目前针对搅拌摩擦焊接的研究主要有实验研究搅拌摩擦焊工艺参数对焊接性能的影响、通过使用数值模拟技术研究搅拌摩擦焊焊接过程以及搅拌摩擦焊应用的研究。搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding）技术自发明以来，一直作为低应力无变形的焊接技术被大家所接受，在研究过程中，人们习惯地忽略搅拌摩擦焊接的变形现象。然而，本项目前期研究表明，搅拌摩擦焊焊后工件存在不可忽视的变形。
焊接变形的存在会严重影响着焊接结构的制造过程和使用性能，不仅意味着由于产品尺寸精度的降低而导致装配精度下降，有损工件的外观或使工件之间的接头强度降低，还会严重增加产品的制造成本，减短使用寿命甚至导致结构直接报废[3]。因此，开展对搅拌摩擦焊焊接变形的系统研究，以及相关影响因素的分析是实现对其变形进行控制的基础和关键。
本课题以国际合作项目“复杂结构（大型喷气式客机部件）搅拌摩擦焊焊接变形的研究”为背景，作为其内容的一个部分，进行对搅拌摩擦焊接的变形现象的研究和分析。以实验测量为基础,确定适当的表征方法,从而研究焊接变形的基本规律。
1. 实验方法
实验的主要内容为铝合金薄板搅拌摩擦焊焊后变形的测量。通过前期工作对实验方法的尝试，选择适当的方法进行铝合金薄板搅拌摩擦焊焊后变形的准确测量，并通过数据处理建立统一的变形表征方法，采用直观的方法对其变形的特点及变化规律进行描述。
2.1 实验基础及条件
铝合金薄板的焊接由德国EADS完成。试板材料为6056-T6铝合金。焊接实验所用的搅拌头尺寸为：搅拌头针部直径5mm，轴肩直径13mm。搅拌针长度为2.3mm，伸入板厚度方向为2.6mm。所有焊接实验均使用相同的搅拌头且名义下压力为8KN。试板的尺寸及焊接工艺参数列于下表1.1。通过实验前对测量方法[4]的比较和选择，最终采用IOTA 203D/P型三坐标测量仪自动测量模式进行测量。实验过程包括试板上网格划分、程序编写、试板的放置及实际测量。网格划分方法为：焊接起始处端面至焊接终止处端面，每间隔20mm画一横向网格线；距焊缝中心线两侧各15mm且与该中心线平行画纵向网格线，从这两条纵向线至板两侧，每间隔20mm画一纵向网格线；各板画法相同。编写适当的程序使测量点位于绘制的网格节点处。测量结果（x，y，z）反应网格节点处变形情况，z坐标即本文所研究的变形量。概括变形量在各点、各网格线上的差异及规律可以反映出板的整体变形情况。试板放置时要特别注意保持其自由状态及稳定性，避免因为垫块及针头压力带来的局部附加变形。实验过程中，需要观察板是否稳定，若有晃动需重新测量。
表2.1 试板焊接工艺参数
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材料编号
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尺寸/mm3
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焊接速度v
/ mm·min-1
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搅拌头转速ω/rpm
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2
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1000 ×630 ×3
1000 ×630 ×3
1000 ×630 ×3
1000 ×630 ×3
1000 ×630 ×3
1000 ×630 ×3
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700
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1850
1850
1850
1850
1850
1850
1850
1850
1850
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3
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700
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4
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700
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5
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700
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6
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800
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7
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600
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8
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600 ×630 ×3
600 ×630 ×3
600 ×630 ×3
600 ×630 ×3
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600
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9
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700
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10
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800
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13
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800
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2000
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为实现各试板测量结果的可比性和相关性，需要建立统一的表征方法,主要步骤如下。
1) 确定基准平面
试板在实验放置及固定的时可能有相对的倾斜，因此需要确定统一的基准平面。首先在各试板相同位置选取A、B、C点，如图1.1(a)，令这三点所确定的平面为统一的基准平面。通过板的两次整体旋转，将A、B、C三点同时落在水平面上，即可以由测量坐标得到各点相对于ABC所确定的水平面的变形量。如图2.1(b)、(c)分别为试板所需要进行的两次旋转。首先，选择A点所在的水平面作为零基准面，令各板A点测量所得到Z轴坐标为0，将各点Z坐标减去ZA，即基准面的统一。由原始数据算得直线AB与基准面的夹角α1，为使AB直线落在水平面内，需将板上各点均沿箭头向基准面旋转α1，此时可得到各点新的坐标；同样方法，以第一次旋转后BC与基准面的夹角α2为第二次坐标旋转的角度。经过以上处理，各点测量值均表为相对于ABC平面（即基准平面）的变形量。
2) 建立坐标系
首先对试板上位置的描述及坐标进行统一规定，见图2.2。试板宽度方向的两个端面分别为前进侧端面和后退侧端面，相应的在试板上焊缝两侧分别为前进侧、后退侧，长度方向两个端面分别为焊接起始处端面及焊接终止处端面。
(a). ABC三点的位置 （b）.第一次旋转角度 （c）.第二次旋转角度
对空间坐标系有的规定如下：焊缝中心线为X轴，且沿焊接方向为X正方向；过焊缝起始点平行与BC的直线为Y轴，且从焊接后退侧指向前进侧为正方向；试板无焊缝面指向有焊缝面为Z轴正方向；坐标原点在焊接起始点处。因测量系统限制，实际测量的坐标范围为，X：0~940mm/560mm ，Y：-310mm~310mm。图2.1中虚线表示原始试板尺寸边缘，实线代表测量的实际试板边缘。
2.3 实验结果及检验
应用绘图工具或软件对处理后的数据结果进行二维或三维图形的绘制：三维图形以整体试板为对象，直观反映出变形量在试板上的分布情况；二维图形以网格线位置的截面为对象，表征该截面上各点的变形量关系。本文主要根据二维曲线反映试板各横、纵截面上变形情况，通过试板间相同位置截面变形情况的对比，得到焊接参数对变形的影响规律和特点。
实验过程中垫块、测量针头压力等可能对实验结果带来影响。针对本实验，采用进行重复性实验的方法来衡量以上问题给实验带来的误差影响。具体方法是取一个试板，按不同的摆放位置分别进行垫实及测量并改变测量顺序；将得到测量结果分别进行数据处理；对比多组相同位置截面上变形情况，对两次实验结果进行比较，在各截面处的最大差值Δz的具体数据见表2.2。
表2.2 两次测量中各截面最大变形量差
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截面位置
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第二次测量与第一次测量的最大差值Δz/mm
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a（X=100mm）
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-0.260
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b（X=300）
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-0.151
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c（X=560mm）
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-0.102
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d（Y=-215mm）
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-0.075
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e（Y=0）
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-0.180
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f（Y=215mm）
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-0.182
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2. 搅拌摩擦焊变形规律的研究
由测量数据得到的板的三维变形情况可大致由图2.3表示。图A为尺寸1000mm ×630mm× 3mm的试板上不同变形量的分布情况。图B为试板上等变形量曲线的位置。
在对试板各截面变形的研究中同样得到了一些规律性结果。搅拌摩擦焊焊后试板的横截面变形可用一上拱曲线表示，纵截面则可表示为一下凹曲线（如图2.4a、b）；试板横截面的变形量曲线最低点在焊缝中心线上，沿焊缝中心线先升高再降低，整体曲线也先升高再降低；试板纵截面的变形量曲线随截面位置沿Y轴正方向移动，曲线有整体先降低再升高的变化。
(a) 横截面变形量曲线
（b）纵截面变形量曲线
图2.4 横、纵变形量曲线图
(a).横截面变形量曲线 （b）.纵截面变形量曲线
为研究横截面位置沿焊接方向移动时，横截面上变形曲线的变化规律，取A-E五个横向截面进行对比，截面位置为A-X=100 mm、B-X=300 mm、C-X=500 mm、D-X=700 mm和E—X=900 mm。对比结果如下图2.5。
（a）A、B、C三个不同位置横截面上变形量曲线
图2.5 同一试板不同横截面上的变形量曲线
(a). A、B、C三个不同位置横截面上变形量曲线 （b）. C、D、E三个位置横截面上变形量曲线
同样方法，可以考虑纵截面上的变形随纵截面位置移动而产生了变化规律。选取A-E五个界面：A-Y=-310mm、B-Y=-155mm、C-Y=0、D-Y=155mm以及E-Y=310mm五个纵向截面，观察其变形量在截面位置不同时的变化。
（a）A、B、C三个不同位置纵截面上变形量曲线
（b）C、D、E三个不同位置纵截面上变形量曲线
图2.5 同一试板不同横截面上的变形量曲线
(a). A、B、C三个不同位置纵截面上变形量曲线 （b）. C、D、E三个不同位置纵截面上变形量曲线
综合以上讨论，搅拌摩擦焊接变形的共性规律主要有以下几点：
l 焊接前进侧、返回侧端面处正变形量出现最大值；焊缝起始点、终止点出现负变形量最大值；焊缝两侧代表同一变形量的等值线形状类似于一组双曲线，两侧曲线逐渐向焊缝靠拢，变形量为0的等值线在焊缝中心线附近相交。
l 搅拌摩擦焊焊后试板的纵截面变形可用一上拱曲线表示，横截面则可表示为一下凹曲线；该特征与传统焊接方式的焊接变形恰好相反。
l 横截面位置沿焊接方向移动时，最低点位置先上升后下降；曲线形状变化不大；纵截面位置从后退侧端面沿Y轴正方向移动，截面上的变形量曲线先整体下移后整体上移。
