搅拌摩擦焊（FSW）作为先进的固态连接技术，已广泛应用于材料连接领域。但FSW过程中的高温会使AA6061‑T6等铝合金焊缝中的强化相发生弱化与溶解。Ogunsemi等总结了多种改进策略，以提升不同工况下的接头整体性能。另有研究成功实现了铜/铝等异种材料的FSW连接，指出主要缺陷包括隧道缺陷、孔洞、气孔、裂纹、匙孔及焊缝减薄等。本文针对结构钢建筑领域，系统综述搅拌摩擦焊与闪光对焊的焊缝的力学性能、裂纹行为及疲劳性能的影响，填补相关研究空白，重点分析两种工艺在钢结构中的适用性，为工艺优化与工程应用提供参考。 2.1线性摩擦焊接 线性摩擦焊接（LFW）是一种适用于同种/异种材料、多尺寸构件连接的固态焊接方法。Mishra等（2023年）采用LFW实现了不锈钢与中碳钢的连接，验证了其良好的可焊性。Miao等（2024年）研究了SM490A低碳钢LFW接头的疲劳性能，发现往复运动强化作用可优化焊缝轮廓、降低应力集中，显著提升疲劳寿命。Zhang等（2024年）采用电脉冲处理（EPT）改善TC17钛合金LFW接头组织，实现了强度与塑性的同步提升，为其在航空发动机部件中的应用提供了依据。Yu等（2024年）研究GH4169高温合金LFW后发现，焊缝中心的硬度与抗拉强度均高于母材，细晶强化作用显著；接头缩短量的增加有利于提高耐蚀性，但过高的加热温度会使耐蚀性下降；强度与耐蚀性之间无明显关联，可通过参数优化实现综合性能提升。 微观上，焊接区（WZ）为细小等轴晶组织，热机械影响区（TMAZ）呈流线特征，母材为沿轧制方向分布的长条组织。Xiao等（2024年）通过拉伸试验验证了各区组织与性能的差异。Yu等（2024年）采用数值模拟与试验相结合的方法发现，焊接频率提高会使应变率上升，热塑性金属流动阻力增大，接头缩短量降低，模拟与试验结果吻合度较高。 Peng等（2024年）建立了TC17合金弹性常数与相分数之间的关系，可准确预测LFW接头的残余应力。Tiejun等（2024年）指出，LFW过程中塑性变形沿振荡方向均匀分布，热塑性金属沿垂直于振荡方向的界面向下流动，形成倒“V”形塑性区；连续动态再结晶的发生伴随着位错运动与低角度晶界生成，界面晶粒取向随机、织构强度较弱，再结晶过程可降低界面剪应力。 2.2闪光对焊及其缺陷 闪光对焊（FBW）凭借接头质量优势，在钢轨等结构连接中优先于铝热焊。其锻造阶段直接决定接头强度，温度场则对整体性能产生重要影响。Xu等（2024年）模拟得到钢轨端部峰值温度可达1906.9℃，显著超过钢材熔点。Bari等（2020年）采用试验设计方法，研究了闪光对焊工艺参数对超高强度钢轨接头显微硬度分布的影响。 闪光对焊通过高温闪光、顶锻挤压实现界面结合，可显著优化组织分布，提升IN718等合金接头的强度与塑性（Zhou等，2023年）。针对440CLHSLA钢、低碳钢制动拉杆、钢轨、Ti6242合金、Inconel718等材料的FBW研究表明，电流、加热时间、顶锻量、闪光方式等工艺参数对组织、硬度、韧性及疲劳性能具有决定性作用。 Sheng等（2024年）建立了闪光对焊钢筋的疲劳寿命预测模型；Shen等（2024年）揭示了冲击动能作用下钢轨接头的损伤分区机制；Su等、Wu等分别开展了轨道接头棘轮行为与弯曲性能的数值研究。总体而言，FBW在高效连接大型构件方面优势突出，但热循环剧烈，易造成组织不均匀与性能波动。 2.3冷搭接焊及其缺陷 冷搭接焊（CBW）在室温下依靠塑性变形实现连接，接头强度接近母材，且不会损伤基体性能。Celotto等（2024年）研究了AA1070与AA6082异种铝合金CBW接头，发现硬度较高的AA6082可穿透较软的AA1070，形成U形连接界面，组织特征明显。AA1070塑性好、耐蚀性优、导电导热能力强；AA6082为中高强度结构合金，适用于建筑、海洋与航空领域。 Chen等（2019年）提出基于时空扭曲的闪光焊电流与电极位置信号识别方法，精度优于传统聚类算法。冷搭接焊在轻量化、低变形连接中具有潜力，但目前在结构钢中应用有限，相关研究仍集中于铝合金等轻合金。 2.4搅拌摩擦焊 搅拌摩擦焊（FSW）是典型的固态连接技术，依靠搅拌头产热与材料塑性流动实现界面结合。对中偏差、装配间隙等问题会削弱连接强度，产生各类几何缺陷（Khaliq等，2023年；Vieltorf等，2024年）。 Patel等（2023年）研究固定肩部FSW（SSFSW）发现，在合适焊接速度下可获得优质焊缝，搅拌区（SZ）发生显著动态再结晶，晶粒大幅细化；EBSD分析显示组织中存在沿（111）取向的较大晶粒与沿（101）取向的较小晶粒。 FSW常见缺陷包括根部未焊合、底部未充分穿透、气泡、沟槽等。根部未焊合多出现于母材界面处；气泡由塑化金属过度排出引起，常出现在后退侧；沟槽则与倾角不当、材料流动不足有关（EI‑Sayed等，2021年）。 Alemdar等（2023年）对比反向双面对头FSW（DS‑FSW）与传统静态肩部FSW（SS‑FSW），发现DS‑FSW力学性能更优，但AA2024‑T3/AA2198‑T8接头混合区的拉伸性能明显下降。 Sliva等（2019年）指出，FSW薄板接头强度可达母材的80%–90%。Yasui等（2018年）发现FSW热循环会扩大热影响区（HAZ）并导致软化，实测强度略低于标准要求。Silva等（2023年）对AISI410S不锈钢FSW进行数值与试验研究，发现搅拌区温度在熔点80%左右时缺陷率最低，温度过低易出现未焊合，过高则易产生飞溅。 Xu等（2023年）对比常规FSW与快速冷却FSW（RCFSW）焊接Mg‑14Li‑1Al合金，结果表明冷却剂可有效抑制晶粒粗化，效果优于降低转速；常规FSW与RCFSW接头强度相近，但RCFSW延伸率更高。 总体而言，FSW热输入低、焊接变形小、焊缝组织细密，在结构钢与轻合金连接中表现出优异潜力，但对设备、工艺参数与搅拌头设计依赖性较高。 3.1热影响区 热影响区是经历热循环但未发生明显塑性流动的区域。对于可热处理强化铝合金，温度超过250℃即会导致析出相粗化，显著降低接头性能（EI‑Sayed等，2021年）。 Bai等（2023年）对高强度无碳化物贝氏体钢轨钢开展热模拟，发现HAZ组织随峰值温度变化明显：700℃时为多边贝氏体铁素体，850-1000℃为细贝氏体+粒状贝氏体，1350℃为粗贝氏体组织。细晶热影响区（FGHAZ）冲击韧性最高，但仍低于母材；920℃左右韧性最优，温度继续升高则韧性下降。 Shen等、Pereira等（2024年）发现，闪光焊钢轨的裂纹易出现在HAZ边界与焊缝中心区域，与边缘球化渗碳体或中心先共晶铁素体组织密切相关。Kemanidis等（2017年）模拟了FSW铝合金HAZ组织梯度，研究其对疲劳裂纹扩展的影响。 Baek等（2024年）对比热壁/冷壁接头发现，热壁接头存在铝热影响区（Al HAZ），硬度分布差异显著；在合适电流下，热壁接头的拉伸剪切载荷与位移明显更高。Yan等（2023年和2024年）采用半经验方法研究S355、S500钢HAZ力学性能，结果显示HAZ屈服强度与抗拉强度分别平均下降13%与4%；母材与焊缝对HAZ的横向约束可提升其承载能力；数字图像相关（DIC）方法会高估HAZ强度。 Maia（2023年）研究多道焊HAZ发现，再热循环显著影响微观组元，SCR‑CGHAZ硬度最高，FGHAZ为热影响区中最硬区域，SC‑CGHAZ与IC‑CGHAZ硬度较低，HAZ整体硬度分布极不均匀。 3.2缺陷分析 焊接缺陷直接影响结构安全性与疲劳寿命。常见缺陷包括裂纹（CR）、未焊透（IP）、未熔合（LOF）、夹渣（SI）、气孔（BH）等。热裂纹多出现于多层焊首层，射线检测（RT）难以识别其深度，需通过断口实测真实尺寸（Miki等，2001年）。 缺陷的类型、尺寸、位置、倾角与应力状态共同决定其危害性。在疲劳载荷下，缺陷常成为裂纹萌生核心，大幅降低使用寿命。因此，基于缺陷特征的安全性评定与寿命预测是工程应用中的关键内容。 3.3疲劳性能 Zhao（2015年）研究U75V钢轨闪光对焊接头，发现疲劳性能主要取决于顶锻压力，提高顶锻压力可提升疲劳抗力；在腐蚀环境下，裂纹易萌生于界面区域与近表面位置。当界面处的 IMC层较薄时，铝/钢界面会形成牢固的冶金结合，从而提高接头的强度和抗疲劳性能。然而，如果界面处的 IMC 层变得过于厚实，就可能会导致裂缝产生，并降低接头的承载能力（Liu等人，2023 年）。 另一项研究指出，疲劳裂纹起源于焊缝区域，并以脆性方式扩展，从而导致材料过早失效（Godefroid等，2014年）。Sheng等（2020年）进行了一项试验研究，旨在探究采用闪光对焊连接的HRB500高强度钢筋的拉伸和高循环疲劳性能。焊接试件的疲劳强度随着其直径的增大而降低，对于大直径的焊接试件，高循环疲劳强度的下降更为显著。与基材相比，HRB500 高强度钢筋的焊接试件更容易出现过早的疲劳失效。此外，随着加载循环次数的增加，焊接试件的疲劳强度下降速度有所减缓。 Ghazanfari等（2021年）采用热力耦合有限元法与关键平面法评估焊接钢轨的疲劳寿命，并对其进行优化。Li等（2022年）采用激光冲击强化（LSP）提高接头疲劳极限6.7%，表面高密度位错可有效抑制疲劳裂纹扩展。 Trimech等（2023年）采用国际焊接学会（IIW）有效缺口应力法评估FSW接头，发现FAT‑71曲线在高周疲劳区域偏于保守。 当应力范围为380MPa 时，LFW焊接接头的疲劳寿命在振荡后压力为250MPa 时比压力为50MPa时增加了约 31%。同样，当振荡后压力为300MPa 时，疲劳寿命比压力为250MPa时增加了87%。尽管LFW接头边缘的焊趾处有可能出现断裂，但疲劳强度显示出比IIW推荐的S-N设计曲线FAT90更长的疲劳寿命（Miao等，2023年）。 Liu等（2023年）研究Ti17线性摩擦焊接头的疲劳断裂特性，发现裂纹易出现在焊缝中心区（WCZ）与热机械影响区（TMAZ），组织不均匀是主要诱因。 Miki等（2001年）研究表明，缺陷的形状、大小和位置对试件的疲劳性能有着显著的影响。建立S‑N曲线与断裂力学评定方法，给出不同寿命下的临界缺陷尺寸，指出厚板可允许更大缺陷尺寸，断裂力学预测在长寿命区偏保守。 3.4断裂与裂纹 Xu等（2016年）分析已损坏车轮轮缘的失效模式和断裂机制。通过将损坏的轮辋与完好无损的轮辋进行对比，评估了闪焊连接的380CL钢的微观结构和断裂机制。轮辋的高屈服比导致了在扩口过程中缺乏可成型性。该轮辋的断裂机制涉及韧性和脆性断裂模式的结合（Xu等人，2016 年）。U71Mn钢轨的断裂面显示出明显的腐蚀区域，这表明该轨条使用时间较长。该轨条的焊接接头具有疲劳断裂的特征。在矫直、运输、铺设和使用过程中，由于弯曲应力，裂纹会扩展直至导致断裂（Yu等人，2015 年）。 Hu等（2023年）开展的研究中，运用了多种宏观和微观表征工具来探究导致高锰钢盘闪光对焊接头表面出现裂纹的因素。研究结果表明，这些裂纹为晶间应力腐蚀裂纹（IGSCC），主要位于碳钢轨与不锈钢侧的不锈钢部件之间的熔合线附近。 当Φ值为0时，椭圆形孔隙对预制裂纹处的蠕变裂纹变形影响最为显著。此外，在这种情况下，裂纹扩展速率是最高的。（Yang等，2024年）。Owsinski等（2021年）进行了一项关于焊接钢断裂行为的研究。观察到裂纹在母材中形成，但远离相变后的焊缝区域，这表明其可能与热影响区有关。 Owsinski等（2021年）发现，钢结构焊缝裂纹常起源于靠近热影响区的母材区域，残余应力与裂纹面角度会影响断裂路径与模式。Lepore等（2019年）利用有限元模拟FSW多裂纹疲劳扩展，结合残余应力与不同裂纹扩展法则，可较准确地预测裂纹行为。 Puspitasari（2024年）指出，搅拌头转速不一致会造成材料搅拌不充分、缺陷增多，从而提高疲劳裂纹扩展速率；转速稳定则搅拌均匀、缺陷少，裂纹扩展速率更低。 3.5力学性能 Xi等（2016年）研究RS590CL钢闪光对焊接头发现，焊接热循环峰值温度高、加热与冷却速率快，接头内形成多个组织与性能差异显著的区域；过大的顶锻量会导致上贝氏体粗化、残留氧化物及界面缺陷，显著降低接头韧性；优化顶锻量、挤压余量与挤压压力可使接头强韧性与母材相匹配。 Wang等（2015）研究了在筒形工具搅拌摩擦焊接过程中，工具旋转速度对铝锂合金 AA2198的微观结构和力学性能的影响。随着旋转速度的增加，搅拌区的晶粒尺寸增大，肩部主导区域的连接处残留物显著压缩。硬度分布从U形变为W形，接头效率在80%时达到峰值。研究结果表明，旋转速度会影响铝锂合金焊接中的接头强度、硬度分布和断裂行为。 Pan等（2022年）研究PG4热压对接钢轨接头，发现HAZ硬度下降、应变分布不均匀，晶粒错位影响焊缝完整性；结合强度在轨头、轨脚处最高，轨腰处较低，较高的残余应力进一步影响结构安全。Li等（2020年）研究表明，TA19钛合金闪光对焊接头经焊后热处理（PWHT）可显著提升塑性与强度。 通过脉冲水热处理（PWHT）所获得的均匀微观结构，包括缓解了拉伸残余应力以及形成了大α晶粒，从而使得延展性提高了25%。此外，时效硬化使强度提高了约 90%。其研究为优化微观结构以保持焊接钛合金的高性能提供了有价值的见解（Li等，2020 年）。Shen等（2018年）研究了闪光对接焊Inconel718接头的微观结构演变和力学性能，强调了由于热梯度和应变梯度而在热影响区（HAZ）形成的梯度结构。焊接缝中的晶粒生长和相溶解降低了延展性和强度，而粗化的晶界碳化物则降低了冲击韧性。尽管存在这些挑战，这些接头仍表现出足够的可成型性，为改进Inconel718 及类似高温合金的焊接提供了有价值的见解。 Porcaro等（2019年）研究了闪光对焊珠光体钢轨的微观结构演变和力学性能，重点在于热影响区（HAZ）。膨胀测量显示，较大的奥氏体晶粒尺寸会导致在较低温度下发生奥氏体-珠光体转变，从而在晶粒生长区域导致硬度增加。热影响区中部分渗碳体球化导致硬度和抗拉强度降低，与失效有关。作者研究提出了一种基于膨胀测量的方法来优化焊接后的冷却过程，通过改善硬度分布来提高焊缝性能，且无需增加成本或时间。 Yang等（2023年）探讨了通过直线摩擦焊接（LFW）工艺制造的GH4169高温合金接头的微观结构演变及其力学性能。研究结果表明，焊接区域呈现出“W”形的硬度分布曲线，不同区域的微硬度存在差异。此外，还对材料缺陷（如气孔和夹杂物）进行了分析，结果表明这些缺陷会影响接头性能。拉伸试验表明，富含氧、氧化物和碳化物颗粒的缺陷会引发裂纹形成，从而导致接头失效。其研究结果突显了焊接变量对接头质量的影响，并为优化 GH4169 高温合金的激光熔覆工艺提供了参考。 对于有缺陷的接头的疲劳行为讨论主要集中在缺陷的长度以及所施加的名义应力上。然而，缺陷的深度差异显著，其位置以及相应的应力分布也有所不同，这一点在前面的论述中已有所提及。这些因素对于评估含有缺陷的接头的疲劳行为至关重要。在这一评估中，仅考虑了因缺陷引发疲劳裂纹而失效的试样。在存在缺陷的情况下，疲劳行为取决于式（1），即与初始裂纹形状相关的应力强度因子。 K0=σ（πa）1/2F （1） F=Fg·Fe·Ft·Fh （2） 式中，参数a表示缺陷的半深度，其模型基于简化裂纹构建而成。式（2）中的修正因子F融合了多种影响因素，包括应力梯度（Fg）、裂纹形状（Fe）、板厚和宽度（Ft）以及缺陷相对于板中心轴的偏心度（Fh）。 应力梯度是从与缺陷平面垂直的X方向的应力分布中推导出来的，该分布是通过有限元分析确定的。初始应力强度因子（K0）与疲劳寿命（Nf）之间的关系由一条拟合幂函数的回归线来表示。结果表明，具有疲劳裂纹的接头试样无论缺陷类型如何，都表现出相似的疲劳行为。疲劳寿命受缺陷的形状和位置影响，而这些可以通过应力强度因子有效表征。残余应力未纳入计算，这意味着其对疲劳行为的影响可以忽略不计。 使用断裂力学方法分析了具有不同缺陷类型的试样的疲劳扩展寿命。初始裂纹尺寸以及用于计算应力强度因子的修正系数与之前计算中所采用的数值一致。该分析采用了经 JSSC指南推荐的修正“帕里斯”幂律模型，其公式及系数如下： da/dN=C（ΔKn-ΔKth） （3） da/dN=0，ifΔK＜ΔKth） （4） 式（3）中所使用的常数——修正后的“巴黎”幂律公式中的C和n分别为1.5×10-11和2.75，这是基于 JSSC19推荐的平均曲线值得出的。此外，应力强度因子范围的阈值在式（4）中被指定为ΔKth=2.9（单位为 MPa·m1/2）。 为了评估应力分布对裂纹扩展的影响，进行了有和没有纳入修正因子Fg的分析。残余应力未包含在此次计算中。分析结果与疲劳测试结果进行了比较。当使用名义应力但不考虑Fg时，对于含有CR和IP类缺陷的试样，裂纹扩展分析得出的结果比LOF、SI 和BH缺陷保守得多。相反，通过 Fg 包含应力分布的影响，得到了不同缺陷类型的结果一致，与疲劳测试的结果非常吻合。在 S-N 图中观察到的不同缺陷类型的差异，主要由缺陷附近的应力分布影响。 这些研究结果强调了在裂纹扩展分析中考虑应力分布与焊缝形状之间的关系的重要性。通过引入Fg，残余应力似乎对分析结果的影响微乎其微。此外，分析表明，在长期疲劳寿命区域，裂纹扩展预测往往较为保守，这可能是由于通过标记试验确定了疲劳起始寿命所致。然而，在低循环疲劳寿命区域，裂纹扩展分析并未得出保守的结果。 钢铁的通用标准包括：ASTM（例如，ASTM A36用于碳素结构钢）、EN（例如，EN 10025用于结构钢）以及 JIS（例如，JIS G3101用于一般结构钢）。对于焊接而言，适用的标准包括AWS（例如，AWS D1.1用于结构焊接）、ISO（例如，ISO 9606用于焊工资格认证）以及 BS（例如，BS EN 13479用于焊接材料）。这些标准确保了材料规格和焊接工艺的一致性和清晰性。 在焊接缺陷及其特征方面，未来的研究方向可以集中在以下几个关键领域： 首先，深入研究焊接缺陷形成的精确机制至关重要，包括焊接参数和材料特性的影响，这对于开发更有效的缺陷检测方法是必不可少的。 接着，可以探索先进的无损检测（NDT）技术，如超声波、X 射线和数字成像，可以更准确和高效地检测内部焊接缺陷。焊接缺陷对焊接接头的长期疲劳性能和结构完整性的影响也需要更深入的探索，尤其是在复杂的加载条件下。 此外，研究开发新的焊接材料和技术，如搅拌摩擦焊接或增材制造，可能会为减少缺陷形成和提高焊接接头的整体质量提供解决方案。 最后，对残余应力的作用及其与焊缝缺陷在裂纹扩展过程中的相互作用进行的研究，可能会为焊接结构的使用寿命预测模型提供更有效的依据。 1）搅拌摩擦焊接（FSW）以其能生产出高质量、无缺陷且变形极小的焊缝，并显著降低裂纹形成的可能性（尤其是在热影响区）而著称。在易产生裂纹的材料中，这种焊接方法尤其具有优势，因为其操作温度低于传统焊接方法。FSW 产生的细晶粒微观结构增强了抗疲劳性能，使其成为在循环载荷下需要高耐用性应用的理想选择。FSW还能形成均匀的微观结构，且孔隙率更低，从而提高了疲劳强度。 2）闪光对焊（FBW）在连接大型钢件方面效率极高且效果显著，尤其适用于铁路建设。然而，FBW通常会导致更不均匀的微观结构，并可能导致热影响区出现显著变化，这会增加裂纹形成的风险，尤其是在粗晶粒热影响区（CGHAZ）中。尽管 FBW能提供较高的接头强度和生产效率，但它可能无法像 FSW那样提供相同的疲劳抗性，特别是在应力分布复杂的区域。FBW中的热影响区通常由于涉及的热梯度和快速冷却速率而更倾向于发生疲劳开裂。 3）尽管FSW技术在将多种材料应用于航空航天和汽车等行业方面表现突出，但在不同材料焊接过程中因热效应导致的沉淀物削弱以及缺陷形成等问题上仍存在挑战。同样地，FBW在轨道连接方面表现出色，其在温度分布、连接强度以及工艺参数方面的改进，提高了抗疲劳能力和焊接质量。 4）对微观结构演变（尤其是热影响区内的演变）的持续研究，以及创新的焊接评估技术的开发，对于优化焊接工艺以满足现代工程应用的严格要求至关重要。FBW中的热影响区更容易出现变化，包括粗晶粒的形成，这会降低力学性能。而FSW则能产生更均匀的热影响区，从而提高整体焊接的完整性。 5）由于加工温度更低以及微观结构更细致，FSW（熔丝挤压）在抗裂性方面通常优于FBW（熔体流动速率挤压）。其较低的加工温度和更精细的微观结构降低了热影响区出现裂纹的风险。 6）与 FBW 相比，FSW 具有更出色的抗疲劳性能。FSW精致的微观结构和最小化的缺陷使得其在循环加载条件下表现更佳。 在比较抗裂性、热影响区完整性和抗疲劳性时，特别是在需要高耐久性的应用中，搅拌摩擦焊接通常被认为是更优的技术。虽然闪光对接焊在速度和效率方面具有优势，特别是在大规模结构钢建筑中，但它在长期性能和结构完整性方面可能无法与 FSW 相媲美。因此，对于要求抗裂性、疲劳强度和最佳热影响区的场合，推荐使用 FSW 而非 FBW。
2026年04月11日
星期六
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