鋁合金是工業中應用最廣泛的有色金屬材料，在航空、航天、汽車、機械制造、船舶、建筑、裝修及化學工業中已大量應用。材料技術的進步使鋁合金材料得到了快速發展,迄今已經發展出航空鋁合金、宇航鋁合金、裝甲鋁合金、鋁基復合材料等不同系列和品種。隨著近年來科學技術以及工業經濟的飛速發展，對鋁合金焊接結構件的需求日益增多，使用量僅次于鋼，但鋁合金物理性質造成的焊接問題也成為亟待攻克的重大難題。

圖1 .中國鋁合金產能走勢
　　在通常情況下,對于這些先進的鋁合金材料,制造工藝一般不推薦甚至禁止使用熔焊進行連接。但是攪拌摩擦焊可以焊接所有系列的鋁合金[2-3] (圖2),從方法上徹底解決了鋁合金材料的焊接問題。


圖2. 不同系列鋁合金材料可焊性對比
　　鋁合金特殊的物理性質決定，鋁合金焊接難度大。因為鋁合金表面有一種熔點為2060℃非常難熔的氧化膜；采用傳統的熔化焊接方法，焊接時易產生氣孔，還會造成焊接面產生裂紋；甚至容易造成產品變形；熱導率大，焊接過程中還造成焊接接頭軟化。
　　攪拌摩擦焊采取的是一種先進的固相連接工藝，與傳統的熔化焊接方法相比較 ,攪拌摩擦焊具有晶粒細小 ,疲勞性能、拉伸性能和彎曲性能良好、無塵煙、無氣孔、無飛濺、節能、無需焊絲、焊接時不需使用保護氣體、焊接后殘余應力和變形小等優點。幾乎成為一種完全為鋁合金材質定制的焊接技術。


圖3. 攪拌摩擦焊原理
　　鋁合金攪拌摩擦焊焊縫表面與機械銑削加工痕跡相類似,呈現周期性的波紋特征。焊縫的寬度與攪拌工具的軸肩直徑相一致。鋁合金材料攪拌摩擦焊縫的宏觀顯微組織一般具有典型的"洋蔥環"狀特征。根據焊縫區域晶粒的特點和所經歷的物理冶金過程,攪拌摩擦焊接頭一般具有4個特征區域,從焊縫中心到母材金屬分別是:動態再結晶區、熱-機影響區、熱影響區、母材金屬。其中動態再結晶區域的材料經歷了高應變速率條件下的回復和再結晶過程,熱-機影響區金屬材料在熱循環和摩擦壓力條件下主要發生了晶粒的畸變和長大,并且是攪拌摩擦焊區別于熔焊的特征區域。


圖4. 攪拌摩擦焊接船用寬幅鋁合金帶筋板
　　對于所有系列的鋁合金材料,攪拌摩擦焊工藝技術已經基本成熟,在焊接厚度上早期英國焊接研究所（TWI）已經實現了100mm 厚度以上鋁合金結構可靠焊接。在中國,如今150mm大厚度鋁合金攪拌摩擦焊的雙面焊接技術也已經突破。


圖5. 攪拌摩擦焊接實現80mm鋁合金厚板焊接

圖6.厚板115mm鋁合金攪拌摩擦焊接剖面
　　從焊接結構角度講,一般認為攪拌摩擦焊是長、直焊縫（平板對接和搭接)的理想焊接方法,但是,實際上由于攪拌摩擦焊過程不存在被焊接材料的熔化,焊縫成形和質量不會受到焊縫或工件位置的影響,主要依靠設備來保證,攪拌摩擦焊可以實現全位置結構的焊接,如水平焊、垂直焊、仰焊以及任意位置和角度的軌道焊接。典型的攪拌摩擦焊接頭形式包括板板對接、多層對接、多層搭接、T形接頭、角接等。


圖7. 攪拌摩擦焊接焊縫結構