搅拌摩擦焊（FSW）是一种固相连接技术，1991年由英国焊接研究所发明。与传统熔化焊相比，搅拌摩擦焊无需添加焊丝和保护气体，焊接过程无污染、无烟尘、无辐射，焊接接头残余应力低，因此具有焊接效率高、焊接变形小、能耗低、设备简单、焊接过程安全等优点。经过近30年的发展，搅拌摩擦焊已经在航空航天、轨道交通、船舶、新能源汽车等领域取得了广泛的应用。
2.搅拌摩擦焊的原理
高速旋转的搅拌头扎入被焊工件内，旋转的搅拌针与被焊材料发生摩擦并使其发生塑化，轴肩与工件表面摩擦生热并用于防止塑性状态的材料溢出。在焊接过程中，工件要刚性固定在背部垫板上，搅拌头边高速旋转边沿工件的接缝与工件相对移动，在搅拌头锻压力的作用下形成焊缝，最终实现被焊工件的冶金结合。如图1所示。
图1 搅拌摩擦焊接原理
3.搅拌摩擦焊适用材料
搅拌摩擦焊广泛适用于各类材料，目前已成功实现了铝、镁等低熔点金属及合金、铜合金、钛合金、钢铁材料、金属基复合材料以及异种金属（铝/铜、铝/镁等）的焊接。
4.搅拌摩擦焊技术发展
在传统技术的基础上，搅拌摩擦焊有了多种创新发展：双轴肩搅拌摩擦焊、静轴肩搅拌摩擦焊、搅拌摩擦点焊、角接结构焊接、搅拌摩擦曲面焊、可回抽式焊接、复合能场搅拌摩擦焊、搅拌摩擦增材制造等。
双轴肩搅拌摩擦焊（BT-FSW）
双轴肩搅拌摩擦焊（BT-FSW）与传统FSW相比，其搅拌头为上、下轴肩结构，两个轴肩通过搅拌针连接，下轴肩取代了传统FSW的背部刚性支撑垫板，对工件进行自支撑，实现中空部件的焊接。其焊接原理如图2所示。上、下双轴肩的结构在焊接过程中降低了接头厚度方向的温度梯度，减小了接头组织不均匀性，可实现根部全焊透的焊接。
1.上轴肩 2.前进侧 3.熔合线 4.后退侧 5.工件 6.搅拌针 7.下轴肩
静轴肩搅拌摩擦焊（SS-FSW）
静轴肩搅拌摩擦焊（SS-FSW）采用轴肩与搅拌针分体式设计，在焊接过程中内部搅拌针处于旋转状态，而外部轴肩不转动，仅沿焊接方向行进。在常规FSW中，轴肩与被焊接材料之间的摩擦是主要的产热方式。相比之下，静轴肩搅拌摩擦焊由于内部搅拌针转动而外部轴肩不转动，所以搅拌针在摩擦生热和材料变形中起着重要的作用。
与常规FSW相比，静轴肩搅拌摩擦焊的焊缝成形良好，表面粗糙度能达到母材的水平，并且可以实现角焊缝等非平面结构构件的搅拌摩擦焊接，如图３所示。
图3 静轴肩角接焊缝
搅拌摩擦点焊
与常规FSW原理相似，搅拌摩擦点焊缺少了搅拌针与被焊工件相对移动产生焊缝的过程，取而代之的是，依靠旋转下压的搅拌头与工件接触摩擦产生热量，经充分搅拌后形成单个焊点。
搅拌摩擦点焊可分为两类：传统直插式和回填式。
传统直插式搅拌摩擦点焊包括扎入、旋转、拔出三个过程，焊接完成后在焊点处会留下一个匙孔。如图4所示。
图4 直插式搅拌摩擦点焊
复合能场搅拌摩擦焊
复合能场搅拌摩擦焊是指在焊接过程中施加额外的能量场（感应加热、激光、电弧、超声等），以达到降低焊接载荷，延长搅拌头寿命，改善焊缝组织，实现高熔点材料焊接等目的。
搅拌摩擦增材制造
搅拌摩擦增材制造实质为多层材料的焊合叠加，其增材过程类似于FSW搭接，与搅拌摩擦增材制造搭接不同的是，搅拌摩擦增材制造是材料的多层多次搭接，是一个空间搭接的过程，包括垂直于搭接方向的横向增材和平行于材料厚度方向的增材，搅拌摩擦增材制造过程如图5所示。
图5 搅拌摩擦增材制造过程
角焊缝摩擦焊
铝合金、镁合金角焊缝搅拌摩擦焊是近年来搅拌摩擦焊的最新研究课题，是传统搅拌摩擦焊技术的延伸与拓展。角焊缝搅拌摩擦焊工具实现了多种厚度的搅拌摩擦焊角焊缝，突破了搅拌摩擦焊角连接设备、工装、搅拌工具等多项技术难题。
5.搅拌摩擦焊应用行业和应用优势
近年来，我国搅拌摩擦焊技术的应用得到了较大发展，在航空航天、轨道交通、船舶以及电力电子、新能源汽车等方面都有了长足的进步。
针对飞机结构及材料，国内开展了搅拌摩擦焊基础工艺技术研究，并与国内飞机设计所和制造厂合作，积极探索搅拌摩擦焊应用于在役和未来新一代战斗机、大飞机的可行性。如图6所示。
图6 搅拌摩擦焊薄壁飞机模拟结构件
基于搅拌摩擦焊在航天铝合金结构产品制造上的优越性和新型空间运载工具发展需要，中国搅拌摩擦焊中心于“十五”期间重点对航天运载火箭箭体结构搅拌摩擦焊进行了研究开发，同时为了适应国际航天焊接技术发展趋势， 国内的航天制造企业也积极采用搅拌摩擦焊用于航天贮箱结构焊接。如图7所示。
图7 铝合金燃料贮箱筒段模拟验证件
与航空航天类似，搅拌摩擦焊在轨道交通以及船舶上的应用主要也是结构件的生产制备。比如列车车身壁板、驱动箱、船甲板、汽车车门、轮毂等。如图8所示。
图8 搅拌摩擦焊加工轨道列车车身壁板和轮船壁板
而在电力电子方面，搅拌摩擦焊技术主要应用在中空热沉器、散热器及传感器等。如图9所示。
图9 水冷散热器
市面上的新能源汽车电池盒原材料采用6系的铝合金为主，一般焊接厚度在2-8mm左右。采用FSW焊接效率在1~2m/min（2~4mm焊缝）、0.8~1.5m/min（5~8mm焊缝），焊接设备采用恒压力系统和恒位置焊接功能，高效焊接的同时，保证焊接质量，可以很好满足电池盒的焊接需求。如图10所示。
图10 新能源汽车电池盒
6.常见的搅拌摩擦焊设备
目前搅拌摩擦焊设备主要分为三类：龙门式搅拌摩擦焊设备、搅拌摩擦焊专机和机器人搅拌摩擦焊设备。
设备具有刚度大、可焊工件厚度大、焊接稳定性强、焊接效率高等技术特点。如图11所示。
图11 龙门式搅拌摩擦焊设备
搅拌摩擦焊专机
即为特定尺寸、结构或功能定制的设备。如火箭燃料贮存箱搅拌摩擦焊专机。如图12所示。
图12 火箭燃料贮存箱搅拌摩擦焊专机
机器人搅拌摩擦焊设备
传统的龙门式搅拌摩擦焊设备只能完成直线或平面二维焊接要求，不能满足复杂结构件的焊接，机器人搅拌摩擦焊设备具有较高的柔性，可以实现复杂轨迹运动，使复杂结构件的焊接成为可能，可提升焊接自动化程度和生产效率，近年来得到了越来越多地应用。如图13所示。
图13 自动化流水线机器人搅拌摩擦焊设备