自从1991年通过专利，摩擦搅拌熔接（FSW）已经广泛应用于接合高强度的铝合金。航空工业已经开始采用这项技术，包括欧洲最大的航空公司之一的空中客车，都在研究如何应用摩擦搅拌的熔接技术来降低制造成本。

铝合金接合技术——摩擦搅拌熔接（FSW）提供的改善程度已经超过弧焊或铆接，拥有强度更高、更轻的熔接道，而且加工效率更高。对于特殊结合的铝合金熔接特别有效，熔接过程的形变小，可一次熔接厚截面，这样的加工熔接道具有极好的机械特性。

图1：摩擦搅拌熔接中，轴肩放置在金属的表面，经由摩擦产生热，当针销搅拌产热、塑化材料实现熔接。（图片由Eclipse Aviation公司提供）

在FSW的过程中（图1），一个由轴肩和螺纹状针销组成的圆柱形工具，旋转并插入两件金属之间的接缝。旋转的轴肩及针销将会产生热，但不至于将金属熔化以及氧化，而是使材料变得柔软可塑，形成气孔，并具有细微晶粒材料的固相。以粉碎、搅拌以及锻造方式，产生一个比母材更细的微型结构接合，这个过程甚至能接合不通的铝合金，FSW接合能具有铆钉接合的两倍强度。

航空业已使用FSW技术

FSW已应用在各种工业上，包括航天工业。这项技术应用在商业飞机被接收得比较慢，因为航天制造商在进行庞大资金的投资之前，必须确定这项技术的可靠性。到目前为止，只有一家位于新墨西哥州阿布奎基市的航天制造厂——Eclipse Aviation公司采用该技术。Eclipse Aviation公司制造了六人座喷气机“Eclipse 500”，该公司报告指出，因为大型元件使用FSW产生的能源效益，在经济上是占有优势的。这项技术已经能成功运用在1000米的接合长度，不需要为大量填充焊料或防护挤，不需要焊工具有高超的焊接技术，也不需要研磨、刷除或酸洗。

图2：摩擦搅拌熔接的多重几何多物理模型，耦合三维热分析到二维轴对称搅拌流场

得知这项优点，欧洲的空中客车公司计划引进这项技术至其制造工厂。铆接工作速度慢，属于劳动密集型，以连续焊接方式取代铆接不仅能快速降低成本，还可以获得更高的接合强度。然而，因为大型客机在经验上，需承受较高应力及具有较短的疲劳寿命，这项技术必须确保在生产线上非常的可靠。这项技术在许多方面及各种操作因数，都会影响整体的热和焊接品质，如：原材料、工具直径、工具形状、选择速度、焊接移动速度及下压力。使用在商业客机的材料，加工程序必须最佳化。

使用COMSOL模拟熔接

首先，研究计划要建立一个FSW的数学模型结果，使用空中客车工程师容易看出熔接道的计算温度分布及微型结构的改变。为了使空中客车工程师容易执行这个模型，研究小组建立一个图形用户界面模拟工具，所以他们能够看到熔接道的温度特性及最终强度。

研究小组以COMSOL Multiphysics模拟三维热问题，为了计算热流，以二维轴对称模式来计算流动及热场的产生。（图2）这项热分析计算三维温度场从加压在工具表面的热流动，攫取工具流动的效果、热边界条件，以及材料焊接的热特性。模型挤压时，温度分布靠近工具表面从三维边界到二维模型中的场域。

接下来是透过轴肩地面的二维剖面，分析材料的旋转流。最后的步骤是，从这个剖面计算全程的热熔化，并且送回三维分析。

这项分析使用特定模块界面，利用二维及三维模型的热传导及化学工程模块及工具，以及耦合变换因子。使用二维建模场可以节省计算内存和时间，结果与流场的完整三维模型相比只有1%至2%的误差，同步解答分析的过程将保证更快更好的收敛结果。

为了使这项技术容易执行，研究小组使用COMSOL Script建立图形用户界面（图3）。从下拉菜单选择材料，能决定微型结构(micro-structural)的特性与材料库中的材料关系，用户也可以设定几何形状的值，并且修改参数。程序会根据横截面上不同点上温度值自动绘制等温线（图4），然后计算一致性材料微型结构。

最后绘制三维热剖面图（图5），工程师可以计算不同的统计资料，例如在肩台及针销末端的熔接材料温度，或是功率或热量的输出。

COMSOL建模要求

针对模型要求，很容易了解为什么COMSOL Multiphysics是最佳选择，它不仅是容易使用，还能够连结二维轴对称物理量到三维物理量，其它软件就很难做到这点。COMSOL Multiphysics也很容易连结研究小组开发的基于MATLAB（MathWorks公司产品）的关于微型结构材料的平台。COMSOL Script的工具允许使用者建立用户图形界面，利用空中客车的工程师们执行这个模型的功能。

空中客车资助第二代计划，允许研究小组改进模型，并对这个项目的热与微型结构进行分析。COMSOL Multiphysics具有弹性能力来简化复杂物理程序，是这项工作不可或缺的重要部分。此外，FSW是一个非常复杂的过程，研究小组仍要做大量的实验进行验证，使得这个模型更加的可靠、精确。

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