攪拌摩擦焊接是由英國焊接協會(TWI)于1991年發明的一種新型固態焊接工藝，有接頭變形小、力學性能好、節能和環保等特點，具有廣闊的應用前景[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對焊接性能的影響、通過使用數值模擬技術研究攪拌摩擦焊焊接過程以及攪拌摩擦焊應用的研究。攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding）技術自發明以來，一直作為低應力無變形的焊接技術被大家所接受，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構的制造過程和使用性能，不僅意味著由于產品尺寸精度的降低而導致裝配精度下降，有損工件的外觀或使工件之間的接頭強度降低，還會嚴重增加產品的制造成本，減短使用壽命甚至導致結構直接報廢[3]。因此，開展對攪拌摩擦焊焊接變形的系統研究，以及相關影響因素的分析是實現對其變形進行控制的基礎和關鍵。

本課題以國際合作項目“復雜結構（大型噴氣式客機部件）攪拌摩擦焊焊接變形的研究”為背景，作為其內容的一個部分，進行對攪拌摩擦焊接的變形現象的研究和分析。以實驗測量為基礎,確定適當的表征方法,從而研究焊接變形的基本規律。
1. 實驗方法 
實驗的主要內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，選擇適當的方法進行鋁合金薄板攪拌摩擦焊焊后變形的準確測量，并通過數據處理建立統一的變形表征方法，采用直觀的方法對其變形的特點及變化規律進行描述。
2.1 實驗基礎及條件
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格劃分、程序編寫、試板的放置及實際測量。網格劃分方法為：焊接起始處端面至焊接終止處端面，每間隔20mm畫一橫向網格線；距焊縫中心線兩側各15mm且與該中心線平行畫縱向網格線，從這兩條縱向線至板兩側，每間隔20mm畫一縱向網格線；各板畫法相同。編寫適當的程序使測量點位于繪制的網格節點處。測量結果（x，y，z）反應網格節點處變形情況，z坐標即本文所研究的變形量。概括變形量在各點、各網格線上的差異及規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及穩定性，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，需要觀察板是否穩定，若有晃動需重新測量。
                                                                                             表2.1  試板焊接工藝參數
2.2 焊接變形的表征
為實現各試板測量結果的可比性和相關性，需要建立統一的表征方法,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一的基準平面。通過板的兩次整體旋轉，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。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，即基準面的統一。由原始數據算得直線AB與基準面的夾角α1，為使AB直線落在水平面內，需將板上各點均沿箭頭向基準面旋轉α1，此時可得到各點新的坐標；同樣方法，以第一次旋轉后BC與基準面的夾角α2為第二次坐標旋轉的角度。經過以上處理，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一規定，見圖2.2。試板寬度方向的兩個端面分別為前進側端面和后退側端面，相應的在試板上焊縫兩側分別為前進側、后退側，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  試板旋轉示意圖
                                                              (a). ABC三點的位置     （b）.第一次旋轉角度     （c）.第二次旋轉角度
                                                                                      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，且從焊接后退側指向前進側為正方向；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 實驗結果及檢驗
　　應用繪圖工具或軟件對處理后的數據結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；二維圖形以網格線位置的截面為對象，表征該截面上各點的變形量關系。本文主要根據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，得到焊接參數對變形的影響規律和特點。
實驗過程中墊塊、測量針頭壓力等可能對實驗結果帶來影響。針對本實驗，采用進行重復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；將得到測量結果分別進行數據處理；對比多組相同位置截面上變形情況，對兩次實驗結果進行比較，在各截面處的最大差值Δz的具體數據見表2.2。
                                                                                 表2.2  兩次測量中各截面最大變形量差
通過重復性實驗，同一試板的兩次測量結果經過同樣的數據處理情況下得到的變形結果比較吻合，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.    攪拌摩擦焊變形規律的研究 
由測量數據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律性結果。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生了變化規律。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律主要有以下幾點：
l         焊接前進側、返回側端面處正變形量出現最大值；焊縫起始點、終止點出現負變形量最大值；焊縫兩側代表同一變形量的等值線形狀類似于一組雙曲線，兩側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。