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摩擦焊（FW）是利用工件端面相互运动、相互摩擦所产生的热，使端部达到热塑性状态，然后迅速顶锻，完成焊接的一种方法。搅拌摩擦焊（FSW)除了具有普通摩擦焊技术的优点外，还可以进行多种接头形式和不同焊接位置的连接。
与传统概念中的摩擦焊方法相似，搅拌摩擦焊焊接过程没有被焊材料的熔化，形成的是固相接头，是目前在世界范围内公认的最具潜力和应用前景的新型连接方法。如图1、图2为搅拌摩擦焊焊接过程，图3为搅拌摩擦焊工具。
搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding，简称FSW)是英国焊接研究所(The Welding Institute)于1991年发明的专利焊接技术。挪威已建立了世界上第一个FSW商业设备，可焊接厚3—15mm的Al船板（图4）；1998年美国波音公司的空间和防御实验室引进了FSW技术；麦道公司也把这种技术用于制造Delta运载火箭的推进剂贮箱（图5）。
截至2004年9月，全世界约有130家各个行业的公司和大学、研究机构获得了英国焊接研究所授权的FSW非独占性专利许可。作为一种新型制造产业,FSW技术正在世界范围内兴起！ 与常规摩擦焊一样，FSW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FSW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(welding pin)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，焊接原理如图6所示。 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，如图7所示为相对运动方向。
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FSW焊缝，如图8所示为焊缝形成过程。
FSW焊接过程中也不需要其它焊接消耗材料，如焊条、焊丝、焊剂及保护气体等，唯一消耗的是焊接搅拌头。同时，由于FSW焊接时的温度相对较低，焊接后结构的残余应力或变形也较熔化焊小得多。图9为焊接工具的温度变化，图10为典型摩擦焊表面沉淀图。
FSW过程中热输入相对于熔焊过程较小，接头部位不存在金属的熔化，是一种固态焊接过程，在合金中保持母材的冶金性能，可以焊接金属基复合材料、快速凝固材料等采用熔焊会有不良反应的材料。 在FSW加工中，剧烈的塑性变形和高温导致搅拌区中再结晶、晶体结构变化以及沉淀相的溶解和粗化。基于以上晶粒和沉淀相的特征，可将焊缝分为3个区域，分别是焊核区（NZ）、热机影响区(TMAZ)和热影响区(HAZ)。图11、12为焊接后横截面，图13为微观结构分区。
1) 焊核区（NZ）：FSW过程中剧烈的塑性变形和摩擦热，使得搅拌区形成细小的动态再结晶晶粒，又被称为动态再结晶区（DXZ）。 2) 热机影响区(TMAZ)：存在于热影响区和焊核区之间，其具有较高的变形结构，在FSW过程中，同时经历了塑性变形和热循环作用。 3) 热影响区(HAZ)：存在于热机影响区外的较小区域，其受到焊接热循环作用但没有受到机械作用，晶粒结构与母材相似。
图13. FSW微观结构分区 搅拌头（图14）包括轴肩和搅拌针的旋转组件，是FSW接设备最重要的组成部分之一，是FSW接技术的核心。它与被焊工件之间相互作用，实现焊接材料的连接。
在FSW过程中，搅拌头高速旋转插入到待焊材料的焊缝中产生摩擦热，是被焊材料热塑化，同时粉碎和弥散接头表面的氧化层，使材料在压力作用下扩散连接形成固相接头。图15显示了不同类型的摩擦搅拌头。
FSW技术的发展和成熟，促进FSW设备的设计、制造以及在工业制造领域的生产应用。针对不同的零部件和应用对象，世界范围内的FSW设备制造商,开发研制了系列化的FSW专用设备，并且在航空、航天、船舶、汽车等制造领域得到应用。图16为美国一台用于实验的精密FSW机器。
这台机器在高温材料和高度同心轴集成（轴跳动＜10μm）方面有很大进步，而且能够更好地检测监控力、转矩、速度和距离。图17是另一种模块化FSW系统，它的焊头是根据焊接合金及其厚度设计的。
相对于传统熔焊的优势： 1) 焊接接头热影响区显微组织变化小，残余应力比较低，焊接工件不易变形； 2) 能一次完成较长焊缝、大截面、不同位置的焊接； 3) 操作过程方便实现机械化、自动化，设备简单，能耗低，功效高，对作业环境要求低； 4) 无需添加焊丝，焊铝合金时不需焊前除氧化膜，不需要保护气体，成本低； 5) 可焊热裂纹敏感的材料，适合异种材料焊接； 6) 焊接过程安全、无污染、无烟尘、无辐射。
图18. FSW优缺点特性 相对于传统熔焊的局限： 1) 焊接工件必须刚性固定，反面应有底板； 2) 焊接结束搅拌探头提出工件时，焊缝端头形成一个键孔，并且难以对焊缝进行修补； 3) 工具设计、过程参数和机械性能数据只在有限的合金范围内可得； 4) 在某种情况下，如特殊领域中要考虑腐蚀性能、残余应力和变形时，性能需进一步提高才可实际应用； 5) 对板材进行单道连接时，焊速不是很高； 6) 搅拌头的磨损消耗太快。 FSW作为一种轻合金材料连接的优选焊接技术，已从技术研究，迈向高层次的工程化和工业化应用阶段。在美国的宇航制造工业、北欧的船舶制造工业、日本的高速列车制造等制造领域，FSW得到了广泛的应用,均已形成新兴产业。目前，FSW主要应用于航空航天、海洋、道路交通等（图19-26）。
航空飞行器铝合金结构件，如飞机机翼壁板、运载火箭燃料储箱等，选材多为熔焊焊接性较差的2000及7000系列铝合金材料，而FSW可以实现这些系列铝合金的优质连接（图27、28）。
在国外，FSW已经在飞机、火箭等飞行器上得到应用。波音公司在阿拉巴马州的Decatur工厂将FSW用于制造DeltaⅣ运载火箭中心助推器。美国Eclipse飞机制造公司应用FSW制造的第一架FSW商用喷气客机（Eclipse500）于2002年8月在美国进行了首飞测试。图29、30为FSW技术在航空制造方面的应用。
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