0 序 言
搅拌摩擦焊(friction stir welding，FSW)是英国焊接研究所(the welding institute，TWI)于1991年发明的专利焊接技术[1]. 由于搅拌摩擦焊是一种固态焊接过程，在合金中保持母材的冶金性能，可以焊接金属基复合材料、异种材料、快速凝固材料等采用熔焊会有不良反应的材料[2-3]. 目前， FSW技术在航空、航天、汽车、造船、动车、高铁等工业制造领域得到了广泛的应用[4-6].
降低血压有益于延迟肾病的进展,血管紧张素转化酶抑制剂(ACEI)和血管紧张素受体阻断药(ARB)是目前较为有效的降低尿蛋白水平的药物[2],通常剂量是降低血压的剂量的2倍,需观察血压是否有偏低。尿蛋白水平升高但是血压水平正常后仍需要选用ACEI和ARB的治疗,剂量尽可能增加至足量,但是应注意血压能否耐受[3]。ACEI和ARB可显著降低血压,防止心肌肥厚,抑制动脉粥样硬化,改善胰岛素抵抗,抑制血管、心脏、肾脏纤维化,降低肾小球灌注压利减少蛋白尿等,具有很好的靶器官的保护作用,在糖尿病肾病的血压控制中为首选,其他还可选用钙通道阻滞剂,在合适的患者还可使用利尿剂和β受体阻滞剂。
文献[7-19]表明，针对搅拌摩擦焊焊缝尾部的匙孔消除或填补技术，国内外学者提出的方法主要包括：引出焊接法、摩擦塞焊法、熔焊填补法、铆接法以及采用伸缩式搅拌头焊接的回填式焊接法等.上述各种方法均有其优越性和局限性，譬如，回填式焊接法虽然在焊缝尾端逐渐收回搅拌针，可快速高效地填补匙孔，但其搅拌头结构复杂、加工困难，且匙孔填补处易产生疏松类缺陷. 熔焊填补法不适用于易产生热裂纹的铝合金FSW匙孔填补. 摩擦塞焊法填补匙孔的技术对工艺参数、塞焊接头设计、塞棒与匙孔的对中度等要求较高，难以工程化推广. 电阻点焊作为压焊的一种，在航空航天及汽车制造等领域已经得到广泛应用[20]. 文中提出基于压焊的匙孔填补方法，是将塞棒置入匙孔，在电极压力及焊接电流的共同作用下，自动实现对中、焊接，整个过程由电阻焊机完成，最终在FSW焊缝匙孔圆周及底部与塞棒形成冶金结合，达到去除匙孔的目的.
1 试验方法
试验平台是三相次级整流电阻点焊机，该焊机功率为300 kW，可以实现3 mm+3 mm的铝合金点焊，同时具有平形、阶梯形、马鞍形三种焊接压力及预热、焊接、缓冷等多脉冲电流的加载能力，最大压力3 000 kN，最大电流60 kA.
电极端部轮廓尺寸如图1所示，上电极为圆台电极，端面直径大于匙孔上部直径，下电极为平面电极，上、下电极均由弥散氧化铝铜棒加工而成；在匙孔填补过程中，上电极推动塞棒，将其压入置于下电极的匙孔，电极压力及焊接电流需适时调节.
江南景观结构与布局在清代皇家园林中的摹写以山水结构与布局为主，如杭州西湖在清漪园前山前湖的摹写、无锡西部景观在皇宫至清漪园惠山园水路的摹仿，以及扬州瘦西湖的狭长水体风景在圆明园北部景区和清漪园后山后湖景区的摹写等。
英是不识字的，偌大的医院，四通八达，就是没有生病也昏头转向，分不清东西南北。男人是有方向感的，虽然老了，但好歹识字，总比英强。每天，两个老人相互搀扶着走出病房，呼吸新鲜空气，晒一晒温暖的阳光。缓慢下楼上楼，一步步穿过人群，英都紧紧地拽着丈夫的手，她害怕一放开就再也抓不住了。她隐隐约约感受到从未有过的幸福感和存在感，她有时甚至怀疑眼前一切的真实性。
图1 电极端部轮廓尺寸示意图(mm)
Fig. 1 Sketch of upper and lower electrode
试验所焊材料为硬铝合金2024-T4，厚度3.0 mm，搭接装配，在试片中部制备如图2a所示的匙孔，匙孔深度5.5 mm，上部直径10.0 mm，底部直径4 mm；塞棒形状如图2b所示，为锥度略小于匙孔的圆台结构，顶部直径10.0 mm、底部直径4.0 mm、长度7.0 mm；匙孔内壁有搅拌针螺纹回转痕迹，有助于提高塞棒与匙孔的接触电阻、分散流经两者的电流线.
图2 匙孔与塞棒几何尺寸示意图(mm)
Fig. 2 Dimension of key-hole and stopper
图3是采用压焊方法去除FSW匙孔的过程示意图. 填补前，塞棒需加工成与搅拌针锥度相近的圆锥体，插入匙孔，然后将简单装配后的焊件置于上、下电极间，如图3a所示；随后启动填补程序，塞棒与匙孔自动对中，并形成图3b所示的接头.
图3 压焊法FSW匙孔填补示意图
Fig. 3 Diagram of filling technique for key-hole of FSW based on pressure welding
2 试验结果及分析
重点研究填补后匙孔(下文简称接头)横剖面各区域的宏观成形、微观结构及显微硬度分布，以此分析塞棒与匙孔的连接过程及机理，为优化及推广基于压焊的搅拌摩擦焊匙孔填补技术奠定理论基础.
2.1 宏观成形及原理分析
根据焊接理论及晶体学，将接头横剖面的周围连接区、底部连接区及塞棒所在区域具体定义为熔合区、压合区、塑性变形区及熔化区，如图4所示.
在十八大以来6个中央“一号文件”指引下，“三农”改革高潮迭起。5年多来，我国农业农村发展取得了历史性成就，乡村振兴战略已吹响号角。
熔合区是指塞棒底面与匙孔底部连接的区域，该区域形成熔化连接的主要原因有如下两点：其一，由于电极压力垂直于塞棒底面及匙孔底面，因此熔合区压力最为充分，接触面状态良好、接触电阻最小；其二，由于熔合区处在上、下电极之间电荷最短通路内，因此大部分焊接电流必定优先流经该区域；鉴于上述两点原因，结合压焊理论，塞棒底面与匙孔底部形成熔化连接的原理成立. 熔合区仅限于匙孔底部、面积较小，通电填补初期，即发生熔化连接、接触电阻瞬间消失，塞棒与匙孔底部冶金结合，构成电流与热量的良好通道；通过调节工艺参数及塞棒形状，准确控制熔合区形成时间，是基于电阻热进行匙孔填补的关键.
图4 匙孔填补接头宏观形貌
Fig. 4 Macrographic of filled key-hole
压合区是指塞棒圆周面与匙孔侧面连接的区域，该区域的连接原理属于扩散焊范畴. 塞棒在电阻热及电极压力侧向分力的共同作用下，接触面的原子相互扩散，最终形成原子间结合. 由于塞棒的材料是铝合金，其体电阻远小于该结合面的接触电阻，因此流经该接触面的电流极少，促使原子扩散的能量主要来自于塞棒体电阻产生的热量，其次是塞棒及匙孔在加工过程中产生的界面能. 扩散焊的效率远低于电阻焊，就“完全连接时刻”而言，压合区远滞后于熔合区；两者之间的时差，有利于排挤出塞棒与匙孔之间的空气，预防接头内产生气孔及夹杂氧化物.
1.3 观察指标 观察肿瘤病灶大小形态、门部回声、有无沙砾样钙化、边缘缺损等，再进一步观察病灶内部以及周围血流信号形态、分布情况，测量淋巴结的纵径/横径及内部动脉彩色血流收缩期峰值速度(Vmax)以及阻力指数(resistant index,RI)。
首先以物质文化遗产为例。“靠山吃山，靠水吃水”，长久以来生活在贵州这样的自然环境中，当地人民形成了与自然和谐共生的生态关系。例如，贵州省的传统建筑为纯木结构的瓦房。这里的山上遍生杉树和松树，这为建筑房屋提供了大量木材。作为桐油的主要产地，当地人为了延长房屋的寿命，还会在木质房屋的表面还会涂上一层桐油。经过长时间的雨水冲刷之后房屋呈现灰褐色，与其所处的山林环境融为一体。除此了普遍存在的纯木结构的建筑之外，安顺屯堡区的纯石头建筑，也是当地人就地取材建筑而成。这些充满民族特色的建筑形式与周围的自然环境构成了独具特色的景观。
塑性变形区是指塞棒在电极压力及电阻热的作用下，产生塑性变形的区域，填充于熔合区和压合区包围的范围内，其上部由上电极末端封堵. 塑性变形区有助于塞棒充满匙孔，且降低了填补工艺对塞棒形状、塞棒-匙孔对中度的要求.
熔化区一般发生在塞棒中部，被塑性变形区包裹的位置. 该位置距上下电极相对较远，当焊接电流流经塞棒时，体电阻迅速产生大量热，不能及时通过电极散失，致使该塞棒中部温度急剧升高，温度超过熔点的区域，塞棒便会发生熔化现象. 在保证压合区所需热量足够的条件下，通过调节工艺参数及塞棒形状，减小、甚至预防熔化区产生，有助于提高匙孔填补质量.
2.2 微观结构及机理分析
微观结构是分析判断接头形成过程、形成机理的主要依据，亦是评价匙孔填补质量的主要指标.接头各区域微观形貌如图5所示. 熔合区是塞棒及匙孔底部浅表接触面熔化焊接区(图5a)，该区域液相金属厚度薄，熔化时间短、结晶速度快，晶粒形态以细小等轴晶及柱状晶为主，前者直径8 μm左右，后者横断面直径18 μm左右. 熔合区上部塞棒塑性变形区晶粒发生了倾斜，匙孔侧部分晶粒形态继承了该区域柱状晶基因，见图中箭头所示，晶粒生长方向由塞棒向匙孔；细小等轴晶粒以匙孔底部再结晶晶粒为形核晶胞向塞棒定向凝固而成. 塞棒原始晶粒形态变化特征表明，填补过程中，匙孔底部熔化层厚度大于塞棒末端，原因是塞棒末端经过抛光加工，表面粗糙度低于匙孔底部，匙孔侧电流密度分布不均，接触电阻热的加热效果明显，温度升高迅速，导致熔深大于塞棒. 提高匙孔底部光洁度，降低其与塞棒的接触电阻，延缓熔合区形成时间，有助于提高压合区温度，为保证匙孔整体填补质量创造有利条件.
如图5b所示，压合区属扩散焊接区，晶粒尺寸及晶粒取向存在明显差异，自扩散是金属原子迁移的主要形式. 塞棒加工过程及填补挤压过程，增加的表面能为金属原子扩散提供了驱动力. 晶界移动时，金属原子由塞棒侧的小晶粒迁移至匙孔侧大晶粒，出现大晶粒吞并小晶粒现象. 匙孔填补完成后，塞棒侧塑性变形区柱状晶有挤压变形现象，匙孔侧大晶粒明显增多，除部分属于再结晶晶粒长大形成等轴大晶粒外，靠近接触面的柱状大晶粒主要是吞并塞棒小晶粒长大形成. 在保证电极压力有效传递的条件下(即保证塞棒具有足够硬度)，延长压合区高温停留时间，有助于增大扩散层厚度及均匀性，继而保证匙孔填补的总体效果.
如图5c所示，塞棒上部塑性变形区，在电极压力作用下，原轧制纤维组织出现了弯折变形的“几何软化”现象，以弯折拐点连线为界(图5c中虚线)，界线上部以回复现象为主，下部有回复和再结晶现象，再结晶区域更大，但其晶粒多为细小等轴晶，说明随着塞棒距上电极中心部位的距离逐渐增大，其在体电阻加热作用下，温升逐渐增大，但此种填补方法的原理决定，其在高温停留时间短暂，晶粒没有充足的时间长大. 根据金属塑性变形与再结晶原理，结合图5c所示晶粒形态(课题选用拉拔铝棒作为塞棒原材料)，如果塞棒选材于待填补匙孔所用板料，将有利于塞棒沿匙孔所在板面方向压延形变、延缓回复和再结晶现象产生，保持塞棒力学性能.
图5 接头各区域的微观形貌
Fig. 5 Micrographic of filled key-hole
图5d所示，熔化区微观结构，主要是等轴枝晶. 塞棒体电阻发热，并在中部大量积聚，出现了液相凝固组织，未见塞棒原始组织. 由于塞棒中部距上、下电极距离最远、散热最差，当其圆周及底部达到与匙孔冶金结合温度条件时，中部必定出现液相或固-液共存区域. 为预防液相金属在结晶过程中，在晶粒收缩应力的作用下产生结晶裂纹，需向电极施加足够大的压力.
综上所述，采用压焊方法填补搅拌摩擦焊匙孔时，根据匙孔形状、尺寸，应综合考虑电流大小及通电时间、压力大小及调整时刻、塞棒尺寸及晶粒位向等工艺参数.
2.3 硬度云图分析
图6是接头显微硬度分布云图，测试点间距0.5 mm、加载0.2 kgf、保荷10 s. 匙孔周围硬度均匀、偏低，未见明显梯度，硬度值在40 ～ 50 HV之间，说明匙孔填补过程未对其组织及性能产生明显影响. 匙孔与塞棒熔合区域硬度梯度明显，从塞棒侧90 HV逐渐降低至到匙孔侧50 HV，熔合区冶金反应深度约为0.5 mm. 塞棒中部熔化区硬度最低(60 ～ 70 HV)，局部低至60 HV以下，自内而外逐渐升高，梯度分布明显；说明塞棒在填补过程中，中部液相深度约为1 mm、宽度约为4 mm，固-液共存区包裹与液相外，厚度约0.5 mm、宽度跨越塞棒中部直径范围. 塞棒塑性变形区原晶间回复严重，硬度下降显著，导致该区硬度高、低交替分布，虽然总体硬度高于其它区域，均值在80 HV以上，但在受到平行于板面方向拉力作用时，表面晶粒间硬度较低区域将是裂纹源起位置. 结合接头微观组织形态，综合分析硬度分布云图，可知：改变塞棒晶粒位向、提高上下电极冷却速率，有助于硬度均布、缩小低硬度区范围，达到改善接头整体力学性能的效果.
图6 接头显微硬度分布云图
Fig. 6 Microhardness nephogram of filled key-hole
3 结 论
(1)基于压焊的搅拌摩擦焊匙孔填补方法可以实现铝合金的匙孔填补，且填补过程对匙孔周围组织没有明显影响.
(2)匙孔填补区可分为熔合区、压合区、熔化区及塑性变形区，其中熔合区及压合区是塞棒与匙孔之间的连接区域，是评价填补效果的主要判识对象.
(3)基于压焊的搅拌摩擦焊匙孔填补方法融合了熔化焊和扩散焊的连接机理，塞棒圆周与匙孔的连接以扩散焊接为主，底部以熔化焊接为主.
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