为了避免难焊钢材搅拌摩擦焊面临的搅拌工具磨损和断裂问题，并优化接头显微组织及力学性能，本工作提出了预制涡流搅拌摩擦焊(PF-VFSW)新工艺，并以3 mm厚Q195钢为模型材料针对新工艺进行了系统性探索研究，重点讨论了套筒材料、转速、焊速及搅拌工具倾角对接头宏观形貌、微观组织及力学性能的影响。结果表明，对于无倾角的WC-Co套筒，其最优转速-焊速组合为500 r/min、20 mm/min，所获接头底部存在沿晶界分布的弱连接缺陷，且随着同接头顶端距离的增加，氧化物分布变广，未接合区域面积扩大。使用W-Re搅拌工具并设定1°的焊接倾角后，适当调控工艺参数即可消除接头底部弱连接缺陷，对应最优工艺参数组合为300 r/min、20 mm/min。搅拌区中剧烈塑性变形导致的动态回复和连续/不连续动态再结晶行为使其再结晶比例较母材有所降低，小角度晶界比例显著升高，同时晶粒得到明显细化，搅拌区晶粒尺寸最小为3.8 μm，较母材降低80.51%。采用WC-Co和W-Re套筒所获接头的显微硬度较母材分别提高了6.44%和18.90%，抗拉强度分别提高了1.74%和5.91%，达到317.26和330.25 MPa，接头连接效率均可达100%。以上结果表明PF-VFSW技术可实现低碳钢的低成本高质量焊接。