综合技术评述：金属-聚合物混合结构的搅拌摩擦焊接技术综述

主要作者与刊物信息
该文档由 Ali A. Barakat、Basil M. Darras（通讯作者，联系方式：bdarras@aus.edu）、Mohammad A. Nazzal 和 Aser Alaa Ahmed 完成，作者隶属于阿联酋沙迦美国大学机械工程系。文章于 2023 年发表在《Polymers》期刊（Volume 15, Issue 220），是一篇开放获取的综述文章，基于 CC BY 4.0 版权许可。

主题与研究背景
该文章聚焦于金属-聚合物混合结构的搅拌摩擦焊接（Friction Stir Welding，简称 FSW）技术的全面技术综述。金属-聚合物混合结构因其重量轻、强度高、设计灵活、制造成本低，近年来受到汽车、航空航天、生物医学和建筑行业的广泛青睐。然而，金属与聚合物材料在性质上的显著差异使其连接过程极具挑战性，传统连接技术（如粘接、机械固定等）存在不少局限性。而 FSW 技术作为一种新兴的固态焊接方法，展现出巨大潜力，有望克服传统方法的诸多限制并提供高质量的连接。本文系统总结了现有文献中关于材料选择、工具设计、工艺参数以及缺陷控制对焊接接头性能和显微结构影响的研究结果，同时介绍了提高接头质量的最新实践。文章旨在为相关研究提供参考，推动 FSW 技术在金属与聚合物连接领域的进一步探索和应用。

综述的核心观点与内容

1. 金属-聚合物连接现状与技术挑战

金属-聚合物混合结构的需求日益上升。同时，目前用于金属与聚合物连接的方法主要包括：
- 粘接法（Adhesive Bonding）：利用粘合剂在两种材料间形成连接，具有重量轻、应力分布均匀的优点，但其对环境因素（如温度、湿度）敏感且容易发生脆性失效。
- 机械固定法（Mechanical Fastening）：如铆接，通过机械部件形成连接，操作简单，但会增加结构重量并带来应力集中问题。
- 超声波焊接（Ultrasonic Welding）：通过高频/低振幅的波动进行固态连接，成本低、时间短，但接头易受材料性能差异影响。
- 激光焊接（Laser Welding）：利用激光束熔融焊接，化学与机械结合力较强，但工艺复杂且需要保护气体。
- 注塑成型（Injection Molding）：通过注入液态聚合物形成连接，适合复杂形状，但强度相对较低。

相比之下，搅拌摩擦焊接技术提供了一种环保、成本低、连接强度高的替代方案。

2. FSW 技术详述

搅拌摩擦焊接是一种固态焊接工艺，使用不可消耗的旋转工具通过摩擦生热软化材料进行结合。其基本过程包括以下步骤：
1. 工具插入：将工具销（Pin）插入材料接口，工具肩部（Shoulder）接触表面，通过旋转产生摩擦热。
2. 材料流动：在摩擦和工具压力作用下，材料从先进边（Advancing Side，AS）向退后边（Retreating Side，RS）塑性流动，形成焊接接头。
3. 再结晶化：经过动态恢复/再结晶，焊区组织被细化，产生高质量焊接。

FSW 的优势在于焊接过程中无烟无气体排放，能耗低，操作便捷，适用于多种金属与聚合物的连接（如铝合金-高密度聚乙烯、镁合金-尼龙6 等）。

3. 材料与接头设计

材料选择是 FSW 成功应用的重要前提。金属和聚合物之间因表面能和结构的显著差异，在连接过程中需克服以下难点：
- 金属的结晶结构与聚合物的长链分子结构导致粘附性差。
- 金属熔点通常远高于聚合物的分解温度，易引发聚合物热降解（如分子断裂和氧化）。

研究发现，选择较软且熔点低的金属（如铝、镁）和高热分解温度的聚合物（如 PEEK、PC）可以实现较理想的结合。常见接头设计包括对接接头（Butt Joint）、搭接接头（Lap Joint）和 T 型搭接接头（T-Lap Joint），不同接头形式对应不同的材料与工艺参数组合。

4. 工具与工艺参数优化

工具几何形状是 FSW 工艺开发的关键因素，影响材料流动与焊接质量。肩部和销的尺寸、形状与特性对加热和塑性流动起决定性作用。文献中常用的工具类型包括：
- 圆柱螺纹销：适用于高强度接头焊接。
- 锥形销：提高材料转移能力，适用于聚合物基体较软的情况。

工艺参数方面，旋转速度、焊接速度、工具倾角、插入深度等均需精确控制。以下是优化过程的核心结论：
1. 旋转速度与焊接速度：低速度会导致焊接缺陷，如孔洞或隧道结构；高速度则可能产生过多热量，使聚合物降解。
2. 工具倾角与插入深度：过大的倾角或深度可能引发表面缺陷（如飞边），而合理控制可提高材料混合效果与连接强度。

5. 接头性能与缺陷分析

FSW 接头性能受显微组织和内部缺陷的显著影响：
- 显微组织：扫描电子显微镜（SEM）结果显示，焊区的主要结合机制为金属碎片嵌入聚合物基体形成的机械互锁。此外，在金属与聚合物界面处可能形成化学结合（如 C-O-Al 键）。
- 缺陷类型：焊接过程中常见气泡、收缩孔隙、界面夹层等缺陷，可能由于热变形不兼容性或气体膨胀形成。优化加热输入与减少材料耗散可以避免这些问题。
- 力学性能：金属碎片尺寸与分布、工艺热输入等都对接头强度至关重要。优化参数后，接头强度最高可达母材强度的 70%。

6. 提升接头质量的新策略

为进一步提高接头质量，研究提出了以下创新技术：
- 添加颗粒增强：通过在聚合物侧加入 SiC 或 Al2O3 纳米颗粒以增强界面结合。此方法显著提高了接头强度与韧性。
- 激光预处理：在铝表面引入微观纹理，可通过槽状纹理实现更有效的机械互锁和化学结合。
- 热张力调控技术（TT-FSLW）：通过设置加热条减少焊接残余应力，提高接头强度和可靠性。

7. 研究意义与展望

该综述全面总结了 FSW 技术在金属-聚合物混合结构中的最新进展，为研究者提供了系统参考。FSW 具备适配多种工业应用的潜力，但仍有以下研究空白需填补：
1. 深入解析材料流动及金属碎片分布机制，以延长工具寿命并提高工艺效率。
2. 通过微观层面的显微结构研究，进一步优化界面结合强度并消除微缺陷。
3. 扩展接头疲劳、弯曲与韧性测试以评估其动态应用潜力。

通过不断探索与完善，FSW 技术有望在未来广泛应用于轻量化、多功能性混合结构的制造中，为汽车、航空航天及生物医学领域带来实质性技术突破。