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搅拌摩擦焊工艺特点及应用
火巧英 胡伟
摘 要: 本文主要讲述了搅拌摩擦焊的基本原理、工艺特点以及目前搅拌摩擦焊在铝合金车体上
的应用。并对搅拌摩擦焊与弧焊工艺性进行对比分析，简要阐述了搅拌摩擦焊的发展趋势。
关键词: 搅拌摩擦焊; 基本原理; 金相；工艺
Friction stir welding characteristics and application
Abstract ：This paper describes the basic principles of friction stir welding, process characteristics and
the application of FSW for the production of aluminium alloy carbody . And conducts a comparative
analysis between friction stir welding and arc welding process .And has a brief description of the
development trend of friction stir welding
Keyword： FSW basic principles Metallographic Process
0 搅拌摩擦焊概述
搅拌摩擦焊(简称FSW)是一个涉及温度、力学、冶金及其相互作用的高度复杂过程，
此过程中以摩擦界面处材料的塑性变形为主，界面处塑性金属流动的产生以及流动行为
将会影响到热源的产生以及界面的扩散与动态回复再结晶，进而影响到焊接接头的质量。
塑性金属层是否连续、完整和牢固地覆盖于摩擦界面，对能否形成无缺陷、优质的焊接
接头具有重要影响。因此，研究搅拌摩擦焊工艺特点非常重要。通过对摩擦焊塑性连接
工艺的研究，建立焊接参数对塑性流动的影响规律，对于确定焊接参数、优化焊接工艺、
控制焊缝接头的组织和性能，进而提高焊接质量具有重要的实用价值。
1 搅拌摩擦焊工艺特点
搅拌摩擦焊的焊接过程如图1所示。搅拌针
伸进材料内部高速旋转进行摩擦和搅拌，搅拌头
的肩部与工件表面摩擦生热，并防止塑性状态材
料的溢出，同时可清除表面氧化膜的作用。搅拌
头高速旋转与工件间发生搅拌摩擦,利用摩擦所
产生的热，使工件达到热塑性状态，此时，搅拌
头沿着焊板进行接缝运动，由此形成了搅拌摩擦
焊的焊缝。
图1 搅拌摩擦焊焊接示意图
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1.1 搅拌摩擦焊温度场
搅拌摩擦焊的热输入来源于搅拌头轴肩型面与被焊材料之间的摩擦生热。对于搅拌
摩擦焊在焊接铝合金薄板时，最高温度并不出现在焊缝中心处，而是出现在搅拌头轴肩
边缘附近，图2 FSW焊接温度场在垂直于焊缝方向的分布。FSW焊接温度场最高点位于搅
拌头轴肩边缘处的焊接前进侧，焊缝中心处的温度低于轴肩边缘处温度，而轴肩边缘处
前进侧温度略高于后退侧温度。 焊接过程中搅拌头轴肩挤压塑性流动的金属材料使得少
量金属被挤出，以有规律的波浪薄层状金属的形式出现在焊接的后退侧，形成飞边。均
匀连续的飞边起到了散热器的作用，焊接过程中输入的热量通过飞边而更快的散失，在
一定程度上造成了焊缝两侧温度
的差异。同时，前进侧轴肩任意
点的线速度与焊接速度方向相
同，轴肩与接头材料之间的相对
运动速度较大；而后退侧轴肩任
意点的线速度与焊接速度相反，
轴肩与接头材料之间的相对运动
速度较小，这种相对运动速度的
差异也导致了对接面两侧热输入
的差异。
1.2 搅拌摩擦焊接头组织
搅拌摩擦焊的接头金相组织如图3(材料为6005A-T651)所示。焊核位于焊缝中心，内
部组织是清晰的洋葱形状，由一系列的椭圆排列组成，焊核延伸到焊件的表面。
搅拌摩擦焊接头的焊缝组织可分为4个区域：A区为母材区，无热影响也无变形；B
区（HAZ）为热影响区，没有受到变形的影响，但受到了从焊接区传导过来的热量的影响。
除了腐蚀反应比母材快一些之外，它的金相组织与母材没有多大区别；C区（TMAZ）为热
变形影响区，该区既受到了塑性变形的影响，又受到了焊接温度的影响。焊接过程引起
长晶粒的弯曲和轻微的重结晶，这一区域的硬度最低；D区（Nugget）为焊核，是两块焊
图2 FSW焊接温度场在焊缝方向的分布
图3 搅拌摩擦焊接头金相组织
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件的共有部分，焊核区的金相组织是明显的等轴晶粒，并且非常细小。焊核区的硬度比
时效强化和加工硬化的母材要低。
1.3 搅拌摩擦焊接头金相试验
焊缝两侧由于相对于搅拌头转速不同，焊接方向与搅拌头旋转方向相同的为前进侧
(Advancing side of weld)，反之为后退侧(Retreating side of weld)。前进侧与母材
存在明显分界线，后退侧与母材分界线不明显，这是由于前进侧的母材被搅拌针从母材
切割下，在搅拌针的挤压和摩擦力的作用下沿搅拌针的后方向前进侧运动。后退侧没有
这一切割现象，因而晶粒度过渡均匀没有明显分界线。图4 金相照片证明侧墙板FSW接头
无裂纹、孔洞等缺陷，其中的红色斑点，可能是析出的强化相腐蚀过程中剥落所致，其
中前进侧和焊核底部出现明显强化相富集现象。同时，焊核中存在FSW接头常见的S线，
是搅拌摩擦焊接头中出现的典型特征，对于6XXX系列的铝合金这一现象尤为明显。在焊
接过程中搅拌针对塑化的金属进行搅拌，使其发生扭曲，S线便是原先的工件对接面消失
后造成的特殊组织，在金相试验过程中，该处的组织对腐蚀剂比其它地方更加敏感，导
致腐蚀后出现了颜色差异，接头的S线是金相试验中腐蚀造成的，而不是裂纹缺陷。同时，
接头优异的拉伸、弯曲和疲劳性能可以从侧面证明这一结论。
①
前进侧 ②焊核 ③焊核底部 ④后退侧
图4 FSW接头微观组织（参数为1400/600）
2 搅拌摩擦焊在铝合金车体上的应用
在铝合金结构制造过程中，焊接已发展成为一种重要的制造工艺，各种铝合金的主
要承力构件和部件大都采用了焊接结构。目前，铝及铝合金的焊接技术已经有了长足的
进步，除传统氩弧焊等熔焊工艺外，搅拌摩擦焊等新型固相焊接方法已经从技术研究，
S线
母材
焊核
① ③④
根部搭接间隙
②
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迈向高层次的工程化和工业化应用阶段，现已成为铝及铝合金首选的连接工艺，图5 为
FSW在铝合金车体上的应用及搅拌摩擦焊侧墙板采用的设计结构。
图5 铝合金车体采用搅拌摩擦焊侧墙板
目前，搅拌摩擦焊工艺在铝合金车体上成功试制，标志着搅拌摩擦焊新技术在国内
轨道车辆的工程化应用。
2.1 搅拌摩擦焊与弧焊在铝合金车体上的性能对比
在轨道交通行业，随着列车速度的不断提高，对列车减轻自重，提高接头强度及结
构安全性要求越来越高。高速列车用铝合金挤压型材的连接方式，成为了制约发展的主
导因素。由于搅拌摩擦焊焊接接头强度优于MIG 焊焊接接头，并且缺陷率低，节约成本，
所以目前高速列车的制造，采用搅拌摩擦焊技术，已成为主流趋势。此外，与传统的MIG
焊及TIG焊接相比，因为热变形引起的焊接变形少，故可省略板侧焊道的精整工艺，可
减少焊接变形的校正工时。试验证明，FSW焊接与MIG焊接比较，搅拌摩擦焊金相组织致
密，与母材组织更为接近，从而表现出优良的性能。现代工业对焊接技术的需求在质量、
效率、成本和环保等方面都提出了更高的要求。
搅拌摩擦焊作为一种新型的摩擦焊接方法，在有色金属等材料的连接中具有广阔的
应用前景。搅拌摩擦焊采用的设备简单，工艺参数少且易于控制，焊缝没有凝固组织，
不会产生与材料熔化相关的缺陷，焊接应力或变形也小，而且接头性能良好，并适于多
种接头结构形式。并且，搅拌摩擦焊有效改善焊接现场的状况，不会对环境造成危害。
因此搅拌摩擦焊满足保护环境、清洁生产、可持续发展方面的要求，FSW的工程化应用将
成为必然趋势。
3 结论
我国铁路交通业正处于快速发展的阶段，通过技术的提高，降低交通工具对能源的
需求，提高旅客乘车环境，对我国的稳定发展具有重要的意义。选择合理的焊接方法，
研制合理的焊接工艺，使用优秀的焊接员工和良好的焊接设备与工装，严格控制焊接过
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程，实施有效的质量检测，才能生产出优质的铁路车辆，从而推进我国铁路车辆焊接技
术的发展。
参考文献
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[2] 户取征二郎.铝合金车体的焊接组装.国外机车车辆工艺,2002(3):1.
[3] John Davenpo rt. 摩擦搅拌焊接技术已在欧洲推广应用.国外机车车辆工艺，2002(7):13
[4] 航空铝合金搅拌摩擦焊标准（TWI）.
[5] Benchmarking weld performance in aluminium joints(ALJOIN PLUS) .
作者简介：
火巧英 女，工程师，2006年毕业于兰州交通大学机械设计制造及自动化专业，工学学士，现在城
轨事业部从事地铁车辆焊接工艺工作。
胡伟 男，助理工程师，2010年毕业于重庆大学材料成型与控制工程，工学学士，现在城轨事业部
从事地铁车辆焊接工艺工作。