攪拌摩擦焊接是由英國焊接協(xié)會(TWI)于1991年發(fā)明的一種新型固態(tài)焊接工藝，有接頭變形小、力學性能好、節(jié)能和環(huán)保等特點，具有廣闊的應(yīng)用前景[1、2]。
目前針對攪拌摩擦焊接的研究主要有實驗研究攪拌摩擦焊工藝參數(shù)對焊接性能的影響、通過使用數(shù)值模擬技術(shù)研究攪拌摩擦焊焊接過程以及攪拌摩擦焊應(yīng)用的研究。攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding）技術(shù)自發(fā)明以來，一直作為低應(yīng)力無變形的焊接技術(shù)被大家所接受，在研究過程中，人們習慣地忽略攪拌摩擦焊接的變形現(xiàn)象。然而，本項目前期研究表明，攪拌摩擦焊焊后工件存在不可忽視的變形。

焊接變形的存在會嚴重影響著焊接結(jié)構(gòu)的制造過程和使用性能，不僅意味著由于產(chǎn)品尺寸精度的降低而導(dǎo)致裝配精度下降，有損工件的外觀或使工件之間的接頭強度降低，還會嚴重增加產(chǎn)品的制造成本，減短使用壽命甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)直接報廢[3]。因此，開展對攪拌摩擦焊焊接變形的系統(tǒng)研究，以及相關(guān)影響因素的分析是實現(xiàn)對其變形進行控制的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。

本課題以國際合作項目“復(fù)雜結(jié)構(gòu)（大型噴氣式客機部件）攪拌摩擦焊焊接變形的研究”為背景，作為其內(nèi)容的一個部分，進行對攪拌摩擦焊接的變形現(xiàn)象的研究和分析。以實驗測量為基礎(chǔ),確定適當?shù)谋碚鞣椒?從而研究焊接變形的基本規(guī)律。
1. 實驗方法 
實驗的主要內(nèi)容為鋁合金薄板攪拌摩擦焊焊后變形的測量。通過前期工作對實驗方法的嘗試，選擇適當?shù)姆椒ㄟM行鋁合金薄板攪拌摩擦焊焊后變形的準確測量，并通過數(shù)據(jù)處理建立統(tǒng)一的變形表征方法，采用直觀的方法對其變形的特點及變化規(guī)律進行描述。
2.1 實驗基礎(chǔ)及條件
鋁合金薄板的焊接由德國EADS完成。試板材料為6056-T6鋁合金。焊接實驗所用的攪拌頭尺寸為：攪拌頭針部直徑5mm，軸肩直徑13mm。攪拌針長度為2.3mm，伸入板厚度方向為2.6mm。所有焊接實驗均使用相同的攪拌頭且名義下壓力為8KN。試板的尺寸及焊接工藝參數(shù)列于下表1.1。通過實驗前對測量方法[4]的比較和選擇，最終采用IOTA 203D/P型三坐標測量儀自動測量模式進行測量。實驗過程包括試板上網(wǎng)格劃分、程序編寫、試板的放置及實際測量。網(wǎng)格劃分方法為：焊接起始處端面至焊接終止處端面，每間隔20mm畫一橫向網(wǎng)格線；距焊縫中心線兩側(cè)各15mm且與該中心線平行畫縱向網(wǎng)格線，從這兩條縱向線至板兩側(cè)，每間隔20mm畫一縱向網(wǎng)格線；各板畫法相同。編寫適當?shù)某绦蚴箿y量點位于繪制的網(wǎng)格節(jié)點處。測量結(jié)果（x，y，z）反應(yīng)網(wǎng)格節(jié)點處變形情況，z坐標即本文所研究的變形量。概括變形量在各點、各網(wǎng)格線上的差異及規(guī)律可以反映出板的整體變形情況。試板放置時要特別注意保持其自由狀態(tài)及穩(wěn)定性，避免因為墊塊及針頭壓力帶來的局部附加變形。實驗過程中，需要觀察板是否穩(wěn)定，若有晃動需重新測量。
                                                                                             表2.1  試板焊接工藝參數(shù)
2.2 焊接變形的表征
為實現(xiàn)各試板測量結(jié)果的可比性和相關(guān)性，需要建立統(tǒng)一的表征方法,主要步驟如下。
1)  確定基準平面
試板在實驗放置及固定的時可能有相對的傾斜，因此需要確定統(tǒng)一的基準平面。首先在各試板相同位置選取A、B、C點，如圖1.1(a)，令這三點所確定的平面為統(tǒng)一的基準平面。通過板的兩次整體旋轉(zhuǎn)，將A、B、C三點同時落在水平面上，即可以由測量坐標得到各點相對于ABC所確定的水平面的變形量。如圖2.1(b)、(c)分別為試板所需要進行的兩次旋轉(zhuǎn)。首先，選擇A點所在的水平面作為零基準面，令各板A點測量所得到Z軸坐標為0，將各點Z坐標減去ZA，即基準面的統(tǒng)一。由原始數(shù)據(jù)算得直線AB與基準面的夾角α1，為使AB直線落在水平面內(nèi)，需將板上各點均沿箭頭向基準面旋轉(zhuǎn)α1，此時可得到各點新的坐標；同樣方法，以第一次旋轉(zhuǎn)后BC與基準面的夾角α2為第二次坐標旋轉(zhuǎn)的角度。經(jīng)過以上處理，各點測量值均表為相對于ABC平面（即基準平面）的變形量。
2)  建立坐標系
首先對試板上位置的描述及坐標進行統(tǒng)一規(guī)定，見圖2.2。試板寬度方向的兩個端面分別為前進側(cè)端面和后退側(cè)端面，相應(yīng)的在試板上焊縫兩側(cè)分別為前進側(cè)、后退側(cè)，長度方向兩個端面分別為焊接起始處端面及焊接終止處端面。 
                                                                                         圖2.1  試板旋轉(zhuǎn)示意圖
                                                              (a). ABC三點的位置     （b）.第一次旋轉(zhuǎn)角度     （c）.第二次旋轉(zhuǎn)角度
                                                                                      圖2.2  試板上位置及坐標的描述
對空間坐標系有的規(guī)定如下：焊縫中心線為X軸，且沿焊接方向為X正方向；過焊縫起始點平行與BC的直線為Y軸，且從焊接后退側(cè)指向前進側(cè)為正方向；試板無焊縫面指向有焊縫面為Z軸正方向；坐標原點在焊接起始點處。因測量系統(tǒng)限制，實際測量的坐標范圍為，X：0~940mm/560mm ，Y：-310mm~310mm。圖2.1中虛線表示原始試板尺寸邊緣，實線代表測量的實際試板邊緣。
2.3 實驗結(jié)果及檢驗
　　應(yīng)用繪圖工具或軟件對處理后的數(shù)據(jù)結(jié)果進行二維或三維圖形的繪制：三維圖形以整體試板為對象，直觀反映出變形量在試板上的分布情況；二維圖形以網(wǎng)格線位置的截面為對象，表征該截面上各點的變形量關(guān)系。本文主要根據(jù)二維曲線反映試板各橫、縱截面上變形情況，通過試板間相同位置截面變形情況的對比，得到焊接參數(shù)對變形的影響規(guī)律和特點。
實驗過程中墊塊、測量針頭壓力等可能對實驗結(jié)果帶來影響。針對本實驗，采用進行重復(fù)性實驗的方法來衡量以上問題給實驗帶來的誤差影響。具體方法是取一個試板，按不同的擺放位置分別進行墊實及測量并改變測量順序；將得到測量結(jié)果分別進行數(shù)據(jù)處理；對比多組相同位置截面上變形情況，對兩次實驗結(jié)果進行比較，在各截面處的最大差值Δz的具體數(shù)據(jù)見表2.2。
                                                                                 表2.2  兩次測量中各截面最大變形量差
通過重復(fù)性實驗，同一試板的兩次測量結(jié)果經(jīng)過同樣的數(shù)據(jù)處理情況下得到的變形結(jié)果比較吻合，誤差最大為3%，表明由墊塊、針頭壓力所帶來的誤差影響是可以接受的，間接說明了表征方法可以很好的反應(yīng)各試板實際變形的情況，該方法是可靠的。

2.    攪拌摩擦焊變形規(guī)律的研究 
由測量數(shù)據(jù)得到的板的三維變形情況可大致由圖2.3表示。圖A為尺寸1000mm ×630mm× 3mm的試板上不同變形量的分布情況。圖B為試板上等變形量曲線的位置。
                                                                                         圖2.3    變形量整體分布示意圖

在對試板各截面變形的研究中同樣得到了一些規(guī)律性結(jié)果。攪拌摩擦焊焊后試板的橫截面變形可用一上拱曲線表示，縱截面則可表示為一下凹曲線（如圖2.4a、b）；試板橫截面的變形量曲線最低點在焊縫中心線上，沿焊縫中心線先升高再降低，整體曲線也先升高再降低；試板縱截面的變形量曲線隨截面位置沿Y軸正方向移動，曲線有整體先降低再升高的變化。 


                                                                                        　     (a) 橫截面變形量曲線

                                                                                         （b）縱截面變形量曲線
                                                                                         圖2.4    橫、縱變形量曲線圖
                                                                              (a).橫截面變形量曲線    （b）.縱截面變形量曲線
為研究橫截面位置沿焊接方向移動時，橫截面上變形曲線的變化規(guī)律，取A-E五個橫向截面進行對比，截面位置為A-X=100 mm、B-X=300 mm、C-X=500 mm、D-X=700 mm和E—X=900 mm。對比結(jié)果如下圖2.5。
   

                                                                 （a）A、B、C三個不同位置橫截面上變形量曲線
                                                                  (b) C、D、E三個位置橫截面上變形量曲線
                                                                         圖2.5 同一試板不同橫截面上的變形量曲線
                                      (a). A、B、C三個不同位置橫截面上變形量曲線    （b）. C、D、E三個位置橫截面上變形量曲線
同樣方法，可以考慮縱截面上的變形隨縱截面位置移動而產(chǎn)生了變化規(guī)律。選取A-E五個界面：A-Y=-310mm、B-Y=-155mm、C-Y=0、D-Y=155mm以及E-Y=310mm五個縱向截面，觀察其變形量在截面位置不同時的變化。

                                                                            （a）A、B、C三個不同位置縱截面上變形量曲線

                                                                     （b）C、D、E三個不同位置縱截面上變形量曲線
                                                                          圖2.5 同一試板不同橫截面上的變形量曲線
                                         (a). A、B、C三個不同位置縱截面上變形量曲線    （b）. C、D、E三個不同位置縱截面上變形量曲線
綜合以上討論，攪拌摩擦焊接變形的共性規(guī)律主要有以下幾點：
l         焊接前進側(cè)、返回側(cè)端面處正變形量出現(xiàn)最大值；焊縫起始點、終止點出現(xiàn)負變形量最大值；焊縫兩側(cè)代表同一變形量的等值線形狀類似于一組雙曲線，兩側(cè)曲線逐漸向焊縫靠攏，變形量為0的等值線在焊縫中心線附近相交。
l         攪拌摩擦焊焊后試板的縱截面變形可用一上拱曲線表示，橫截面則可表示為一下凹曲線；該特征與傳統(tǒng)焊接方式的焊接變形恰好相反。
l         橫截面位置沿焊接方向移動時，最低點位置先上升后下降；曲線形狀變化不大；縱截面位置從后退側(cè)端面沿Y軸正方向移動，截面上的變形量曲線先整體下移后整體上移。