汽车轻量化设计中的摩擦焊技术及挑战：国际期刊审查文章综述

工程科学与技术，国际期刊21（2018）130审查汽车板材摩擦焊接技术综述M. Haghshenas，A.P.格利希湾美国北达科他大学机械工程系b加拿大滑铁卢大学机械与机电一体化工程系阿提奇莱因福奥文章历史记录：2017年10月26日收到2018年2月8日修订2018年2月19日接受在线发售2018年关键词：摩擦焊汽车异种铝合金钢拼焊板A B S T R A C T近年来，汽车行业对更高燃油效率的需求促使人们越来越多地使用多种材料组合进行轻量化设计这不可避免地导致在将铝合金、镁合金和钢（即，由于这些材料中的每一种都为不同的组件提供不同的性能和特性优势，因此它们已被逐步引入新设计的不同位置。因此，这些材料组合将不可避免地需要连接，这由于它们在车辆制造中使用的常规熔焊工艺期间的不相容性而呈现出主要挑战。本文综述了基于摩擦的异种材料连接技术的最新进展，并讨论了影响连接和接头强度的因素由于摩擦搅拌焊接（FSW）及其子系列不涉及部件的整体熔化（FSW中的峰值温度约为材料的0.6在汽车工业中，搅拌摩擦焊的关注和应用主要有三种。这些包括连接挤压零件以形成FSW在每一个方面都有不同的优势，从而降低了成本。然而，轻质合金（即铝）和钢的成本效益和可靠的接头将需要大量的开发和考虑。本综述的目的是评估不同汽车合金的摩擦固态焊接的现状，特别关注汽车行业，未来的趋势，挑战和局限性。相似合金和不同合金搅拌摩擦焊的主要区别在于对接表面性能的不一致性，这对搅拌过程中材料的流动行为有重要影响。©2018 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。内容1.导言. 1312.背景1323.搅拌摩擦点焊（FSSW）1344.再填充FSSW 1355.磨损圆FSSW（ABC-FSSW）1376.摩擦铆钉焊接1387.搅拌摩擦焊（FSW）1397.1.拼焊板（TWB）1417.2.FSW的优化。...................................................................................................................................................................................................................................... 1437.3.FSW板的机械性能和可成形性8.搅拌摩擦划线焊接（FSS）143*通讯作者。电子邮件地址：meysam. engr.und.edu（M. Haghshenas）。由Karabuk大学负责进行同行审查。https://doi.org/10.1016/j.jestch.2018.02.0082215-0986/©2018 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestchM. 哈格舍纳斯， A. P. Gerlich /工程部 科学 和 技术， 一个 国际 杂志 21（2018）130131钢保险杠铝框碳纤维复合铝框9.摩擦钻头连接（FBJ）工艺14410.摩擦自冲铆接（F-SPR）14611.结论147鸣谢147参考文献1471. 介绍美国政府和企业平均燃油经济性（CAFEE）计划强调了提高燃油经济性和减少排放的必要性，该计划每年都要求提高车队效率。国际清洁运输委员会也表明，车辆排放95 g CO2/km的激进目标可以通过轻量化来实现[1，2]。这推动了材料性能方面的许多技术发展，例如具有增加的可成形性的高强度铝和镁合金、较低成本的碳纤维复合材料以及具有比常规钢高得多的强度重量比的热冲压超高强度马氏体钢。考虑到这些材料中的每一种在车辆设计中的各种位置或应用中具有特定的优点和缺点，这些材料可以同时用于不同的位置以优化每个应用的机械性能。尽管这些材料的许多辅助问题正在逐步解决（例如腐蚀、可成形性和生产成本），但持续的挑战仍然是异种材料接头的可焊性。例如，图1示出了2014阿尔法罗密欧4C设计的框架，其中超高强度钢保险杠用于抗碰撞，铝框架用于悬架部件，并且碳纤维复合材料桶构成主要内部结构，以便将最终车辆质量保持在900 kg以下。在这种情况下，紧固件主要用于异种连接，然而，更高的生产量和更低的成本通常需要采用焊接。搅拌摩擦焊（FSW）的使用提供了潜在的破坏力，类似的连接部件，其成本不允许使用紧固件、粘合剂或自冲铆钉。主要挑战来自不同的性能（即物理和机械）、成分和结构（即结晶）导致有害的焊接性能。由于FSW不涉及组件的整体熔化（FSW中的峰值温度约为材料熔点的0.6-由于FSW具有许多优点，包括改善的机械性能（拉伸和疲劳），改善的工艺鲁棒性，缺乏消耗品，减少健康和环境问题以及降低运营成本，因此FSW在汽车行业和制造业中获得了极大的兴趣[3]。在汽车工业中，搅拌摩擦焊的关注和应用主要集中在三个方面。这些包括连接挤压零件以形成FSW在这些情况下都提供了许多优势和降低成本的潜力然而，轻质材料之间具有成本效益和可靠的连接将需要重大的发展和进一步的考虑。值得一提的是，虽然FSW是一种固态技术，用它来连接具有极端熔点的不同材料总是会导致一些熔化[4本文综述了搅拌摩擦焊在异种材料点焊和缝焊中的应用进展。几乎所有技术共同的主要优点是固态加工限制了焊接区域内的温度上升。这防止了焊缝内不期望的和脆性的金属间化合物的形成或生长，所述金属间化合物劣化强度。较低的峰值温度还使热变形和残余应力最小化，热变形和残余应力通常会导致焊接件在冷却后立即断裂，图1.一、2 0 1 4 年阿尔法罗密欧4C使用的多材料设计示例，其中紧固件用于连接高强度钢，铝合金和碳纤维复合材料。132M. 哈格舍纳斯， A. P. Gerlich /工程部 科学 和 技术， 一个 国际 杂志 21 （2018）130当存在金属间化合物并且在接头中形成裂纹时的情况。在考虑FSW未来的应用时，还将强调一些剩余的挑战。2. 背景在汽车工业中，最重要的需求之一涉及铝合金与钢的连接，因此使用FSW技术来回顾这些材料的连接是有用的。在搅拌摩擦焊过程中，影响铝和钢之间接头性能的两个主要因素是：（i）搅拌摩擦焊工具的销穿透到钢板中，以及（ii）在铝/钢界面处形成脆性金属间化合物。Movahedi等人[8]研究了工具行程和旋转速度对5083铝和St-12钢之间FSW搭接接头性能的影响。他们表明，接头强度通过减小工具的行程和增 加 工 具 的 旋 转 速 度 而 提 高 。 Coelho 等 人 [9 ， 10] 在 Al 6181 和HC340LA或DP 600钢之间进行了重叠FSW，并使用电子背散射衍射分析表明在焊缝中形成了涉及多个区域的复杂微观结构。复杂的金属间化合物的形成是限制成功连接的关键特征之一，因为接头可能包含裂纹，并且具有如此严重的脆化，以至于即使在焊接期间产生的热应力也会导致材料界面处的裂纹。Uzun等人[11]研究了显微组织、硬度和疲劳为了更好地了解微观结构如何控制接头性能，对铝6013-T4与X5 CrNi18 -10不锈钢搅拌摩擦对焊接头的性能进行了研究。他们表征了铝和钢的热影响区（HAZ）和热机械影响区（TMAZ）的微观结构，并发现硬度分布与焊接区之间存在良好的相关性。然而，他们没有考虑工艺参数对接头力学性能的影响。 Chen等人[12-Elrefaey等人[15]研究了1100H24铝合金与未涂层钢和镀锌钢在FSW中的可焊性，并指出，与未涂层钢相比，镀锌钢的Al接头显示出相当高的断裂载荷。陈和中田[12]，Elrefaey等人[15]，Kimapong和Watanabe[16]都报道了FSW异种铝/钢接头的性能在很大程度上取决于FSW工具进入下钢板表面的穿透深度Haghshenas等人[17]使用摩擦搅拌焊接，通过促进重叠结构中的扩散结合，将5754铝合金板连接到涂覆的高强度钢（DP600和22MnB5）他们表明，降低焊接速度可改善Al 5754/DP 600接头的机 械 性 能 。 然 而 ， 对 于 16 和 45 mm/min 的 行 进 速 度 ， 这 对 Al5754/22 MnB 5接头的强度具有可忽略的影响Ogura等人[18]研究了A3003铝合金板（厚度为15 mm）和商业SUS304钢板（厚度为12 mm）的搅拌摩擦搭接焊他们发现，焊缝中心区域和前进侧的强度大于后退侧。Kimpong和Watanabe[16]采用FSW对2 mm厚的SS400低碳钢板和5083铝合金板进行对焊。他们研究了销旋转速度和销向钢接合面偏移对接头拉伸强度和结构的影响他们发现，需要一个最佳的销旋转速度，使一个健全的关节。他们还发现，最大的拉伸强度是通过定位销与偏移0.2毫米向钢板。Das等人[19]评价了6063铝合金（厚度为3 mm）和镀锌HIF钢（厚度为1mm）之间的摩擦搅拌搭接接头的接头强度。他们实现了高达58%的钢基体金属的失效载荷，并指出接头强度取决于工具旋转速度、工具行进速度和能量输入。Tanaka等人[20]研究了低碳钢与7075铝合金异种搅拌摩擦焊焊他们综合分析了接头强度、金属间化合物厚度和焊接条件之间的关系。结果表明，随着金属间化合物厚度的减小，焊缝强度呈指数增加.Chen和Lin[21]研究了6061铝合金和SS400低碳钢的搅拌摩擦焊的最佳条件。他们指出，最佳的最佳操作是刀具旋转速度、刀具行进速度、刀具倾斜程度和刀具销直径的组合。结果表明，优化焊缝的断裂是韧性剪切断裂.Deh- ghani等人[22]研究了各种FSW参数，如工具横移速度、切入深度、倾斜角度和工具销几何形状对金属间化合物（IMC）形成、隧道形成和5186铝合金与St52低碳钢的拉伸强度的影响a）、b）、图二、根据Liy ana ge 等人的研究，a）Al 6111合金和DP 600钢之间的异种摩擦搅拌点焊，以及b）AM 60和DP 600钢之间的异种摩擦搅拌点焊。[35]第35段。M. 哈格舍纳斯， A. P. Gerlich /工程部 科学 和 技术， 一个 国际 杂志 21（2018）130133接头. 结果表明，随着焊接速度的提高，金属间化合物减少，接头的抗拉强度达到铝基合金强度的90%Selamat等人[23]报告了使用1000rpm（旋转速度）和100 mm/min（横向速度）的耗散接头（AA5083-AA 6061）该研究表明，与AA6061和AA5083基材相比，接头的焊接效率分别为93%和34%。Figner等人[24]研究了不同主轴转速和保压时间对铝AA5754和镀锌钢HX 340LAD异种FSSW的组织和力学性能的影响。他们指出，铝和钢界面处的锌通过形成薄的金属间化合物来改善结合，该金属间化合物的估计组成为40-42重量% Fe和58- 60重量Meinhardt等人[25]研究了UNS S32760超级双相不锈钢的搅拌摩擦焊中的断裂韧性，并报道了基体金属的断裂韧性强烈依赖于与轧制方向相关的裂纹扩展方向Lacki和Derratka[26]和Lacki等人。[27]通过实验和有限元模拟研究了铝，即6061-T6和2024-T3以及D16 UTW薄板，通过搅拌摩擦点焊（FSSW）形成搭接接头。他们观察到应变集中在斑点的外边缘，在片材的内表面最近，Wang等人[28]和Upadhyay等人[29]评估了搅拌摩擦焊的衍生物，搅拌摩擦划线焊，用于铝和镀锌钢的异种搭接连接。他们使用了一种旋转工具，钴钢划线首先穿透铝，作为顶部材料，然后划线切割钢，底部材料。通过这种相互作用，产生了一种特征性的钩，锚，它增强了接头强度。他们报告称，焊接参数影响焊接特征，包括钩高度，这与断裂位置高度相关。同样，Patterson等人[30]使用FSS技术研究了6061铝与RHA钢的他们一BC图三. a）Al合金和钢之间的摩擦搅拌点焊驱动扩散结合形成的示意图，以及b）在Tran和Pan[37]之后，沿着Al/Fe点摩擦焊缝的对称平面的横截面的光学显微照片，c）具有Al/Fe点摩擦焊缝的搭接剪切试样134M. 哈格舍纳斯， A. P. Gerlich /工程部 科学 和 技术， 一个 国际 杂志 21 （2018）130观察到的微观机械钩以及温度依赖的扩散的Al和Fe在界面边界。他们还在铝和钢的界面处观察到平均厚度为2μm的明显的金属间化合物层3. 搅拌摩擦点焊虽然连接钢制车身的主要焊接方法是电阻点焊（RSW），但它不一定(a) 工具旋转：（1）销，（2）套筒，（3）夹具（b）套筒插入和销缩回(c)套筒和销缩回（d）FSSW再填充工具（e）图四、填 充 物摩擦搅拌点焊a）至d）的示意图（根据Tier等人的，[29]）和（e）用于将玻璃纤维和碳纤维增强聚合物连接到AZ 31 Mg合金的应用实例[42]）。M. 哈格舍纳斯， A. P. Gerlich /工程部 科学 和 技术， 一个 国际 杂志 21（2018）130135图五. ST06镀锌钢的横截面图[43]。图六、 Novelist AC 170 PX铝合金和ST 06镀锌钢板之 间 重 新 填 充 F S S W e d 接头 的 照 片 [43]。产生牢固的接头以将铝焊接到钢上。这主要是由于在RSW过程中铝和钢之间形成了厚的金属间化合物（IMC）反应层，导致焊缝性能较差。一种用于连接多材料结构（即铝与钢）的相对较新的替代技术是使用传统（单件）工具设计的摩擦搅拌点焊[31在该过程中，由耐火合金（例如W-25 Re或PCBN）制成的工具旋转并穿透位于搭接焊缝顶部的低熔点有色合金，并且工具销插入下部钢板中。在该过程中，来自下部钢板的材料被挤压到上部板材中，并且该移位的钢形成钩状或铆钉状机械接头，参见图2。铝/钢接头中的冶金结合是通过生成Al-Fe化合物而形成的而Zn-Fe化合物促进了Mg/钢接头之间的结合。由于镁和铁具有非常有限的固溶度，Zn在钢涂层和镁合金内的溶液中的存在然而，应该注意的是，将Al或Mg板连接到钢上所需的诸如W-25 Re的耐火工具材料的成本相当高，并且这种工具也易于快速磨损。例如，有人建议，为了与钢的电阻点焊竞争，有必要将工具成本降低到每个工具低于100美元，并且工具在更换之前应至少经受26，000次焊接[36]，并且目前用于钨或陶瓷基工具的工具材料选项远未达到这些要求。另一方面，使用由H13模具钢制成的常规工具可以容易地实现Al到Mg合金的直接摩擦搅拌点焊;然而，这些接头表现出差的机械性能。结果表明，这是由于基于Al-Mg化合物[37]的熔融共晶的形成抑制了能量产生，并导致搅拌区周围的粘合区域非常小常规搅拌摩擦点焊的替代方案是避免穿透到下部钢板中，如图3所示。这已经实施了铝合金与钢的连接在后行李箱盖的2005年马自达MX-5。在Gendo等人[38]的这项工作中，主要发现是观察到接头的形成是通过涂层从钢表面扩散到铝合金中来调节的，并且当使用低熔点涂层合金（Zn-11 Al-3 Mg）时，接头性能最大化采用这种方法的搭接剪切强度可以达到近4 kN，这是在所研究的铝合金的电阻点焊强度所需的尽管这提供了合理的强度，但应注意，这些接头位于不提供车辆结构抗碰撞性的点。4. 再填充FSSW一种不同的方法是使用再填充摩擦搅拌点焊，其中工具使用可以彼此独立地轴向移动的销和肩部部件，如图4所示。该技术最初由德国GKSS公司申请专利，主要是为了消除传统搅拌摩擦点焊在表面形成的压痕或凹坑而开发的（如图2和图3所示）。2和3）。最近的研究报告了该技术在连接铝合金和钢方面的应用[39-虽然在结合区域处的剪切应力只能达到20和28 MPa之间，但是该技术提供了可行的图7.第一次会议。套 管 -插入区铝/钢界面的磁测图和成分分析[43]。136M. 哈格舍纳斯， A. P. Gerlich /工程部 科学 和 技术， 一个 国际 杂志 21 （2018）130见图8。a）焊缝横截面的光学显微照片，显示b）HAZ-TMAZ-SZ混合过渡区，在图8a中由“A”表示的矩形区域中图9.第九条。（ a）用于磨损圆摩擦点焊的轨道平移路径示意图，带有显示工具和焊接表面的插入件;（b）和（c）平移速度为60和600 mm min-1（转速为800 rpm，肩部插入深度为0.1mm，倾角为零）时的典型焊缝横截面【45】。替代方案，其超过使用粘合剂实现的接合强度。此外，不需要表面的预处理来实现这些强度，这是显著的优点。快速汽车生产环境的优势。目前，有许多研究人员正在研究使用填充搅拌摩擦点焊异种金属连接以及M. 哈格舍纳斯， A. P. Gerlich /工程部 科学 和 技术， 一个 国际 杂志 21（2018）130137图10个。 来自焊接界面（600 mm min-1焊接）的TEM图像：（a）接合线附近的细Al晶粒结构，（c）界面的高倍放大视图，未显示连续IMC层的证据（d）Al中存在的磨屑的HAADF图像，EDS线扫描穿过典型磨损颗粒（白色虚线）[45]。(such作为铝、镁和钢合金的各种组合），然而在文献中很少有直接的强度比较。最近，Dong等人[43]研究了1.0 mm厚AC 170 PX铝合金和1.2 mm厚ST 06 Z镀锌钢板之间的再填充摩擦搅拌点搭接接头（图5）。通过再填充FSSW/套管插入工艺，它们成功地搭接了焊接板（图6）。用电子探针、扫描电镜和X射线衍射仪对接头的微观组织、成分和断裂方式进行了分析，发现在铝合金一侧的界面上形成了富锌富氧层，在铝和钢一侧的断口上形成了ZnO相。在铝/钢界面附近（铝侧）形成了富含Zn和O的区域，在套筒-插入区的界面处存在0.68 μ m厚的金属间化合物层（FeAl 3）（图11）。 7）。Ding等人[44]使用填充FSSW工艺成功地焊接了铝（AA 5754-O）和Al-Si涂层22 MnB 5钢。他们报告说，Al/Si涂层中的金属间相（Al7Fe2 Si和Al5 Fe2（Si））对焊缝质量和强度起着关键作用。这被认为是控制接头强度的关键因素，基于细硅颗粒的存在，消除缺陷，并控制接头界面处的金属间化合物。图8显示了AA 5754合金和Al-Si涂层钢搭接接头的典型宏观横截面，该搭接接头使用Ding等人报道的1.3 mm插入深度生产[44].5. 磨损圆FSSW（ABC-FSSW）FSSW的一个有趣的替代方案是磨损圆形FSSW，它已成功地适用于将1 mm厚的6111-T4铝合金快速搭接焊接到DC 04低碳钢板[45]。在该过程中，在重叠配置中，使用具有销的工具在底部钢板插入Al板时略微穿透底部钢板。然后，它沿着圆形路径行进，半径等于探头直径，以获得连续的连接区域（图9）。然后将工具移动到圆心并提取以进行轴对称焊接。有人声称，这一过程是一种有效的技术，见图11。用于将铝连接到钢的基于摩擦的铆钉（铆钉）技术的示意图，示出：a）连接前的搭接接头; b）切割步骤; c）连接步骤;以及d）完成的接头，在Miles等人之后。[46].138M. 哈格舍纳斯， A. P. Gerlich /工程部 科学 和 技术， 一个 国际 杂志 21 （2018）130见图12。由AA 5754-O（顶板）、DP 980（底板）组成的摩擦铆接横截面以及AA 5754-O和DP 980之间的粘合界面详图[46]。不同合金之间的冶金结合，假设当工具平移通过轨道路径时，探针可用于在扫掠区域上清洁钢板并在焊接期间暴露钢上的新的无氧化物表面。接头界面的透射电子显微镜研究显示没有金属间反应层，这是由于工艺的固态性质和快速焊接循环（图10）。强的冶金结合和无IMC界面有助于获得高的焊接强度和失效能。6. 摩擦铆接另一种在美国和欧洲已被检验过的替代技术是使用焊接铆钉，如图2所示。 十一岁该工艺可严格视为径向摩擦焊接的改进;然而，由于低温固态焊接，其与FSW明显相似并具有相应的优点Miles等人[46]已经证明了该工艺用于将Al 5754连接到高强度钢，并且该工艺提供了一个主要优点，即由于摩擦钻头被消耗，因此不再需要考虑工具磨损。然而，这需要更多的消耗品的操作成本，这与自发的摩擦搅拌点焊工艺相似。然而，使用摩擦钻头技术，接头强度可以非常高，因为钻头可以变化，从而大的接触面积将载荷分布在上部铝板上。这允许实现6.4 kN的剪切强度，这超过了可比的自冲铆钉接头。然而，应当指出，图十三. 2013年本田雅阁发动机支架中的铸铝和钢的FSW[82]。M. 哈格舍纳斯， A. P. Gerlich /工程部 科学 和 技术， 一个 国际 杂志 21（2018）130139一B C图14. a）AC4C铸铝和低碳钢之间FSW搭接接头的横截面，b）位置A处界面区域的显微照片，显示金属间化合物（IMC）层，以及c）界面区域的铝元素图，根据Chen和Nakata[60]。钢的强度已经增加到超过980MPa，自冲铆钉变得特别难以使用，因为铆钉材料不能保持足够的强度以塑性变形到下板中。这进一步推动了对基于摩擦铆钉的技术的研究，因为即使使用达到1500 MPa拉伸强度的热冲压板材，径向摩擦焊接图12显示了Miles等人[46]在连接AA 5754-O铝和DP 980钢时获得的焊缝横截面。7. 搅拌摩擦焊自FSW工艺发明后不久，已广泛研究了FSW在异种连接中的应用。由于温度可能保持在熔点以下，因此该工艺特别适合于这种类型的连接，并且已经被证明用于各种组合，包括Al/ Mg[47在搭接焊和对接焊结构中，已经研究了异种组合的搅拌摩擦焊，但是上述大多数报告都集中在搭接焊上，因为搭接焊更便于实施。在2013年本田雅阁中，这种技术已被应用于连接铸铝和冲压钢发动机支架，如图13所示[82]。 在这种情况下，一个值得注意的创新是使用C形框架线性FSW系统，该系统将所有轴向载荷施加在工具上，从而避免了对极刚性和高负载能力的机器人和夹具施加工具轴向力的需要。本田在这种方法中的另一个考虑因素是，使用密封材料防止现场缝隙腐蚀。然而，关于这些接头的机械性能的细节很少[83]。FSW的另一个例子图14显示了铸铝和低碳钢接头之间的搭接焊接，其中显微照片和铝元素图显示了在界面处形成的金属间化合物层的证据[60]。然而，这是不可能归因于图15. 当工具销穿透到下钢板中时，Al 5083/钢FSW接头的显微照片，显示了层状金属间区域，在Movahedi等人之后。[8]的一项建议。140M. 哈格舍纳斯， A. P. Gerlich /工程部 科学 和 技术， 一个 国际 杂志 21 （2018）130由于没有考虑粘结面积，因此，在应力方面的搭接剪切强度。事实上，大多数异种连接的研究通常使用不同的试样尺寸，这使得不可能直接比较破坏应力方面的结合强度。在异种合金的搭接焊接过程中，要考虑的关键参数包括工具几何形状、旋转速度和行进速度，与所有其他FSW程序一样。然而，异种合金的搭接焊接还需要仔细控制工具销的长度，以及其进入下部板材的穿透深度。该因素对所产生的界面结构具有显著影响。例如，当工具销穿透到下部片材中时，这将增强两种材料的混合，导致形成如图15所示的混合分层结构。尽管人们可能期望这通过促进板之间更多的冶金结合来提高接头强度，但这可能也导致在界面处形成裂纹第二个问题是不可避免的工具磨损，当工具销凿入诸如钢的较低的片材时，工具磨损加速，较高的强度和熔化温度迅速损坏工具销。Haghshenas等人[17]对此进行了说明，其中H13模具钢工具（回火硬度为48 HRc）在穿透到DP 600双相钢的下部片材结果表明，在Al 5754/DP 600搭接焊过程中，在保持工具销在下钢板表面上方约0.05至0.1 mm的同时，还可以通过间接扩散连接机制促进结合。这保持了板之间的平坦界面轮廓，并导致界面处的金属间化合物更少，如图1所示。 16;然而，这种方法排除了通过将下部片材变形成上部片材而在片材之间产生机械互锁的贡献（如图16所示）。 15）。图16. （a）完成的连接的宏观视图，（b）使用45 mm/min的行进速度生产的Al 5754/DP 600和（c）使用16 mm/min的行进速度生产的Al5754/22 MnB 5的搭接焊缝的光学显微照片，d）当工具销保持在钢板上方时，在高放大倍数下的Al 5754/钢 FSW接头界面的显微照片[17]第10段。M. 哈格舍纳斯， A. P. Gerlich /工程部 科学 和 技术， 一个 国际 杂志 21（2018）130141界面扩散反应法有可能达到相当高的强度，但是只有少数研究使用实际结合面积以应力的形式量化了接头强度。当Haghshenas等人[17]在将Al 5754连接到钢上时考虑到这一点时，失效时的有效剪切应力从Zn涂层DP 600钢作为下板时的最大值50.5 MPa变化到Al-Si涂层热冲压马氏体钢作为下板时的最大值19.3 MPa。应注意的是，相比之下，铝和不锈钢的粘合剂粘合通常可达到50 MPa的剪切破坏强度[84]。镀锌钢产生的较高剪切强度的观察结果与Gendo等人[38]的观察结果一致，Gendo等人[38]的观察结果表明，当进行摩擦搅拌点焊以促进扩散结合时，较低熔点的涂层产生较高的强度。这意味着，存在较低熔点的涂层时，扩散过程将更容易发生在接口处。考虑到这些发现，Chen和Nakata [60]还报告称，当钢表面被刷光时，镁合金和钢之间的FSW接头的强度也较低，而不是在钢上留下接收时的Zn涂层，这并不奇怪（图1）。 17）。然而，他们的研究还揭示了一个惊人的观察结果，即使用带有销的工具不会穿透下部钢板，从而产生更高的强度。这表明，尽管有机械联锁效应的贡献，但可能混乱的混合结构（例如，如图15所示）可能会使整体强度恶化。Calogero等人[85]通过传统的熔化（电弧）和摩擦搅拌焊接方法研究了常见汽车铝合金（Al 2198合金）的可焊性。通过显微组织评估和显微硬度测试，他们报告了钨极气体保护焊和搅拌摩擦焊接头的焊接效率分别为70%和90%。值得注意的是，相比之下，其他涉及不同领域的工作熔融结合和粘合剂结合总是发现当反应层或金属间化合物区域的厚度最小化时强度最大化。 例如，在铝与钢连接的情况下，已经表明，一旦反应层厚度超过1.5l m[86]，结合强度就会急剧恶化。考虑到这种精细的尺度，看来FSW技术可能是最有前途的方法，用于实现不同接头之间的最大理论强度，因为低温和快速搅拌，该方法可以最有效地抑制图18. 典型的工程应力/应变曲线（Cred：冷轧）[124]。金属间区域。然而，为了确定加工参数如何控制界面区域的温度和压力，当然需要进一步的研究。为了在FSW异种接头中获得更高和最佳的接头强度，还需要更好地理解这些反应的动力学。7.1. 拼焊板拼焊板是半成品金属板焊接在一起，以产生一个单一的空白，为以下金属成型操作（即拉伸或冲压）。 该技术于20世纪60年代首次引入美国，然后在20世纪70年代后期被欧洲汽车制造商（即沃尔沃）采用[87]。TWB在汽车工业中的主要优势是降低成本和重量、尺寸一致性、提高强度和延长腐蚀寿命[88]。铝合金作为汽车应用的轻质材料，采用TWB技术与铝的低成形性和可焊性（尤其是熔焊）相关[89]。为此，搅拌摩擦焊可以被认为是一个强大的技术，以克服差的焊接性铝拼焊板应用。因此，最近采用FSW生产由不同材料组成的拼焊板[81，90图十七岁 当1.6 mm厚的Mg AZ 31合金用作上板时，工具几何形状对Mg/钢FSW接头断裂位置的影响，在Chen和Nakata [12]之后（a和b）刷涂精整钢接头;（c和d）镀锌钢接头。142M. 哈格舍纳斯， A. P. Gerlich /工程部 科学 和 技术， 一个 国际 杂志 21 （2018）130近十年来，奥迪（弗吉尼亚州赫恩登）一直使用FSW生产铝拼焊板，用于小批量汽车应用[96]用于这种生产的焊接速度（小于1m/min）通常显著低于商业激光焊接技术的行进速度，后者通常以6m/min至10 m/min的速度进行焊接。除了少数例外，通过FSW生产的铝坯料的大部分可用数据都是以低于0.5m/ min的焊接速度生产的[97几位作者研究了超过1 m/min的速度[100对于大批量汽车生产的应用，焊接速度是影响零件成本的重要因素这项工作的重点是开发和表征铝拼焊板的高速搅拌摩擦焊，这可以进一步在大批量生产应用中更多地使用节省质量的铝合金表1冷轧道次前后AA5754合金的基材和焊接样品的机械性能[124]使用高精度FSW机，Hovanski等人。[103]研究了高速搅拌摩擦焊，以实现铝拼焊板。他们以3 m/min的线速度试验了不同厚度（1.2和2.0 mm）的AA 5182-O铝板，长Feistauer等人[104]研究了厚度为6 mm和8 mm的AA5083和AA5059合金异种搅拌摩擦焊拼焊板的机械性能他们观察到，TWB失效发生在准静态载荷下的薄板中，TWB接头的整体机械性能与用作薄板的AA5059基材的机械性能大致相同。Shigematsu等人[105]研究了A5052 P-O铝合金和AZ 31 B-O镁合金拼焊板的异种搅拌摩擦焊。他们特别研究了刀具旋转速度和刀具横移速度对拼焊板表面外观、宏观组织和拉伸性能的影响。他们在1000、1200和1400 rpm下，在300 mm/min的恒定刀具横移速度下获得了没有大缺陷的良好表面。他们报告了FSW拼焊板的搅拌区（即应变硬化区）中的过早断裂，而没有显著的面积减小。性能贱金属FSWedFSW冷轧靠近断裂区。屈服应力（MPa）164101168Chung等人[106]和Kim等人[107]评估了性能，抗拉强度（MPa）259224.5243.6搅拌摩擦焊汽车拼焊板伸长率应力指数（n）0.1660.1990.1190.2720.0570.136包括铝合金6111-T4、5083-H18、5083-O和双相钢DP590薄板。 根据Chung et al. [106]表2FSW工具和工艺参数[125]。肩部直径10.2 mm头端直径1.78 mm工具材料H13钢焊接速度13刀具转速12206111-T4焊缝具有较低的流动应力和较低的延展性，而5083-H18焊缝具有改善延展性和显著降低的流动应力。5083-O焊缝具有略高的强度和韧性，而DP 590焊缝具有较大的流动应力和降低的韧性。Kim等人[107]报告称，搅拌摩擦焊拼焊板的成形性能高度依赖于焊缝布置。因此，精心设计的焊缝布置是需到实现的最佳成形性表3基础和焊接5182-O板材的拉伸数据[125]焊接类型0.2%屈服（MPa）抗拉强度（MPa）拉伸@ UTS总延伸率断裂位置样本数量基地131.0285.4百分之二十五点三百分之二十七点三N/A15的标准偏差2.23.3百分之零点一百分之零点七––FSW138.2285.7百分之二十三点三百分之二十五点七基地15的标准偏差4.61.7百分之零点一百分之零点七––GTAW127.4283.2百分之二十四点九27.0%基地15的标准偏差5.52.1百分之零点二1.0%––表4基础和焊接5754-O板材的拉伸数据[125]。焊接类型0.2%屈服（MPa）抗拉强度（MPa）拉伸@ UTS总延伸率断裂位置样本数量基地94.4236.3百分之二十四点六百分之二十六点五N/A15的标准偏差4.35.6百分之一点五1.0%––FSW98.1235.622.7%百分之二十四点九基地15的标准偏差6.32.51.0%百分之零点八––GTAW96.6235.522.1%24.1%基地15的标准偏差2.05.6百分之一点七百分之二点零––表5基础和焊接6022-T4板材的拉伸数据[125]。焊接类型0.2%屈服（MPa）抗拉强度（MPa）拉伸@ UTS总延伸率断裂位置样本数量基地163.6263.3百分之二十六点三百分之二十九点六N/A15的标准偏差1.91.21.0%1.0%––FSW140.1235.0百分之十二点三百分之十二点九HAZ15的标准偏差4.74.7百分之零点四百分之零点六––GTAW119.7207.47.7%百分之八点二焊接15的标准偏差5.214.7百分之一点七百分之一点八––M. 哈格舍纳斯， A. P. Gerlich /工程部 科学 和 技术， 一个 国际 杂志 21（2018）130143当FSW薄板被引入汽车成形应用时，7.2. 搅拌摩擦焊的优化在用于汽车应用的相似和不同材料的FSW中的一个主要问题是明智地选择将产生高质量焊接接头的焊接工艺参数。因此，需要找出用于汽车应用的FSW的优化焊接工艺参数组合。这不一定是一个简单的过程，因为FSW过程中直接（或间接）涉及的许多参数之间的复杂相互作用。为此，研究人员使用了不同的经验、物理和数学模型，包括响应面法（RSM）[108-所有这些方法都用于减少评估多个参数及其相互作用所需的实验试验的数量，这些参数直接影响专用时间，金钱，材料和劳动力。7.3. 搅拌摩擦焊板的力学性能和成形性能在进行FSW时，必须研究FSW部件的机械性能和可成形性，并与未焊接的基材进行比较最近Gabrielli et al.[124]研究了用于汽车应用 的 冷 轧 FSW （ 旋 转 和 焊 接 速 度 分 别 等 于 1200 RPM 和 100mm/min） AA 5754板（厚度为2.5 mm）的可成形性图18显示了基底金属、FSW和FSW以及冷轧样品（FSW后进行冷轧）的典型应力/应变曲线。根据它们的曲线图，FSWe冷轧样品的延展性约为FSWed样品的延展性的一半，表明冷轧引起的应变所有结果总结见表1。在另一项研究中，Miles et al.[125]评估用于制造冲压汽车部件的FSW处理铝板（5182-O、5754-O和6022-T4）的成形性和强度。他们采用气体保护钨极电弧焊（GTAW）工艺制造铝拼焊板，并将结果与FSW结果进行比较。表2显示了他们研究中使用的FSW工具和工艺参数在完成FSW运行后，他们根据ASTM E8标准进行拉伸和成形性测试。表3焊接薄板。从表中可以看出，无论采用何种焊接工艺，5182-O和5754-O焊接板在单轴拉伸中均显示出相似的延展性。FSW 6022-T4片材保持约43%的基材拉伸伸长率。他们还进行了成形性测试，并观察到所有FSW材料（5182-O、5754-O和6022-T4）的成形极限图在平面应变下具有与基材相似的成形性。8. 搅拌摩擦划线焊示于图 19是FSW的衍生物，称为摩擦搅拌划线器（FSS）[126-128]，其使用改进的FSW工具。FSS工艺中的工具包括位于切割位置的偏移划线切割器。工具销的尖端。划线仪基本上是压配合到一个预先钻孔的探针。在实际设置过程中，图19. FSS工具插入异种材料搭接接头时的示意图（上图）和FSS工具（下图）[29]。图20. 使用摩擦搅拌划线技术在不同钢和铝组合之间制造的代表性接头[29]。144M. 哈格舍纳斯， A. P. Gerlich /工程部 科学 和 技术， 一个 国际 杂志 21 （2018）130将点材料（即铝）放置在高熔点材料（即钢）的顶部。然后，在接合操作期间，划线切割器切入放置在低熔点片材下方的较高熔点材料。当工具旋转并向前移动时，底部片材中的切屑产生微钩（锚）并机械地互锁上部片材和下部片材之间的界面。在这种情况下，划线切割器主要与底部片材相互作用，而工具肩部与顶部片材接触。这导致在顶部的低熔点材料中的塑性变形和在底部（高熔点）材料中的切割作用（不一定是塑性变形）。这种现象是FSS工艺的主要优点，因为它避免了空隙形成，特别是在处理连接物理性质（即熔化温度）差异很大的不同材料时。Upadhyay