攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding, FSW）是由英國焊接研究所（The Welding Institute, TWI）於1991 年提出的新型固相連接技術，和傳統的熔焊相比，攪拌摩擦焊具有以下優點：（1）接頭質量高，不易產生氣孔、裂紋等缺陷;（2）焊接成本較低，無需填充材料和保護氣體，厚焊接件無需加工坡口;（3）焊接過程安全，無汙染、飛濺、煙塵、噪聲等，且沒有嚴重的電磁幹擾和有害物質產生，是一種環保型連接方法;（4）焊接過程中焊件被剛性固定，且固相焊時加熱溫度較低，焊件不易變形;（5）便於機械化、自動化操作，質量較穩定，重複性高。因此，攪拌摩擦焊接被認為是自雷射焊接問世以來最引人注目的焊接方法，尤其對於高強鋁合金的焊接具有無可比擬的優勢，在航空航天、軌道車輛、艦船等領域具有非常廣闊的應用前景。
攪拌摩擦焊工藝過程如圖1 所示，焊接過程結束時會在焊縫末端留下匙孔，匙孔的存在不僅影響焊縫表面的美觀性，而且也會在一定程度上降低焊縫的力學性能，因此在工程應用過程中對匙孔進行修復是非常必要的。對於有些結構的攪拌摩擦焊而言，可在起焊和收焊的位置設置起焊板和引出板，使匙孔不留在工件上；或是在產品零件的開口處引出攪拌摩擦焊的收焊匙孔，如在艙體上的口框處引出匙孔，而後加工去除，但該方法對於迴轉結構的環縫焊接等情況不適用。對於薄板的攪拌摩擦焊，可採用無針式攪拌頭進行焊接，焊接過程中僅依靠旋轉的軸肩與焊件表面金屬間的相互作用產生大量的摩擦熱，促進內部金屬的流動與混合，從而形成固相連接接頭。由於缺少攪拌針的攪拌作用，因此
軸肩的截面形貌至關重要。採用此方法雖然不產生匙孔，但其適用的結構嚴重受限，而且由於攪拌頭與母材之間的摩擦及攪拌作用減弱，導致接頭的力學性能下降。採用攪拌摩擦焊方法對匙孔修復時，會在另外的位置再次出現匙孔，因而也受到限制。
目前，國內外針對攪拌摩擦焊匙孔修復技術開展了大量的研究工作，按照原理可分為攪拌針回抽技術、組合補焊技術、摩擦塞焊技術和填充式攪拌摩擦焊技術，下面分別進行介紹。
Ding提出了採用攪拌針回抽焊具進行攪拌摩擦焊能夠直接消除焊縫匙孔，基本結構原理如圖2 所示。其焊具結構的特點就在於軸肩與攪拌針採用了分體式設計，焊接過程與常規攪拌摩擦焊基本相同，但在焊接結尾部分時，攪拌針逐漸進行回抽，通過軸肩下部塑性金屬的回填，最終實現匙孔的消除。
Ding 等對早期提出的攪拌針回抽焊具進行改進，對6mm 厚2195 鋁鋰合金進行焊接，並對焊縫回抽部分的微觀組織和力學性能進行分析。結果表明焊接
過程參數、回抽過程參數影響回抽區域的微觀組織以及焊接質量。同時，還對攪拌針可回抽攪拌頭回抽過程中承受的力進行了分析，結果表明對於給定的被焊材料而言，回抽過程參數以及攪拌針所處位置決定了攪拌頭的受力行為。
鄢江武等採用攪拌針可回抽攪拌頭對8mm 厚5A06 鋁合金進行了攪拌摩擦焊接試驗，並分析了回抽速度對接頭的力學性能及顯微組織的影響，圖3 為不同回抽速度下焊縫表面的形貌特徵。結果表明當回抽速度變化時，焊縫熱機影響區組織流變形貌不同，焊核區晶粒均為細小的等軸晶組織；當回抽速度變化時，焊縫的抗拉強度和屈服強度均有所變化。當回抽速度為5mm/min 時，焊縫的屈服強度和抗拉強度達到最高，分別為360MPa 和180MPa，均高於普通焊縫強度。
攪拌針回抽技術不用設置引出部分或餘量就能實現環形焊縫等結構的無匙孔攪拌摩擦焊，並可以獲得滿足要求的焊接質量，但該方法需要採用比較複雜的設備，而且回抽過程需要控制相關參數才能保證焊接質量。
熔焊填充+ 攪拌摩擦焊組合補焊技術是指採用兩種焊接方法對焊後形成的匙孔進行補焊，補焊過程可大致分兩步，即熔焊填充和攪拌摩擦補焊。具體思路
如圖4（a）所示：（1）攪拌摩擦焊起始於A 點，終止於B 點並留下匙孔。該匙孔可用來模擬焊接過程中因攪拌針折斷，挖排後留下的「空腔」。（2）採用熔焊方法填充B 點的匙孔，如圖4（b）所示。（3）從B 點開始進行攪拌摩擦補焊（補焊攪拌頭的軸肩和攪拌針尺寸均要大於原攪拌頭相應尺寸），最後終止於C 點，如圖4（c）所示。
王國慶等採用熔焊填充+ 攪拌摩擦焊組合補焊工藝修補2219 鋁合金攪拌摩擦焊縫匙孔缺陷，焊後分析接頭微觀組織和力學性能。結果表明匙孔補焊位置
接頭焊核區呈現細小的等軸晶，而在攪拌頭機械攪拌和焊接熱循環的共同作用下，熱機影響區組織發生了較大程度的彎曲變形。接頭抗拉強度≥ 335MPa，延伸率≥ 8.0%，斷裂位置均分布在前進側或後退側熱力影響區附近，斷裂機理為韌性斷裂。
郝雲飛等採用熔焊填充+ 攪拌摩擦補焊複合工藝進行2219C10S 鋁合金攪拌摩擦焊縫匙孔缺陷修補，並分析修補後接頭微觀組織和力學性能。結果表明焊核區呈細小的再結晶等軸晶粒，熱機影響區發生粗化長大，並殘留熔焊柱狀晶或樹枝狀晶粒。第二相析出物粗化長大，呈網狀結構分布於熱機影響區域，補焊接頭的第二相析出物如圖5 所示。熱影響區和熱機影響區是整個補焊接頭的薄弱環節，拉伸試樣亦斷裂在該區域，補焊接頭斷口呈現出韌性斷裂與鑄態組織脆性斷裂的混合斷口形貌。
組合補焊消匙孔技術需採用熔焊過程，從而導致焊接過程中可能出現熔焊過程所導致的缺陷，並影響接頭質量。
摩擦塞焊（Friction Plug Welding, FPW）是由英國焊接研究所於1991 年發明的一種新型固相補焊技術，該技術最初用於太空梭外貯箱箱底焊接缺陷的補焊，後來用於攪拌摩擦焊匙孔的消除以及焊接缺陷修復。根據不同的焊接壓力加載的方式，摩擦塞補焊可分為兩種：頂鍛式和拉鍛式，其焊機和背部支撐機構分別位於被焊工件的兩側和一側，如圖6 所示。
欒國紅等採用頂鍛式摩擦塞焊方法消除LY12鋁合金焊後所產生的匙孔，並對接頭進行組織分析。結果表明LY12 鋁合金摩擦塞補焊接頭由母材、塑化區Ⅰ、母材與塑化區Ⅰ的過渡區、塑化區Ⅱ和塑化區Ⅰ和塑化區Ⅱ之間的過渡區這5 個區域構成。在塑化區Ⅰ和塑化區Ⅱ中，材料發生了強烈的流動和變形。接頭硬度值在母材區與塑化區Ⅰ間逐漸下降並在塑化區Ⅰ達到最低值，而後硬度值逐漸升高，最終在塑化區Ⅱ趨於穩定，達到與母材相當的硬度值。
趙衍華等採用拉鍛式摩擦塞焊方法消除2014鋁合金焊後所產生的匙孔，並對接頭的微觀組織、拉伸性能以及斷裂特性進行了分析。結果表明摩擦塞補焊接頭由焊縫區、熱影響區和母材區三部分組成，且焊縫區由細小的等軸再結晶組織構成。在合適的接頭結構和焊接參數下，塞補焊的接頭抗拉強度可達到330MPa以上，與攪拌摩擦焊接頭等強度或高於攪拌摩擦焊接頭強度。斷口形貌分析顯示，接頭斷裂模式為塑性斷裂。Metz 等採用拉鍛式摩擦塞焊法對2195Al-Li
合金進行焊後匙孔修復，並研究了補焊接頭與原接頭界面處的微觀結構、顯微硬度以及補焊接頭的疲勞性能，圖7 為補焊前後焊縫表面形貌。結果表明焊接熱影響區、熱機影響區等均可由各區域微觀結構和顯微硬度的特徵來確定。在補焊焊縫周圍發現再結晶組織，再結晶區厚度為30~122mm。補焊焊縫界面顯微硬度為110~130HK100g，硬度比母材低35%。通過測量這些區域的硬度，可反映出摩擦塞焊焊縫區周圍的晶粒轉化過程，並且這些區域性能可能影響著整個接頭的疲勞性能。摩擦塞焊接頭的疲勞極限明顯低於攪拌摩擦焊接頭。其疲勞極限的下降可能是由於塞棒形狀、熱影響區的相互作用以及母材、攪拌摩擦焊接頭以及補焊接頭的強度失配導致的。
摩擦塞焊屬於固相工藝，焊接過程中沒有材料熔化因而不會導致熔焊過程帶來的問題，補焊接頭殘餘應力低、殘餘變形小，可以獲得優質的補焊接頭。特別是拉鍛式摩擦塞補焊能適用於一些背面無法施加支撐的結構和施工過程，目前正受到關注。
黃永憲等基於固態連接原理，提出了填充式攪拌摩擦焊技術。填充式攪拌摩擦焊過程如圖8 所示。其中圖8（a）為壓入階段，攪拌針高速旋轉並壓入待補焊匙孔；圖8（b）為補焊階段，軸肩與被焊工件接觸並施加壓力，攪拌針與匙孔摩擦產熱，材料發生塑變流動，進行匙孔填充補焊；圖8（c）為提起階段，焊具提起的同時，攪拌針的錐體部分用於填充匙孔，界面材料在軸肩的作用作用下發生連續的塑變流動，從而實現了接頭匙孔的填充補焊。圖9 為填充式攪拌摩擦焊攪拌頭。
黃永憲等對7.8mm 厚的AA 2219 軋制板材進行填充式攪拌摩擦焊，並對焊後接頭的界面行為及力學性能進行了研究。結果表明試件補焊後不存在匙孔，並且焊接接頭的薄弱位置處於前進側的軟化區域，而不再是匙孔表面。試驗中發現界面處的材料發生了連續的流動和塑性變形，並且補焊接頭處由填充區、焊核區、準焊核區、熱機影響區和熱影響區構成，如圖10 所示。焊後接頭的平均抗拉強度和伸長率分別為母材金屬的90% 和85%，可以看出填充式攪拌摩擦焊能夠對焊縫匙孔實現準等強修復。
填充式攪拌摩擦焊是傳統頂鍛式摩擦塞焊技術的一種補充和發展形式，該方法也是基於固態連接原理從而獲得優質的補焊接頭，而且採用常規的攪拌摩擦焊設備就可以實施該工藝。與摩擦塞焊過程類似，在塞棒設計和工藝參數選擇上需要合適的匹配，從而獲得滿意的匙孔修復效果。
作為一種新型固相連接技術，攪拌摩擦焊在航空航天、軌道車輛、艦船等領域具有廣闊的應用前景。常規攪拌摩擦焊在焊接結束時將會產生匙孔，從而對焊接結構外觀和性能產生不良影響。因此，匙孔修復顯得至關重要。國內外對攪拌摩擦焊匙孔修復技術的研究仍在不斷發展中，相信未來將會取得更大的突破與進展。
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文章節選自《航空製造技術》雜誌，《攪拌摩擦焊匙孔修復技術研究現狀》
作者：周利 周煒璐 張嘉倫 杜正勇 趙瑞峰 孟凡新 馮吉才
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