目前国外对 BTFSW 进行了大量实验研究，通过对各种型号、各种厚度的铝合金 进行双轴肩搅拌摩擦焊焊接研究，为船体、轨道车辆等部件的生产提供了依据。我国 对双轴肩搅拌摩擦焊接技术的研究内容仍有限，主要还是小部件结构件生产，离工程 应用还有一定的距离，需要对其进行深入地研究。

1。2 搅拌摩擦焊

1。2。1 搅拌摩擦焊简介

FSW 技术是目前采用的是世界上一种先进的固相连接的技术[1]，从英国焊接研究 所(The Welding Institute，TWI) 在 1991 年发明到现在，已经被广泛的应用到诸如轨 道车辆车体制造、航空航海生产等目前较为热门的研发领域中。特别是当 1996 年宇 航结构件成功通过 FSW 技术生产制造后，开始在全球掀起了一股关于 FSW 技术的研 究发展以及推广应用的热潮。自此，搅拌摩擦焊技术被认为是 21 世纪最具性的 焊接技术。

1。2。2 FSW 技术原理与优点

FSW 对工件进行的焊接主要是通过焊接搅拌头与工件表面直接接触，然后在工 件表面进行高速旋转摩擦、搅拌。焊接过程的实质是一个柱状具有特殊轴肩和搅拌针 向外凸的搅拌头旋转向下压，使材料发生热塑性变形。随着搅拌头的搅拌摩擦，其周 围的发生热塑性变形的金属向其后方沉积，再通过轴肩的下压填补到由搅拌头前进而 形成的空穴处，从而形成 FSW 的焊缝[2]。因为在焊接的过程中没有金属的熔化，这 种焊接技术避免了焊接后接头焊缝区存在气孔和裂纹的缺陷。FSW 焊后接头的焊缝 区得到的组织是细晶组织，这种组织与传统弧焊的铸态组织不一样，细晶组织力学性 能更为良好。与传统焊接技术相比，经过这种焊接技术得到的接头抗拉强度较高，焊 接的变形相对小。通过研究表明，铝合金在进行 FSW 焊接的过程中，由摩擦产生的 最高温度不会很高，一般低于 600℃，这比传统焊接技术产生的温度小很多。因此， 焊后工件中残余应力小、尺寸精度高。据报道，FSW 焊接的变形量与 MIG 焊（Metal Inter-gas Welding）相比，可减小为它的 1/12[3]，图 1-1 所示为 MIG 焊核经 FSW 焊后 的变形量的比较。论文网

（a）脚变形 （b）垂向扭曲 （c）水平收缩 图 1-1 铝合金 MIG 焊与 FSW 变形对比

同时，FSW 技术是也一种纯机械化的焊接工艺，是通过与机加工的机床运动相 近的机械运动来实现运作的。所以相比于人工进行焊接而言，整个 FSW 过程中不受 操作者技术和当时状态的影响，焊接的接头质量也更加稳定。FSW 工艺不需要进行 开坡口，也不需要在焊接过程中填充焊剂、材料和其它一些具有保护性质的气体。因 为 FSW 具有破坏工件氧化膜的功能，这就意味着，在焊接中，不需要在焊接前实施 氧化膜的清理。焊接的工作环境（如温度、湿度等）对焊接接头质量的影响小，不需

要在工作厂房投入温度、湿度调节控制设备，节省了相应的大量的能量与资金的损耗。 FSW 过程相对来说洁净，不产生弧光、粉尘、射线、烟雾、飞溅以及有毒有害物质 的排放，能够大幅改善、保护一线作业人员的工作环境[4,5]。

1。2。3 FSW 技术应用

航天飞行器轻量化一直都是航空航天工业追求的目标，为此采用比强度很高的 2XXX 或 7XXX 等系列的铝合金材料制造飞机的机翼、运载火箭燃料的贮箱等重要部 件已然成为趋势（如图 1-2 所示）。在航天航空领域，波音公司是最早应用 FSW 工 艺技术实现实际产品的生产。在他们的生产过程中，普通的熔化焊技术已经完全被 FSW 技术所取代，实现了在大型空间运载工具中应用搅拌摩擦焊进行焊接制造，例 如焊接装载在飞机上的大型的储油箱以及机体的大型结构件。在外太空领域中，美国 月蚀航空公司是走在全世界 FSW 技术研究应用的前列，此公司于 1997 年启动了 FSW 技术在飞机制造业中应用研究的项目，并在 2002 年通过了飞行认证[6]。图 1-2 飞机部件 FSW 应用 在船艇结构件生产制造业中，挪威 Hydro Marine Aluminum 公司在 1995 年成功地用 FSW 技术代替传统焊接技术，加快了制造速度和提高了制造质量。从 1996—1999年，已经成功地焊接了 1600 多块的船舶面板，缝总的长度超过了 100km。随后， 日本及澳大利亚的造船公司相继在制造船舶结构的过程中大量地采用 FSW 技术，制 造了许多结构件，如制造出了高速货船的甲板、侧墙、渔船的冷藏箱板。日本的 Sumitomo 轻金属公司通过采用 FSW 技术成功地实现了类如耐海水板材和铝质蜂窝等 结构件的焊接[7]，为防止船艇在海水中的腐蚀，延长了船艇的使用寿命。