Formability and Microstructure of Dissimilar Aluminium Tailor-Welded Blanks (TWBs) Joined using Friction Stir and Gas Tungsten Arc Welding
本研究表明，与钨极氩弧焊（GTAW）相比，搅拌摩擦焊（FSW）制造的异种铝制定制焊接板具有显著更优越的成形性能和更宽的安全成形区域，这一点已由 Nakazima 测试所证实，结果显示 FSW 接头的位移能力高出约 152%。
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在现代制造业领域，制造更轻、更高效的车辆和飞机的需求，正促使工程师们重新思考金属零件的制造方式。设计师不再仅仅是将单张铝板冲压成复杂形状，而是经常从不同的铝合金中切割出不同的薄板，并将它们焊接在一起后再进行成型。这种被称为“定制焊接坯件”（tailor-welded blank）的方法，可以让汽车车门之类部件在需要强度的地方保持坚固，而在不需要的地方保持轻盈。然而，将这些不同金属连接的过程会产生一个薄弱点。当最终部件被拉伸或弯曲成最终形状时，焊接缝往往会在其他金属发生变形之前就发生开裂或撕裂。为了防止这种情况，制造商依赖于一张被称为“成形极限图”（forming limit diagram）的图表，它就像一张安全图表，精确显示了特定金属在不同方向上能承受多少拉伸而不发生失效。长久以来的挑战在于，如何将这些不同的薄板连接在一起，而不破坏它们的可拉伸能力。
阿拉克理工大学（Arak University of Technology）的研究人员致力于解决这一问题，他们对比了两种截然不同的铝片连接方式。他们选取了三种常见的铝合金类型——AA1200、AA3105 和 AA5052，每种厚度均为 2 毫米，并创建了这些配对的异质薄片。他们使用两种不同的方法来连接这些配对。第一种是钨极氩弧焊（Gas Tungsten Arc Welding），这是一种传统的技术，通过电弧熔化金属使其融合，非常类似于电烙铁，但温度更高。第二种是搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding），这是一种固态工艺，其中一个旋转工具向下压在金属上并快速旋转，通过摩擦产生热量，直到材料变得柔软且具有塑性，从而让工具将两张薄片混合在一起，而无需将其熔化。研究团队随后对这些焊接后的薄片进行了严格测试，即用一个圆头冲头挤压它们，直到它们发生拉伸并最终破裂，从而精确绘制出它们在失效前能承受多大的变形。
结果显示，基于摩擦的方法具有明显的优势。当研究人员将焊接薄片的性能绘制在安全图上时，通过搅拌摩擦过程制造的接头表现出的安全区域始终比电弧焊制造的接头大得多。从实际意义上讲，这意味着通过搅拌摩擦处理的薄片可以在各个方向上拉伸得更远而不会撕裂。其中一种由不同铝合金通过搅拌摩擦连接的组合，其在失效前能承受的拉伸能力是电弧焊对应物的两倍以上。虽然传统的焊接薄片经常在两种金属交界的焊缝处发生开裂，但搅拌摩擦处理的薄片结合得非常好，通常是在附近的较弱基体金属处破裂，从而使焊缝本身保持完好。
这种性能差异源于金属内部微观层面的变化。当传统的电弧焊熔化铝时，液态金属冷却并凝固成粗糙且不均匀的结构，这种结构容易产生如微小孔洞和裂纹之类的缺陷。当金属被拉伸时，这些缺陷会成为撕裂的起点。相比之下，搅拌摩擦过程从未使材料熔化。相反，剧烈的热量和压力使金属晶粒重新排列，变得更加细小且均匀。这种精炼的结构将应力均匀地分布在接头处，从而延迟了裂纹产生的时刻。研究人员发现，搅拌摩擦接头不仅能承受更多的应变，还能覆盖更广泛的拉伸方向，从而可以制造出更复杂的形状而不发生失效。
研究结论指出，对于制造需要在连接后进行成型的轻量化异质铝制部件，搅拌摩擦法是更优的选择。它保留了金属天然的可拉伸能力，而传统的熔化方法往往会削弱这种能力。通过避免熔化和凝固循环，搅拌摩擦工艺创造了一种不仅强度高而且柔韧性强的结合，足以承受现代制造业的严苛要求。这一发现表明，寻求制造更轻结构型的工业领域可以依靠这种固态技术，来生产高质量、可成型的组件，否则使用旧有的焊接技术制造这些组件将面临过高的风险。
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