搅拌摩擦焊（FSW）详解：原理、工艺优势与工业应用

什么是搅拌摩擦焊？

搅拌摩擦焊（FSW）是一种固相连接工艺，利用旋转工具产生的摩擦热连接两个面对面的工件，且不熔化工件材料。旋转工具与工件间摩擦产生热量，在FSW工具附近形成软化区。

工具沿接缝线移动时，机械搅拌混合两块金属，工具施加的机械压力锻造热软化金属，类似粘土或面团揉合。

主要用于锻造或挤压铝合金，特别适用于需极高焊接强度的结构。FSW可连接铝合金、铜合金、钛合金、低碳钢、不锈钢、镁合金。近年成功用于聚合物焊接，且已实现铝-镁等异种金属连接。应用见于现代造船、列车、航空航天。

工具推进过程展示焊缝区及工具肩影响区域。

FSW使用带轮廓针的旋转圆柱工具，针直径小于肩直径。焊接时工具压入两夹紧工件的对接接头，直至针刺入工件、肩面接触工件表面。针比所需焊深略短，肩面骑在工件表面。短暂停留后，工具以预设速度沿接缝线前进。

耐磨工具与工件间摩擦产生热量，加上机械搅拌产热和材料内部绝热热，使搅拌材料软化但不熔融。工具前进时，针特殊轮廓将塑性材料从前缘推至后方，高压协助锻造固焊。工具沿焊缝线在塑性金属管状轴中移动，导致基体材料动态再结晶的剧烈固态变形。

FSW使用专用工具高速旋转跨越待焊接缝。工具旋转过金属时产生热量，使金属塑性化并熔合。FSW可焊两种接头：搭接、对接。

工具两部分组成：旋转于接缝上的圆柱肩、从肩延伸的轮廓针。针先钻入接缝，肩在工件表面旋转直至达到最佳温度并传导至材料。随后工具沿接缝移动形成连续焊缝。这得益于工具体积加热和轮廓针对金属颗粒搅拌混合。针深入工件搅拌软化颗粒使其熔合，故名“搅拌”。

FSW工艺最初由TWI在大多数工业化国家申请专利，授权183+用户。FSW及其变体（搅拌摩擦点焊、搅拌摩擦加工）用于：造船海工、航空航天、汽车、铁路车辆、通用制造、机器人、计算机。

FSW广泛应用于用铝工业：

造船： 首用于焊接渔船空心铝板。今常用于焊接船体船壳用铝冷冻板。因FSW变形极小，长焊缝下铝板仍保形。

航空航天： 航天器储存低温氧气的铝燃料箱采用FSW，焊接球形封头与圆筒体。波音1999年8月德尔塔II火箭级间模块采用FSW成功发射。飞机机身轻量化铝框架连接亦用FSW，因其比螺栓/铆接更轻。

铁路： 用于高速列车空心型材和T型加强挤压件制造。

汽车： 车身底盘转向铝材，成FSW主要采用者。常规焊法难复现FSW高公差件。FSW快速焊接周期对铝焊极具吸引力。

多种焊法利用摩擦产热，最常见是摩擦焊。典型摩擦焊中，工件相对高速移动产生界面热使其熔化融合。这限制工件装夹，须能高速往复移动工件。

FSW克服此限制：固定工件，移动工具沿接缝焊接。

优势源于无耗材、无保护气体的独特焊接方式：

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