搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding, FSW)是一种固态连接技术，广泛应用于轻质、高性能材料的连接，因其能够在避免熔化相关缺陷的同时形成质量良好的接头。然而，FSW接头的质量、微观组织及力学性能受焊接过程中热条件的强烈影响。热输入不足或过量均会对材料流动行为、缺陷形成、微观组织演变及工具寿命产生负面影响，这凸显了有效热管理在FSW中的重要性。本综述对应用于搅拌摩擦焊中的冷却型与热辅助型热控制技术进行了全面评估。研究综述了多种冷却方法，包括强制空气冷却、水辅助及浸没式FSW、深冷冷却以及热沉辅助方法，分析了其对温度分布、晶粒细化、缺陷抑制及力学性能的影响。与此同时，热辅助FSW技术，包括激光辅助、感应辅助、电弧辅助及电辅助方法，被重点讨论，这些技术能够增强材料塑性、降低工艺力，并实现高熔点或低延展性材料的焊接。研究分析了这些技术的优势、局限性及工业适用性，并进一步探讨了热控搅拌摩擦焊当前面临的挑战与未来研究方向。
搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding, FSW)自问世以来，因其独特的固态连接特性而备受关注。该技术通过旋转工具产生的摩擦热和塑性变形热使材料软化并形成接头，避免了传统熔化焊中常见的凝固缺陷，因而特别适用于铝、镁、铜等轻质合金以及部分钢材的连接。然而，FSW接头性能与可靠性高度依赖于焊接过程中产生的热条件，热输入的精确调控成为决定接头成败的关键因素。研究表明，热输入不足会导致孔洞、未焊合等缺陷；而热输入过量则引发晶粒粗化、强化相溶解或粗化，以及加速工具磨损等问题。基于上述背景，系统梳理和比较各类热管理策略对优化FSW工艺具有重要学术价值与工程意义。该论文发表于《Materials Today Communications》期刊。
研究人员综合分析了冷却型与热辅助型两大类热管理技术。冷却技术旨在降低峰值温度、加速冷却速率，包括强制空气冷却、水辅助及浸没式冷却、深冷冷却（液态CO₂或液氮）、以及热沉/垫板冷却等方法。热辅助技术则通过外部热源提升局部温度，改善材料塑性，包括感应辅助、激光辅助、电弧辅助（TIG或等离子弧）及电辅助等方法。研究人员通过对比分析，揭示了不同热管理策略对温度场、材料流动、微观组织演变及力学性能的影响规律，为FSW热管理技术的工程应用提供了系统性指导。
研究采用的关键技术方法主要包括：多种主动与被动冷却技术的系统集成与应用，涵盖气体喷射、液体浸没、深冷介质及热传导换热的温控策略；多种外部热源辅助技术，包括电磁感应加热、激光束预热、电弧预热及电阻焦耳加热等能量输入方式；热循环监测与微观组织表征技术，结合红外测温、热电偶嵌入、电子背散射衍射（EBSD)、光学显微镜及扫描/透射电子显微镜等手段；以及力学性能测试与数值模拟分析方法。
**3. 搅拌摩擦焊中的冷却技术**
**3.1 自然冷却与强制空气冷却**
自然空气冷却作为最基础的参照条件，通过自然对流和辐射散热。强制空气冷却则采用压缩空气射流、风扇或喷嘴增强换热。研究显示，在7075铝合金搅拌摩擦加工中，采用涡流管喷射冷却可将平均晶粒尺寸从7.6 μm细化至1.4 μm（45°气流角）或3.2 μm（90°气流角），硬度和耐磨性显著提升。在5A06-H112与6061-T651异种铝合金的FSW中，0.5 MPa、30°角强制空气冷却使平均晶粒尺寸从14 μm降至8 μm，极限抗拉强度（Ultimate Tensile Strength, UTS)提高约10%。AZ91镁合金的搅拌摩擦加工中，喷射冷却使晶粒从约9 μm细化至约1.4 μm，硬度和耐磨性明显改善。
**3.2 水辅助冷却**
水辅助冷却包括水喷淋和浸没式FSW，利用水的高比热容和导热系数实现高效换热。研究表明，2014Al-T6铝合金浸没式焊接可避免自然冷却条件下高速焊时的表面剥离缺陷。AA7039铝合金中，水冷获得最窄搅拌区（Stir Zone, SZ)和最细α-Al晶粒（~5.45 μm）。AA5083-AA6061异种合金水冷焊接使UTS从246 MPa提升至271 MPa。2195 Al-Li合金叠加飞溅冷却获得超细晶粒（~1.07 μm），最大抗拉强度达502.7 MPa，约为母材的93%。AA2219合金水冷使强度接近母材同时改善延展性。AA6061-T6浸没式焊接中，80 °C水温获得最高抗拉强度（~249 MPa）和显微硬度（~95 HV）。水冷对温降和晶粒细化的效果与水温、冷却模式密切相关。
**3.3 深冷冷却**
深冷冷却采用液氮（LN₂）或液态/固态CO₂，实现最剧烈的温度调控。AA3003/AISI 441异种材料中，CO₂冷却获得最高冷却速率，晶粒最细，但脆性倾向增加。5050铝合金干冰-乙醇快速冷却使屈服强度和抗拉强度分别提高32 MPa和16 MPa。AA7075液态CO₂冷却使峰值温度降低约77 °C，晶粒细化至~2.9 μm，UTS从209.46 MPa提升至295.89 MPa，接头效率从60.5%提高到85.5%。AA1050铝合金中，CO₂冷却改变了剪切织构组态。纯铜中液态CO₂冷却通过位错亚结构强化使屈服强度提高约13%。
**3.4 垫板与热沉冷却**
垫板材料的热扩散率显著影响热管理效果。AZ31镁合金中，铜热管冷却显著降低前进侧和后退侧峰值温度，晶粒细化，硬度从55.6 HV提高至59.5 HV（常温水）和60.9 HV（冰水）。AA6061-T6超薄板高速FSW中，钢垫板产生更高峰值温度和更大SZ/HAZ，获得更优抗拉强度和接头效率（90.3%）。2195-O Al-Cu-Li合金中，铜垫板（Cu-BP)峰值温度500 °C低于钢垫板（Fe-BP)的550 °C，铜垫板获得更细晶粒和更高屈服强度，而钢垫板获得更高UTS和延展性。垫板热扩散率从铜（高)到花岗岩（低)变化时，峰值温度可升高50 °C，但过高热损失可能导致空洞缺陷。
**4. 热辅助搅拌摩擦焊技术**
**4.1 感应辅助FSW**
感应辅助FSW利用交变磁场在导电材料中感应涡流产热。PA66聚合物焊接中，工具周围感应线圈加热改善材料流动和结合强度。Inconel 718合金中，感应预热使温度升高138 °C，残余应力平均降低15%，SZ硬度提高18.5%。Inconel 718与SS316L异种材料焊接中，轴向力降低28%-24%，高进给速度下最优抗拉强度达683 MPa，较FSW提高473 MPa。SS321与Inconel 718混合系统中，感应预热结合强制空气冷却使轴向力降低48.34%，扭矩降低40.44%，UTS达522 MPa（约SS321母材的96%）。DH36钢与6061-T6铝合金的对比表明，感应预热较等离子弧预热具有更优的接头效率、晶粒细化和硬度。
**4.2 激光辅助FSW**
激光辅助FSW采用激光束在工具前方预热工件。研究表明，激光位于后退侧时温度达688 °C，高于前进侧（646 °C）和贴合界面（602 °C），且超过1500 W功率可有效抑制缺陷。Q235钢/AA6061铝合金异种焊接中，900 W激光功率获得最大抗拉强度198 MPa，此时IMC层平均厚度1.1 μm；过低功率（<900 W）因预热不足导致强度降低，过高功率（1100 W）使IMC层增厚至5.2 μm。S45C钢焊接中，激光前置10 mm使最大焊接速度从400 mm/min提升至800 mm/min，并抑制了脆性马氏体和贝氏体形成。DC04钢/AA6016铝合金焊接中，激光预热改善材料流动性。
**4.3 电弧辅助FSW**
电弧辅助FSW包括TIG和等离子弧辅助。Al5052/DP590钢异种焊接中，TIG预热使接头效率从约74%提升至约84%。2519-T87铝合金中，TIG预热使抗拉强度和延展率分别提高16.9%和209.1%，峰值温度从约179 °C升至约201 °C，SZ面积扩大。6061铝合金/304不锈钢中，最大抗拉强度达铝合金母材的约93%（常规FSW约78%）。AISI 1018钢等离子辅助FSW中，顶锻力降低约20-25%。DH36钢等离子辅助FSW中，工具力降低31%，工具磨损减少58%。AA1100/纯铜异种焊接中，优化等离子参数使抗拉强度达铝合金母材的约96%，较未预热提高230%。
**4.4 电辅助FSW**
电辅助FSW通过工件通电产生焦耳热和电塑效应。2219铝合金中，600 A直流电使接头抗拉强度提高17%以上。AZ31B镁合金中，200 A电流获得最高抗拉强度210.6 MPa（母材的84.95%），动态再结晶更完全，但过高电流导致下部晶粒粗化。Al-Mg异种材料脉冲电流辅助可消除隧道和裂纹缺陷，断裂行为从脆性转为复合断裂。2Cr13Mn9Ni4/Q235B钢等系统验证了其工程适用性。AA6082-T6中，根部通电使未焊透缺陷宽度从15.5 μm降至3.3 μm。
**4.5 其他热辅助发展**
气焊炬辅助FSW用于AA7075-AA2014焊接，150 °C预热使取向差角分布向随机分布转变。SK5高碳钢焊接中，焊炬后置热输入降低冷却速率，减少马氏体分数。热剂反应辅助FSW以CuO-Al热剂放热替代电源，CuO:Al=10:40 g实现完全反应，抗拉强度和延展率分别提高约11%和25%，消除隧道缺陷。背面加热辅助FSW用于Ti-6Al-4V合金，480 °C背面温度消除撕裂缺陷，实现全层片组织。气体加热系统（1223 K）用于AA7075-T6焊接，显著减少缺陷并提高焊接效率。
讨论与总结部分指出，冷却与热辅助技术具有互补性，选择取决于材料特性和接头要求。冷却技术有利于细化晶粒、抑制HAZ软化、降低残余应力，但过度冷却可能阻碍材料流动；热辅助技术改善高熔点、低延展性材料的可焊性，降低工艺力，但可能引发晶粒粗化和不良相变。工业应用中考量成本、复杂性和可扩展性至关重要。
研究结论部分翻译如下：热管理是控制FSW中热生成、材料流动、微观组织演变和力学性能的关键因素。冷却型策略，包括水辅助、浸没式、深冷、垫板及强制空气冷却，能有效控制过热、细化晶粒、限制热影响区软化并提高硬度和接头强度，尽管过度冷却可能损害材料流动并增加缺陷敏感性。热辅助技术，如激光、感应、电和电弧辅助加热，改善塑性、降低工具载荷、增强焊缝完整性并减少缺陷形成，尤其适用于高强度、高熔点材料，同时面临能效、工艺复杂性、意外加热和金属间化合物控制等挑战。尽管取得显著进展，但对热管理策略的综合理解仍然有限，将热控制与微观组织和力学性能相关联的预测性关联尚不充分。本综述系统综合了冷却型和热辅助型方法的效果，强调了其在控制温度分布、温度梯度和材料行为方面的作用，清晰概述了它们的优势、局限性及对FSW结果的相对影响。
未来展望方面，尽管冷却和热辅助FSW技术取得重大进展，但热管理和温度控制领域仍存在若干关键差距。主要挑战之一是缺乏数据驱动的预测框架，将受控冷却或辅助加热与微观组织演变和力学性能相关联。虽然机器学习（Machine Learning, ML)和人工智能已应用于传统FSW，但它们在热辅助或冷却集成工艺中的应用仍然有限。本综述强调需要开发基于ML的模型，以预测不同热策略下的晶粒尺寸、相演变、硬度分布和拉伸性能。此外，针对冷却和加热辅助FSW的先进实时监测系统——包括轴向力、工具振动、红外热成像和嵌入式温度传感器等多传感器方法——对于全面洞察工艺稳定性和材料流动至关重要。由监测反馈引导的冷却和加热强度的实时自适应控制，可减少缺陷并提高接头一致性。从理论角度看，需要先进的热-力模拟来预测各种热条件下的温度分布、冷却曲线、材料流动、残余应力和变形，以减少实验试错。最后，采用包括神经网络和混合算法在内的优化技术，可以将目标力学性能与工具转速、进给速度、轴向力和热输入等最优工艺参数相关联，提高热控FSW的效率、可靠性和工业适用性。
