《工程科学学报》：连续驱动摩擦焊接技术的研究与工程应用

《工程科学学报》录用稿，https://doi.org/10.13374/i,issn2095-9389.2021.03.13.001©北京科技大学2020 工程科学学报 DOI: 连续驱动摩擦焊接技术的研究与工程应用 张晗2，朱志明区 1)清华大学机械工程系，先进成形制造教有部重点实验室，北京1000842)中国人民解放军32555部队，广州510730 ☒通信作者，E-mail:zzmdme(@tsinghua.edu.cn 摘要摩擦焊接技术是一种应用于材料连接的固相热压焊方法，具有广泛的可焊性， 获得性能优良、缺陷较少 的焊接接头，具有低能耗、高效率、环境友好等优势。本文在对摩擦焊接进行分类并简要说明的基础上，对连续驱 动摩擦焊接技术的研究发展和应用现状进行了全面梳理和深入剖析，涉及焊接玉艺过程特征和主要工艺参数、工艺 探索及工艺参数对接头性能的影响、数值分析和模拟及工艺参数优化、异种金属和非金属材料摩擦焊接与工艺创新 实际工程应用和焊接设备等方面。从摩擦焊接技术的潜在应用、核心科堂问驱、新型摩擦焊接设备的研发、数值分 析和模拟、与新兴技术的结合等方面，对连续驱动摩擦焊接技术进行了评述和探时。 关键词连续驱动摩擦焊：焊接工艺参数：摩擦焊设备：有限元分析 摩擦焊应用 分类号TG453 Research and Engineering Application of Continuous-drive Friction Welding ZHANG Han2,ZHU Zhi-ming) 1)Key Laboratory for Advanced Materials Pr g Technology,Ministry of Education of China,Department of Mechanical Engineering. Tsinghua University,Beijing 100084,Chin 2)The 32555th Unit of the People's Lib ation Army of China,Guangzhou 510730,China ☒Corresponding author,,E-mal:z分 me @tsinghua.edu.cn ABSTRACT Friction welding (FW)technology is a kind of solid phase hot pressing welding method applied to similar or dissimilar materials connection.During the FW process,the welding heat is generated by the pressure and high-speed relative motion between the joint interfaces of the workpieces.After the joint interfaces and their neighborhood arrive at the thermoplastic state,the workpieces are pressed into a whole by upsetting.FW has a wide range of weldability,e.g,carbon steel,alloy steel,non-ferrous metals and other materials of the same kind,or dissimilar metal materials,or even metal and non-metal materials with completely different properties,and can obtain welded joint with excellent properties(closed to base metal)and fewer defects (e.g,cracks,pores,segregation),thus has high reliability to the welded joint.It has the advantages of low energy consumption(10-20%of fusion welding),high efficiency (only a few seconds for realizing effective joining of the workpieces),environmental friendliness(without the need of welding rod,wire,flux or protective gas, and no arc,spatter,smoke or slag as in fusion welding),and is easy to realize automation and large-scale production.FW has been widely used in high-tech manufacturing such as automobile,aviation,aerospace,nuclear energy,oil drilling,marine development,electric power,etc.On the basis of classification and brief description of FW,the present situation of research

工程科学学报 DOI: 连续驱动摩擦焊接技术的研究与工程应用 张 晗 1,2)，朱志明 1) 1) 清华大学机械工程系，先进成形制造教育部重点实验室，北京 100084 2) 中国人民解放军 32555 部队，广州 510730  通信作者，E-mail: zzmdme@tsinghua.edu.cn 摘 要 摩擦焊接技术是一种应用于材料连接的固相热压焊方法，具有广泛的可焊性，可获得性能优良、缺陷较少 的焊接接头，具有低能耗、高效率、环境友好等优势。本文在对摩擦焊接进行分类并简要说明的基础上，对连续驱 动摩擦焊接技术的研究发展和应用现状进行了全面梳理和深入剖析，涉及焊接工艺过程特征和主要工艺参数、工艺 探索及工艺参数对接头性能的影响、数值分析和模拟及工艺参数优化、异种金属和非金属材料摩擦焊接与工艺创新 实际工程应用和焊接设备等方面。从摩擦焊接技术的潜在应用、核心科学问题、新型摩擦焊接设备的研发、数值分 析和模拟、与新兴技术的结合等方面，对连续驱动摩擦焊接技术进行了评述和探讨。 关键词 连续驱动摩擦焊；焊接工艺参数；摩擦焊设备；有限元分析；摩擦焊应用 分类号 TG453 Research and Engineering Application of Continuous-drive Friction Welding ZHANG Han1,2) , ZHU Zhi-ming1)  1) Key Laboratory for Advanced Materials Processing Technology, Ministry of Education of China, Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China 2) The 32555th Unit of the People’s Liberation Army of China, Guangzhou 510730, China  Corresponding author, E-mail: zzmdme@tsinghua.edu.cn ABSTRACT Friction welding (FW) technology is a kind of solid phase hot pressing welding method applied to similar or dissimilar materials connection. During the FW process, the welding heat is generated by the pressure and high-speed relative motion between the joint interfaces of the workpieces. After the joint interfaces and their neighborhood arrive at the thermoplastic state, the workpieces are pressed into a whole by upsetting. FW has a wide range of weldability, e.g., carbon steel, alloy steel, non-ferrous metals and other materials of the same kind, or dissimilar metal materials, or even metal and non-metal materials with completely different properties, and can obtain welded joint with excellent properties (closed to base metal) and fewer defects (e.g., cracks, pores, segregation), thus has high reliability to the welded joint. It has the advantages of low energy consumption (10-20% of fusion welding), high efficiency (only a few seconds for realizing effective joining of the workpieces), environmental friendliness (without the need of welding rod, wire, flux or protective gas, and no arc, spatter, smoke or slag as in fusion welding), and is easy to realize automation and large-scale production. FW has been widely used in high-tech manufacturing such as automobile, aviation, aerospace, nuclear energy, oil drilling, marine development, electric power, etc. On the basis of classification and brief description of FW, the present situation of research, 《工程科学学报》录用稿，https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.03.13.001 ©北京科技大学 2020 录用稿件，非最终出版稿

development and application of Continuous-drive Friction Welding(CDFW)technology are comprehensively sorted out and analyzed in-depth in this paper.It involves the CDFW process characteristics and the main process parameters,the process exploration and the influence of process parameters on welded joint properties,the numerical analysis,simulations and process parameters optimization,the CDFW process innovation for dissimilar metals and non-metallic materials,the practical engineering applications and welding equipment,etc.Moreover,the aspects of potential applications of FW technology,the core scientific issues,the research and development of novel FW equipment,the numerical analysis and simulation,and the combination with emerging technologies,associated with CDFW technology,are also reviewed and discussed. KEY WORDS Continuous-drive friction welding:Welding process parameters:Friction welding equipment:Finite element analysis;Application of friction welding 摩擦焊(Friction Welding,FW)是一类应用于材料连接的固相热压焊通过被焊工件接 合面之间所施加压力及高速相对运动而产生摩擦热，在接合面及其邻域达到热塑性态后，再加压顶 锻而使被焊工件连接成一体。FW是一个涉及热、力、治金、传质及其相互作用的复杂过程。 Fw的概念由来已久，早在I891年，英国人J.H Bevington就提出并获得利用摩擦热进行焊接 和挤压的专利。然而，直到1956年，才由前苏联学者研发出第一种实角的FW工艺一连续驱动摩 擦焊(Continuous-.drive Friction Welding,CDFW)。20世纪60年，FW技术在全球范围获得发展 和推广应用，在同种或异种材料的高质量连接中发挥了重要作用。在光车工业中，FW被用于焊接 排气阀、后桥壳和前轮驱动轴等。20世纪70年代中期之，仅有CDFW在工业生产中获得了实际 应用；之后，线性摩擦焊(Linear Friction Welding,LFW)/等其他形式的FW技术陆续出现，非圆形 零件得以实现高质量FW连接，。当前，世界各主要业国均有研究机构对FW技术进行深入的持 续研究，如英国焊接研究所(The Welding Institute,TW)、美国爱迪生焊接研究所(Edison Welding Institute,EWI)、法国焊接研究所(French Welding Institute,FWI)等。TWI在线性摩擦焊 (LFW)、摩擦堆焊(Friction Surfacing,.FS)个搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding,FSW)等方面取 得了显著成就，尤其是FSW技术，被认为是钿合金焊接的重大突破，在航天制造领域获得重要应 用阿。 我国于1957年首次在哈尔滨焊接研究所（简称哈焊所）建立了摩擦焊实验室，1965年，通过 封闭加压原理首次实现了铝/铜的个W焊接。1970年，我国将FW技术用于制造异种钢排气阀、锅 炉水冷壁、刀具、化工阀门筹，978年用于石油钻杆管体和接头的连接，1.20世纪80年代，FW 技术被应用于汽车半轴的焊入修过数十年的研究，我国科研机构对FW技术的研究日趋深入与成 熟，其应用进一步拓展至所空航矢90、高速铁路山、电子工业)、船舶制造等领域。FW技术以 其优质、高效、节能无污染的特色，在高技术领域零部件的生产制造中发挥着重要作用。 本文在对FW技进行系统归纳、合理分类及工艺特性简短说明之后，首先，通过回顾连续驱 动摩擦焊(CDW)这一典型旋转摩擦焊技术的研究和应用，对其工艺过程进行了深入剖析，探讨 了工艺参数控制和优化问题及其对接头微观组织和力学性能的影响机理：然后，对有限元模拟和分 析方法在CDFW中的应用研究及相关新技术的发展等进行了简要总结：最后，给出了采用CDFW 进行异种金属和非金属材料焊接的工艺创新。本文的主要目的是促进对CDFW技术的更深入理解， 以进一步拓宽其发展和应用领域。 康擦焊接技术的分类和优势 通常，按被焊工件的相对运动形式来区分摩擦焊(FW)类别：一类是被焊工件绕中心轴旋转 的连续驱动摩擦焊(CDFW)、惯性摩擦焊(Inertia Friction Welding,IFW)和相位摩擦焊(Phase Friction Welding,FW)等：第二类是被焊工件不做旋转运动，而是第三体或搅拌工具做旋转运动的 径向摩擦焊(Radial Friction Welding,RFW)和搅拌摩擦焊(FSW)等：第三类是被焊工件做往复

development and application of Continuous-drive Friction Welding (CDFW) technology are comprehensively sorted out and analyzed in-depth in this paper. It involves the CDFW process characteristics and the main process parameters, the process exploration and the influence of process parameters on welded joint properties, the numerical analysis, simulations and process parameters optimization, the CDFW process innovation for dissimilar metals and non-metallic materials, the practical engineering applications and welding equipment, etc. Moreover, the aspects of potential applications of FW technology, the core scientific issues, the research and development of novel FW equipment, the numerical analysis and simulation, and the combination with emerging technologies, associated with CDFW technology, are also reviewed and discussed. KEY WORDS Continuous-drive friction welding ；Welding process parameters ；Friction welding equipment ；Finite element analysis; Application of friction welding 摩擦焊（Friction Welding，FW）是一类应用于材料连接的固相热压焊方法，通过被焊工件接 合面之间所施加压力及高速相对运动而产生摩擦热，在接合面及其邻域达到热塑性态后，再加压顶 锻而使被焊工件连接成一体。FW 是一个涉及热、力、冶金、传质及其相互作用的复杂过程[1-3]。 FW 的概念由来已久，早在 1891 年，英国人 J.H Bevington 就提出并获得利用摩擦热进行焊接 和挤压的专利。然而，直到 1956 年，才由前苏联学者研发出第一种实用的 FW 工艺—连续驱动摩 擦焊（Continuous-drive Friction Welding, CDFW）。20 世纪 60 年代，FW 技术在全球范围获得发展 和推广应用，在同种或异种材料的高质量连接中发挥了重要作用。在汽车工业中，FW 被用于焊接 排气阀、后桥壳和前轮驱动轴等。20 世纪 70 年代中期之前，仅有 CDFW 在工业生产中获得了实际 应用；之后，线性摩擦焊（Linear Friction Welding, LFW）等其他形式的 FW 技术陆续出现，非圆形 零件得以实现高质量 FW 连接[4, 5]。当前，世界各主要工业国均有研究机构对 FW 技术进行深入的持 续研究，如英国焊接研究所（The Welding Institute, TWI）、美国爱迪生焊接研究所（Edison Welding Institute, EWI）、法国焊接研究所（French Welding Institute, FWI）等。TWI 在线性摩擦焊 （LFW）、摩擦堆焊（Friction Surfacing, FS）、搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding, FSW）等方面取 得了显著成就，尤其是 FSW 技术，被认为是铝合金焊接的重大突破，在航天制造领域获得重要应 用[6]。 我国于 1957 年首次在哈尔滨焊接研究所（简称哈焊所）建立了摩擦焊实验室，1965 年，通过 封闭加压原理首次实现了铝/铜的 FW 焊接。1970 年，我国将 FW 技术用于制造异种钢排气阀、锅 炉水冷壁、刀具、化工阀门等，1978 年用于石油钻杆管体和接头的连接[7, 8]。20 世纪 80 年代，FW 技术被应用于汽车半轴的焊接。经过数十年的研究，我国科研机构对 FW 技术的研究日趋深入与成 熟，其应用进一步拓展至航空航天[9-10]、高速铁路[11]、电子工业[12]、船舶制造[13]等领域。FW 技术以 其优质、高效、节能、无污染的特色，在高技术领域零部件的生产制造中发挥着重要作用[14]。 本文在对 FW 技术进行系统归纳、合理分类及工艺特性简短说明之后，首先，通过回顾连续驱 动摩擦焊（CDFW）这一典型旋转摩擦焊技术的研究和应用，对其工艺过程进行了深入剖析，探讨 了工艺参数控制和优化问题及其对接头微观组织和力学性能的影响机理；然后，对有限元模拟和分 析方法在 CDFW 中的应用研究及相关新技术的发展等进行了简要总结；最后，给出了采用 CDFW 进行异种金属和非金属材料焊接的工艺创新。本文的主要目的是促进对 CDFW 技术的更深入理解， 以进一步拓宽其发展和应用领域。 1 摩擦焊接技术的分类和优势 通常，按被焊工件的相对运动形式来区分摩擦焊（FW）类别：一类是被焊工件绕中心轴旋转 的连续驱动摩擦焊（CDFW）、惯性摩擦焊（Inertia Friction Welding, IFW）和相位摩擦焊（Phase Friction Welding, IFW）等；第二类是被焊工件不做旋转运动，而是第三体或搅拌工具做旋转运动的 径向摩擦焊（Radial Friction Welding, RFW）和搅拌摩擦焊（FSW）等；第三类是被焊工件做往复 录用稿件，非最终出版稿

直线运动的线性摩擦焊(LFW)或堆敷材料做旋转及移动复合运动的摩擦堆焊(FS)等，如图1所 示。 也可按工艺特点对W技术进行分类：按照焊接界面是否达到被焊工件相变温度，可划分为高 于相变温度的普通（高温）FW,低于相变温度的低温FW以及在超塑性温度区间（如碳钢奥氏体 化温度A!至A1以下1525C区间)的超塑性FW:按照在FW过程中所采取的工艺措施，可划分 为在惰性气体保护氛围下进行的气体保护FW,通过感应线圈对被焊工件加热的感应加热FW,对 被焊工件施加外部电流的导电加热FW:按照复合其他焊接工艺可分为在被焊工件表面预置合适钎 料的钎层FW,利用FW原理将硬质材料嵌入至较软材料的嵌入FW:按照焊接环境，除在空气中 进行的常规FW外，还有在水下进行的水下FW,如图1所示，s1。 Classification of friction welding Relative movement of the workpiece Process character Rotation around Other forms of Interface Process Welding No movement an axis movement temperature techniques environment Continuous-drive Radial friction Friction Conventional Gas-shicld Brazing layer Underwater friction welding welding surfacing friction welding friction welding friction welding friction welding Inertial friction Friction stir Linear friction nduetion heatir Embedded welding welding welding friction welding iction welding friction welding Conductive Phase friction Super friction heating friction welding welding 厕1摩瘃焊接技术分类 Flg.1 Classification of friction welding technology 与熔化焊接技术相比，FW的最大优势是实现了被焊工件的固相连接，即无需使待焊工件达到 熔融态，加之所施加的各种力使热塑性金属产生局部变形，形成的焊缝为锻造组织而非铸造组织， 从而有效地提高了焊接接头的万笑性能。FW技术的主要优点为：I)接头性能优良，可有效减少 裂纹、气孔、偏析等缺陷高温和热塑性金属的局部形变进一步使焊缝产生再结晶，可获得与母材 性能相近的接头B,11:2)能耗妙（只有熔焊的10~20%）、效率高，易于实现自动化和大规模生产， 接头可靠性高，可重复性好外：3)原材料消耗少、清洁无污染，无需焊条、焊丝、焊药及保护气 体等，也不产生弧光火花、烟雾和焊渣等：4)具有广泛的可焊性，可焊接碳钢、合金钢和有 色金属等同种林料，还可以是2种性能相差较大的异种金属材料，也适用于焊接性能完全不同的金 属与非金属材料如合金与塑料、陶瓷等922四：5)焊件准备容易、对操作人员技术要求低。待焊 工件间的相对运动，可将其连接面的毛刺、毛边及杂质等有效清除，焊前无需抛光、打磨等工艺措 施，且可预置全部工艺参数。 FW技术也存在不足之处：一是焊接过程将形成飞边，从而无法应用于因空间限制无法实施飞 边去除工艺的场合：二是至少有一个待焊件可塑性变形：第三是FW设备造价昂贵，由于待焊工件 需要做旋转、线性、轨道等运动，要求驱动电机能提供较大驱动力。 2 连续驱动康據焊接过程及工艺参数 CDFW的原理和工艺参数变化规律如图2所示。安装在电机主轴上的工件以恒速旋转，安装在 移动夹具上的工件水平移动，同时对工件施加适当的轴向压力（摩擦压力），使工件接触面之间相

直线运动的线性摩擦焊（LFW）或堆敷材料做旋转及移动复合运动的摩擦堆焊（FS）等，如图 1 所 示。 也可按工艺特点对 FW 技术进行分类：按照焊接界面是否达到被焊工件相变温度，可划分为高 于相变温度的普通（高温）FW，低于相变温度的低温 FW 以及在超塑性温度区间（如碳钢奥氏体 化温度 Ac1至 Ac1以下 15~25℃区间）的超塑性 FW；按照在 FW 过程中所采取的工艺措施，可划分 为在惰性气体保护氛围下进行的气体保护 FW，通过感应线圈对被焊工件加热的感应加热 FW，对 被焊工件施加外部电流的导电加热 FW；按照复合其他焊接工艺可分为在被焊工件表面预置合适钎 料的钎层 FW，利用 FW 原理将硬质材料嵌入至较软材料的嵌入 FW；按照焊接环境，除在空气中 进行的常规 FW 外，还有在水下进行的水下 FW，如图 1 所示[1, 15-17]。 图 1 摩擦焊接技术分类 Fig.1 Classification of friction welding technology 与熔化焊接技术相比，FW 的最大优势是实现了被焊工件的固相连接，即无需使待焊工件达到 熔融态，加之所施加的各种力使热塑性金属产生局部变形，形成的焊缝为锻造组织而非铸造组织， 从而有效地提高了焊接接头的力学性能。FW 技术的主要优点为：1）接头性能优良，可有效减少 裂纹、气孔、偏析等缺陷，高温和热塑性金属的局部形变进一步使焊缝产生再结晶，可获得与母材 性能相近的接头[2, 18]；2）能耗少（只有熔焊的 10~20%）、效率高，易于实现自动化和大规模生产， 接头可靠性高，可重复性好[19]；3）原材料消耗少、清洁无污染，无需焊条、焊丝、焊药及保护气 体等，也不产生弧光、火花、烟雾和焊渣等[20]；4）具有广泛的可焊性，可焊接碳钢、合金钢和有 色金属等同种材料，还可以是 2 种性能相差较大的异种金属材料，也适用于焊接性能完全不同的金 属与非金属材料，如合金与塑料、陶瓷等[9, 21-22]；5）焊件准备容易、对操作人员技术要求低。待焊 工件间的相对运动，可将其连接面的毛刺、毛边及杂质等有效清除，焊前无需抛光、打磨等工艺措 施，且可预置全部工艺参数[2]。 FW 技术也存在不足之处：一是焊接过程将形成飞边，从而无法应用于因空间限制无法实施飞 边去除工艺的场合；二是至少有一个待焊件可塑性变形；第三是 FW 设备造价昂贵，由于待焊工件 需要做旋转、线性、轨道等运动，要求驱动电机能提供较大驱动力[2]。 2 连续驱动摩擦焊接过程及工艺参数 CDFW 的原理和工艺参数变化规律如图 2 所示。安装在电机主轴上的工件以恒速旋转，安装在 移动夹具上的工件水平移动，同时对工件施加适当的轴向压力（摩擦压力），使工件接触面之间相 录用稿件，非最终出版稿

互摩擦升温，当温度达到使被焊工件的接合面及其邻域呈热塑性态时，迫使工件快速停止旋转，同 时，迅速施加顶锻力，并保持一段时间，以使被焊工件的端部产生足够的塑性变形，从而使两工件 牢固地连接在一起。根据工艺参数的变化，CDFW可分为摩擦和顶锻2个阶段，根据摩擦扭矩的变 化，可进一步将摩擦阶段分为加热摩擦和准稳定摩擦2个子阶段（图2b)。 在加热摩擦阶段，工件端面上的微凸体发生粘接与剪切，产生大量的滑动摩擦热：随着接触面 积的增大，摩擦扭矩快速升高，摩擦界面处的温度也迅速上升，逐渐覆盖一层高温粘塑性金属：界 面产热机制由初期的摩擦生热变为金属塑性变形产热，摩擦扭矩升高到前峰值。在准稳定摩擦阶段， 热量向两侧工件传导，母材温度随之升高，界面处的高温粘塑性金属发生动态再结晶使变形抗力降 低，摩擦扭矩逐渐降低：在轴向压力作用下，界面处的高温粘塑性金属发生轻微的径向塑性流动， 形成较小的飞边：界面温度与摩擦扭矩基本保持不变，高温分布范围和飞边逐渐扩大。 当工件端面及其邻域的高温分布范围、变形量达到一定程度后，进行电机刹车制动，并使工件 轴向压力迅速升高到所设定的顶锻压力，进入顶锻阶段：在轴向缩短量急骤增大的闯时，伴随着界 面温度急剧降低，摩擦扭矩增大，达到后峰值：通过相互扩散和再结晶，界面处的两侧金属达到原 子级别的结合，完成整个焊接过程。 Fixture movemnen Spindle Rotation Frictice Upse Quasi Sable Friction Suage (a) (b) 圆2连续驱动摩擦焊@愿理示意图(b)工艺参数变化规律 Flg.2 Continuous-drive friction welding (a)schematic diagram(b)change of process parameters 3工艺探素及参数对接头性能影响 如图2b所示，CDFW的主要文艺参数包括电机转速、摩擦压力和时间、顶锻压力和保持时间、 轴向缩短量等。从机理上看，它们影响界面产热、温度场与接头形成机制：从接头性能和宏观形貌 上看，它们决定了接头显微组织、为学性能以及飞边形态。以探索合理的工艺参数规范区为目标， 国内外学者针对工艺参数对w接头性能的影响进行了广泛而深入的研究。 电机转速与界面产热功率正相关，提高电机转速，可以更快地达到准稳定摩擦阶段，并提升最 高界面温度，减少得接时间，增加轴向缩短量。但是，过高的电机转速，将影响塑性变形层沿焊接 界面的径向扩散，造成焊接缺陷。2011年，李文亚等采用仿真和试验相结合的方法，研究分析了电 机转速对中碳钢CDW过程的影响，结果表明，焊接过程准稳态摩擦阶段的界面温度随电机转速 的升高而升高，一轴向缩短量随电机转速的升高而增大。 电机转速也是飞边形成与形貌演变的主要影响因素。2018年，李洵等系统分析了电机转速对 AA6061-T6铝合金CDFW接头形貌的影响。随着转速的增加，接头的热模型依次呈“剪刀形”、 “双椭圆形”和“盘形”，如图3所示。综合性能分析表明，900pm为最优转速，达到预定的轴 向缩短量所需摩擦时间最短、加热摩擦阶段摩擦做功占比最多：转速超过1500rpm,接头出现未焊 合区山

互摩擦升温，当温度达到使被焊工件的接合面及其邻域呈热塑性态时，迫使工件快速停止旋转，同 时，迅速施加顶锻力，并保持一段时间，以使被焊工件的端部产生足够的塑性变形，从而使两工件 牢固地连接在一起。根据工艺参数的变化，CDFW 可分为摩擦和顶锻 2 个阶段，根据摩擦扭矩的变 化，可进一步将摩擦阶段分为加热摩擦和准稳定摩擦 2 个子阶段（图 2b）。 在加热摩擦阶段，工件端面上的微凸体发生粘接与剪切，产生大量的滑动摩擦热；随着接触面 积的增大，摩擦扭矩快速升高，摩擦界面处的温度也迅速上升，逐渐覆盖一层高温粘塑性金属；界 面产热机制由初期的摩擦生热变为金属塑性变形产热，摩擦扭矩升高到前峰值。在准稳定摩擦阶段 ， 热量向两侧工件传导，母材温度随之升高，界面处的高温粘塑性金属发生动态再结晶使变形抗力降 低，摩擦扭矩逐渐降低；在轴向压力作用下，界面处的高温粘塑性金属发生轻微的径向塑性流动， 形成较小的飞边；界面温度与摩擦扭矩基本保持不变，高温分布范围和飞边逐渐扩大。 当工件端面及其邻域的高温分布范围、变形量达到一定程度后，进行电机刹车制动，并使工件 轴向压力迅速升高到所设定的顶锻压力，进入顶锻阶段；在轴向缩短量急骤增大的同时，伴随着界 面温度急剧降低，摩擦扭矩增大，达到后峰值；通过相互扩散和再结晶，界面处的两侧金属达到原 子级别的结合，完成整个焊接过程。 (a) (b) 图 2 连续驱动摩擦焊 (a) 原理示意图 (b) 工艺参数变化规律 Fig.2 Continuous-drive friction welding (a) schematic diagram (b) change of process parameters 3 工艺探索及参数对接头性能影响 如图 2b 所示，CDFW 的主要工艺参数包括电机转速、摩擦压力和时间、顶锻压力和保持时间、 轴向缩短量等。从机理上看，它们影响界面产热、温度场与接头形成机制；从接头性能和宏观形貌 上看，它们决定了接头显微组织、力学性能以及飞边形态。以探索合理的工艺参数规范区为目标， 国内外学者针对工艺参数对 CDFW 接头性能的影响进行了广泛而深入的研究。 电机转速与界面产热功率正相关，提高电机转速，可以更快地达到准稳定摩擦阶段，并提升最 高界面温度，减少焊接时间，增加轴向缩短量。但是，过高的电机转速，将影响塑性变形层沿焊接 界面的径向扩散，造成焊接缺陷。2011 年，李文亚等采用仿真和试验相结合的方法，研究分析了电 机转速对中碳钢 CDFW 过程的影响，结果表明，焊接过程准稳态摩擦阶段的界面温度随电机转速 的升高而升高，轴向缩短量随电机转速的升高而增大[23]。 电机转速也是飞边形成与形貌演变的主要影响因素。2018 年，李洵等系统分析了电机转速对 AA6061-T6 铝合金 CDFW 接头形貌的影响。随着转速的增加，接头的热模型依次呈“剪刀形”、 “双椭圆形”和“盘形”，如图 3 所示。综合性能分析表明，900 rpm 为最优转速，达到预定的轴 向缩短量所需摩擦时间最短、加热摩擦阶段摩擦做功占比最多；转速超过 1500 rpm，接头出现未焊 合区[11]。 录用稿件，非最终出版稿

■3不同转速下的AA6O61-T6铝合金CDFW接头界面形态演变 Fg.3 Evolution of AA6061-T6 alloy CDFW joint interface morphologies under different rotation speed 2020年，金峰等研究了电机转速对GH4169镍基高温合金飞边成形的影响随转速增加，飞边 依次呈现光滑、表面弧纹、开裂形貌，如图4所示。光滑形貌是塑性环在界面中径到边缘处 (0.43R~R)形核，随后铺展并挤出界面发生飞边连续生长现象，即边是塑化金属均匀流铺、挤 出形成的：弧纹和开裂形貌对应塑性环形核在界面内侧(0~0.43R)，在界面压力的作用下，塑化 金属被封闭在界面内部无法挤出，飞边是焊接后期界面金属快速缴粗变形形成的。飞边形貌对接头 外缘延伸率有显著影响：光滑、弧纹、开裂形貌分别对应接头外缘延神率17%、9%、6%。 500 r/min 1 500 r/min 2000/r/min 800 dmin 2500r/min Smooth Flash Cracked Flash ■4不同转速下的GH469CDFW接头飞边形貌演变 Flg.4 Evolution of the flash appearance of GH4169 CDFW joint with different rotation speeds 摩擦时间与焊接界面产热量正相关，时间越长，形成的塑性金属越多，轴向缩短量越大，有利 于接头快速成型：但摩擦时间过长会导致产热量过多，对同种金属，容易达到熔点，造成接头与母 材性能差异：对异种金属，过长的摩擦时间容易形成更多的不利于接头性能的金属间化合物 (Intermetallic Compounds,IM个层。摩擦时间对接头抗拉强度、延展性等力学性能以及微观组织 性能等具有重要影响2017年，梁志达等研究了摩擦时间对5A33铝合金和AZ31B镁合金CDFW 接头性能的影响。接头的项锻作用区、轴向缩短量以及镁合金侧的全动态再结晶区(Fully Dynamic Recrystallized Zone,.F的RZ)的宽度均与摩擦时间正相关，如图5所示。接头抗拉强度随摩擦时间的 增加先增加，箱微减少并趋于稳定，并在5s时得到最大抗拉强度，由MC层造成的硬化区厚度 也与摩擦时间压相关四 1s 35 5s 10s mm 圆55A33铝合金和AZ31B镁合金CDFW接头在不同摩擦时间下的宏观形貌 Flg.5 Optical macrographs of 5A33 Al alloy to AZ31B Mg alloy CDFW joints at different friction time 2019年，Cheniti等研究了摩擦时间对AISI304L不锈钢和WC-Co金属陶瓷CDFW接头的影响

图 3 不同转速下的 AA6061-T6 铝合金 CDFW 接头界面形态演变 Fig.3 Evolution of AA6061-T6 alloy CDFW joint interface morphologies under different rotation speed 2020 年，金峰等研究了电机转速对 GH4169 镍基高温合金飞边成形的影响。随转速增加，飞边 依次呈现光滑、表面弧纹、开裂形貌，如图 4 所示。光滑形貌是塑性环在界面中径到边缘处 （0.43R~R）形核，随后铺展并挤出界面发生飞边连续生长现象，即飞边是塑化金属均匀流铺、挤 出形成的；弧纹和开裂形貌对应塑性环形核在界面内侧（0~0.43R），在界面压力的作用下，塑化 金属被封闭在界面内部无法挤出，飞边是焊接后期界面金属快速镦粗变形形成的。飞边形貌对接头 外缘延伸率有显著影响：光滑、弧纹、开裂形貌分别对应接头外缘延伸率 17%、9%、6%[10]。 图 4 不同转速下的 GH4169 CDFW 接头飞边形貌演变 Fig.4 Evolution of the flash appearance of GH4169 CDFW joint with different rotation speeds 摩擦时间与焊接界面产热量正相关，时间越长，形成的塑性金属越多，轴向缩短量越大，有利 于接头快速成型；但摩擦时间过长会导致产热量过多，对同种金属，容易达到熔点，造成接头与母 材性能差异；对异种金属，过长的摩擦时间容易形成更多的不利于接头性能的金属间化合物 （Intermetallic Compounds, IMC）层。摩擦时间对接头抗拉强度、延展性等力学性能以及微观组织 性能等具有重要影响。2017 年，梁志达等研究了摩擦时间对 5A33 铝合金和 AZ31B 镁合金 CDFW 接头性能的影响。接头的顶锻作用区、轴向缩短量以及镁合金侧的全动态再结晶区（Fully Dynamic Recrystallized Zone, FDRZ）的宽度均与摩擦时间正相关，如图 5 所示。接头抗拉强度随摩擦时间的 增加先增加，后稍微减少并趋于稳定，并在 5 s 时得到最大抗拉强度，由 IMC 层造成的硬化区厚度 也与摩擦时间正相关[12]。 图 5 5A33 铝合金和 AZ31B 镁合金 CDFW 接头在不同摩擦时间下的宏观形貌 Fig.5 Optical macrographs of 5A33 Al alloy to AZ31B Mg alloy CDFW joints at different friction time 2019 年，Cheniti 等研究了摩擦时间对 AISI 304L 不锈钢和 WC-Co 金属陶瓷 CDFW 接头的影响， 录用稿件，非最终出版稿

发现飞边尺寸与摩擦时间正相关，如图6所示。经微观组织分析发现，热影响区(Heat Affected Zone,HAZ)和热力影响区(Thermal Mechanically Affected Zone,TMAZ)的晶粒尺寸、FDRZ的范围 随摩擦时间的增加而增加：通过力学性能测试发现，接头杨氏模量随摩擦时间的增加而变大，焊缝 区硬度随摩擦时间的增加而减少：抗拉强度随摩擦时间的增加先增大后减小。并指出，抗拉强度减 少是由于过高的温度易导致WC-C0产生裂纹41。 轴向压力（摩擦和顶锻压力）也是探索CDW工艺参数对接头性能影响的重要方向，适当增 加轴向压力，有利于产生更多的塑性变形，增大飞边尺寸，增强焊缝力学性能：但过高的轴向压力 也容易导致过多的塑性金属挤出，焊接界面温度下降。2011年，李文亚等通过仿真和试验研究分析 了轴向压力对中碳钢CDFW过程的影响：轴向缩短出现的时刻、焊接界面的最高温度与轴向压力 负相关，轴向缩短量与轴向压力正相关231.2019年，Khidhir等研究了顶锻压力对AISI1045中碳钢 和AISI316L奥氏体不锈钢CDW接头性能的影响。当顶锻压力增加时，接头显微硬度增加，且高 于母材，产生更多的脆性MC,抗拉强度降低，在75MP阳的较小顶锻压火获级90%的最优接 合效率（接头抗拉强度与较软母材AISI316L抗拉强度之比），也就是说， 父的顶锻压力对接头 的抗拉强度是不利的阿 (a) (b) WC-C ISI 304 Flash WC-Co AIS3041 d④ WC.Co A153041 s54 cermet 圆6不同摩擦时间的AS3O4L和WC-Co CDFW接头形态 Flg.6 Photos of the AISI 304L to WC-Co CDFW joints obtained using different friction times (a)4s(b)6s:(c)8s:(d10s:(e)12s 对多工艺参数组合进行综合分析可从多个维度对CDFW接头性能进行评估，确定合理的工 艺参数规范区。2009年，Kimura等研究了摩擦时间和顶锻压力对Al-Mg合金(AA5052)和低碳钢 (LCS)CDFW的接合效写强度的影响，如图7所示。结果表明，接合效率先是与摩擦时间正相 关，当摩擦时间超过12s测与其负相关：在摩擦时间为3s、顶锻压力高于150MPa的条件下 接头接合效率可达00ò。2017年，Sakiyan等分析了摩擦时间和顶锻压力对阀钢X45CrSi9-3Ni monic8OA合金CDW接头性能的影响，结果表明，飞边尺寸随顶锻压力和焊接时间的增加而增加， 提高顶锻压力和焊接时间可有效提高接头抗拉强度，合适的工艺参数可使接头抗拉强度大于母材 27。 20 15 (2):Initial peak (4 02.04.06.08.010.012.014.016.0 Friction time,s ■7AA5052与LCS的CDFW接头形貌及对应的摩擦扭矩曲线

发现飞边尺寸与摩擦时间正相关，如图 6 所示。经微观组织分析发现，热影响区（Heat Affected Zone, HAZ）和热力影响区（Thermal Mechanically Affected Zone, TMAZ）的晶粒尺寸、FDRZ 的范围 随摩擦时间的增加而增加；通过力学性能测试发现，接头杨氏模量随摩擦时间的增加而变大，焊缝 区硬度随摩擦时间的增加而减少；抗拉强度随摩擦时间的增加先增大后减小。并指出，抗拉强度减 少是由于过高的温度易导致 WC-Co 产生裂纹[24]。 轴向压力（摩擦和顶锻压力）也是探索 CDFW 工艺参数对接头性能影响的重要方向，适当增 加轴向压力，有利于产生更多的塑性变形，增大飞边尺寸，增强焊缝力学性能；但过高的轴向压力 也容易导致过多的塑性金属挤出，焊接界面温度下降。2011 年，李文亚等通过仿真和试验研究分析 了轴向压力对中碳钢 CDFW 过程的影响：轴向缩短出现的时刻、焊接界面的最高温度与轴向压力 负相关，轴向缩短量与轴向压力正相关[23]。2019 年，Khidhir 等研究了顶锻压力对 AISI 1045 中碳钢 和 AISI 316L 奥氏体不锈钢 CDFW 接头性能的影响。当顶锻压力增加时，接头显微硬度增加，且高 于母材，产生更多的脆性 IMC，抗拉强度降低，在 75 MPa 的较小顶锻压力下，获得 90%的最优接 合效率（接头抗拉强度与较软母材 AISI 316L 抗拉强度之比），也就是说，过大的顶锻压力对接头 的抗拉强度是不利的[25]。 图 6 不同摩擦时间的 AISI 304L 和 WC-Co CDFW 接头形态 Fig.6 Photos of the AISI 304L to WC-Co CDFW joints obtained using different friction times (a) 4 s; (b) 6 s; (c) 8 s; (d) 10 s; (e) 12 s 对多工艺参数组合进行综合分析，可从多个维度对 CDFW 接头性能进行评估，确定合理的工 艺参数规范区。2009 年，Kimura 等研究了摩擦时间和顶锻压力对 Al-Mg 合金（AA5052）和低碳钢 （LCS）CDFW 的接合效率与强度的影响，如图 7 所示。结果表明，接合效率先是与摩擦时间正相 关，当摩擦时间超过 12 s 后，则与其负相关；在摩擦时间为 3 s、顶锻压力高于 150 MPa 的条件下 接头接合效率可达 100%[26]。2017 年，Sakiyan 等分析了摩擦时间和顶锻压力对阀钢 X45CrSi9-3/Ni monic 80A 合金 CDFW 接头性能的影响，结果表明，飞边尺寸随顶锻压力和焊接时间的增加而增加， 提高顶锻压力和焊接时间可有效提高接头抗拉强度，合适的工艺参数可使接头抗拉强度大于母材 [27]。 图 7 AA5052 与 LCS 的 CDFW 接头形貌及对应的摩擦扭矩曲线 录用稿件，非最终出版稿

Flg.7 Joint morphology and friction torque curve during CDFW of AA5052 to LCS 2019年，刘勇等综合分析了摩擦压力(FP)和时间(FT)、顶锻压力(UP)对A16061铝合 金和SS304不锈钢CDFW接头性能的影响，如图8所示。随着顶锻压力的增加，AI的塑性变形增 加，飞边尺寸增加，如图8a和图8b所示：接头的抗拉强度随摩擦压力先增大后减小，在顶锻压力 小于220MP的条件下，抗拉强度与顶锻压力大致呈线性关系；摩擦时间的增加将产生更多的塑性 变形，形成包裹状的飞边，是影响轴向缩短量的最重要因素，如图8c所示。显微硬度测试发现， A1母材一侧形成厚度与摩擦时间正相关的软化区2， b (c) 6061 N661 A16061 SS304 5s304 SS304 中四 圆8工艺参数对接头形态的影响 Flg.8 Influence of process parameters on the joint morphology (a)FP=40 MPa,FT=4 s,UP=120 MPa;(b)FP=40 MPa,FT=4 s,UP=220 MPa;(c)Pp=40 MPa.FT=6s,UP=220MPa 4数值分析和模拟与工艺参数优化 以有限元(Finite Element,FE)模拟分析为代表的数值分析方法，在建立焊接过程温度场、应 力场模型、开展接头性能研究中获得了广泛应用，是深入研究工艺参数影响规律及优化的有效方法。 2016年，Chennakesava建立了AA2024-T6铝合金与Zr705错合金CDFW的FE模型，模拟研究了电 机转速、摩擦压力和时间以及顶锻压力对接头抗拉强度人塑性变形和飞边成型的影响，获得了最优 工艺参数P9.2019年，熊江涛等基于DEFORM软建过了GH4169镍基高温合金CDFW二维FE 模型以研究电机转速和摩擦压力对焊接时间的影响，如图9所示，在计算获得滑动、剪切摩擦之间 的临界转变点时，使用了最大熵产生原理，并通过实验验证了模型的有效性，结果表明，临界转变 所需摩擦时间随电机转速的增加先减少、后增加，随着摩擦压力的增加而减少0。 Axis Width (a) (b) (c) 圆9GH4169CDW有限元分析.(a)工件的二维轴对称和网格模型：(b)温度场：(c)接头形貌 FIg.9 Finite element(FE)models of GH4169 CDFW:(a)2D axisymmetric model and meshing of the workpiece;(b) temperature contour;(c)joint morphology 响应表面优化方法(Response Surface Methodology,.RSM)、遗传算法(Genetic Algorithm, GA)和田口正交实验法等统计方法和优化算法可用于深入研究工艺参数对接头力学性能、微观组 织等的影响规律，是优化焊接工艺参数的有效方法。2016年，Sahin等基于RSM建立了AISI304 不锈钢和铜CDFW接头抗拉强度与摩擦压力和时间、顶锻压力和时间、电机转速3组工艺参数的关 系，获得了最优工艺参数。分析发现，摩擦压力和时间对接头抗拉强度影响最大，电机转速次之， MC层使接头硬度增大，抗拉强度减小B。也是在2016年，Winiczenko等使用混合响应面法和GA

Fig.7 Joint morphology and friction torque curve during CDFW of AA5052 to LCS 2019 年，刘勇等综合分析了摩擦压力（FP）和时间（FT）、顶锻压力（UP）对 Al 6061 铝合 金和 SS 304 不锈钢 CDFW 接头性能的影响，如图 8 所示。随着顶锻压力的增加，Al 的塑性变形增 加，飞边尺寸增加，如图 8a 和图 8b 所示；接头的抗拉强度随摩擦压力先增大后减小，在顶锻压力 小于 220 MPa 的条件下，抗拉强度与顶锻压力大致呈线性关系；摩擦时间的增加将产生更多的塑性 变形，形成包裹状的飞边，是影响轴向缩短量的最重要因素，如图 8c 所示。显微硬度测试发现， Al 母材一侧形成厚度与摩擦时间正相关的软化区[28]。 图 8 工艺参数对接头形态的影响 Fig.8 Influence of process parameters on the joint morphology (a) FP=40 MPa, FT=4 s, UP=120 MPa; (b) FP=40 MPa, FT=4 s, UP=220 MPa; (c) FP=40 MPa, FT=6 s, UP=220MPa 4 数值分析和模拟与工艺参数优化 以有限元（Finite Element, FE）模拟分析为代表的数值分析方法，在建立焊接过程温度场、应 力场模型、开展接头性能研究中获得了广泛应用，是深入研究工艺参数影响规律及优化的有效方法 。 2016 年，Chennakesava 建立了 AA2024-T6 铝合金与 Zr705 锆合金 CDFW 的 FE 模型，模拟研究了电 机转速、摩擦压力和时间以及顶锻压力对接头抗拉强度、塑性变形和飞边成型的影响，获得了最优 工艺参数[29]。2019 年，熊江涛等基于 DEFORM 软件建立了 GH4169 镍基高温合金 CDFW 二维 FE 模型以研究电机转速和摩擦压力对焊接时间的影响，如图 9 所示，在计算获得滑动、剪切摩擦之间 的临界转变点时，使用了最大熵产生原理，并通过实验验证了模型的有效性，结果表明，临界转变 所需摩擦时间随电机转速的增加先减少、后增加，随着摩擦压力的增加而减少[30]。 (a) (b) (c) 图 9 GH4169 CDFW 有限元分析. (a) 工件的二维轴对称和网格模型; (b)温度场; (c) 接头形貌 Fig.9 Finite element (FE) models of GH4169 CDFW: (a) 2D axisymmetric model and meshing of the workpiece; (b) temperature contour; (c) joint morphology 响应表面优化方法（Response Surface Methodology, RSM）、遗传算法（Genetic Algorithm, GA）和田口正交实验法等统计方法和优化算法可用于深入研究工艺参数对接头力学性能、微观组 织等的影响规律，是优化焊接工艺参数的有效方法。2016 年，Sahin 等基于 RSM 建立了 AISI 304 不锈钢和铜 CDFW 接头抗拉强度与摩擦压力和时间、顶锻压力和时间、电机转速 3 组工艺参数的关 系，获得了最优工艺参数。分析发现，摩擦压力和时间对接头抗拉强度影响最大，电机转速次之 ， IMC 层使接头硬度增大，抗拉强度减小[31]。也是在 2016 年，Winiczenko 等使用混合响应面法和 GA 录用稿件，非最终出版稿

来建立焊接模型、仿真并优化，研究了摩擦压力和时间等工艺参数对AISI1020低碳钢/ASTMA536 球墨铸铁接头性能的影响，并获得最佳工艺参数，结果表明，接头抗拉强度与摩擦压力和时间正相 关，如图10所示I。2019年，Sreenivasan等将GA应用于AA7075铝合金CDFW电机转速 (SS)、摩擦压力(FP)、顶锻压力(UP)和轴向缩短量(BOL)等工艺参数优化，使用田口正 交实验法研究了工艺参数对接头性能的影响：对SS,FP,UP,BOL分别设置了3档不同参数，将 不同档的工艺参数组合进行了27组CDFW实验(UP,BOL的变化规律一致)，使用Minitab-l6统 计软件解算出接头硬度和拉伸强度的回归模型，再通过基于GA的参数优化算法，可以方便地以最 小迭代次数将工艺参数收敛至不同权重的优化值，解决了需要进行大空间搜索工艺参数的难题。 5异种材料的康擦焊连接与工艺创新 研究表明，连接前，在工件表面添加溶剂或中间层，是采用FW连接异种：料的有效方法，是 潜在的研究和发展方向。1998年，Weiss等使用CDFW连接部分稳定氧化编陶瓷材料和钢 (St37),实现方法为，先将陶瓷和铝合金(Al-Si1MgMn)中间层焊接，彩钢与铝合金中间层 连接，有效拓展了金属与非金属接头的连接范围。2003年，Lin等硒究蒸馏水、甲醇、乙醇、 丙酮和助溶剂等对聚氯乙烯(PVC)与聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)CDW接头性能的影响，当工 件开始接触时，使用毛细效应在工件表面添加溶剂，摩擦热使溶剂进入焊接界面，降低玻璃化转变 温度，促进焊接表面塑化，顶锻过程中，溶剂可增加工件的湿润区域。结果表明，使用蒸馏水处理 后接头的抗拉强度最多可提高360%，图11展示了未使用溶剂和蒸馏水条件下拉伸试验断面微观组 织形态，添加蒸馏水后的“点”断裂区域要明显大手未使用溶剂的情形，说明经溶剂浸润后， PMMA和PVC产生了更为紧密的结合B。 Unie mm 国1 D AISI1020和ASTMA536的CDFW及焊接工艺基本流程 Flg.10 Experimental setup for AISI 1020 to ASTM A536 CDFW with the basic steps in the welding process (a) (b) 国11焊缝拉伸试验断面微观组织形态对比.(@)未使用溶剂：(b)添加蒸馏水 Flg.11 Comparison of microstructure morphology of CDFW joints after tensile test:(a)without solvent treatment;(b)

来建立焊接模型、仿真并优化，研究了摩擦压力和时间等工艺参数对 AISI 1020 低碳钢/ASTM A536 球墨铸铁接头性能的影响，并获得最佳工艺参数，结果表明，接头抗拉强度与摩擦压力和时间正相 关，如图 10 所示[32]。2019 年，Sreenivasan 等将 GA 应用于 AA7075 铝合金 CDFW 电机转速 （SS）、摩擦压力（FP）、顶锻压力（UP）和轴向缩短量（BOL）等工艺参数优化，使用田口正 交实验法研究了工艺参数对接头性能的影响：对 SS，FP，UP，BOL 分别设置了 3 档不同参数，将 不同档的工艺参数组合进行了 27 组 CDFW 实验（UP，BOL 的变化规律一致），使用 Minitab-16 统 计软件解算出接头硬度和拉伸强度的回归模型，再通过基于 GA 的参数优化算法，可以方便地以最 小迭代次数将工艺参数收敛至不同权重的优化值，解决了需要进行大空间搜索工艺参数的难题[33]。 5 异种材料的摩擦焊连接与工艺创新 研究表明，连接前，在工件表面添加溶剂或中间层，是采用 FW 连接异种材料的有效方法，是 潜在的研究和发展方向。1998 年，Weiss 等使用 CDFW 连接部分稳定氧化锆陶瓷材料和钢 （St37），实现方法为，先将陶瓷和铝合金（Al-Si1MgMn）中间层焊接，再将钢与铝合金中间层 连接，有效拓展了金属与非金属接头的连接范围[21]。2003 年，Lin 等研究了蒸馏水、甲醇、乙醇、 丙酮和助溶剂等对聚氯乙烯（PVC）与聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）CDFW 接头性能的影响，当工 件开始接触时，使用毛细效应在工件表面添加溶剂，摩擦热使溶剂进入焊接界面，降低玻璃化转变 温度，促进焊接表面塑化，顶锻过程中，溶剂可增加工件的湿润区域。结果表明，使用蒸馏水处理 后接头的抗拉强度最多可提高 360％，图 11 展示了未使用溶剂和蒸馏水条件下拉伸试验断面微观组 织形态，添加蒸馏水后的“点”断裂区域要明显大于未使用溶剂的情形，说明经溶剂浸润后 ， PMMA 和 PVC 产生了更为紧密的结合[34]。 图 10 AISI 1020 和 ASTM A536 的 CDFW 及焊接工艺基本流程 Fig.10 Experimental setup for AISI 1020 to ASTM A536 CDFW with the basic steps in the welding process (a) (b) 图 11 焊缝拉伸试验断面微观组织形态对比. (a) 未使用溶剂; (b) 添加蒸馏水 Fig.11 Comparison of microstructure morphology of CDFW joints after tensile test: (a) without solvent treatment; (b) 录用稿件，非最终出版稿

treated with distilled water MC层的产生不利于异种金属FW接头性能，MC与母材性能差异较大，容易发生脆性断裂， 造成焊接缺陷。2017年，Cheepu等在研究CP-Ti钛合金与SS304不锈钢CDW过程中，通过新型 电沉积技术在不锈钢工件表面镀上镍中间层，可有效减少MC对接头性能的影响，提高接头抗拉 强度（添加镍中间层的焊缝拉伸强度可达280MPa,无中间层的焊缝为220MPa),如图12所示 3)。 battery Titanium Stainless steel Stainless steel (Anode (Cathode) Nickel inter (a) (b) ■12中间层添加及CDFW示意图.(a)为不锈钢工件电沉积添加镍中间悬⑤带有镍中间层的CDFW Flg.12 Schematic of insertion of interlayer and CDFW:(a)insertion of Ni interlayer onthe stainless steel substrate using electrodeposition process;(b)CDFW with Ni interlayer 在进行异种金属材料FW焊接时，有研究尝试焊前对强度高的一侧材料的焊接界面进行预加热， 以改善FW接头的性能。铝、铜材料广泛应用于热交换器和电器元件，但它们的熔点差异很大(A! 为660℃，C为1083℃)，当焊接界面产热不足时，焊接区将无法充分塑化，形成焊接缺陷。 2018年，张赋升等在AA1100铝和H5黄铜的CDF过程中，分别在330C和600℃的温度下对黄 铜（硬质面）进行预热，使其软化，结果表明，3℃的预热温度下，接头结合强度达到母材 (铝)的70%，优于不预热的35%和600℃预热温度的27%：接头硬度由不预热的80HV提升至 330℃预热的190HV和600℃预热的250HV不同预热温度温度下的接头断面结构，如图13所示 36。 ithout pre-heating 330℃ 600℃，10m L3不同温度条件下的高频感应预加热CDW连接A1和Cu接头断面结构 Flg.13 Crosss of Al to Cu CDFW joints with Different pre-heating temperature by high-frequency induction pre- heating method 除焊前预加热，焊后热处理能有效细化晶粒、改善接头性能，是获得性能优良的FW接头的另 一有效方法。以45钢为代表的优质碳素结构钢广泛应用于机械制造行业，特别是在交变载荷下工 作的轴类、连杆、螺栓、齿轮等。由于其碳含量较高，焊接性较差，使用FW连接45钢类零件， 能有效克服熔化焊接工艺中的热裂纹、冷裂纹、气孔、焊接接头脆化等缺陷。2015年，迟露鑫等 研究了热处理对大直径(75mm)45钢CDFW接头组织性能的影响。结果表明，CDFW接头全部 焊合，无开裂、夹渣、气孔等缺陷，热处理前接头晶粒度较大，焊缝界面的显微硬度过高，经正火、 淬火和回火后，接头组织明显得到细化，焊缝和母材组织基本接近，其接头形貌如图14所示3

treated with distilled water IMC 层的产生不利于异种金属 FW 接头性能，IMC 与母材性能差异较大，容易发生脆性断裂， 造成焊接缺陷。2017 年，Cheepu 等在研究 CP-Ti 钛合金与 SS 304 不锈钢 CDFW 过程中，通过新型 电沉积技术在不锈钢工件表面镀上镍中间层，可有效减少 IMC 对接头性能的影响，提高接头抗拉 强度（添加镍中间层的焊缝拉伸强度可达 280 MPa，无中间层的焊缝为 220 MPa），如图 12 所示 [35]。 (a) (b) 图 12 中间层添加及 CDFW 示意图. (a) 为不锈钢工件电沉积添加镍中间层; (b) 带有镍中间层的 CDFW Fig.12 Schematic of insertion of interlayer and CDFW: (a) insertion of Ni interlayer on the stainless steel substrate using electrodeposition process; (b) CDFW with Ni interlayer 在进行异种金属材料 FW 焊接时，有研究尝试焊前对强度高的一侧材料的焊接界面进行预加热， 以改善 FW 接头的性能。铝、铜材料广泛应用于热交换器和电器元件，但它们的熔点差异很大（Al 为 660 ℃，Cu 为 1083 ℃），当焊接界面产热不足时，焊接区将无法充分塑化，形成焊接缺陷。 2018 年，张赋升等在 AA1100 铝和 H5 黄铜的 CDFW 过程中，分别在 330 ℃和 600 ℃的温度下对黄 铜（硬质面）进行预热，使其软化，结果表明，在 330 ℃的预热温度下，接头结合强度达到母材 （铝）的 70％，优于不预热的 35％和 600 ℃预热温度的 27％；接头硬度由不预热的 80 HV 提升至 330 ℃预热的 190 HV 和 600 ℃预热的 250 HV,不同预热温度温度下的接头断面结构，如图 13 所示 [36]。 图 13 不同温度条件下的高频感应预加热 CDFW 连接 Al 和 Cu 接头断面结构 Fig.13 Cross section of Al to Cu CDFW joints with Different pre-heating temperature by high-frequency induction pre￾heating method 除焊前预加热，焊后热处理能有效细化晶粒、改善接头性能，是获得性能优良的 FW 接头的另 一有效方法。以 45 钢为代表的优质碳素结构钢广泛应用于机械制造行业，特别是在交变载荷下工 作的轴类、连杆、螺栓、齿轮等。由于其碳含量较高，焊接性较差，使用 FW 连接 45 钢类零件， 能有效克服熔化焊接工艺中的热裂纹、冷裂纹、气孔、焊接接头脆化等缺陷。2015 年，迟露鑫等 研究了热处理对大直径（75 mm）45 钢 CDFW 接头组织性能的影响。结果表明，CDFW 接头全部 焊合，无开裂、夹渣、气孔等缺陷，热处理前接头晶粒度较大，焊缝界面的显微硬度过高，经正火 、 淬火和回火后，接头组织明显得到细化，焊缝和母材组织基本接近，其接头形貌如图 14 所示[34]。 录用稿件，非最终出版稿

围1445钢CDFW接头形貌 Flg.14 Macrographs of 45#steel CDFW joint 6实际工程应用和典型装备 FW技术在20世纪中叶进入工业生产领域后，广泛应用于钢、超合金、（每爷金钛合金、铜合 金及异种材料的焊接组合之中，涵盖的工业生产领域从大众工业产品到精密杂的航空发动机制造。 2015年，Kimura等尝试用CDFW连接厚度仅为1.5mm的A6063铝合金和AISI304(SUS304)不 锈钢薄壁管件，发现在制动期间A6063侧发生严重变形。为防止这种情况出现，在摩擦时间结束后， 通过停止工件旋转再顶锻，可实现短摩擦时间的薄壁工件接合，并县A6063侧在制动过程中没有变 形，图15展示了CDFW焊机和焊接时间0.4s、顶锻压力为30MPa的薄壁管件接头形貌3。 SS304 (a) (b) 15薄壁管件CDFW.(a)焊机结构，(b)接头形貌 Flg.15 Thin-walled pipe CDFW:(a)welder structure;(b)joint morphology 2018年，Ahmad等通过CDf将由纯铁和SS316L型不锈钢构成的皮质骨螺钉连接，如图16 所示。该螺钉的综合力学性能接近皮质骨，植入60天后，其耐腐蚀性良好，不会影响伤口愈合 9。 6 录用 oure Fe 10m

图 14 45 钢 CDFW 接头形貌 Fig.14 Macrographs of 45# steel CDFW joint 6 实际工程应用和典型装备 FW 技术在 20 世纪中叶进入工业生产领域后，广泛应用于钢、超合金、铝合金、钛合金、铜合 金及异种材料的焊接组合之中，涵盖的工业生产领域从大众工业产品到精密复杂的航空发动机制造 。 2015 年，Kimura 等尝试用 CDFW 连接厚度仅为 1.5 mm 的 A6063 铝合金和 AISI 304（SUS304）不 锈钢薄壁管件，发现在制动期间 A6063 侧发生严重变形。为防止这种情况出现，在摩擦时间结束后， 通过停止工件旋转再顶锻，可实现短摩擦时间的薄壁工件接合，并且 A6063 侧在制动过程中没有变 形，图 15 展示了 CDFW 焊机和焊接时间 0.4 s、顶锻压力为 30 MPa 的薄壁管件接头形貌[38]。 (a) (b) 图 15 薄壁管件 CDFW. (a) 焊机结构; (b) 接头形貌 Fig.15 Thin-walled pipe CDFW: (a) welder structure; (b) joint morphology 2018 年，Ahmad 等通过 CDFW 将由纯铁和 SS 316L 型不锈钢构成的皮质骨螺钉连接，如图 16 所示。该螺钉的综合力学性能接近皮质骨，植入 60 天后，其耐腐蚀性良好，不会影响伤口愈合 [39]。 录用稿件，非最终出版稿