搅拌头

　　一、搅拌指棒的材质及形状

　　1、搅拌指棒的材质

　　由于搅拌指棒要产生并承受摩擦热，高温剪切强度是搅拌指棒根部必须考虑的一个很重要的因素。目前英国焊接研究所采用工具钢来制作搅拌指棒，例如TWI的Nicholas采用工具钢AISI-H13。日本采用了SUS440马氏体不锈钢以及工具钢SKD61作为搅拌指棒的材料。从搅拌指棒的高温强度出发，目前搅拌摩檫焊只能焊接铝、镁及其合金和铜合金等。随着搅拌指棒的材质不断开发，可以预见会有更多的材料适用于搅拌摩檫焊焊接。

　　2、搅拌指棒的形状

　　搅拌指棒的形状为单纯圆柱形或加工成稍带锥形的圆柱形;也有得把单纯圆柱形加工成螺纹牙型或浅牙形，而端部形状一般为半球形。

　　TWI采用FSW焊接75m特大厚板时，采用的搅拌头表面如图2-2(a)所示，切削成螺纹牙型的螺旋沟，目的是增加对被焊金属的搅拌力。图2-2(b)所示为较为复杂形状的搅拌指棒。

图2-2新的搅拌头

　　二、搅拌头肩部的形状和材质

　　如图2-3所示，搅拌头的肩部不是平面状，而是稍带凹面的形状，凹的程度应通过实践来确定。这种肩部形状在旋转摩檫时，会促进其正下方母材表面金属的塑性流动，增强混合搅拌效果。

图2-3搅拌头的肩部形状

　　因为搅拌头的肩部是产热之处，可采用热传导率低的二氧化锆作为肩部材料;而有的搅拌头为整体钢制。它与采用通常一体型全钢制搅拌头相比，向搅拌头传导的热减少，即减少了热损失;而且在相同条件下也不会增加FSW热影响区的宽度。

　　在FSW高速焊时，肩部的发热量增加了30-70%。只有当肩部材质为二氧化锆时，向搅拌头侧的热传导会得到有效的抑制，该搅拌头才适用于高速FSW焊接。

　　三、搅拌头的寿命

　　搅拌头的寿命主要是以搅拌指棒根部的损伤为衡量标准。由于搅拌指棒根部易发生高温疲劳或剪切破坏，而造成损伤。

　　初步试验结果表明，搅拌头的材质、形状、被焊工件的板厚各异以及焊接工艺参数不同，其寿命会有差别。在实际施焊过程中，以达到规定的焊缝长度或达到规定的使用时间为其寿命。例如焊接板厚6mm的6082-T6铝合金时，焊接长度为800m。

　　当搅拌头坏损后，一定要把残留在焊缝内的破损的搅拌指棒取出。目前，采用肉眼观察检验搅拌头是否破损，是不容易的。在实际施焊过程中，达到规定的寿命，必须更换搅拌头，然后通过研磨等修复处理后再使用。

　　四、搅拌头的前进角

　　搅拌头的前进角是指搅拌头中心轴线与工件表面垂线之间的夹角。在一般情况下，搅拌头的前进角定为3-5º。确定前进角的目的，一般认为它可以提高搅拌头的寿命，促进摩擦引起的焊缝金属塑性流动，消除产生缺陷的倾向。

图2-4搅拌头前进角对焊缝金属的塑性流动停滞点位置的影响

　　搅拌头的前进角对焊缝金属塑性流动的影响如图2-4所示。当改变搅拌头的前进角时，焊缝金属的塑性流动停滞点发生很大变化。从图中可以看出，在搅拌头的前进角为零度时，即搅拌头与工件表面垂直，焊缝金属的塑性流动停滞点处于焊根部中心，随着前进角角度的增大，搅拌力增大，塑性流动的停滞点向焊缝上方移动，这有利于消除缺陷。

　　五、搅拌头的位置

　　搅拌头的位置是被焊金属与搅拌头的相对位置有关的参数。为了获得没有缺陷的良好接头，被焊金属必须通过搅拌作用向板厚方向输入摩擦热。这就要求搅拌头的肩部必须完全与被焊金属表面接触，使搅拌指棒完全插入板厚的状态保持稳定。搅拌头中心线的位置正好处于接头中心线上。