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你知道嗎？摩擦攪拌焊接如何創造無需熔化的強大接頭？
摩擦攪拌焊接（FSW）是一種固態連接工藝，使用一種不可消耗的工具將兩個面對面的工件連接在一起，而不需要將工件材料熔化。在這個過程中，摩擦產生的熱量使靠近工具的區域變得柔軟。在此之後，工具沿著接合線前進，機械地混合二者的金屬，並通過工具施加的機械壓力來鍛造這些熱軟化的金屬，類似於將黏土或麵團混合在一起。這使得摩擦攪拌焊接在高強度焊接結構中的應用越來越廣泛，特別是在鍛造或擠壓的鋁合金中。
摩擦攪拌焊接的運作原理
在摩擦攪拌焊接過程中，使用的工具是旋轉的圓柱形工具，其上有一個較小直徑的成型針。當焊接進行時，工具被施加到兩個夾緊工件之間，直到針穿刺進入工件，而工具的肩部接觸到工件的表面。在短暫的停留時間後，工具按預設的焊接速度沿接合線向前移動。
摩擦熱的產生使得材料在未熔化的情況下變得柔軟，從而可實現有效的塑性變形。
微觀結構特徵
摩擦攪拌焊接的固態特性結合特殊工具形狀和不對稱速度配置，使其產生了獨特的微觀結構。微觀結構可分為幾個區域：
- 攪拌區（Stir Zone）：這是重變形材料的區域，與焊接過程中的針位置大致相符。
- 流臂區（Flow Arm Zone）：位於焊縫的上表面，由肩部拖拽的材料組成。
- 熱機械影響區（TMAZ）：這是攪拌區兩側的區域，焊接對微觀結構的影響較小。
- 熱影響區（HAZ）：所有焊接過程中都存在的區域，該區域在焊接中經歷了熱循環但未發生變形。
摩擦攪拌焊接的攪拌區具有獨特的「洋蔥環」結構，這一現象至今仍未完全確定其起源。
摩擦攪拌焊接的優勢與限制
摩擦攪拌焊接與傳統熔焊方法相比，具有數個優勢。首先，由於避免了從液相冷卻造成的問題，如孔隙率、溶質重分佈、凝固龜裂等，焊接過程中的缺陷濃度較低。其次，摩擦攪拌焊接具有以下優勢：
- 焊接後機械性能良好。
- 提高安全性，避免有毒煙霧或熔融材料飛濺。
- 無需消耗品，僅用標準的工具鋼製成的螺紋針即可實現超過1千米的鋁焊接。
- 可在所有位置操作，無需焊接池。
儘管摩擦攪拌焊接具有上述許多優勢，但如果操作不當，仍然會出現特有的缺陷，如「擁吻接頭」等。
焊接參數的重要性
摩擦攪拌焊接效果的好壞在於工具設計、工具旋轉及移動速度等多個焊接參數。工具設計的關鍵在於其材料必須足夠堅固並耐高溫，以保證焊接過程的有效性。合理的旋轉和移動速度可以達到合適的熱輸入。過高或過低的速度都會對焊接質量造成影響，甚至可能導致工具破損或顯著的缺陷。
有效的焊接參數選擇不僅能提供理想的焊接效果，還能提高生產效率。
摩擦攪拌焊接的廣泛應用
摩擦攪拌焊接的應用範圍十分廣泛，涵蓋了現代船舶製造、鐵路交通及航空航天等領域。近年來，該工藝甚至已成功應用於焊接聚合物、不同金屬材料的連接等領域。這一技術的經濟效益以及在各種材料上的應用潛力，將進一步驅動其在工業界的普及與發展。
隨著技術的持續進步，摩擦攪拌焊接在未來的製造業中將會扮演怎樣的角色呢？
