铆焊技术创新：从传统工艺到现代混合解决方案(铆焊接头区域微观组织与性能关系)

铆焊技术创新：从传统工艺到现代混合解决方案
1 铆焊技术概述及分类
铆焊作为一种经典的机械连接技术，已经发展了数个世纪。传统的铆接通过塑性变形在连接部位形成机械锁合，实现力量的传递。随着技术进步，特别是搅拌摩擦铆焊等新技术的出现，铆焊已经从单纯的机械连接发展为机械锁合与冶金结合相结合的混合连接技术。

现代铆焊技术可根据铆接形式和铆钉结构的不同，主要分为自铆接搅拌摩擦铆焊和自冲旋铆两大类。在自铆接搅拌摩擦铆焊中，无预制铆钉，用于异种材料板子的连接。在下层板子上预制适当形状的孔，随着搅拌头移动，上层材料在摩擦热作用下软化并受到挤压向下流动，进入下层板子的预制孔形成类似铆钉结构。而自冲旋铆过程主要包括铆点寻位、搅拌自攻孔、搅拌变形锁合和急停固焊四个阶段。

2 搅拌摩擦铆焊技术详解
2.1 搅拌摩擦铆焊的原理与过程
搅拌摩擦铆焊技术是一种新兴的异种材料稳定连接技术，采用铆钉的旋转摩擦生热，同时保留铆焊技术的变形锁合以及固相焊接特征。关于搅拌摩擦铆焊，国内外各高校已有相关研究，但着重集中在搅拌摩擦铆焊接头的组织、力学性能表征以及失效形式分析。

Haris等人研究了微搅拌摩擦铆焊技术连接多层Al/Cu超薄板，试验结果表明层间结合良好，且存在纳米级扩散层。William研究了双面搅拌摩擦自铆焊技术，试验中在预制孔里形成了连续的类似铆钉的连接接头，接头处不仅形成材料层面的冶金结合外，而且在铆焊接头下部形成了有效的机械锁合。

2.2 搅拌摩擦铆焊的接头形式与结合机理
搅拌摩擦铆焊的接头形式根据铆接形式以及铆钉结构的不同，可以细分为4种：搅拌摩擦盲铆技术（FSBR）、搅拌自旋铆接（FSPR）、旋转摩擦钻孔铆接（RFDR）以及旋转摩擦压力铆（RFPR）。

典型的搅拌摩擦自铆焊接头与自冲旋铆搅拌摩擦铆焊接头结构有所不同。在搅拌摩擦自铆焊技术连接铝合金与钢时，一般采用铝板在上、钢板在下的放置方式。一般在钢板上预制一定形状的孔，以便铆焊之后形成牢固的类似铆钉的接头。根据Huang等人的研究成果，在搅拌摩擦自铆焊焊接铝合金与钢过程中，材料填充顺序遵循以下规律：首先是铆钉尖端变形的铝合金，其次是铆钉杆部受到搅拌的铝合金，最后是由于铆钉进给被压入的铝合金。

3 铆焊接头区域微观组织与性能关系
3.1 接头区域的微观组织特征
对搅拌摩擦铆焊接头区域微观组织的研究，可促进对组织-性能间关系的深入理解，从而进一步控制搅拌摩擦铆焊接头的综合性能。

根据组织演变规律，搅拌摩擦自铆焊接头区域可划分为搅拌区域（SZ）或者焊接区块（WNZ）、热机影响区（TMAZ）、塑性变形金属流动区（PDZ）或自铆接区域（SRZ）。与基体组织比较，SZ区域组织明显细化，晶粒最细小，微观组织为细小等轴晶。PDZ区域组织则明显粗化，但与基体比较细小，晶粒为较粗大的等轴晶。TMAZ区域晶粒细化，且晶粒由于机械搅拌的影响发生明显变形。

3.2 界面金属间化合物及其影响
在铝合金与钢搅拌摩擦铆焊界面结合处易形成FexAly（x<y）型金属间化合物，对接头性能产生危害。Huang等人研究结果表明，铝合金与钢搅拌摩擦铆焊界面平整，结合紧密，没有发现明显的裂纹孔洞等缺陷。TEM检测结果表明，生成的金属间化合物为Fe4Al13。Sun等人在6061铝合金与低碳钢搅拌摩擦铆焊结合界面处检测到片状Fe2Al5以及弥散分布的块状FeAl6金属间化合物。

大量研究结果表明，相较于生成富Fe的金属间化合物，如FeAl、Fe3Al，形成富Al的金属间化合物，如Fe2Al5和FeAl3对界面结合以及接头强度产生负面影响。这一发现为优化铆焊工艺提供了重要方向。

4 铆焊工艺优化与性能提升策略
4.1 工艺参数优化
铆焊工艺参数对接头质量有决定性影响。在自冲旋铆中，根切量d（铆钉与板材结合界面到铆钉尖部的辐射距离）、铆钉深度h（铆钉深入下层板子的深度）以及铆靠近铆钉杆部板子间距离等都是关键参数。通常，根切和铆入深度越大，表明机械锁合作用越强，而较大的δ值预示着铆入深度减小且机械锁合效果削弱。

王希靖等人研究了植入式搅拌摩擦铆焊两种接头形式对性能的影响，试验结果表明：背面有钉帽的接头形式在拉伸过程中铝柱沿着界面被剪成两部分，而背后无钉帽的接头形式在拉伸过程中铝柱直接从孔中拔出。因此，为了实现铆钉的机械锁合，即形成钉帽结构，需要在预制孔下方放置适当的匹配模，这对铆焊的放置方式和空间提出了更加严苛的要求。

4.2 材料优化与表面处理
通过材料优化和表面处理，可以显著提高铆焊接头性能。在铝和钢搅拌摩擦铆焊过程中加入Zn元素或采用镀锌钢，将会促进Al-Zn金属间化合物生成，减少有害的Fe-Al金属间化合物的形成。

Min等对自冲旋铆铆焊AA611铝合金与镀锌钢铆钉的微观组织演变规律进行了观察表征。接头区域按照微观组织的演变可被分为3个典型区域，均已铆钉为中心成圆弧形分布：区域X（距离铆钉边缘大于773μm）、区域A（距离铆钉边缘363~773μm范围内）和区域B（距离铆钉边缘88~363μm范围内）。不同区域的晶界特征和晶粒细化程度各异，反映了不同的热机历史。

5 铆焊技术应用前景与发展趋势
5.1 异种材料连接中的应用前景
随着轻量化以及节能在工业领域的需求日益提高，铝镁合金的应用需求日益增加，而铝镁合金单独使用强度和刚度较低，需要将其与高强度材料如钢等复合使用。因此，异种材料的连接，尤其是铝合金、镁合金等轻质合金与钢的连接显得尤为重要，着重需要解决异种材料高强度和高精度结合问题。

传统异种材料连接方法包括铆接、焊接和胶结，但这些方式存在诸多缺点，如普适性不强、连接强度及稳定性欠佳、精度难以控制等问题。搅拌摩擦铆焊等新兴技术为这些挑战提供了有效的解决方案，特别是在汽车、航空航天等高端制造领域展示出广阔的应用前景。

5.2 技术发展趋势
铆焊技术未来的发展将更加注重工艺精度、效率提升和适应性扩展。一方面，通过工艺参数的精确控制和过程监测的强化，提高接头质量的一致性；另一方面，通过设备创新和工艺优化，提高生产效率，降低生产成本。

数字化和智能化也是铆焊技术发展的重要方向。通过集成传感器、数据分析和控制系统，实现铆焊过程的实时监测和自适应控制，保证接头质量的稳定性和可靠性。同时，基于数字孪生技术的工艺优化也将成为提高铆焊质量的重要手段