YANGHUIMIN

　　搅拌摩擦焊（Friction Stir Weld，FSW）是一种新型的固相连接技术，于1991年在英国焊接研究所（The Welding Institute，TWI）发明并获世界范围内专利保护。这种新型连接技术的出现，克服了传统熔焊的缺陷，能够更加容易地实现铝合金等难焊接材料的焊接工艺过程，并且对能源的消耗少，对环境无污染，所以FSW被誉为"世界焊接史上的第二次革命"[1]。
　　FSW的原理非常简单，由轴肩（Shoulder）和搅拌针（Pin）组成的搅拌头（Tool）插入焊接板材的对接处，搅拌头边旋转边前进，使前进侧（Advancing Side，AS）和后退侧（Retreating Side，RS）的金属产生塑性流动，形成焊接接头，完成固相连接的过程。
　　自FSW问世以来，大量学者对FSW的接头组织以及力学性能做了大量的研究，但是由于材料的不可见性，对于FSW焊缝金属在焊接过程中的塑性流动，尚处于探索阶段。目前，主要通过实验和数值模拟的方法来研究材料的塑性流动。A.P. Reynolds[2]分析了当前对于FSW塑性流动的研究，指出对于FSW流动场可以从与轴肩接触的材料表面、搅拌针周围以及搅拌针底部3个方面进行研究。当前，对于FSW中的材料塑性流动的研究，主要存在的问题是：材料流动的机制到底是什么，FSW微观组织周期性变化的原因是什么，以及二者之间存在什么样的关系。
　　实验研究
　　对于用实验来研究FSW中材料的流变行为，主要是应用一些示踪材料来跟踪焊缝金属的最初和最终的位置。这些示踪材料主要包括铜箔、铝箔、钨线等。但是示踪材料由于和母材的的力学性能等方面存在差异，往往会影响FSW中母材金属的流动。所以，在有些实验中不加入任何示踪材料，只单纯地进行微观组织观察的方法进行研究。
　　在早期的研究中，Colligan[3]应用钢球跟踪技术，通过X射线检测和对切片进行观察的方式来研究铝合金FSW中材料的流动。Colligan指出并不是所有搅拌头周围的材料都会发生搅动，在搅拌针后退侧的大部分材料仅仅发生了简单的挤压，并在搅拌针的后方发生了沉淀。
　　随着研究手段和技术的不断进步，尽管对于FSW过程中材料的塑性流动的研究还不是非常完善，但在某些方面已经产生了一些共识，比如在FSW中的前进侧和后退侧的材料流动是非对称的，在搅拌头的后方材料会"一层一层"的沉淀，最后形成一种带状的结构。
　　
R.M. Leal等人[4]对AA 5182-H111 和AA 6016-T4两种铝合金分别利用了两种不同的搅拌头，在两种不同的工艺参数下进行搅拌摩擦焊接，通过对纵向、横向以及和垫板平行的方向的微观组织的观察，给出了在两种不同的搅拌头的影响下，材料流动的情况。图1和表1分别表示了搅拌头的宏观形貌，以及两种工艺参数。其中（a）型搅拌头在轴肩有角度为8的锥形腔，（b）型搅拌头轴肩呈旋涡状。（a）型搅拌头使用第一系列（WS1）的工艺参数，（b）型搅拌头应用第二系列（WS2）的工艺参数。
　　研究结果表明：应用（a）型搅拌头可以得到较为光滑的焊接表面，但会使板材在厚度上变薄，搅拌针在材料的流动中起到了主要的作用，在焊核区形成了"洋葱圆环"的结构；（b）型搅拌头不会引起厚度上的变化，但所得到的焊接表面没有（a）型搅拌头的焊接表面光滑，轴肩对焊接结构的形成起到了关键的作用，从前进侧流入到后退侧材料的数量明显比使用（a）型搅拌头时多。
　　和R.M. Leal等人一样，K. Kumar、Satish V. Kailas等人[5]也研究了搅拌头的几何尺寸以及轴肩和搅拌针对材料流动的影响。为了避免示踪材料对FSW中金属材料流动的影响，在研究的过程中没有使用任何的示踪材料，仅仅对焊缝处的微观组织进行了观察。实验所用的焊接材料为7020-T6铝合金，搅拌针长度4.2mm，上部直径6mm，下部直径4mm，轴肩直径20mm，搅拌头的材料为H13，硬度为55HRC，工艺参数分别为搅拌头的转速1400r/min，焊接速度80mm/min，搅拌头的倾角为2。为了研究搅拌针和轴肩在焊缝材料流动中的作用，K. Kumar、Satish V. Kailas等人使底面垫板有一个倾斜的角度，这样搅拌头就可以由浅到深地连续插入被焊材料中。
　　搅拌针插入焊接材料的过程中会形成一个焊接腔室，随着搅拌头和焊接材料之间的交互作用不断增强，轴向压力不断被增大。通过对微观组织的观察，可以看出当轴向压力达到7.4kN时，焊接缺陷消失（如图2所示）；当压力达到8.1kN时，在前进侧和后退侧的材料流动失去了对称性，更多的材料从后退侧流向前进侧。在材料的表面，轴肩对材料流动起了主要的作用，使材料由前进侧转移到后退侧；而在搅拌针影响材料流动的区域中，由于在后退侧有一个抗力的作用，使材料向上移动，导致了飞边的形成，但随着搅拌头和焊接材料的不断作用，轴肩又把向上流动的材料压回焊接腔室。
　　综上，K. Kumar， Satish V. Kailas等人提出要合理地设计搅拌针的形状使金属的流动达到最大值，又要合理地设计轴肩的形状，使向上流动的材料能够最大程度地返回到焊接腔室中。