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摩擦攪拌焊接的秘密：為何它在航空航太和船舶建造中如此受歡迎？
摩擦攪拌焊接(FSW)是一種固態連接技術，利用不耗損的工具將兩個面對的工件連接在一起，且不會熔化工件材料。在這個過程中，旋轉工具與工件材料之間的摩擦產生熱量，使得靠近焊接工具的區域變軟。當工具在接頭線上前進時，它會機械性地混合兩塊金屬，並通過施加的機械壓力來鍛造這些熱的、變軟的金屬，像是在連接粘土或麵團一樣。
摩擦攪拌焊接可以連接鋁合金、銅合金、鈦合金、普通鋼、不銹鋼和鎂合金。
摩擦攪拌焊接最早在1967年由蘇聯的Klimenko專利提出，但當時並未進入商業技術。隨著技術的發展，摩擦攪拌焊接在1991年於英國的焊接研究所(TWI)中得到實驗驗證並商業化，如今其應用範圍已擴展至現代船舶、火車和航空航太領域。
運作原理
摩擦攪拌焊接的關鍵在於其運作原理。該過程使用一個旋轉的圓柱形工具，這個工具具有一個直徑小於其肩部的螺旋釘（也稱為探針）。在焊接過程中，工具被送入兩個夾緊的工件之間的對接接縫，直到探針刺入工件並肩部接觸工件表面。在一段短暫的暫停後，工具以預設的焊接速度沿著接頭線向前移動。摩擦熱在耐磨材料與工件之間產生，並使材料變軟而不熔化。
微觀結構特徵
摩擦攪拌焊接的固態特性與其工具形狀及不對稱速度特徵，導致了獨特的微觀結構。這個微觀結構可以劃分為以下區域：
擴展區（Stir Zone）是重度變形材料的區域，其結構顯示出特殊的“洋蔥環”特徵。
摩擦攪拌焊接還會因其微觀結構中的幾個區域產生特殊的特性，包括流動臂區（Flow Arm Zone）和熱機械影響區（TMAZ），這些區域的應變和溫度較低，然後是受熱影響區（HAZ），這個區域的材料在焊接過程中未受到變形。
優勢與限制
摩擦攪拌焊接的固態特性，相較於熔融焊接方法，可避免熔融階段的問題，因此具有多項優勢。其缺點是未正確施作時會導致特有的缺陷，例如“吻合接頭”（Kissing Bond）和浸透不足等問題。
摩擦攪拌焊接的優勢包括良好的焊接機械性能和環境友好性，且無需高訓練要求的操作人員。
關鍵焊接參數
在摩擦攪拌焊接過程中，有幾個關鍵參數需要考量，包括工具設計、工具轉速和行進速度。這些參數直接影響焊接效果，確保材料達到適當的流動性，避免缺陷的發生。
焊接力的影響
在焊接過程中，多種力會作用於工具，包括向下的力和平行於工具運動的行進力。這些力的變化會影響焊接質量。
超高的焊接溫度及較慢的行進速度有利於減少工具的磨損。
許多研究表明，透過精細調整焊接參數，如工具傾斜度和插入深度，可以顯著提升焊接的質量與效率。
結論
摩擦攪拌焊接憑藉其獨有的特性和優勢，在航空航太以及船舶建造中的應用持續增加，為材料的連接帶來了新的可能性。然而，這項技術的成功運作需要對每一個細節進行嚴謹的掌控與微調，因此，未來又會如何影響焊接技術的發展與應用呢？
