CWAN 0043-2021攪拌摩擦焊攪拌頭設計及制造標準

ICS25.160.20

CCSJ33

團體標準

T/CWAN0043—2021

Vcbh更好的聽個人

攪拌摩擦焊攪拌頭設計及制造標準

Designandmanufacturingstandardoffrictionstirweldingtool

2021-03-15發(fā)布2021-05-01實施

中國焊接協會發(fā)布

T/CWAN0043—2021

攪拌摩擦焊攪拌頭設計及制造標準

1范圍

本文件規(guī)定了攪拌摩擦焊攪拌頭設計、制造及使用技術條件。范圍包括攪拌摩擦焊用的

攪拌頭設計及制造、焊接的一般要求、焊前準備、焊接工藝、焊后檢驗和試驗以及安全要求

等。

2規(guī)范性引用文件

下列文件中的內容通過文中的規(guī)范性引用而構成本文件必不可少的條款。其中，注日期

的引用文件，僅該日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包

括所有的修改單）適用于本文件。

GB/T1804—2016一般公差未注公差的線性和角度尺寸的公差

GB/T2654焊接接頭硬度試驗方法

GB/T3375焊接術語

GB/T34630攪拌摩擦焊鋁及鋁合金

T/CWAN0012—2019焊接術語-壓力焊

3術語和定義

3.1

攪拌摩擦焊frictionstirwelding，FSW

高速旋轉的攪拌頭扎入工件后沿待焊方向運動，在攪拌頭與工件接觸部位產生摩擦熱和

劇烈塑性變形熱。使其附近金屬形成塑性軟化層，軟化層在攪拌頭旋轉和鍛壓作用下填充攪

拌針后方所形成的空腔，并在軸肩與攪拌針的攪拌及擠壓作用下實現材料連接的固相焊接方

法。

3.2

攪拌頭FSWTool

攪拌摩擦焊接過程中由攪拌針和軸肩組成的旋轉部件，對被焊材料施加攪拌摩擦效果的

工具，屬于攪拌摩擦焊的主要耗材之一。

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圖1.常用攪拌頭結構

3.3

攪拌針probe

在焊接過程中，插入被焊接材料內部進行焊接，起到攪拌摩擦的作用，是攪拌摩擦焊熱

量來源之一，屬關鍵功能部位，如圖1所示。攪拌針有多種不同的型式，根據不同的焊接材

料、不同的焊接接頭型式、不同的焊接及其他相關要求選配。

3.4

攪拌針根部proberoot

攪拌針結構中靠近軸肩的部分，如圖2所示，也是最容易出現攪拌頭失效的位置之一。

圖2.攪拌針結構

2

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3.5

攪拌針端部probetip

攪拌針結構中遠離軸肩的部分，如圖2所示。

3.6

軸肩shoulder

與攪拌針根本相連，焊接時與焊接母材表面發(fā)生摩擦作用，并起到對塑性材料的包絡作

用，屬關鍵功能部位，如圖1所示，。攪拌針有多種不同的型式，根據不同的焊接材料、

不同的焊接接頭型式、不同的焊接及其他相關要求選配。

3.7

過渡連接部位transitionjunction

如圖1所示，連接軸肩與夾持柄部，屬支撐輔助功能部位，可根據不同焊接工況調整

其結構型式。

3.8

夾持緊固部位clampingfasteningpart

如圖1所示，夾持柄部及緊固面可根據不同的焊接設備調整其結構型式，屬于攪拌頭

與設備的連接緊固部位。

3.9

止退面backstop

如圖1所示，止退面通常用于攪拌頭與設備的軸向定位并防止在焊接過程中因受力而

退縮造成焊接不良。

4攪拌頭設計原則

4.1攪拌針材料的選用原則

攪拌頭材料需根據被焊材料及焊接深度選取，需考察材料的韌性、抗剪能力、耐高溫性

等性能。

現一般選取模具鋼、高速鋼、鎳鈷基合金、鎢鑭合金及PCBN等。

鋼、鎳鈷基攪拌頭使用前需進行調制處理，硬度滿足在45HRC-70HRC。

4.2攪拌針設計

焊接時，攪拌針需插入被焊金屬，對被焊材料起到攪拌、摩擦的作用，是攪拌頭的功能

區(qū)之一。在其設計中需滿足焊縫金屬的有效流動及內部產熱。

4.2.1攪拌針徑向型式A及代號

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表1.主要的攪拌針徑向形式A及其代號

名稱圓錐圓柱偏心尖部加粗

代號1234

圖例

攪拌針根據設計要求通常選取圓錐1、圓柱2、偏心3、尖部加粗4等結構，以適應焊

接要求。

4.2.2攪拌針軸向型式B及代號

攪拌針軸向形式的設計主要考慮攪拌頭在焊接時可以滿足帶動被焊材料塑性流動的需

求，根據需要選擇圓形1、三棱面2、軸向槽3、螺旋槽4、偏心圓5等。

表2.攪拌針軸向形式B及代號

名稱圓形三棱面軸向槽螺旋槽偏心圓

代號12345

圖例

4.2.3針長設計

為保證焊接深度與產品設計一致，應選取合適的攪拌針針長。

一般針長L=焊接深度H-（0.2~0.3）mm

4.3軸肩設計

軸肩作為攪拌頭的主要功能區(qū)之一，起到了包絡塑性金屬、加強表面塑性流動、提供焊

縫熱輸入等功能。

4.3.1軸肩徑向型式C及代號

攪拌頭軸肩根據設計需要，選擇平面軸肩1、內凹軸肩2、外凸軸肩3。其中焊接三維

曲面時，應選擇外凸軸肩3。

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表3.攪拌頭軸肩徑向型式C及代號

名稱平面內凹外凸

代號123

圖例

4.3.2軸肩端面形貌設計D及代號

表4.軸肩端面形貌設計D及代號

名稱無槽式同心環(huán)槽單螺旋槽雙螺旋槽星狀式槽花瓣式槽放射狀槽

代號1234567

圖例

其中3、4的軸肩端面設計可不切至端面外圓。

4.3.3軸肩尺寸設計

在攪拌頭設計中，軸肩尺寸決定了攪拌頭對焊縫中的塑性材料的包絡作用及焊接熱輸入。

焊接深度在1-16mm鋁合金攪拌頭軸肩尺寸設計建議采用如下尺寸，如圖5所示。

4.4過渡區(qū)域設計

過渡區(qū)的設計需根據所焊產品結構及攪拌頭材料狀態(tài)選取不同結構的過渡區(qū)域。

4.5夾持端設計

夾持端設計需根據焊機、加工中心及銑床要求選取合適的夾持端。

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表5.焊接1-16mm鋁合金攪拌頭軸肩尺寸設計

4.6攪拌頭尺寸公差設計

圖3.攪拌頭尺寸公差設計

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5攪拌頭制造規(guī)范

5.1攪拌頭制造流程

根據攪拌頭材料熱處理后的硬度選擇攪拌頭的制造流程。

其中硬度＜55HRC時，制造流程為：

攪拌頭外圓粗加工（車/銑/磨）→熱處理→精加工（車/銑/磨）

硬度≥55HRC時，制造流程為：

攪拌頭外圓粗加工（車/銑/磨）→精加工（車/銑/磨）→熱處理→外圓磨

5.2車銑加工

車銑加工制作產品外圓、螺紋、內孔等精細尺寸，一般精度為0.01-0.05mm。

5.3熱處理

熱處理工藝為材料在固態(tài)下，通過加熱、保溫和冷卻的手段，以獲得預期組織和性能的

一種金屬熱加工工藝。在攪拌頭制作中起到提高金屬材料的強度、硬度及一定的韌性。

5.4磨床加工

磨床工藝一般為攪拌頭制作工藝的最后一步，起到了提高產品美觀度、更高的尺寸精

度，一般外圓精度1μm-5μm。

5.5表面涂層加工

攪拌頭表面涂層加工區(qū)域可采用局部功能區(qū)域噴涂和整體噴涂兩種；

為保證鋼制攪拌頭在涂層加工時保證熱處理后的硬度，建議采用PVD涂層，并且加

工溫度在500℃以內。

5.6激光打標

為保證攪拌頭的快速識別，建議在攪拌頭不易磨損及耐腐蝕區(qū)域使用激光打標的方式

進行標識。

5.7檢測規(guī)范

攪拌頭為高精密零件，在制作完成后需要對其關鍵尺寸進行細致檢測。

其外形檢測需使用卡尺、千分尺、三坐標、二次元等尺寸測量工具進行檢測；其細微尺

寸需使用二次元及輪廓度儀等高精密測量工具進行檢測。檢測未注公差的尺寸按照未注公差

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的公差標準GB/T1804-2016進行檢測，其中功能區(qū)精度為m級，非功能區(qū)尺寸精度為e

級。

6攪拌頭包裝、運輸及存儲規(guī)范

攪拌頭為高精密的焊接耗材，其包裝及運輸需要注意其規(guī)范化。

6.1包裝要求

攪拌頭的包裝應注意其在運輸顛簸狀態(tài)和腐蝕性環(huán)境下的仍可保持原始的外觀及焊接

能力，需要注意以下幾點：

6.1.1攪拌頭應放置于穩(wěn)定性良好的包裝盒內，保證其不會因顛簸發(fā)生位移；

6.1.2包裝材料應選取合適硬度、塑性的材料，保證其不會在意外情況下逸出包裝盒，造成

包裝失效；

6.1.3攪拌頭功能區(qū)域（攪拌針、軸肩）、裝夾區(qū)域為重要保護區(qū)域，需使用特殊方式進行

保護（如增添保護泡棉或保護套等方法）；

6.1.4在濕度較大或腐蝕環(huán)境下，應增添防腐手段（增加干燥劑和涂防銹油等）；

6.2運輸規(guī)范

為保證攪拌頭在運輸途中不會因運輸顛簸磕碰、海水腐蝕等因素引起的焊接失效，在

運輸途中盡量選取顛簸少、耗時短、低腐蝕性環(huán)境的運輸方法。

在運輸過程中需要標注向上、怕濕、小心輕放等標志

6.3攪拌頭的存儲

攪拌頭存儲的位置應保持干燥及不易觸碰的位置，并且采取一定的防塵措施。

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