摘要：焊接技术自20世纪以来不断发展，尤其在材料连接领域不断迎接新的挑战。而搅拌摩擦焊接（FSW）作为一种新型的固态焊接技术，已成为现代制造业中一种颇具创新性和实用性的技术。自1991年由英国焊接研究所（TWI）开发以来，FSW逐渐在航空航天、汽车以及其他高精度制造

字数统计：4974字 预计阅读时间：约 10 钟

焊接技术自20世纪以来不断发展，尤其在材料连接领域不断迎接新的挑战。而搅拌摩擦焊接（FSW）作为一种新型的固态焊接技术，已成为现代制造业中一种颇具创新性和实用性的技术。自1991年由英国焊接研究所（TWI）开发以来，FSW逐渐在航空航天、汽车以及其他高精度制造领域得到了广泛应用。

与传统的熔化焊接技术不同，FSW依靠的是摩擦产生的热量，通过高速旋转的工具将连接材料塑性变形并融合。这一过程无需达到材料的熔点，从而有效避免了许多传统焊接方法中常见的热裂纹、气孔等问题。更重要的是，FSW不仅能够提供极高的连接强度，还能在多个不同材料之间形成牢固的连接，特别适合铝合金等轻质合金的焊接。

本文将深入解析FSW的原理、过程以及其广泛的应用，探索这一革命性焊接技术如何打破传统焊接的局限，并在现代制造业中发挥越来越重要的作用。

搅拌摩擦焊接（FSW）的原理

搅拌摩擦焊接（FSW）是一种由英国焊接研究所（TWI）于1991年开发的焊接技术。该技术利用一个直径约为10至20毫米的棒状工具，工具高速旋转并与材料接触，通过摩擦产生的热量将材料连接在一起。

在焊接过程中，工具的尖端（也叫探针）会插入待焊接的材料中，并且工具的肩部与材料表面接触。随着工具旋转并沿着接头界面移动，材料不会熔化，而是保持固态，形成焊接接头。这是FSW技术的独特之处，能够避免传统焊接过程中常见的熔化和变形问题。

值得一提的是，FSW技术的发明灵感来源于一位名叫WM Thomas的发明家，他最初是在研究如何用摩擦将圆柱形材料焊接到板材上时，偶然发现了一种无需工具磨损的焊接方法。

图1 搅拌摩擦焊及前进侧和后退侧

连接工具

图2展示了搅拌摩擦焊接中使用的接合工具（旋转工具）的示意图。这个工具由一个较大的肩部和尖端的探针（或称为针状物）组成。

图2 典型工具形状（适用于5mm厚的板材）

在连接过程中，工具的探针会被压入材料中，并沿着待连接的表面移动。探针的作用是产生摩擦热，使材料达到连接温度，并确保材料在固态下连接。

图2中显示的工具形状适用于5毫米厚的板材。探针的长度通常与板材厚度相当，但一般会比板厚短0.05到0.2毫米，以避免探针接触到背板。然而，在连接一些导热性较差的材料时，探针的长度可能需要接近板厚。

探针的直径通常与其长度相同。例如，对于5毫米厚的板材，探针长度约为4.9毫米，因此标准探针直径通常为M5到M6。工具的肩部直径一般是探针直径的三倍左右，在这个例子中，肩部直径约为15毫米。

在设计搅拌摩擦焊接工具时，一些基本的设计指南如下：

探针长度≒板厚（板厚-0.1）（1）

探针直径≒探针长度（≒板厚）（2）

肩部直径≒探针直径x 3（≒板厚x 3）（3）

探针长度 ≒ 板厚（板厚 - 0.1mm）

探针直径 ≒ 探针长度

即探针的直径一般与其长度相当，以确保摩擦力的均衡分布。

除了探针长度和直径的比例外，工具的肩部也是设计中一个关键的部分。肩部的直径通常大于探针的直径，帮助工具更好地分布压力和温度，从而在接合过程中提供均匀的摩擦热。肩部的作用是加热并塑性变形材料，促进材料的流动，并与探针共同作用实现无熔化的连接。

在实际应用中，工具的设计不仅要考虑到材料的类型和厚度，还要根据不同的工作条件进行优化。例如，对于薄板材和较软的材料，可能需要较短和较细的探针，而对于厚板材或硬度较高的材料，则可能需要较长和较粗的探针。

通过合理的工具设计，可以确保在搅拌摩擦焊接过程中获得理想的连接效果，避免由于设计不当而导致的焊接缺陷或质量问题。

搅拌摩擦焊的特点

搅拌摩擦焊（FSW）作为一种先进的固态连接技术，具有许多独特的优势。以下是其主要特点：

1.晶粒粗化抑制与强度提高
由于搅拌摩擦焊接是通过固相连接完成的，接合部的晶粒粗化被有效抑制，导致焊接区域的强度下降较小。特别是在钢铁材料中，搅拌效应能够细化晶粒，从而提高接头强度，甚至可能超过母材本身的强度。

2.特殊的焊接区域组织结构

在焊接过程中，工具的旋转引起的搅拌效果导致了焊缝区域的组织变化。在焊缝的中心区域形成一个被称为“搅拌区”（Trigger Zone）的新组织，其晶粒尺寸通常在几百纳米到几微米之间，呈现等轴形状。搅拌区外侧是热机械影响区（TMAZ），该区域的晶粒因塑性变形而被拉长。再往外则是热影响区（HAZ），其晶粒变化较小。图3和图4展示了这些区域在铝合金（如A1100）FSW接头中的微观组织结构。

3.低温、低变形
与传统焊接方法相比，搅拌摩擦焊的连接温度较低，焊接过程中材料的变形量非常小，通常只有电弧焊（如MIG焊）的变形量的一小部分。这种低温焊接不仅能减少热应力，还能提高材料的稳定性。

4.减少反应层的形成

在搅拌摩擦焊接过程中，由于连接界面处温度较低，形成厚反应层的几率较低，这有助于减少焊接区域的金属反应，确保接头的高质量和耐用性。

这些特点使搅拌摩擦焊成为一种理想的焊接方法，尤其适用于要求高强度、低变形、且对材料质量要求严格的应用场合。

图3 截面结构示意图

图4 A1100 FSW接头剖面结构14

搅拌摩擦焊接的温度控制

在搅拌摩擦焊接（FSW）过程中，确保良好的接头质量最关键的因素之一就是适当的热输入。热输入影响了焊接区域的温度，进而直接影响焊接接头的质量和强度。以下是影响连接温度的几个关键因素：

1.工具旋转速度和移动速度
工具的旋转速度和焊接时的移动速度对焊接温度有着重要影响。通常，较高的旋转速度和较慢的焊接速度会导致更高的焊接温度，从而可能改善焊接质量。

2.施加的按压力
施加在焊接工具上的压力也会显著影响焊接过程中的温度分布。压力过大可能导致过多的摩擦热，而压力不足则可能导致热输入不足，无法达到理想的焊接温度。

3.适当的连接温度
搅拌摩擦焊接的连接机制主要依靠再结晶，因此，焊接的最佳温度通常为材料熔点的70%至80%。例如，铝（熔点660°C）的适宜连接温度大约在380°C至470°C之间，而钢（熔点1536°C）的适宜焊接温度大约在1000°C至1200°C之间。

4.低温焊接的优势
虽然以上温度范围为一般指导，但实际操作中，例如在接合碳钢时，可以选择在低于700°C的温度下进行焊接。低于此温度的焊接可以有效延长工具的使用寿命，并避免相变引起的裂纹，从而最大限度地发挥搅拌摩擦焊的优势。

在实际应用中，通过精确控制温度和其他焊接参数，搅拌摩擦焊能够提供高质量且可靠的连接，尤其是在难焊接材料的接合中表现出色。

搅拌摩擦焊的接合条件与热输入控制

在搅拌摩擦焊接（FSW）中，选择适当的接合条件是确保接头质量的关键。以铝合金（ADC12）为例，最佳接合条件的范围可以通过接合速度与工具旋转速度之间的关系来表示。以下是几个关键要点：

图5 采用恒荷载控制时的适宜接合范围（ADC12、厚度4mm）20）

1、热输入与接合速度/工具旋转速度的关系
图5显示了不同接合速度与工具旋转速度下的热输入量，横轴为接合速度，纵轴为工具旋转速度。根据图形的斜率，旋转速度与焊接速度的比值直接对应于热输入量。如果斜率较大，即工具旋转速度较高且接合速度较低，热输入容易过大；相反，在斜率较小的区域（低旋转速度和高接合速度），热输入则容易不足。

2、荷载控制对接合条件的影响
在恒荷载控制下，随着施加的荷载增加，适当的接合条件范围会变得更宽广。荷载的增加有助于在一定程度上改善接合质量。然而，当荷载增加到一定程度时，接合条件的改进逐渐减小，且缺陷的出现几乎不再受荷载的影响。如图7所示，11.8kN与14.2kN之间的适宜接合范围几乎没有区别。

3、接合缺陷的主要原因
接合过程中的缺陷通常与热输入的控制密切相关，但某些缺陷也可能源于其他因素，例如塑性流动异常。以下是几种常见的缺陷类型及其产生原因：

3.1热输入过多

产生的缺陷：毛刺、粗糙表面。

原因分析：过多的热输入会导致试件温度过高，从而引发塑性流动，使得材料表面出现毛刺或粗糙的缺陷。在极端情况下，工具可能会接触到背板，甚至出现工具或背板断裂的情况。因此，控制热输入至适当范围对于防止此类缺陷至关重要。

3.2热输入不足

产生的缺陷：隧道缺陷、沟槽缺陷、探针断裂。

原因分析：当热输入不足时，缺陷的类型根据热输入不足的程度不同而有所差异。若热输入不足但仍在可接受范围内，可能会形成隧道状缺陷（隧道孔），这种缺陷通常无法通过外观检查识别，必须借助透射X射线等方法进行确认。

进一步降低热输入会导致显而易见的槽状缺陷，可以通过视觉检查发现。而当热输入严重不足时，可能会导致工具断裂，进一步损坏焊接过程。

3.3塑性流动异常

产生的缺陷：隧道缺陷。

原因分析：图5右上区域的缺陷通常并非直接与热输入相关，而是由于塑性流动异常所致。在该区域，由于连接速度和旋转速度较高，过度的塑性变形可能导致不均匀的金属流动，进而形成隧道状缺陷。尽管这些缺陷不完全依赖于热输入的数量，但仍然可以通过优化参数来减少此类问题。

正确的热输入控制对于搅拌摩擦焊接（FSW）质量至关重要。过多或不足的热输入都可能导致不同类型的缺陷，而塑性流动异常也是一个需要关注的因素。在优化接合参数时，除了关注热输入量外，还要综合考虑工具旋转速度、接合速度和材料的物理特性，以减少缺陷并保证接头的质量。

图6 塑料流动异常及热量输入不足引起的缺陷20)

免工具线性摩擦焊接 (LFW)

搅拌摩擦焊接（FSW）因其能够连接以前难以接合的材料而具有显著的优势，但在钢材应用方面仍面临一些挑战。特别是在工具寿命方面，钢材FSW的实际应用进展缓慢。目前，尽管许多公司和研究机构在积极开发新型工具，但相较于其高昂的成本，这些工具的使用寿命仍不足以满足工业需求。

然而，随着技术的进步，免工具线性摩擦焊接（LFW）作为一种新兴的连接方法，开始受到越来越多的关注。LFW通过将两种材料压在一起，并沿着与接触面平行的方向对其中一种材料进行线性振动，从而产生摩擦热并完成连接。与传统的FSW不同，LFW不需要任何工具，这在一定程度上解决了工具寿命和成本的问题。

图9展示了LFW的工作原理。与FSW相比，LFW的温度控制更加复杂。传统的看法认为，LFW方法很难精确控制连接温度。但作者团队通过研究发现，实际上可以通过施加不同的压力来控制温度。这一发现引起了广泛关注。与FSW不同，在LFW中，随着施加压力的增加，连接温度会反而降低。

这一现象的原因在于，界面处的温度升高会导致钢材变软，并且当温度超过某一阈值时，钢的强度会显著降低，产生毛刺。增加施加的压力时，钢材会在强度下降之前，利用毛刺的形式将多余的物质排出，从而降低连接的温度。这个特点使得LFW能够在相对较低的温度下完成连接，避免了温度过高带来的潜在问题。

LFW的优势在于它不依赖于工具，因此可以减少工具磨损和使用寿命的限制。这种技术的进一步研究和应用，可能为许多传统焊接技术无法有效连接的材料提供新的解决方案。

图7 线性摩擦焊接

来源：TPP管理咨询