1 搅拌摩擦焊的原理

搅拌摩擦焊是指利用高速旋转焊接工具和工件摩擦产生的热量，使焊接材料局部塑性。当焊接工具沿焊接界面向前移动时，塑性材料在焊接工具的旋转摩擦作用下从焊接工具的前部流向后部，在焊接工具的挤压下形成致密的固相焊缝。

常用术语解释

（1）前进侧（Advancing Side,AS）和后退侧（Retreating Side,RS）：焊缝分为两侧，由焊具的旋转方向和前进方向决定。在焊缝的前进侧，焊接工具的旋转方向与焊接工具的前进方向一致；在焊缝的后退侧，焊接工具的旋转方向与焊接工具的前进方向相反。

功能：部分材料向前流动，部分材料向后流动，混合较大；后部材料仅向后流动，部分材料进入前部。焊接工具前上部区域的塑料金属主要向下流动，焊接工具前下部区域的塑料金属主要从后部流动；焊接工具后部区域上部的塑料金属向前向**动，焊接工具附近中下部区域的塑料金属向下向后流动。

(2)焊具或搅拌头（Welding Tool）：用于搅拌摩擦焊接的特殊焊接工具称为搅拌摩擦焊接工具，简称焊接工具或搅拌头。搅拌摩擦焊具由针头制成（Pin）和肩部（Shoulder）组成，又称搅拌针和轴肩。

功能：轴肩-通过摩擦提供焊接区域材料塑化所需的热能。轴肩端部的形状是凹的，可以确保下面的软化材料在焊接过程中受到向内力和聚集，防止塑性材料从焊接区域溢出，并填充混合针后面形成的空腔，以确保焊缝的良好形成。混合针-除了通过摩擦提供焊接所需的部分热量外，主要是机械损坏待焊母材料的原始对接面，使附近区域混合强烈，导致对接表面及其附近材料的充分混合，形成具有大变形特性的小轴晶粒。

（3）焊核区（Weld Nugget Zone,WNZ）：焊缝中心部分称为焊接核心区域，在焊接工具强烈的混合摩擦作用下发生显著的塑性变形和完全的动态再结晶，形成晶粒的小微组织。

(4)热影响区(Ther ** l-Mechanically Affected Zone,TMAZ)：邻近WNZ外围区域为TMAZ，塑性变形和部分再结晶发生在焊具的热作用下，形成由弯曲和拉长晶粒组成的微组织。

(5)热影响区 (Heat Affected Zone,HAZ)：TMAZ外部区域为HAZ，焊具没**械搅拌作用，只有晶粒在摩擦热的作用下生长，形成较厚的微组织。

搅拌摩擦焊工艺如图1所示，微组织区分布如图2所示。

图1 搅拌摩擦焊原理图

图2 接头微组织区的组成（BMZ为母材）

搅拌摩擦焊的优点：FSW焊缝由塑性变形和动态再结晶形成，其微组织细，晶粒小，无熔焊枝晶体。与传统的焊接方法相比，没有飞溅和烟雾，没有合金元素燃烧、裂纹和气孔缺陷，不需要添加焊丝和保护气体；在焊接接头的力学性能方面TIG和MIG焊接具有明显的优势；对于有色金属材料（如铝、镁、锌、铜等）的连接，在焊接方法、接头力学性能和生产效率方面．FSW其他焊接方法都显示出**的优势。

2 搅拌摩擦焊的应用

日前应用FSW连接成功的材料有Al合金、Mg搅拌摩擦焊主要用于航天、航空、船舶、车辆、核能等领域。

航空:波音**投资1500万美元GMAW工艺转向FSW工艺上，焊接缺陷率降低了10倍，产品性能提高了30%以上。起飞了使用搅拌摩擦焊接的飞机。

船舶：中航工业北京成功开发了中国**台船舶带筋壁板搅拌摩擦焊设备，可焊接长度 12m、宽度6m、厚度 12mm 的铝合金带筋壁板，满足了中国海军新型导弹快艇的研制需求。

汽车工业：汽车门的连接采用搅拌摩擦焊技术连接，效果良好，如图3所示。

图3 车门FSW连接

3 搅拌摩擦焊的发展方向

(1)混合摩擦焊接复合技术

包括复合运动、热源辅助、焊接冷却，图4为往复搅拌摩擦焊的原理图，原理是搅拌头在搅拌摩擦焊接过程中定期正反转；图5为歪斜搅拌摩擦焊的原理图，原理是利用不对称搅拌头实现搅拌摩擦焊接。在焊接过程中，搅拌头中心轴与焊机旋转中心轴有倾角，实现焊缝的歪斜搅拌。

图4 往复搅拌摩擦焊

图5 倾斜搅拌摩擦焊接

(2)混合摩擦改性技术

包括直接表面改性和铸造材料改性。直接表面改性的原理是使用只有轴肩而没有混合针的混合头摩擦工件表面。混合头通过的区域形成表面改性层，多重重重叠可以达到表面改性的目的。