铆焊技术的创新：从传统工艺到现代混合解决方案（铆焊封头区域的微观结构-性能关系）

铆钉焊接 技术创新：从传统工艺到现代混合解决方案
1 铆接技术概述与分类
铆接作为一种经典的机械连接技术已经发展了几个世纪。传统的铆接通过塑性变形在连接部位形成机械锁定，实现力的传递。随着技术的进步，特别是搅拌摩擦铆焊等新技术的出现，铆焊已从纯机械连接发展成为机械锁定和冶金结合的混合连接技术。

现代铆接技术可根据铆接形式和铆钉结构，主要分为自铆搅拌摩擦铆接和自冲旋压铆接两大类。在自铆搅拌摩擦铆接中，异种材料板材的连接不使用预制铆钉。在下层板上预制适当形状的孔，随着搅拌头的运动，上层材料在摩擦热的作用下软化并向下挤压流动，进入下层板预制的孔中形成类似铆钉的结构。而自冲旋铆的过程主要包括铆点寻找、搅拌自攻孔、搅拌变形锁紧和急停固焊四个阶段。

2 摩擦搅拌铆接技术细节
2.1 搅拌摩擦铆接原理与工艺
搅拌摩擦铆接技术是一种新兴的异种材料稳定连接技术，它采用铆钉的旋转摩擦产生热量，同时保留了铆接技术的变形锁定和固相焊接特点。关于搅拌摩擦铆接焊接，国内外各高校都有相关研究，但重点是搅拌摩擦铆接焊接接头的组织和力学性能表征以及失效形式分析。

Haris等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，并存在纳米级扩散层。William研究了双面搅拌摩擦自铆焊技术，试验在预制孔中形成连续的铆钉状连接接头，接头不仅在材料层面形成冶金结合，而且在铆焊缝接头下部形成有效的机械锁定。该接头不仅在材料层面形成了冶金结合，而且在铆焊头下部形成了有效的机械锁定。

2.2 搅拌摩擦铆接的接头形式和结合机理
根据铆接形式和铆钉结构的不同，搅拌摩擦铆接的接头形式可细分为四种：搅拌摩擦盲铆技术（FSBR）、搅拌旋铆（FSPR）、旋转摩擦钻孔铆接（RFDR）和旋转摩擦压力铆接（RFPR）。

典型的搅拌摩擦自铆焊接接头在结构上与自冲自旋铆接搅拌摩擦铆接焊接接头不同。采用搅拌摩擦铆接技术将铝合金与钢连接起来时，铝板通常放在上面，钢板放在下面。一般情况下，在钢板上预制一定形状的孔，以便在铆接后形成牢固的铆钉状连接。根据 Huang 等人的研究成果，在搅拌摩擦自铆焊接铝合金和钢的过程中，材料填充的顺序遵循以下规律：首先，铝合金在铆钉尖端变形，其次，铝合金在铆钉杆中搅拌，最后，由于铆钉的进给力，铝合金被压入。

3 铆接焊点区域微观结构与性能之间的关系
3.1 接缝区域的微观结构特征
对搅拌摩擦铆接焊点区域微观结构的研究可以促进对组织-性能关系的深入理解，从而进一步控制搅拌摩擦铆接焊点的整体性能。

根据组织演变规律，搅拌摩擦自铆焊头区可分为搅拌区（SZ）或焊块（WNZ）、热机械影响区（TMAZ）、塑性变形金属流动区（PDZ）或自铆区（SRZ）。与基体组织相比，SZ 区明显更细，具有最细的晶粒和细等轴晶粒的微观结构；PDZ 区明显更粗，但比基体更细，具有更粗的等轴晶粒；TMAZ 区更细，由于机械搅拌的影响，晶粒明显变形。

3.2 界面上的金属间化合物及其影响
在铝合金与钢摩擦搅拌铆焊的界面上，容易形成FexAly（x<y）型金属间化合物，对接头性能有害。Huang等人的研究表明，铝合金与钢摩擦搅拌铆焊的界面光滑、结合紧密，没有发现明显的裂纹、孔洞等缺陷。Sun 等人在 6061 铝合金与低碳钢搅拌摩擦铆焊界面上检测到片状 Fe2Al5 和弥散分布的块状 FeAl6 金属间化合物。

大量研究表明，与富含铁的金属间化合物（如 FeAl 和 Fe3Al）的形成相比，富含 Al 的金属间化合物（如 Fe2Al5 和 FeAl3）的形成会对界面粘接以及接头强度产生负面影响。这一发现为优化铆接工艺提供了一个重要方向。

4 铆钉 焊接 流程优化和绩效改进战略
4.1 优化工艺参数
铆接工艺参数对接头质量有决定性影响。在自冲旋压铆接中，铆钉根部切口 d（从铆钉与钢板结合界面到铆钉顶端的径向距离）、铆钉深度 h（铆钉进入下层钢板的深度）以及铆钉之间靠近铆钉杆的板间距离都是至关重要的参数。一般来说，铆钉根部切口和铆钉深度越大，表示机械锁合作用越强，而δ值越大，则表示铆钉深度越小，机械锁合作用越弱。

王西京等人研究了植入式搅拌摩擦铆钉焊接的两种连接形式对性能的影响，实验结果表明，背面带有钉帽的连接形式在拉伸过程中，铝柱沿界面被剪切成两部分，而背面没有钉帽的连接形式在拉伸过程中，铝柱直接从孔中拔出。因此，为了实现铆钉的机械锁定，即形成钉帽结构，需要在预制孔的下方放置合适的配套模具，这就对铆钉的位置和空间提出了更严格的要求。

4.2 材料优化和表面处理
通过优化材料和表面处理，铆焊点的性能可以得到显著改善。在铝和钢的搅拌摩擦铆接中添加 Zn 或使用镀锌钢，可促进 Al-Zn 金属间化合物的形成，减少有害的 Fe-Al 金属间化合物的形成。

Min 等人对自冲旋铆 AA611 铝合金和镀锌钢铆钉的微观结构演变进行了观察和表征。以铆钉为中心的圆弧范围内，根据微观结构的演变可将接合区域划分为三个典型区域：X 区域（距铆钉边缘大于 773 μm）、A 区域（距铆钉边缘在 363~773 μm 范围内）和 B 区域（距铆钉边缘在 88~363 μm 范围内）。不同区域具有不同的晶界特征和晶粒细化程度，反映了不同的热机械历史。

5 铆接焊接技术的应用前景和发展趋势
5.1 异种材料的连接应用前景
随着工业领域对轻量化和节能的要求越来越高，铝镁合金的应用需求也越来越大，而铝镁合金本身的强度和刚度较低，需要与钢等高强度材料结合使用。因此，异种材料的连接，特别是铝合金和镁合金等轻质合金与钢的连接就显得尤为重要，重点是需要解决高强度和高精度异种材料的组合问题。

异种材料的传统连接方法包括铆接、焊接和胶粘，但这些方法存在许多缺点，如通用性差、连接强度和稳定性差、精度难以控制等。搅拌摩擦铆接和焊接等新兴技术为这些难题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，显示出广阔的应用前景。

5.2 技术发展趋势
未来铆接技术的发展将更加注重工艺精度、效率提升和适应性拓展。一方面，通过精确控制工艺参数和加强过程监控，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接技术发展的重要方向。通过传感器、数据分析和控制系统的集成，可以实现对铆接过程的实时监控和自适应控制，确保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。