三 FSW的温度分布和焊缝金属组织
搅拌摩擦焊时，由机械旋转的搅拌头与被焊金属摩擦产生的热能传输给被焊金属，焊缝金属在搅拌力的驱动下产生塑性流动。焊缝组织受到强塑性流动的影响，导致焊缝结晶的微细化，也许局部伴有粗大化。搅拌摩擦焊接头组织和其温度分布密切相关，因此必须要注意搅拌指棒的形状，对焊缝热循环的影响。
（一）焊缝区的温度分布
搅拌摩擦焊的温度分布的测定是不容易的。因为，在采用热电偶测量焊接接头温度分布时，焊缝中金属的强塑性流动，使得热电偶端头易产生损坏。目前多是在焊缝区附近或热影响区进行测量。
图2-15为Backland等学者在板厚为4mm的A6063T6铝合金、搅拌头直径为15mm的情况测得的焊接接头的热循环曲线。从图中可以看到，离焊缝中心线2mm处的温度大于500oC。日本有人经过试验得到纯铝焊缝区的温度最高为450oC。由于铝的熔化温度为660oC，可以认为是在熔点以下的温度发生塑性流动。英国焊接研究所试验结果表明焊缝区的最高温度为熔点的70%，纯铝最高温度不超过550oC。总之，纯铝搅拌摩擦焊接时焊缝区的最高温度在500oC左右。热传导计算结果与以上的实测值基本一致。
图2-15 A6063-T6合金搅拌摩擦焊的热循环曲线
搅拌指棒的温度是一个很重要的问题，至今还没有实测数据。因为搅拌指棒要在焊缝金属内旋转，测量十分困难。有人在被焊金属固定的情况下，将旋转的搅拌指棒压入到板厚为12.7mm的6061-T6铝中，测量距搅拌指棒的端部0.2mm处的温度，并根据这个温度，用计算机仿真的方法仿真出搅拌指棒外围的温度。在搅拌指棒的直径为5mm，长为5.5mm的条件下，其仿真结果如图2-16所示。
根据搅拌指棒压入的速度可以推定，约24秒搅拌指棒全部压入到被焊金属中。从图2-16可以看出，从15秒后到24秒，搅拌指棒外围温度为一常数约580oC，即达到6061合金固相线温度。在搅拌摩擦焊时搅拌指棒的温度不能高于以上温度，因为搅拌指棒的高温剪切强度或高温抗疲劳强度就处于这个温度范围。也可以看到，搅拌指棒外围区的温度比上述的焊缝金属的温度高出几十摄氏度。
图2-16 搅拌指棒外围温度的仿真计算结果
焊接速度：0.5mm/min 板厚：4mm 搅拌头直径：15mm
（二）仿真计算结果
由于焊缝内搅拌区的温度是很难测量的，因而有人在研究残余应力分布时，用仿真的方法计算出其温度。图2-17所示是A6063铝合金搅拌摩擦焊焊缝区的温度分布仿真计算结果。图中的斑点为搅拌头的肩部区，图中的曲线为等温线，曲线上的数字是此等温线的最高温度。但是由于采用的铝的高温物理性能、粘度等的数据不十分精确，仿真结果与实际的温度分布会有一定的差别。
图2-17 搅拌摩擦焊焊缝区的等温线（板厚：5mm）
焊接速度对温度分布有相当大的影响。对于FSW来说，由于热源在固体中移动，在焊缝中心部最高温度的上限不会超过母材的固相线温度。由计算得出的焊接速度对焊缝最高温度的影响如图2-18所示。从图可以看出，在低速焊接情况下，焊缝的最高温度为490oC；在高速焊接时焊缝的最高温度为450oC。
从以上结果可以看出，在低速焊接和高速焊接下，虽然焊缝的最高温度温差并不大，但在实际搅拌摩擦焊时高速焊接是困难的，因为母材热输入低，焊缝金属塑性流动性不好，易造成搅拌头破损。最佳焊接规范的制定，是以在适当的摩擦热的作用下焊缝金属发生良好的塑性流动为依据。
图2-18 焊接工艺参数对最高温度的影响图
（三）焊接时的热量计测
日本有人对板厚为4mm的6N01铝合金的搅拌摩擦焊过程中的热量进行了测量。其方法是把在焊接过程中产生的热用水吸收，用温度计测量水温来进行测量搅拌摩擦焊过程中的热量，测量中不考虑焊缝背面垫块等的热损失。图2-19表示出了在相同的焊接速度和工件完全熔透的情况下，FSW和MIG焊的焊接热输入，FSW的热输入范围为120~230J/mm，它大约是MIG焊焊接热输入的一半。
图2-19 FSW和MIG焊4mm铝合金
焊接热输入的比较
在搅拌摩擦焊焊接时，分别测量搅拌指棒和肩部的温度，然后由测得的温度循环换算为热量。也可以采取简单的方法计算，即在最高温度下组织变化的截面积与比热容、密度相乘。其计算结果如图2-20所示。从图中可以看出，对母材总的热输入量随着焊接速度的增大和搅拌头旋转速度的降低而降低。
图2-20 搅拌摩擦焊焊接速度对热输入的影响
搅拌指棒形状以及肩部直径对总的热输入量也有很大的影响，搅拌头的搅拌指棒及肩部直径越大，使总的热输入量变大。这样的趋势在焊接6000系及2000系铝合金时是一样的。 根据图4-20给出的结果，把总热输入分为搅拌指棒和肩部各自产生的热量进行比较，比较结果如图2-21所示。它是用不锈钢制造的搅拌头焊接的结果。有图可以看到，搅拌指棒的发热量为总的热输入的55~60%。这个发热量的比率在转速800~1600rpm的情况下几乎不受影响。
最近，带有螺纹的搅拌指棒已经用于生产，这种搅拌指棒对产热的影响特别明显。
图2-21 焊接速度对搅拌指棒和肩部热量的影响
（四）焊缝区的组织
搅拌摩擦焊焊缝由于是在摩擦热和搅拌指棒的强烈搅拌共同作用下形成的，焊缝金属组织与其它焊接方法的焊缝相比有很多特点。
搅拌摩擦焊焊缝的宏观断面经腐蚀后进行观察，其断面形状可分为2种，一种断面形状为圆柱状；另一种为熔核状（焊点）。大多数FSW焊缝为圆柱状或它的变形的绕杯状；而焊点状的断面多发生于高强度和轧制加工性不好的如7075A、5083铝合金合金的搅拌摩擦焊焊缝中。
图2-22是接头的宏观断面，由图可以看出，焊接断面为一倒三角形，其中心区是由搅拌指棒产生的摩擦热和强烈搅拌作用下形成的，其上部是由摩擦搅拌头的肩部与母材表面的摩擦热而形成的。焊缝没有增高，通常与母材表面平齐稍微有些凹陷。
图2-22 接头的宏观断面
图2-23所示是搅拌摩擦焊焊接接头组成的划分。它是根据如图2-23所显示的焊接接头的金相组织进行观察而划分的。搅拌摩擦焊焊接接头依据金相组织的不同分为四个区域。即图中A区为母材，B区为热影响区， C区为塑性变形和局部再结晶区，D区即焊缝中心区为完全再结晶区。
图2-23搅拌摩擦焊焊接接头组成
根据对搅拌摩擦焊焊缝金相组织的观察，在C区可以看到部分晶粒发生了明显的塑性变形和部分再结晶。D区是一个晶粒非常细小的焊核区域。此区域的焊缝金属经历了完全再结晶的过程。通过观察A5005铝合金搅拌摩擦焊焊缝金相组织，在焊缝中心区发现了等轴结晶组织，如图2-24所示。但是晶粒细化不很明显，晶粒大小多在20~30μm。这是由于热输入过大，产生过热而造成的。
图2-24 搅拌摩擦焊焊缝中心的等轴等轴结晶图
图2-25是搅拌摩擦焊焊缝微观组织照片。它是2024铝合金和AC4C铸铝的异种金属搅拌摩擦焊接头。由于圆柱状的焊缝金属的塑性流动，出现环状组织，称为洋葱状环组织。这种洋葱状环组织是FSW焊接接头特有的组织。
图2-25 搅拌摩擦焊焊缝微观断面
（A5005铝合金 板厚6mm）
对于FSW来说，由于对焊缝给予摩擦热加之旋转搅拌，产生强烈的塑性流动，其焊缝为非熔化状态，所以归类为固相焊接。但Bjorneklett等研究发现，在搅拌头的肩部正下方温度高，对于7030铝合金搅拌摩檫焊来说，焊缝为固液共存状态。由于搅拌头肩部正下方焊缝金属的温升为330oC/s，造成局部熔化现象也是可能的。
