搅拌摩擦点焊是在搅拌摩擦焊的基础上开发的一种固相连接技术，具有接头质量高、缺陷少，变形小等优点。可以焊接厚度差别大的材料，特别适用于高强度铝合金的焊接。本文对搅拌摩擦点焊的工艺原理、特点及过程做了详细的介绍。
实物展示
1FSSW正面
图1 FSSW正面
2FSSW反面
图2 FSSW反面
3非填充式搅拌头与外观
图3 非填充式FSSW搅拌头及外观效果
4填充式FSSW断面与外观
图4 填充式FSSW断面与外观效果
5操作示意
图5 非填充式FSSW机器人
图6 填充式FSSW机器人
图7 FSSW用于马自达RX-8车门焊接
工艺介绍
搅拌摩擦点焊（Friction Stir Spot Welding, FSSW）是在搅拌摩擦焊的基础上新近研究开发的一种创新的焊接技术，其基本原理与缝焊相同，搅拌头高速旋转，与工件之间摩擦生热，使得位于搅拌头附近的材料处于塑性状态并且流动，在轴肩轴向力的作用下完成两块工件之间的连接，形成点焊接头。部分文献也将搅拌摩擦点焊翻译为Friction Spot Joining（FSJ）。
其与搅拌摩擦焊FSW的区别在于，在搅拌摩擦点焊过程中，搅拌头相对工件不做直线运动，焊接完成后仅在固定位置得到一个点焊接头。其工作原理如图8所示。
图8 搅拌摩擦焊的原理
北京赛福斯特-新型搅拌摩擦点焊机器人系统焊接演示：
图9 非填充式搅拌摩擦点焊工艺过程
非填充式搅拌摩擦点焊的工艺主要分为以下三个阶段：
①压入过程。搅拌工具在不断旋转下，通过施加顶锻压力插入连接工件中，在压力作用下工件与搅拌头之间产生摩擦热，软化周围材料，搅拌工具进一步压入工件。
②连接过程。搅拌头完镶嵌在工件中，保持搅拌工具压力并使工具肩部接触工件表面，继续旋转一定时间（依赖于连接强度和机理）。
③回撤过程。完成连接后搅拌工具从工件退出，在焊点中心留下典型的退出凹孔。
2填充式
第二种是填充式（德国GKSS研究中心于1999年发明），采用分离的搅拌针、搅拌套和搅拌活塞，通过精确控制搅拌针、搅拌套和搅拌活塞的相对运动，在搅拌工具回撤同时填充搅拌工具退出孔，焊点中心没有退出孔，其工艺过程如图10所示。
图10 搅拌摩擦焊的工艺过程
填充式搅拌摩擦点焊的工艺主要分为以下四个阶段：
①塑化。搅拌活塞压紧工件，搅拌针和搅拌套贴紧工件表面旋转加热工件，使材料塑化。
②搅拌针上升。搅拌套旋转压入材料内部，搅拌针旋转上升，材料流向搅拌针区域。
③搅拌针下压。搅拌针旋转下压，搅拌套旋转上升，材料流向搅拌套区域。
④完成。搅拌活塞、搅拌针和搅拌套下表面平齐后，脱离工件表面，搭接工件被焊点连接成一体。
非填充式FSSW设备比较简单，焊接速度较快，但焊点中心留有凹孔，适用于产品非表面焊接；填充式FSSW设备相对复杂，焊接速度较慢，但焊点中心没有凹孔，非常适用于对产品表面有平整要求的场合。
工艺优点
搅拌摩擦点焊FSSW与传统点焊有如下优势：
接头质量高。电阻点焊属于熔焊，接头中易出现气孔、裂纹和虚焊等缺陷，接头强度可靠性低，且焊后易发生翘曲变形。FSSW属于固相连接，在搅拌头旋转、挤压和粉碎等机械力的作用下，形成致密的组织结构，使FSSW接头具有优异的机械性能。图11为铝点焊和搅拌摩擦点焊的疲劳强度对比结果。
图11 铝合金点焊RSWA与FSSW接头疲劳性能对比
节省能源，降低成本。经研究，从电阻点焊的每个焊点40Wh降低到每个焊点0.4Wh，即搅拌摩擦点焊每个焊点电能消耗仅为电阻点焊的1%。
工艺过程简单，设备投资降低。搅拌摩擦点焊对工件表面状况要求不高，无需焊前清理即可得到高质量的点焊接头，另外无需任何辅助设备，如冷却水系统等。
连接工具寿命长。经Mazda公司的铝合金实验结果表面，搅拌头在经历了10万次点连接后也没有耗损现象出现。
工作环境清洁。无灰尘、无烟雾，无需大电流，无电磁和噪声污染。
应用与发展
1用于机盖、背门等非承载位置
搅拌摩擦点焊可用于一种材料的连接，图12为FSSW用于钢、铝及铜合金等异种材料连接的案例。丰田普锐斯的机盖和尾门也应用了此连接技术，但所见的FSSW仅应用于两层板件的焊接，需要用到三层焊接的位置都做了避让。
图12 FSSW用于马自达RX-8
2用于异种材料连接
搅拌摩擦点焊可用于一种材料的连接，图13为FSSW用于钢、铝及铜合金等异种材料连接的案例。
图13 FSSW用于异种材料连接
马自达公司正在研究利用“搅拌摩擦焊（FSW）”对铝合金和CFRP进行点接合的方法。在焊接铝合金与CFRP时，工具转动产生的摩擦热会使CFRP的母材（树脂）局部熔化，与铝合金连接在一起，效果如图14所示。
图14 FSSW用于异种材料连接
通过优化搅拌头的直径、按压载荷和转速，控制接合界面的温度，这种方法可以应用于母材使用“PP（聚丙烯）”、“PA（聚酰胺）6”等热可塑性树脂的CFRP与铝合金的接合。搅拌头的材料可以使用通常的合金工具钢。
3无针式搅拌摩擦点焊
有学者发明了一种新型FSSW工艺，无针搅拌摩擦点焊（Probeless Friction Stir Spot Welding,P-FSSW）,其焊接过程如图15所示，其创新点在于去掉了常规搅拌头轴肩断面的搅拌针，依靠轴肩断面对工件的旋转和挤压作用，促使焊缝金属流动，形成良好接头，采用的工具及焊接过程较为简单。也有部分机构将此技术称为流动摩擦点焊。
图15 无针搅拌摩擦点焊过程示意图
总结
搅拌摩擦点焊（FSSW）作为一种新型的先进连接技术，与传统的电阻点焊、铆接等相比，具有接头强度高、质量好、性能稳定、绿色无污染等优点。目前用在机盖和背门上，是一种解决钢铝异种材料连接很好的方案。
关于搅拌摩擦点焊的工艺参数的影响，FSSW设备及供应商的介绍等相关内容将在近期的公众号推送中介绍。
