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这本书虽然是2010年出版的，距今已有八年。然而，它并不过时。原因有二： 一、领衔作者为空客高级专家Daniela Lohwasser博士和著名华人材料加工专家，澳大利亚奥克兰理工大学Chen Zhanwen教授联合数十名欧美日搅拌摩擦焊领域专家、教授、工程师编撰，理论深入、应用案例宽广、系统性强； 二、搅拌摩擦焊由英国人发明，从北欧开始应用推广到全球、从航空航天、造船拓展到轨道交通、汽车，逐渐扩展，但其基本理论与技术特性上则一步一个脚印地缓慢发展。 总而以上两个原因，鬼斧认为它是一本不可多得的好书。再鉴于国内尚无同样水平、系统介绍搅拌摩擦焊的著作可阅。因此，鬼斧决定讲此书翻译成中文，以供同仁学习。下为第一章。 1.介绍摘要：这里对本书的内容进行了一个总体描述。简要介绍了从第一种气体电弧焊，到电阻焊以及后来的熔融焊接工艺（等离子焊，激光焊），并一起介绍了对发展摩擦焊和搅拌摩擦焊（FSW）工艺的需求。通过展示了出版物、专利数量以及FSW工艺在造船、火车和航空应用领域逐渐发展的标准，介绍了FSW工艺的发展。 关键词：搅拌摩擦焊，焊接与FSW发明历史速览，出版物与专利，FSW标准 1.1前言当人们初次听到FSW，他们通常会说：它是怎么工作的？在听到对这项工艺的简单介绍后，他们的下一个反应往往是不信：这能行？在没有亲眼看到这项毫不起眼的工艺时，仅看、摸、感受焊缝，他们都难以相信向他们描述的非同一般的良好性能。展示这些性能的一个令人印象深刻的方法，是给他们一个尚未折弯的弯曲试样，让他们自己做一个180˚的弯曲试验。这是一个很有效的方法，让质疑一扫而空。尽管说起来简单，且看起来相当不起眼，观看这个工艺往往也令人难忘。所有人看到是，一个旋转的工具推进焊材。通常无烟、无火星、没有炽热火红的材料，噪音也相当低，这使人难以相信如此简单的工艺可以生产如此良好的接头（这就像人们在使用真空扫地机，觉得声音不够响，便不相信它的吸力足够）。所以，对于FSW工艺，向世人展示这项工艺有很大的需求，从而可以将它广泛推广到众多工业领域。 本书目的在于描述主要的工艺准则，通过深入分析材料流动帮助理解为什么这样工艺运行得如此之好。之后，通过给定的设备案例，描述了设备的要求。以当今对FSW的认识，大量的应用已经得到发展。这里进行了一个广泛的总结，并在一个章节，给出了未来研究和开发工作的前景。 在本书的第二部分，首先探讨了FS焊接结构中残余应力的各种观点。 之后，是关于缺陷效应的详细讨论，这个话题在实践上有很高的重要性。为了最小化测试需求因素，给出了建模实践的详细描述。 特别是热模型，无论对于更好理解工艺和选择FSW参数都很有用。 在最后一章，深入讨论了FS接头的冶金特性、机械性能变化及腐蚀性能。 1.2搅拌摩擦的历史尽管讲工件连接到一起可以追溯到2000多年以前，焊接作为一个可用的焊接制造工艺仅在1800年代后期才出现（Messler Jr，2004）。焊接的出现伴随着大量的重要发现和发明：乙炔和氧乙炔吹管导致了气焊，两个碳电极棒间的电弧导致了弧焊，焦耳热导致了电阻焊。在1990年代早期气焊得到了更加广泛的实践。弧焊逐渐变成了一个广泛而最重要的焊接工艺，在各个方面，弧焊的优点都得到了体现。气焊和弧焊工艺都是熔融焊接，这意味着在待焊工件的局部首先要融化在一起，再凝固起来。 对于电弧熔融焊接，热量密度通常较低。低热量密度的熔融焊接导致宽的焊接（熔融）金属区和宽的热影响区，由此导致了高程度的凝固相关缺陷、强度降低和扭曲变形。针对这个问题，在1950年代后期，一种更加约束的电弧（等离子电弧）技术得以开发。等离子电弧焊降低了低能量密度加热的各种效应。也是在1950年代后期，激光的发明是高能量密度成为可能，因此加深了焊接穿透力。激光束焊接得到很快得发展。当今，激光束焊接已经得到工业应用，并且能在很窄的熔融区域和热影响区内实现很厚的焊接。激光焊的质量和性能都是很高的。 在FSW发明之前，已经有了一些关于非熔融焊接工艺的重要技术发展。它们在一定的工业领域内得到应用。在激光发明之前几乎是同一时期，它们之中的一项重大工艺——摩擦焊得以开发。在摩擦焊过程中，被焊工件被压在一起，并作相互运动。产生的摩擦热，得以在连接区域软化材料。最后一步是，对软化材料施加不断增加的压力，以获得一个冶金接头。这并没有融化接头材料。可是，在热量产生与材料软化阶段的相对运动，在实践上仅限于旋转运动或线性运动。尽管摩擦焊操作简单，但焊接几何形状相当受限。因此，其应用也局限。 如前所属，对熔融焊接不断增加的能量密度要求成为大量重要创新和开发的主要驱动力。对于固态焊接，摩擦焊的热机械原则实际上已经为FSW的发明奠定了重要的基础。英国的TWI多年来在摩擦焊接和表面工程进行了各种研究开发和工业活动。Wayne Thomas和他在TWI的同事长期致力于开发大量各种摩擦焊。特别是，他们开发了摩擦挤压技术、摩擦液压支柱工艺和第三体摩擦连接工艺。经过了长期工作和针对这些材料开发的工艺，TWI的这个小组观察和研究了大量的重要现象，积累了这些工艺深刻的工作知识。这包括高塑性的第三体效应、塑性材料的传输现象、变形时的隔热以及工艺过程中出现足够量的塑性材料时扭矩和旋转速度的关系。 有了对各种摩擦基材料的深入理解和工作经验，一种针对塑性材料、具有高效传输机制、且可用于焊接广泛几何形状结构的焊接技术，已经在Wayne Thomas和他同事的想法已经不远。在1991年的一天，一个灵感闪现，Wayne Thomas意识到用一个比工件硬的材料制成的旋转针，工件材料可以被塑化，对于塑化材料一个高效的传输机制可以将工件连接到一起。经过长期的孕育，我们今天所熟知的FSW工艺的发现标志了这一实现的重大时刻。基于这一发现，对于实施简单的摩擦搅拌的工程约束相当低。通过一个搅拌针，可以焊接非常大范围的结构/零件和非常款范围的焊接形状。 对于焊接，没有大量的融化意义非凡。因为，焊接将真得免于凝固相关的气孔、裂纹，且具有低的扭曲变形。此外，还不需要保护气体。至少对于铝合金，没有弧焊有关的排放，没有烟。因此，FSW是一种环境友好型工艺。此外，FSW时还不需要填充材料。由于填充金属和母材金属的混合，会产生一定程度上合金经常不同，在焊接的微观结构上会出现不希望的相。FSW可以避免此事，这有很大优势。由于它独特的优点，FSW的工业意义立刻得到实现。如下一部分将要描述，Wayne Thomas和他在TWI的同事很快申请了FSW的第一个专利（Thomas et al. 1991）。 时至今日，对于铝合金，FSW得到了最为成功的应用。在铝合金领域，FSW主导地位的原因是工艺原则上的简单性和在众多工业领域铝合金的广泛应用二者相交织。特别是一些工况，一些铝合金难以进行熔融焊接。比如，在FSW应用领域一个清楚的明证就是波音用以制作Delta2火箭油箱。在各种不同的电极等离子弧焊工艺使用时，缺陷率仍高达90%之多。FSW使他们可以急剧降低缺陷率至接近零。FSW时最大的温度也不高于焊接合金的熔点。对于大多数铝合金，它远远低于660℃。因此，H13工具钢或高速工具钢，本身相当便宜，可以成为一种令人满意的工具材料。尽管FS设计、特别是对于高几何复杂度的组件和结构都相当有挑战。但铝合金的FSW是相当顺利。 原则上，FSW可以应用于所有固态金属材料的焊接。对于高温材料的FSW，实践上的约束是工具的可靠性问题。比如在钢的FSW，通过摩擦和变形产生的局部操作稳定可达1100-1200℃。以至于工件材料可以足够塑化，并用于搅拌和焊接。因此，在FSW时高的操作温度和施加必要的力，对工具材料的机械性能则提出非同一般的要求。 如第四章中描述，FSW时的力和力矩要求待焊结构/工件刚性装卡且工具刚性定位。定位的精度需要很高。因此，从工程角度看，建议FSW的应用能更加适合制造环境合乎情理。在过去15年，已经证明FSW实际上使许多制造工艺变得更加高效，或促使了更新、更高效的制造路线的开发。 第一次FSW工业应用是一个FSW的好案例。它不仅是一项焊接技术，也是一项使能技术。通过初期专门针对铝制造船业集中的工业FSW开发项目（TWI和Hydro铝业），在1995年，FSW成功地应用于将铝挤压材焊接成大型面板。对于造船业，它有很小的扭曲变形。采用了这些大型预制面板，不需使用熔融焊接相关的大量准备工作，这形成了对于渔船和高速摆渡船的特别更加高效的制作路线。从那时，设计和建造各种类型、尺寸的海洋船只时采用FSW预制面板逐渐成为一种常规和经济的工业实践。 在FSW的初次大规模应用之后，日本的Hitachi启动了应用这项技术的集中开发。最大的应用之一是采用FSW焊接长的铝挤压材。最好的案例是采用FSW制作现代火车车厢，将长的铝挤压材制成双层或单层结构。采用低扭曲变形的FSW可免除焊后矫直和。由于焊接低扭曲变形的特性，截至2000年，Hitachi将FSW集成到经济的模块设计和高完整性的高速列车车体的制作。 可是，对FSW抱有最大兴趣的实际来自与航空工业。在1990年代早中期启动针对结构件的FSW开发工作，比如Delta火箭燃料箱（Boeing），飞机结构（Airbus）和外燃料箱筒（NASA）.这些组织和与之相关的组织，通过多年将FSW开发和在航空结构领域的应用，实现了在FSW的巨大进步。在1990年代后期，新组建的日蚀航空设计了一个小型喷气式飞机的制作路线。它将大量的FSW应用与Eclipse500喷气飞机的装配。通过焊接2024、7075以及2024和 7075间的搭接接头，消除了飞机上70%的铆接点。正因为这样，它们能够实现一天四架飞机的生产能力。从而，这使得对客户的交货时间得到大大缩短。 值得指出的是对于航空工业采用FSW技术抱有强烈兴趣是相当符合逻辑的。传统地，铆接是飞机制造上最主要的连接技术。因为，大量高强铝合金航空器易于产生熔融焊接相关的缺陷。因为，FSW是固体焊接工艺，所以没有凝固相关的气孔和裂纹。所有传统上不可焊接的铝合金，在采用FSW也变得可焊。采用FSW在冶金优势上的细节，将在第三章和第十一章中阐述。 十分清楚，在1990年代后期，FSW的工业升级正取得坚实的进步，国际社会关于FSW的研究与开发发展迅速。到1998年，FSW在一个焊接的大型国际会议上，成为一个重大的讨论议题（表1.1）。这年之后，第一届关于搅拌摩擦焊的国际研讨会（ISFSW）由TWI组织，并在美国的罗克韦尔科学院举办。在第一次FSW国际会议上，30份报告覆盖了上述FSW的早期工业应用，也有在工艺开发、结构和性能评价的研究，以及工艺的热机械方面的研究。针对钢的FSW可行性也进行了探讨。 除了2002年，从1999年至2004年，这一系列的ISFSW已经持续成年度事件。从2004年每两年一次的盛会轮流在各大洲举办，最近的一次是2008年5月在日本举办。这一系列会议下次将于2010年在德国举办。从2000年代早期针对FSW技术的强力研究开发工作，也在其它国际会议上展示。由TMS组织的搅拌摩擦焊接与工艺（FSW/P）自2001年每两年在美国举行一次。这一系列的FSW/P会议于ISFSW并行运行，现在每年一次。除了两个最大的FSW会议，也有许多其他的FSW会议。 总体上，在仅短暂的十年间，多余三十次的FSW论坛或以FSW为主要议题的论坛反应了许多领域对FSW技术的非凡兴趣和宽广的金属加工和焊接研究社会的兴趣。在最近的ISFSW，报告的数量非常高（83次口头，19次书面）涵盖的FSW话题有：工艺控制与开发、FSW过程时的微结构演变与之后的性能、热和材料流动的建模、搅拌摩擦点焊、特别是钢和钛合金的FSW的最新进展。 每年出版在论文期刊上的科研论文数量的趋势与同期会议论坛的趋势相同。图1.1显示了搅拌摩擦相关议题的出版论文数量，数据来源于web of science。总数约1000篇的论文，大多直接以FSW为题，显示了在过去几年FSW研究日益增长的强度。这种高密度的研究努力在相当长的将来将会继续。在本书的各个章节，将有一些研究议题的详细总览。在本书的第六章，给出了FSW商业应用当前状况的评价，描述了这项技术的最新发展和未来前景。因此，FSW的技术发展可从检查专利申请进行解释，这从1991年的第一个TWI专利追溯。下面部分将进行描述。 1.3相关专利搅拌摩擦焊的原始专利有剑桥的TWI申请。它最初于1991年12月在英国注册，授权号为EP0615480。在专利中，有两个主要条款，条款一为：一种连接工件的方法。在工件之间定义一个连接区域，这个方法实施时不需要工件之间的相对运动，由几步组成：将一个硬度大于工件材料的搅拌针插入连接区域，在接头的一侧顶着工件，这样在工件和搅拌针之间会产生周期性的相互运动，这样产生的摩擦热可以是针头顶着的区域达到塑性条件；移开搅拌针，并允许塑性部分固化，并将工件连接到一起。在条款二中，搅拌针沿着接缝的运动进行了描述。除此之外，更多的条目也在原始专利内进行了定义。比如材料、间断或点焊、裂纹修补焊接、关于运动（旋转、摆动、互换）的工具配置、工具的可调节，自回缩和工具的加热。 TWI的兴趣并没有将这项技术据为己有。他们付出了很大的努力，通过专利授权给广大的组织，包括终端用户、设备供应商、学界和科研机构，从而将这项技术推广到世界工程社会。到2008年4月，大约颁发了200个专利授权。这些组织进一步开发了工艺和和它的适用性。在分析大量的专利申请时，便可见一斑。特别是终端用户借助专利申请来保护在他们的领域使用FSW，这占了申请专利的90%。在图1.2，可见自1996年的专利申请数量。大多数的专利申请在日本。在图1.2中，灰色条带。
当然，申请专利的数量并不等于授权专利的数量。如图1.3所示。
日立（轨道列车）申请了这些授权专利的45%之多。这个公司坚定的思路是用专利来保护它们的应用。授权专利数量次之的组织是波音（航空），占比达10%，川崎重工（KHI，轨道和机车）、昭和电工（铝供应商）、日本轻合金（NLM,铝供应商）。 接近一半的授权专利涉及具体产品和工业应用。按照Smith&Lord（2018），另有四分之一涉及工具和设备，如图1.2。 没有多少技术能像FSW在过去十五年所达到一样的专利一样多。FSW技术很快在工业领域找到用武之地。当然，对于终端用户，一个重要的问题是：我是否侵犯了专利，我是否可以将其应用到我的领域。但是，正常来说答案是不会。因为大多FSW的应用已经在TWI的基础专利之中，对此可以获得授权。因此，进一步的应用将不会受阻。 1.4 FSW的标准正如本书中已经简单介绍，之后会详细讲述。局部融化和凝固是传统熔融焊接工艺的特性，而FSW则免于产生与此相关的缺陷。可是，FS的无缺陷焊接的质量和可靠性，工艺的可重现性仅在下述可接受的FS实践中才能获得。在这一点，FSW与许多传统焊接工艺不无不同。后续，许多严格的标准，包括国家标准和国际标准，已经在过去多年得到编撰，并付诸实施。可是，FSW的操作准则则完全不同与熔融焊接工艺。现存的焊接标准不能直接适用于FSW。 比如，对FSW的最早应用在欧洲的造船业。对于造船业的传统熔融焊接，对于评价焊缝质量的焊接规程与考核规程要严格遵守行业分类协会或国家标准，或国际标准。在FSW首次开发，并在商业应用时，没有任何标准可以直接应用。对于造船行业FSW的应用，急需建立分类规则。为此，1990年代中，劳氏船级社发布了FSW验收方针。 一个说明性的例子，一个已经建立的实践是在FSW生产现场进行搅拌摩擦焊接铝合金挤压材面板，然后将焊接好的面板送至船坞。为了满足劳氏船级社认证的产品质量，FSW操作人员要在劳氏船级社的FSW验收准则的帮助下，采用现有的的熔融焊接变准（BS EN ISO 15164-2,2005）。规范规定了焊接人员的要求、焊接规程描述、搅拌摩擦焊接的基材和各种无损及有损测试。在获得初步产品认证后，批量生产的取样要按照惯例采集，并按照劳氏规范测试。 如前所示，航空工业对FSW技术展现了最大的兴趣。可是，相对与造船和列车车体制作，FSW在飞机制造领域的传播应用，则实际进步可能慢很多。之所以如此的部分原因可能是缺乏FSW的国际标准和设计标准，这导致了采用FSW制作的任何结构的认证程序很长，甚至十分困难。 针对FSW标准的问题，NASA在2000年初开始起草搅拌摩擦焊接的工艺规范。第一版已于2002年发布，很快完成审查并于2007年修订。也就是在2005年，美国焊接协会（AWS）立项编制航空用铝的搅拌摩擦焊规范。这个航空硬件的规范刚刚通过公开审查，并很快会正式发布。 简单回顾一下日蚀航空的经验，很有意义。日蚀航空从2000年开始采用FSW制作它们的小型喷气飞机，因此可谓FSW使用的先锋。2001年，他们开始与MTS系统公司建造FSW机器，同时，与联邦航空管理局（FAA）紧密合作，致力于FSW技术的认证。截至2002年，日蚀航空获得由FAA颁发的FSW工艺规范的验收，同时FSW成功用于第一家日蚀500喷气飞机的下舱室的装配。日蚀航空的经验表明采用FSW的航空结构制造的认证过程应该并不是特别困难。
为了FSW更广泛地应用于许多不同行业，部分因为世界范围应用的ISO9001日益增长的重要性，对于FSW的国际标准日益迫切。这不仅为世界范围的FSW工程师和实践者所认识，也更宽广的国际工程和焊接协会和团体所认可。关于这个问题，致力于FSW的ISO标准筹备的国际努力已于2003年启动。 这个标准，设计并命名为ISO/DIS 25239: 铝的搅拌摩擦焊，已经由一个工作组起草。工作组WG B-I在国际焊接研究院（IIW）的第三委员会，它由波音公司的David Bolser所领导。这个工作组由许多来自IIW成员国的FSW专家和践行者组成。在过去的五年，这个工作组（）不知疲倦地工作，起草，并在吸收许多国际观点后修订草案，并由IIW和ISO进行投票程序。这个标准现在已经发展到一个很高级的版本，可能很快会提交到ISO/CS进行出版。 ISO.DIS 25239是一个非常全面的标准，由五部分组成： 第一部分，词汇； 第二部分，焊接头的设计； 第三部分，焊接操作人员的资质； 第四部分，焊接规程的描述与评价； 第五部分，质量和检查要求。 在目前的这本书，采用的命名紧密地按照ISO标准的第一部分定义的内容。另一方面，在本书的各个章节，与FSW的工业应用相关的许多重要方面进行了描述。FSW的准则与不同焊接几何形状，FSW机器与焊接性能，以及相关检查和测试技术。因此，本书对于理解ISO标准的不同部分的一个很好的参考源。
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