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你知道吗？摩擦搅拌焊接如何创造无需熔化的强大接头？
摩擦搅拌焊接（FSW）是一种固态连接工艺，使用一种不可消耗的工具将两个面对面的工件连接在一起，而不需要将工件材料熔化。在这个过程中，摩擦产生的热量使靠近工具的区域变得柔软。在此之后，工具沿着接合线前进，机械地混合二者的金属，并通过工具施加的机械压力来锻造这些热软化的金属，类似于将黏土或面团混合在一起。这使得摩擦搅拌焊接在高强度焊接结构中的应用越来越广泛，特别是在锻造或挤压的铝合金中。
摩擦搅拌焊接的运作原理
在摩擦搅拌焊接过程中，使用的工具是旋转的圆柱形工具，其上有一个较小直径的成型针。当焊接进行时，工具被施加到两个夹紧工件之间，直到针穿刺进入工件，而工具的肩部接触到工件的表面。在短暂的停留时间后，工具按预设的焊接速度沿接合线向前移动。
摩擦热的产生使得材料在未熔化的情况下变得柔软，从而可实现有效的塑性变形。
微观结构特征
摩擦搅拌焊接的固态特性结合特殊工具形状和不对称速度配置，使其产生了独特的微观结构。微观结构可分为几个区域：
- 搅拌区（Stir Zone）：这是重变形材料的区域，与焊接过程中的针位置大致相符。
- 流臂区（Flow Arm Zone）：位于焊缝的上表面，由肩部拖拽的材料组成。
- 热机械影响区（TMAZ）：这是搅拌区两侧的区域，焊接对微观结构的影响较小。
- 热影响区（HAZ）：所有焊接过程中都存在的区域，该区域在焊接中经历了热循环但未发生变形。
摩擦搅拌焊接的搅拌区具有独特的「洋葱环」结构，这一现象至今仍未完全确定其起源。
摩擦搅拌焊接的优势与限制
摩擦搅拌焊接与传统熔焊方法相比，具有数个优势。首先，由于避免了从液相冷却造成的问题，如孔隙率、溶质重分布、凝固龟裂等，焊接过程中的缺陷浓度较低。其次，摩擦搅拌焊接具有以下优势：
- 焊接后机械性能良好。
- 提高安全性，避免有毒烟雾或熔融材料飞溅。
- 无需消耗品，仅用标准的工具钢制成的螺纹针即可实现超过1千米的铝焊接。
- 可在所有位置操作，无需焊接池。
尽管摩擦搅拌焊接具有上述许多优势，但如果操作不当，仍然会出现特有的缺陷，如「拥吻接头」等。
焊接参数的重要性
摩擦搅拌焊接效果的好坏在于工具设计、工具旋转及移动速度等多个焊接参数。工具设计的关键在于其材料必须足够坚固并耐高温，以保证焊接过程的有效性。合理的旋转和移动速度可以达到合适的热输入。过高或过低的速度都会对焊接质量造成影响，甚至可能导致工具破损或显著的缺陷。
有效的焊接参数选择不仅能提供理想的焊接效果，还能提高生产效率。
摩擦搅拌焊接的广泛应用
摩擦搅拌焊接的应用范围十分广泛，涵盖了现代船舶制造、铁路交通及航空航天等领域。近年来，该工艺甚至已成功应用于焊接聚合物、不同金属材料的连接等领域。这一技术的经济效益以及在各种材料上的应用潜力，将进一步驱动其在工业界的普及与发展。
随着技术的持续进步，摩擦搅拌焊接在未来的制造业中将会扮演怎样的角色呢？
