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一文了解先进焊接技术之搅拌摩擦焊

01

原理

搅拌摩擦焊方法与常规摩擦焊一样。搅拌摩擦焊也是利用摩擦热

与塑性变形热作为焊接热源。不同之处在于搅拌摩擦焊焊接过程是由

一个圆柱体或其他形状（如带螺纹圆柱体）的搅拌针(weldingpin)伸

入工件的接缝处，通过焊头的高速旋转，使其与焊接工件材料摩擦，

从而使连接部位的材料温度升高软化。同时对材料进行搅拌摩擦来完

成焊接的。在焊接过程中工件要刚性固定在背垫上，焊头边高速旋转，

边沿工件的接缝与工件相对移动。焊头的突出段伸进材料内部进行摩

擦和搅拌，焊头的肩部与工件表面摩擦生热，并用于防止塑性状态材

料的溢出，同时可以起到清除表面氧化膜的作用。

FSW工作原理示意图

搅拌摩擦焊的常用术语及定义

旋转。搅拌头旋转启动后，以一定速度插入待焊零件；

插入。停留一段时间，搅拌头附近区域的接头材料得到足够的摩

擦热输入，从而出现软化变形，并有部分材料被挤到接头外部；

焊接。此时可以进行焊接，焊接时热塑化的接头材料不断被搅拌

头向后转移，这部分材料在一定锻压力的作用下可以与周围材料形成

牢固的扩散连接；

离开。焊接完成后，搅拌头以一定速度离开零件表面，焊接过程

结束。

在焊接过程中，搅拌针在旋转的同时伸入工件的接缝中，旋转搅

拌头（主要是轴肩）与工件之间的摩擦热，使焊头前面的材料发生强

烈塑性变形，然后随着焊头的移动，高度塑性变形的材料逐渐沉积在

搅拌头的背后，从而形成搅拌摩擦焊焊缝。

搅拌摩擦焊的工艺过程示意图

搅拌摩擦焊对设备的要求并不高，最基本的要求是焊头的旋转运

动和工件的相对运动，即使一台铣床也可简单地达到小型平板对接焊

的要求。但焊接设备及夹具的刚性是极端重要的。搅拌头一般采用工

具钢制成，焊头的长度一般比要求焊接的深度稍短。应该指出，搅拌

摩擦焊缝结束时在终端留下个匙孔。通常这个匙孔可以切除掉，也可

以用其它焊接方法封焊住。针对匙孔问题，已有伸缩式搅拌头研发成

功，焊后不会留下焊接匙孔。

02

工艺因素

影响FSW焊接过程稳定性和焊接质量的因素，主要有搅拌头的形

状、搅拌头的位置、搅拌头的转速、焊接速度、接头精度以及材料拘

束等。

03

搅拌摩擦焊的特点

优点

焊缝质量好。焊缝是在塑性状态下受挤压完成的，属于固相连接，

因而其接头不会产生与冶金凝固有关的一些如裂纹、夹杂、气孔以及

合金元素的烧损等熔焊缺陷和催化现象，焊缝性能接近母材，力学性

能优异。

不受轴类零件限制。可进行平板的对接和搭接，可焊接直焊缝、

角焊缝及环焊缝。

无需高的操作技能和训练。搅拌摩擦焊利用自动化的机械设备进

行焊接，避免了对操作工人技术熟练程度的依赖，质量稳定，重复性

高。

不需焊丝和保护气氛。焊接时无需填充材料、保护气体，焊前无

需对焊件表面预处理，焊接过程中无需施加保护措施，厚大焊件边缘

不用加工坡口，简化了焊接工序。焊接铝合金材料不用去氧化膜，只

需去除油污即可。

焊件尺寸精度高。其加热过程具有能量密度高、热输入速度快等

特点，因而焊接变形小，焊后残余应力小。

绿色焊接方法。焊接过程中不产生弧光辐射、烟尘和飞溅，噪声

低。