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摩擦搅拌焊接的秘密：为何它在航空航太和船舶建造中如此受欢迎？
摩擦搅拌焊接(FSW)是一种固态连接技术，利用不耗损的工具将两个面对的工件连接在一起，且不会熔化工件材料。在这个过程中，旋转工具与工件材料之间的摩擦产生热量，使得靠近焊接工具的区域变软。当工具在接头线上前进时，它会机械性地混合两块金属，并通过施加的机械压力来锻造这些热的、变软的金属，像是在连接粘土或面团一样。
摩擦搅拌焊接可以连接铝合金、铜合金、钛合金、普通钢、不锈钢和镁合金。
摩擦搅拌焊接最早在1967年由苏联的Klimenko专利提出，但当时并未进入商业技术。随着技术的发展，摩擦搅拌焊接在1991年于英国的焊接研究所(TWI)中得到实验验证并商业化，如今其应用范围已扩展至现代船舶、火车和航空航太领域。
运作原理
摩擦搅拌焊接的关键在于其运作原理。该过程使用一个旋转的圆柱形工具，这个工具具有一个直径小于其肩部的螺旋钉（也称为探针）。在焊接过程中，工具被送入两个夹紧的工件之间的对接接缝，直到探针刺入工件并肩部接触工件表面。在一段短暂的暂停后，工具以预设的焊接速度沿着接头线向前移动。摩擦热在耐磨材料与工件之间产生，并使材料变软而不熔化。
微观结构特征
摩擦搅拌焊接的固态特性与其工具形状及不对称速度特征，导致了独特的微观结构。这个微观结构可以划分为以下区域：
扩展区（Stir Zone）是重度变形材料的区域，其结构显示出特殊的“洋葱环”特征。
摩擦搅拌焊接还会因其微观结构中的几个区域产生特殊的特性，包括流动臂区（Flow Arm Zone）和热机械影响区（TMAZ），这些区域的应变和温度较低，然后是受热影响区（HAZ），这个区域的材料在焊接过程中未受到变形。
优势与限制
摩擦搅拌焊接的固态特性，相较于熔融焊接方法，可避免熔融阶段的问题，因此具有多项优势。其缺点是未正确施作时会导致特有的缺陷，例如“吻合接头”（Kissing Bond）和浸透不足等问题。
摩擦搅拌焊接的优势包括良好的焊接机械性能和环境友好性，且无需高训练要求的操作人员。
关键焊接参数
在摩擦搅拌焊接过程中，有几个关键参数需要考量，包括工具设计、工具转速和行进速度。这些参数直接影响焊接效果，确保材料达到适当的流动性，避免缺陷的发生。
焊接力的影响
在焊接过程中，多种力会作用于工具，包括向下的力和平行于工具运动的行进力。这些力的变化会影响焊接质量。
超高的焊接温度及较慢的行进速度有利于减少工具的磨损。
许多研究表明，透过精细调整焊接参数，如工具倾斜度和插入深度，可以显著提升焊接的质量与效率。
结论
摩擦搅拌焊接凭借其独有的特性和优势，在航空航太以及船舶建造中的应用持续增加，为材料的连接带来了新的可能性。然而，这项技术的成功运作需要对每一个细节进行严谨的掌控与微调，因此，未来又会如何影响焊接技术的发展与应用呢？
