摩擦搅拌焊详解：原理、优势与工业应用

什么是摩擦搅拌焊？

摩擦搅拌焊（FSW）是一种固态连接工艺，利用旋转工具产生的摩擦热连接两个面对面工件，且不熔化工件材料。旋转工具与工件材料间摩擦产生热量，在FSW工具附近形成软化区。

工具沿接缝线移动时，机械搅拌两块金属，并在工具施加的机械压力下锻造热软化金属，如同粘土或面团般连接。

主要用于锻造或挤压铝合金，特别是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。近期成功用于聚合物焊接。异种金属连接如铝-镁合金也已通过FSW实现。应用见现代造船、列车、航空航天。

工具推进过程展示焊缝区及工具肩影响区。

FSW用带有特定轮廓针尖的旋转圆柱工具，针尖直径小于肩径。焊接时工具送入两夹紧工件的对接接缝，直到针尖刺入工件、肩部接触工件表面。

针尖比所需焊深略短，工具肩骑跨工件表面。短暂停留后，工具按预设焊速沿接缝线前进。

耐磨工具与工件间产生摩擦热。此热量加上机械搅拌产热和材料内部绝热热，使搅拌材料软化而不熔化。

工具前进时，针尖特殊轮廓将塑性材料从前缘推至后方，高压辅助锻造巩固焊缝。

工具沿焊缝线在塑性管状金属轴中移动，导致基材动态再结晶的剧烈固态变形。

FSW使用专用设计工具高速旋转在需焊接接缝上。工具旋转过金属时产生热量，使金属塑性化并相互熔合。FSW可焊两种接头：

FSW工具有两部分：旋转在接缝上的圆柱肩部，和从肩部延伸的轮廓针尖。

针尖先钻入接缝。肩部在工件顶部旋转一段时间，直到达到最佳温度并被材料吸收。

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针尖搅拌金属颗粒混合。针尖深入工作区字面上“搅拌”软化颗粒使其熔合，故名“搅拌”。

FSW工艺最初由TWI在大多数工业国申请专利，授权183+用户。FSW及其变体（摩擦搅拌点焊、摩擦搅拌加工）用于以下工业应用：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广泛应用于用铝的行业。

造船： FSW首用于焊接渔船空心铝板。现广泛用于焊接船体船壳用铝制冷冻板。因FSW变形极小，铝板即使长焊缝也能保形。

航空航天： 航天器储存低温氧的铝燃料罐用FSW。将封头焊接至圆筒结构。波音在德尔塔II火箭级间模块用FSW，1999年8月成功发射。

FSW还用于连接飞机机身轻量铝框架，因其比螺栓/铆接轻得多。

铁路： FSW用于高速列车制造的空心型材和T型加强挤压件。

汽车： 汽车业转向铝作底盘最优材料，成为FSW主要采用者。常规焊法无法复现FSW高公差零件。FSW快速焊接周期比其他铝焊法更具吸引力。

多种焊接技术利用摩擦产热，最常见是摩擦焊。典型摩擦焊中，工件相对高速运动产生界面热并熔合。

但这限制工件装夹，须能高速直线往复运动工件。

FSW固定工件、移动工具沿接缝焊接，克服了这一限制。

优势源于无耗材、无保护气体的独特焊接：

制造工艺