【专刊 | 无人装备材料与技术】封面文章：中厚板钛合金涡流搅拌摩擦焊接技术研究
导语：提起旋涡，人们往往会联想到水中吞噬巨轮的暗流，或是破坏力惊人的龙卷风。然而，若能巧妙驾驭并善加利用，旋涡也能化身为高效可靠的 “工具”，为工业生产赋能。近日，东南大学先进焊接与增材制造团队在《材料开发与应用》发表封面文章《中厚板钛合金涡流搅拌摩擦焊接技术研究》，系统介绍了团队利用塑性涡流实现钛合金高效焊接的最新成果。目前，团队已成功完成 6mm 厚 TC4 钛合金单面涡流搅拌摩擦焊，实现一次焊透。
01 钛合金中厚板焊接面临的挑战
焊接技术是钛合金耐压壳体制造的关键技术。传统熔焊技术应用于中厚板钛合金时，容易出现气孔、裂纹、组织粗大、残余应力和变形较大等问题。搅拌摩擦焊作为一种固相焊接技术，能够在材料熔点以下实现焊接。有望解决中厚板钛合金的焊接难题。然而，常规搅拌摩擦焊技术依靠非消耗性的搅拌工具高速旋转插入工件进行摩擦产热，并带动材料塑性流动实现焊接。在此过程中，搅拌工具与材料之间发生剧烈摩擦，容易导致搅拌工具磨损和断裂，尤其是对于钛合金等高强度材料，搅拌工具磨损进一步加剧，导致大量磨屑残留在焊缝中，降低了焊接质量。
02 钛合金涡流搅拌摩擦焊的基本原理
为了解决上述问题，团队提出了一种新型的焊具结构，即采用与母材同材质的棒材和外部附加套筒作为搅拌工具。焊接过程中，与工件同材质的棒材高速旋转，与工件发生同质摩擦，并在工件内部诱导形成塑性涡流。塑性涡流在套筒的约束下，沿着待焊接缝移动，即可实现搅拌摩擦焊接。该工艺被命名为涡流搅拌摩擦（vortex flow-based friction stir welding，VFSW）。 目前，团队采用VFSW工艺已先后实现了3mm厚TC4钛合金的对接焊、1.4mm厚TC4钛合金的搭接焊以及6mm厚TC4钛合金的双面对接焊，但6mm厚TC4钛合金的VFSW单面焊一次焊透，仍具有挑战。本研究改进了套筒结构，采用WC硬质合金和钨铼合金复合套筒，首次实现了6mm厚TC4钛合金单面焊一次焊透。
03 实验方法
本研究采用的搅拌工具如图 1 所示，由上套筒、外套筒、下套筒、内套筒和 TC4钛合金搅拌棒组成。上套筒和外套筒由H13工具钢制成，下套筒材料选用 WC-15%Co，内套筒则由 Ｗ-25%Re 制成。
图1 套筒结构示意图
04 主要结果
1. 焊缝成形
（a）焊缝正面
(b) 焊缝背面
图2 TC4钛合金VFSW接头的宏观形貌
2. 接头微观组织
图3 TC4钛合金VFSW接头各区域的金相组织
图4 TC4钛合金VFSW接头各区域的SEM图像
图5 钛合金VFSW接头前进侧磨屑残留区EDS线扫描分析结果
图6 TC4钛合金VFSW接头后退侧磨屑残留区的EDS面扫描分析结果
3. 力学性能
图7 TC4钛合金VFSW接头的显微硬度分布云图
图8 TC4钛合金母材和VFSW接头的拉伸工程应力-应变曲线
图9 TC4钛合金VFSW接头的断口位置及形貌
05 结论
(1) 采用W-25%Re合金制作内套筒、WC-15%Co合金制作下套筒、TC4钛合金制作搅拌棒，在适当工艺参数下，可以一次性焊透 6mm厚的TC4钛合金板材，焊缝成形良好。以上结果表明在无刚性搅拌针的前提下，VFSW可实现单面焊双面成形。
(2) TC4钛合金VFSW接头的搅拌区主要由粗大的片层组织构成。沿板厚方向，初始 β 晶粒尺寸呈减小趋势，过渡区呈现双态组织特征，热影响区的组织相较于母材区显著粗化。
(3) 磨屑残留主要分布在焊缝上表面。前进侧主要是W-Re合金的磨屑残留，由内套筒和焊缝金属的扩散反应导致。后退侧为W-Re合金和WC-Co合金的磨屑残留，由WC-Co下套筒和溢出材料的机械磨损以及WC磨屑颗粒与Ti基体反应生成TiC颗粒导致。磨屑的存在提高了焊缝的硬度，但后退侧磨屑残留区成为接头的最薄弱区，裂纹率先在此萌生并传播至焊缝底部。
(4) TC4钛合金VFSW接头的最大抗拉强度为1044.5MPa，可达到母材的87.8%。其断后伸长率较母材显著降低，主要原因是磨屑残留导致的应力集中和粗大的片层组织降低了焊缝的塑性。
06 未来展望
钛合金涡流搅拌摩擦焊已展现出巨大的发展潜力，从单面3mm到单面6mm一次焊透，意味着其可以适应更多应用场景。未来，需要对套筒结构进一步优化，通过适当的冷却措施来提升套筒的耐磨性。同时，通过外部能场辅助来促进涡流的形成，实现更大板厚的一次焊透，为耐压壳体厚板钛合金的焊接提供技术支撑。
本文引用格式
刘小超, 李晓博, 李文涛, 等. 中厚板钛合金涡流搅拌摩擦焊接技术研究[J]. 材料开发与应用, 2026, 41(1): 45-52.
LIU X C, LI X B, LI W T, et al. Study on vortex flow-based friction stir welding of medium-thick titanium alloy plates[J]. Development and Application of Materials, 2026, 41(1): 45-52.
来源：三思的小柜子
