攪拌摩擦焊（FSW）是一種固態連接過程，使用一種不消耗工具的工具來連接兩個面對的工件，而不會熔化工件材料。旋轉工具和工件材料之間的摩擦會產生熱量，從而導致攪拌摩擦焊工具附近的區域變軟。當沿著接合線移動工具時，它會機械地將兩塊金屬混合在一起，并通過工具施加的機械壓力鍛造熱的和軟化的金屬，就像接合粘土或面團一樣。它主要用于鍛造或擠壓鋁特別是對于需要很高焊接強度的結構。攪拌摩擦焊能夠連接鋁合金、銅合金、鈦合金、低碳鋼、不銹鋼和鎂合金。最近，它已成功用于聚合物的焊接。此外，攪拌摩擦焊最近已實現了將異種金屬（例如鋁）與鎂合金接合在一起。攪拌摩擦焊的應用可以在現代造船、火車和航空航天應用中找到。

將帶有異型探頭的旋轉圓柱形工具送入兩個夾緊的工件之間的對接，直到直徑大于銷釘的凸肩接觸到工件表面。探針略短于所需的焊接深度，并且工具肩部位于工作表面上。短暫的停留時間后，工具以預設的焊接速度沿接合線向前移動。

耐磨工具和工件之間會產生摩擦熱。這種熱量，以及由機械混合過程產生的熱量以及物料中的絕熱熱量，使攪拌的物料軟化而不會熔化。當工具向前移動時，探針上的特殊輪廓會迫使塑化材料從前表面到后表面，在此高的力有助于鍛造焊縫的固結。

工具在金屬的增塑的管狀軸中沿焊接線移動的過程會導致嚴重的固態變形，包括基材的動態再結晶。

攪拌摩擦焊的固態特性比熔融焊接方法具有多個優勢，因為避免了與液相冷卻相關的問題。攪拌摩擦焊期間不會出現諸如孔隙率、溶質再分布、凝固裂紋和液化裂紋等問題。通常，已發現FSW產生的缺陷濃度低，并且非常能容忍參數和材料的變化。

但是，如果操作不當，攪拌摩擦焊會帶來許多獨特的缺陷。例如，由于低轉速或高橫向速度而導致的焊接溫度不足，意味著焊接材料無法適應焊接過程中的大范圍變形。這可能會導致沿焊縫延伸的長隧道狀缺陷，可能會出現在表面或次表面上。低溫也可能會限制工具的鍛造作用，因此會降低焊縫兩側材料之間的粘結連續性。材料之間的光接觸產生了“親吻鍵”的名稱。由于使用非破壞性方法（例如X射線或超聲波測試）很難檢測到該缺陷，因此特別令人擔憂。如果銷釘不夠長或工具從鋼板中伸出，則焊縫底部的界面可能不會被工具打斷和鍛造，從而導致缺乏穿透性的缺陷。這本質上是材料中的一個缺口，可能是疲勞裂紋的潛在來源。

與傳統的熔焊工藝相比，攪拌摩擦焊具有許多潛在的優勢：

• 在焊接狀態下具有良好的機械性能。
• 由于沒有有毒煙霧或熔融材料飛濺而提高了安全性。
• 無消耗品-由常規工具鋼制成的螺紋銷（例如，硬化的H13）可以焊接1公里（0.62英里）以上的鋁，并且鋁不需要填充物或氣體保護層。
• 在簡單的銑床上輕松實現自動化-降低設置成本、減少培訓。
• 由于沒有焊池，因此可以在所有位置（水平、垂直等）操作。
• 通常情況下，良好的焊接外觀和最小的厚度不足/過度匹配，從而減少了焊接后昂貴的加工需求。
• 可以使用具有相同接頭強度的較薄材料。
• 低環境影響。
• 從融合轉變為摩擦，可提高總體性能和成本。

但是，已發現該過程的一些缺點：

• 拔出工具后，離開左側的出口孔。
• 重型夾緊需要很大的下壓力才能將板固定在一起。
• 不如手動和電弧加工（厚度變化和非線性焊接困難）靈活。
• 橫移速度通常比某些熔焊技術慢，但如果需要較少的焊接次數，則可以抵消。

在焊接過程中，許多力將作用在工具上：

• 需要向下的力才能將工具的位置保持在材料表面或材料表面以下。一些攪拌摩擦焊機在負荷控制下運行，但在許多情況下，工具的垂直位置是預設的，因此負荷在焊接過程中會發生變化。
• 橫向力平行于刀具運動，并且在橫向方向上為正。由于該力是由于材料對工具運動的抵抗力而產生的，因此可以預期，該力將隨著工具周圍材料溫度的升高而減小。
• 橫向力可以垂直于工具橫向移動，并且在此被定義為朝焊縫前進側為正。
• 旋轉工具需要扭矩，扭矩的大小將取決于下壓力和摩擦系數（滑動摩擦）和/或材料在周圍區域的流動強度（靜摩擦）。

為了防止工具斷裂并xxx程度地減少工具和相關機械上的過度磨損、修改焊接周期，以使作用在工具上的力盡可能小，并避免突變。為了找到最佳的焊接參數組合，很可能必須達成折衷，因為從生產率和焊接角度來看，有利于低力的條件（例如高熱量輸入，低行進速度）可能是不希望的屬性。

圍繞工具的材料流動方式的早期工作使用了不同合金的刀片，當通過顯微鏡觀察時，該刀片與普通材料的對比度不同，以試圖確定工具通過時材料在何處移動。數據被解釋為代表原位擠出的一種形式、工具、墊板和冷的基礎材料在此處形成“擠壓室”，熱的塑化材料通過擠壓室進入。在此模型中，工具的旋轉幾乎不會或根本不會在探針的前端拉動任何材料。取而代之的是，材料部分位于銷釘的前面，并向下穿過任一側。在材料通過探針之后，由“模具”施加的側向壓力將材料推回一起，并且隨著工具肩部的后部從上方通過而較大的向下力使材料鍛造，接合處發生了固結。

最近，提出了另一種理論，該理論主張在某些位置進行大量的物質運動。該理論認為，某些材料確實會圍繞探針旋轉至少一圈，而正是這種材料運動在攪拌區產生了“洋蔥環”結構。研究人員結合使用了薄銅條嵌件和“凍結銷”技術，使工具迅速停在原處。他們建議物質運動通過兩個過程發生：

1. 焊縫前進側的材料進入一個區域，該區域隨異型探頭一起旋轉并前進。從上方（即，沿工具軸線向下）觀察時，該材料變形很大，并在銷釘后脫落，形成弧形特征。值得注意的是，銅進入了銷周圍的旋轉區域，在那里被分解成碎片。這些碎片僅在工具后面的材料的弧形特征中發現。
2. 較輕的材料來自銷釘前面的后退側，并被拖到工具的后部，并填充了前側材料弧之間的間隙。該材料不會圍繞銷旋轉，而較低的變形程度會導致較大的晶粒尺寸。

這種解釋的主要優點是，它為洋蔥環結構的生產提供了合理的解釋。

用于攪拌摩擦焊的標記技術可提供有關標記在焊接材料中的初始和最終位置的數據。然后，從這些位置重新構造物料流。攪拌摩擦焊接過程中的詳細材料流場也可以基于基本科學原理，從理論考慮中得出。物料流量計算通常用于許多工程應用中。攪拌摩擦焊接中的材料流場的計算既可以使用全面的數值模擬進行，也可以使用簡單但有見地的分析方程式進行。用于計算材料流場的綜合模型還提供了重要信息，例如攪拌區的幾何形狀和工具上的扭矩。數值模擬顯示了能夠正確預測標記實驗的結果以及在摩擦攪拌焊接實驗中觀察到的攪拌區幾何形狀的能力。