攪拌摩擦焊(FSW)是一種焊接薄板或板材的方法，它利用高速旋轉的焊具與工件摩擦產生的熱量使被焊材料局部熔化，當焊具沿著焊接界面向前移動時，被塑性化的材料在焊具的轉動摩擦力作用下由焊具的前部流向後部，並在焊具的擠壓下形成致密的固相焊縫。

攪拌摩擦焊尤其適合在物理和化學性能上差異很大的材料間的焊接，如鋁和鋼。然而，盡管這種焊接可以達到足夠的抗拉強度，工業界仍在尋找進一步加強焊縫的方法，這就是混合焊接工藝。其中一種很有發展前景的混合焊接工藝就是在攪拌摩擦焊接的同時，通過超聲波將額外的能量註入至連接區域。

德國開姆尼茨理工大學、Fraunhofer IWU及Polytec公司等密切合作，攜手研究這種超聲增強的焊接工藝 (USE-FSW)。

其中一種方法就是在攪拌摩擦焊接的同時，通過超聲搭接模塊將功率超聲導入至薄板材料中。

試驗裝置如下圖所示：

本文後附的文章裡詳細介紹瞭超聲波如何使焊接區域的界面更均勻、使鋼鐵微粒間的摩擦力更高從而使焊縫更牢固。

為便於對比，下圖的上半部分是采用標準FSW的焊接結果；下半部分是采用混合焊接工藝(USE-FSW)的焊接結果，不同材質的待焊接材料的焊接效果更佳。

Polyec公司為此所做的貢獻就是，使用MPV多點式激光測振儀和PSV-3D三維掃描式激光測振儀分析出超聲振動在焊接區所出現的位置和程度。

使用MPV和PSV系統測試焊接樣品的試驗裝置如下圖所示：

MPV多點式激光測振儀，本次試驗使用16通道同步測試（最多可達48通道）

PSV-500-3D三維掃描式激光測振儀

搭接模塊的作用是確保金屬板的焊接區域始終保持最大振動，以使焊縫更加牢固。

MPV-800同步測試瞭16個測點的振幅，在這期間焊頭橫向移動距離為200mm。測點的振幅隨著焊頭橫向位置變化而變化，如下圖所示。

根據上圖，我們可以推導出振幅最大的區域，可以清楚地看到它們隨搭接焊頭的橫向位置變化而變化。

超聲波金屬焊接的特點是縱波與焊接對象進行切向耦合，在金屬板中形成和傳播橫波。為瞭詳細地描述USE-FSW焊接過程，需要區分振動的縱向和橫向比例。PSV-500-3D三維掃描式激光測振儀完全能勝任此項任務，從它獲取的三維振動數據中輕松區分縱波和橫波。

與本文所介紹的技術相比，實際的工程應用已經有瞭新的進展，如今超聲波不再由搭接模塊而是直接通過旋轉的柱形工具將超聲波導入焊接區域，如下圖所示：

這種方式的好處有：

• 超聲耦合始終位於FSW柱型焊頭處
• 對金屬薄板的形狀要求更靈活(之前需要金屬薄板比較直，以確保搭接焊頭與攪拌摩擦焊頭的距離保持恒定)
• 益於現有攪拌摩擦焊機的更新升級

未來，Polytec將繼續支持“DVS德國焊接學會”項目，為進一步改進超聲增強攪拌摩擦焊接技術而做出貢獻。