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中国科学院金属研究所（简称金属所）搅拌摩擦焊接研究团队深耕搅拌摩擦焊接研究近20年，揭示了制约焊缝成形和力学性能的关键因素，突破了多项关键技术瓶颈，推动了我国搅拌摩擦焊接基础研究的发展，并达到国际先进水平。搅拌摩擦焊接研究团队隶属于金属所师昌绪先进材料创新中心，自成立以来，一直秉承金属所基础与应用并重的优良传统，学术水平和研发能力始终保持在国际前列，为我国重大装备的发展和性能大幅提升做出了重大贡献。
目前，搅拌摩擦焊接研究团队核心成员有10余人，均具有博士学位，其中正高级职称7人、副高级职称4人；2人入选国家级高层次人才计划，8人入选省部级人才计划。2004年，在中科院“百人计划”和国家杰青基金资助下，搅拌摩擦焊接研究团队开始搅拌摩擦焊接研究，在短时间内帮助我国在国际相关领域开始有一定的发言权。搅拌摩擦焊接研究团队先后主持国家自然科学基金杰出青年项目及重点项目、国家重点研发计划、国防基础加强、装备预先研究、中科院先导专项、省部级重点项目、关键领域技术攻关等项目，解决了大量基础性、前沿性科学及技术问题。团队主要成员发表SCI学术论文300余篇，论文被引用16000余次，团队负责人马宗义研究员连续入选Elsevier 中国高被引学者榜单，出版英文专著1部，授权发明专利30余项。在搅拌摩擦焊领域发表SCI论文数及引用数均持续排名国际第一，引领了国内学术研究，倡导主办“全国搅拌摩擦焊接与加工学术会议”，创建了本领域的全国性学术会议及学术组织，由高校、科研院所与企业轮流举办，现已成功举办两届，成为本领域“产—学—研—用”有机结合的学术平台典范，搅拌摩擦焊接研究团队以第一完成单位荣获省部级、一级学会一等奖3项。
搅拌摩擦焊接研究团队围绕搅拌摩擦焊接中的材料流变与温度交变等核心问题，结合实验与数值模拟，阐明了材料流动、组织演变、元素扩散/反应等相关机制，提出了调控焊缝组织与力学性能的新思路，建立了具有广泛适用性的多物理场模型，丰富了经典的金属材料热加工理论，相关技术已在航天、轨道交通、核电、关键装备等国家重大需求领域得到成功应用，解决了相关领域的制造瓶颈。
材料流动行为与缺陷调控机制
材料流动行为是搅拌摩擦焊接最关注的科学问题，直接影响宏观焊接缺陷和焊核区特征微观结构（“洋葱环”、“S”线、弱连结等）的形成，这些因素成为影响接头异常或失效的主要原因。然而，搅拌摩擦焊接过程材料流动十分剧烈、复杂，无法直观表征。一直以来，相关研究停留在简单理想模型阶段，无法准确预测特征微观结构与缺陷形成规律，严重制约了焊接工具设计与工艺参数的优化。搅拌摩擦焊接研究团队创新性地以人工氧化膜示踪再现材料流动行为，建立了原位示踪研究新方法，结合数值模拟技术揭示了材料流动规律及特征微观结构形成机制，实现了典型特征微观结构的定量预测，为搅拌摩擦焊接的工艺优化提出了基本性的原理指导。
搅拌摩擦加工组织重构及元素快速扩散机理
铸件是工业生产中应用最为广泛的一类构件。受工艺限制，铸造组织通常比较粗大，还伴有缩孔、缩松、夹碴等缺陷，特别是一些大尺寸、 高性能要求的铸件常因为轻微的缩孔、缩松缺陷直接报废。在不改变工件外形尺寸的条件下，实现其组织的细化、致密化、均匀化一直是行业追求的目标。由搅拌摩擦焊接衍生的搅拌摩擦加工（FSP）技术可在不改变工件尺寸情况下 实现材料的组织重构、合成以及缺陷修复，其特有的热、机械过程，使接头、加工区形成独特而多样化的微观组织，深入理解其本质是推动其应用与发展的基础。搅拌摩擦焊接研究团队通过深入研究揭示了铸造合金及铝基纳米复合材料组织重构中的微观组织演变规律；基于理论计算阐明了第二相快速溶解、元素快速扩散的机理为晶粒细化与“体扩散”向沿位错的“管扩散”机制转变的共同作用；阐明了纳米尺度第二相的破碎、分散、形成机制及关键影响因素；建立了不改变铸件形状尺寸的“搅拌摩擦加工（+时效）”革新性改性工艺和制备纳米复合材料的新技术路线。
铝合金接头力学性能关键影响因素
除焊核区的特征微观结构外，决定沉淀强化铝合金接 头性能的因素还与沉淀相演化密切相关。焊接过程中接头各区域发生不同程度的沉淀相溶解、粗化、再析出，构成影响接头性能的复杂因素。早期研究受焊核区新奇的特征微观结构的吸引，忽略了对接头各区域组织演变的系统深入研究，制约了对工艺参数—接头性能内在联系的深入理解。搅拌摩擦焊接研究团队首次建立了具有普适性的高精度非线性瞬态三维温度场与热源区—等温溶解层模型，揭示了影响沉淀强化铝合金接头力学行为的关键因素及其作用机理，阐 明了热源停留时间与最低硬度区组织演变的直接相关性，提出以焊速为核心的工艺优化思想，突破了以往焊接工艺选择的盲目性，为航天、轨道交通等领域铝合金焊接性能提升提供了指导准则。
铝基复合材料高质量可靠搅拌摩擦焊接技术
铝基复合材料是在铝合金中添加高性能异质材料形成的新型材料，以其高比模量、高比强度、低线膨胀、耐磨以及特殊的功能特性（如添加硼的中子吸收复合材料）在空天、国防、核电等领域拥有了广阔应用前景。然而，由于增强材料与铝合金物化性质的巨大差异，传统熔焊技术难以实现铝基复合材料的高质量焊接。搅拌摩擦焊是最有希望实现铝基复合材料焊接的技术，但面临工具磨损严重、材料流变性差等问题。搅拌摩擦焊接研究团队开发出高强韧的耐磨焊接工具材料，并通过组合设计制造实现了长距离焊接工具磨损轻微、不折断的目标，所获得的铝基复合材料焊接头强度最高可达硬态母材的97%。此外，搅拌摩擦焊接研究团队阐明了铝基复合材料搅拌摩擦焊接过程中的颗粒破碎、界面反应与工具磨损行为，建立了实现长距离可靠焊接的技术路线，实现了中子吸收材料（B4C/Al复合材料）筒形结构件的搅拌摩擦焊接制造，用于全球首台第四代高温气冷堆的核燃料元件贮运容器，为我国核燃料贮运材料实现全面国产化奠定基础，中核集团评价搅拌摩擦焊接研究团队“首次实现中子吸收材料焊接”，“保证了全面国产化研制”。
厚板结构件制造关键技术
随着装备性能的不断提升，厚板（30mm以上）结构件作为关键承载结构得到了越来越广泛的应用，然而，由于厚板焊接过程中材料流动更为复杂，对工具要求极其苛刻，其焊接难度与常规结构相比大大提升。由于技术封锁， 高铁铝合金车体中的车钩座板、牵引梁等关键承载厚板结构件仍依赖外资产品，严重制约着我国高铁完全自主化战略进程。搅拌摩擦焊接研究团队基于坚实的研究基础，优化了焊接工具材料的成分和热处理工艺，并对焊接工具的形貌进行了优化设计，发明出低成本、高性能的铝合金厚板专用焊接工具，已实现多种规格焊接工具产品的稳定供货；利用上述焊接工具，研发出“固溶态焊接+ 低温时效”的双面焊接新工艺，提高了材料在焊接过程中的流动性，焊缝质量和工具寿命均得到明显提升，在国内率先突破了84mm厚铝合金车钩座板件的高质量焊接，成功应用于“复兴号”“和谐号”等高铁列车车体制造，已逐步替代外资产品，为我国高铁自主化发展进程贡献了力量。同时， 搅拌摩擦焊接研究团队成功实现了熔化焊难以实现的铜合金厚板焊接，突破了某关键国防装备制造的焊接瓶颈，显著提高了该装备的技战指标，相关成果获军队科技进步二等奖。
(整理：大竹县焊工培训学校)
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