（添加鎳中間層的焊縫拉伸強(qiáng)度可達(dá)280 MPa，無(wú)中間層的焊縫為220 MPa），如圖12所示.

圖12 中間層添加及CDFW示意圖[35]. （a）為不銹鋼工件電沉積添加鎳中間層；（b）帶有鎳中間層的CDFWFig.12 Schematic of the interlayer insertion and the CDFW[35]: (a) insertion of the Ni interlayer on the stainless-steel substrate through the electrodeposition process; (b) CDFW with the Ni interlayer

在進(jìn)行異種金屬材料FW時(shí)，有研究嘗試焊前對(duì)強(qiáng)度高的一側(cè)材料的焊接界面進(jìn)行預(yù)加熱，以改善FW接頭的性能. 鋁、銅材料廣泛應(yīng)用于熱交換器和電器元件，但它們的熔點(diǎn)差異很大（Al為660 ℃，Cu為1083 ℃），當(dāng)焊接界面產(chǎn)熱不足時(shí)，焊接區(qū)將無(wú)法充分塑化，形成焊接缺陷. 2018年，Wang等在AA1100鋁和H5黃銅的CDFW過(guò)程中，分別在330和600 ℃的溫度下對(duì)黃銅（硬質(zhì)面）進(jìn)行預(yù)熱，使其軟化，結(jié)果表明，在330 ℃的預(yù)熱溫度下，接頭結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到母材（鋁）的70%，優(yōu)于不預(yù)熱的35%和600 ℃預(yù)熱溫度的27%；接頭硬度由不預(yù)熱的HV 80提升至330 ℃預(yù)熱的HV 190和600 ℃預(yù)熱的HV 250，不同預(yù)熱溫度下的接頭斷面結(jié)構(gòu)，如圖13所示[36].

除焊前預(yù)加熱，焊后熱處理能有效細(xì)化晶粒、改善接頭性能，是獲得性能優(yōu)良的FW接頭的另一有效方法. 以45#鋼為代表的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造行業(yè)，特別是在交變載荷下工作的軸類、連桿、螺栓、齒輪等. 由于其碳含量較高，焊接性較差，使用FW連接45#鋼類零件，能有效克服熔化焊接工藝中的熱裂紋、冷裂紋、氣孔、焊接接頭脆化等缺陷. 2015年，遲露鑫和吳瑋[37]研究了熱處理對(duì)大直徑（φ75 mm）45#鋼CDFW接頭組織性能的影響. 結(jié)果表明，CDFW接頭全部焊合，無(wú)開(kāi)裂、夾渣、氣孔等缺陷，熱處理前接頭晶粒度較大，焊縫界面的顯微硬度過(guò)高，經(jīng)正火、淬火和回火后，接頭組織明顯得到細(xì)化，焊縫和母材組織基本接近，其接頭形貌如圖14所示.

圖14 45#鋼CDFW接頭形貌[37]Fig.14 Macrographs of the 45# steel CDFW joint[37]

4 實(shí)際工程應(yīng)用和典型裝備

FW技術(shù)在20世紀(jì)中葉進(jìn)入工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域后，廣泛應(yīng)用于鋼、超合金、鋁合金、鈦合金、銅合金及異種材料的焊接組合之中，涵蓋的工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域從大眾工業(yè)產(chǎn)品到精密復(fù)雜的航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造. 2015年，Kimura等[38]嘗試用CDFW連接厚度僅為1.5 mm的A6063鋁合金和AISI 304（SUS304）不銹鋼薄壁管件，發(fā)現(xiàn)在制動(dòng)期間A6063側(cè)發(fā)生嚴(yán)重變形. 為防止這種情況出現(xiàn)，在摩擦?xí)r間結(jié)束后，通過(guò)停止工件旋轉(zhuǎn)再頂鍛，可實(shí)現(xiàn)短摩擦?xí)r間的薄壁工件接合，并且A6063側(cè)在制動(dòng)過(guò)程中沒(méi)有變形，圖15展示了CDFW焊機(jī)和焊接時(shí)間0.4 s、頂鍛壓力為30 MPa的薄壁管件接頭形貌.

圖15 薄壁管件 CDFW[38]. （a）焊機(jī)結(jié)構(gòu)；（b）接頭形貌Fig.15 Thin-walled pipe CDFW[38]: (a) welder structure; (b) joint morphology

2018年，Nasution等[39]通過(guò)CDFW將由純鐵和SS 316L型不銹鋼構(gòu)成的皮質(zhì)骨螺釘連接，如圖16所示. 該螺釘?shù)木C合力學(xué)性能接近皮質(zhì)骨，植入60 d后，其耐腐蝕性良好，不會(huì)影響傷口愈合.

圖16 皮質(zhì)骨螺釘 CDFW[39]. （a）接頭形貌；（b）皮質(zhì)骨螺釘設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)Fig.16 Cortical bone screw CDFW[39]: (a) joint morphology; (b) schematic design of cortial bone screws

伴隨著對(duì)FW的深入研究，摩擦焊接設(shè)備的加熱功率、加壓能力和控制水平是其推廣應(yīng)用的關(guān)鍵因素. 歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)FW裝備的研發(fā)時(shí)間較長(zhǎng). 目前世界上最大的CDFW焊機(jī)是由美國(guó)MTI（Manufacturing Technology, Inc.）公司制造的，重約350 t，可用于筒形部件焊接. 且國(guó)外研發(fā)的CDFW焊機(jī)大多采用較為先進(jìn)的Windows平臺(tái)焊接軟件，采用電氣伺服作為施力系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)與焊接過(guò)程的集成控制，具備實(shí)時(shí)顯示焊接參數(shù)、在線控制、故障診斷、歷史數(shù)據(jù)查詢等先進(jìn)功能. 如MTI公司設(shè)計(jì)的摩擦焊機(jī)，利用液壓比例控制等先進(jìn)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)CDFW和IFW的相互轉(zhuǎn)換；德國(guó)TFW公司設(shè)計(jì)制造的CDFW焊機(jī)配有工業(yè)計(jì)算機(jī)和PLC，實(shí)現(xiàn)了焊接過(guò)程參數(shù)化、焊接回放等功能[40]. 我國(guó)作為開(kāi)展FW技術(shù)較早的國(guó)家之一，也研制了一系列專用摩擦焊機(jī). 如鋁-銅接頭摩擦焊機(jī)、軸瓦摩擦焊機(jī)、汽門項(xiàng)桿摩擦焊機(jī)、閥門摩擦焊機(jī)等. 與國(guó)外先進(jìn)設(shè)備相比，國(guó)內(nèi)的FW裝備仍存在型號(hào)單一、無(wú)超大型及微型摩擦焊機(jī)的不足[41]. 雖然部分FW焊機(jī)設(shè)置了上下料、去飛邊、熱處理和檢測(cè)等先進(jìn)裝置，但一般只適用于某臺(tái)焊機(jī)，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)通用化，因此，我國(guó)摩擦焊機(jī)的發(fā)展任重而道遠(yuǎn)[42].

5 結(jié)束語(yǔ)

摩擦焊（FW）是伴隨科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展而產(chǎn)生的重要固相焊接工藝，可以實(shí)現(xiàn)高水平的自動(dòng)化焊接，獲得高質(zhì)量的焊接接頭，是彌補(bǔ)傳統(tǒng)熔化焊方法容易產(chǎn)生接頭缺陷的有效途徑，也是連接異種材料與新型材料的可行方案，廣泛用于連接金屬、非金屬等各種零件.

（1）FW的核心科學(xué)問(wèn)題是摩擦過(guò)程的產(chǎn)熱功率和產(chǎn)熱量，它們顯著影響接合區(qū)溫度場(chǎng)；而摩擦或頂鍛壓力對(duì)高溫材料的塑性流動(dòng)和再結(jié)晶行為有重要影響，進(jìn)而影響接頭的微觀組織與力學(xué)性能. FW的眾多工藝參數(shù)對(duì)接頭的最終性能有不同程度影響，深入認(rèn)識(shí)和理解決FW的核心科學(xué)問(wèn)題及工藝參數(shù)對(duì)接頭性能的影響規(guī)律，是獲得高質(zhì)量（包括微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能等）焊接接頭的基礎(chǔ)；針對(duì)不斷出現(xiàn)的新材料和新應(yīng)用，值得不斷深入研究.

（2）FW設(shè)備是實(shí)現(xiàn)高效摩擦焊接過(guò)程、獲得優(yōu)質(zhì)接頭的關(guān)鍵，涉及機(jī)械結(jié)構(gòu)、工藝過(guò)程控制、參數(shù)檢測(cè)和控制等. 如何克服既要平衡高摩擦壓力，又要保持高速摩擦運(yùn)動(dòng)的矛盾，是確保FW裝備控制精度和工作性能等進(jìn)一步提升的核心問(wèn)題，且FW設(shè)備的自動(dòng)化程度、自動(dòng)裝卸料及去除飛邊裝置等亦需進(jìn)一步加強(qiáng)和配置；為滿足不同形態(tài)和尺寸工件的FW焊接需求，F(xiàn)W設(shè)備需要進(jìn)一步向大型化和微型化發(fā)展，以拓展可焊工件尺寸范圍.

（3）數(shù)值分析、模擬是對(duì)FW過(guò)程的接頭溫度場(chǎng)、塑性變形和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行深入研究的有效方法.對(duì)FW全過(guò)程進(jìn)行建模和模擬是重要研究方向，可為FW工藝參數(shù)選擇和優(yōu)化提供更有力支撐.基于流體力學(xué)的歐拉方法或基于粒子的無(wú)網(wǎng)格方法可能是建立FW全過(guò)程模型構(gòu)建的有效手段.

（4）FW可有效連接組織性能差異較大的異種金屬、非金屬材料. 如何獲得性能優(yōu)異的接頭，降低IMC的影響，是FW工藝面臨的新挑戰(zhàn). 結(jié)合中間層過(guò)渡、焊前預(yù)加熱、焊后熱處理、施加外部電流等工藝的FW方法，是獲得性能良好的異種材料FW接頭的切入點(diǎn)，嘗試與其他焊接方法的融合與創(chuàng)新，在FW過(guò)程中引入新的工藝手段，是提升異種材料FW接頭性能的潛在方向.

隨著對(duì)FW連接工件的材料類型愈來(lái)愈多（如耐高溫、抗腐蝕的鎳基高溫合金等新型材料）及對(duì)接頭性能的要求越來(lái)越高、焊接工件的尺寸越來(lái)越多樣化（如飛機(jī)、船舶中的大型工件，非金屬、精密儀器中的小型工件），仍需要對(duì)新的FW技術(shù)、設(shè)備和工藝等進(jìn)行不斷探索，尋找解決方案，開(kāi)展更深入研究，拓展應(yīng)用領(lǐng)域. 此外，F(xiàn)W接頭的接合機(jī)理涉及摩擦學(xué)、彈塑性力學(xué)和熱力學(xué)等相關(guān)理論，某些合金組合無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效焊接等難題，也有待進(jìn)一步揭示和解決，以形成新的、更成熟的理論體系，如摩擦焊熱源演變規(guī)律、接頭成形機(jī)制等.