《Discover Industrial Chemistry and Materials》期刊發(fā)表一篇綜合綜述，系統(tǒng)評估了摩擦攪拌加工（FSP）作為焊后處理技術(shù)在修復(fù)鋁合金熔焊接頭中的應(yīng)用潛力。該研究由印度斯里·蘭斯瓦魯普紀(jì)念大學(xué)與巴特那印度理工學(xué)院Md Saquib Bin Reyaz等人領(lǐng)銜，指出FSP有望解決傳統(tǒng)熔焊工藝中接頭強度不足的瓶頸問題，對航空航天、汽車制造及船舶工業(yè)具有重大應(yīng)用價值。

鋁合金因?qū)峥臁⑷埸c低且易氧化，在常規(guī)電弧或激光熔焊過程中極易產(chǎn)生凝固收縮裂紋、氫致氣孔、未熔合、咬邊及燒穿等宏觀缺陷。這些缺陷不僅減小接頭有效截面，還會成為循環(huán)載荷下的應(yīng)力集中點。微觀層面，熱循環(huán)會導(dǎo)致強化相（如6xxx系合金的β″和β′相、2xxx系的Al2Cu）溶解或粗化，合金元素偏聚于晶界，熱影響區(qū)晶粒粗化，依據(jù)Hall–Petch關(guān)系顯著削弱材料強度。不同合金表現(xiàn)各異：AA6061在約束應(yīng)變下易開裂，AA2219因共晶網(wǎng)絡(luò)較細(xì)而抗裂性較好；Al-Mg-Si合金中鎂硅偏聚，部分焊縫鋅偏聚明顯，易引發(fā)晶間應(yīng)力腐蝕開裂；AA6061中的粗大Al-Fe-Si金屬間化合物也會脫粘誘發(fā)裂紋。僅靠優(yōu)化焊接參數(shù)無法根除熔體物理特性帶來的固有缺陷。

摩擦攪拌加工衍生自1990年代初由英國焊接研究所發(fā)明的摩擦攪拌焊技術(shù)。與傳統(tǒng)熔焊不同，F(xiàn)SP全程保持工件處于固態(tài)。帶有肩部和針軸的硬質(zhì)非消耗旋轉(zhuǎn)工具插入材料并沿預(yù)定路徑移動。肩部與工件界面的摩擦（提供約70%總熱量）及針軸周圍的塑性耗散使金屬軟化而不熔化。該過程分為插入、停留、行進和回撤四個階段。強烈的熱-力耦合作用驅(qū)動動態(tài)再結(jié)晶，將粗大的枝晶熔合區(qū)組織替換為僅幾微米甚至亞微米的細(xì)小等軸晶。

由于材料不熔化，F(xiàn)SP徹底規(guī)避了凝固類缺陷。綜述顯示，該技術(shù)能消除或大幅減少氣孔、熱撕裂、凝固裂紋、縮孔和微偏析，重新分布強化相，降低殘余拉應(yīng)力并縮小有效熱影響區(qū)。處理區(qū)域劃分為典型分區(qū)：動態(tài)再結(jié)晶細(xì)晶攪拌區(qū)、部分再結(jié)晶的熱機械影響區(qū)、僅受熱影響的熱影響區(qū)以及未受影響的母材。實現(xiàn)該效果需平衡轉(zhuǎn)速、行進速度和工具幾何形狀。中等轉(zhuǎn)速配合適中行進速度可獲得均勻細(xì)晶和顆粒分布；過高速度會導(dǎo)致過熱和后焊退火，反而粗化晶粒并損害強度。

綜述匯總的實驗數(shù)據(jù)表明，F(xiàn)SP對TIG焊AA2024接頭消除了凝固裂紋和氣孔，獲得超細(xì)等軸微觀組織，拉伸強度和硬度大幅提升。TIG焊AA7020接頭經(jīng)處理后硬度與強度分別比未處理焊縫高118.5%，比母材高103%。AA6061-T6 TIG焊縫經(jīng)FSP后拉伸強度提升47%，顯微硬度提升10%。AA7075 TIG接頭拉伸強度從228兆帕升至320兆帕，重合位置晶界和高角度晶界顯著增加。AA5052 TIG焊縫經(jīng)FSP獲得3微米晶粒，高角度晶界達(dá)52%，硬度、屈服強度和極限抗拉強度分別提升50%、42%和25%。

多道次處理進一步放大效益。在AA8011-H14與AA5083-H321異種TIG接頭中，單道次即消除枝晶形態(tài)，三道次后攪拌區(qū)平均晶粒細(xì)化至3.42微米，極限抗拉強度從79.82兆帕升至126.92兆帕。研究人員還利用FSP直接在焊縫區(qū)嵌入增強顆粒：向TIG焊AA5083中添加氧化鋁顆粒使屈服強度提升29%、抗拉強度提升18%、沖擊能量躍升56%，將修復(fù)焊縫轉(zhuǎn)化為原位金屬基復(fù)合材料。鈧改性填充物結(jié)合FSP處理船用級AA5083可將晶粒細(xì)化至2微米，強度達(dá)331兆帕且延伸率為20.5%，超越母材水平。

該技術(shù)同樣適用于MIG和冷金屬過渡焊。FSP處理AA6082-T651 T型角部MIG焊縫使晶粒尺寸縮小96%，平均硬度提升37%，屈服強度提升9%，并因消除氣孔將腐蝕疲勞壽命延長至約80萬次。在AA5083-H321/AA5356異種弧焊接頭中，F(xiàn)SP消除了粗大組成相，極限抗拉強度從259兆帕升至306兆帕。與AA6082-T6 MIG接頭的焊后熱處理直接對比，F(xiàn)SP實現(xiàn)99%的接頭效率（熱處理為85%），拉伸強度達(dá)305兆帕，硬度提升23%至24%，但熱機械路線犧牲了約7%的延伸率，作者指出這屬于根據(jù)服役需求定制工藝的選擇。耐腐蝕性同步改善：FSP處理AA2219-T6 TIG焊縫通過消除貧銅區(qū)和細(xì)化AlCu2共晶顆粒，將腐蝕速率從每年25密耳降至4密耳。

綜述總結(jié)認(rèn)為，摩擦攪拌加工已發(fā)展為高效、可持續(xù)的焊后處理技術(shù)，不產(chǎn)生有害氣體、輻射或過度噪音，能耗遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)路線。TIG焊修復(fù)的參數(shù)集中在轉(zhuǎn)速600至1300轉(zhuǎn)/分、行進速度30至100毫米/分，工具肩部直徑、針軸輪廓、肩針直徑比及軸向鍛造力均起決定性作用。作者展望了未來十年的發(fā)展方向：耦合超聲振動或電磁輔助、設(shè)計新型螺旋和三槽工具幾何形狀、部署力/扭矩/聲發(fā)射傳感器實時監(jiān)測、基于機器學(xué)習(xí)優(yōu)化長焊縫工藝，以及嵌入碳化硅、氧化鋁、TiB2和石墨烯等陶瓷或納米增強體以創(chuàng)建復(fù)合焊縫區(qū)。對于追求更輕、更強、更環(huán)保結(jié)構(gòu)的行業(yè)而言，旋轉(zhuǎn)工具正成為修復(fù)鋁合金焊接缺陷的關(guān)鍵技術(shù)。