攪拌頭

　　一、攪拌指棒的材質(zhì)及形狀

　　1、攪拌指棒的材質(zhì)

　　由于攪拌指棒要產(chǎn)生并承受摩擦熱，高溫剪切強(qiáng)度是攪拌指棒根部必須考慮的一個(gè)很重要的因素。目前英國焊接研究所采用工具鋼來制作攪拌指棒，例如TWI的Nicholas采用工具鋼AISI-H13。日本采用了SUS440馬氏體不銹鋼以及工具鋼SKD61作為攪拌指棒的材料。從攪拌指棒的高溫強(qiáng)度出發(fā)，目前攪拌摩檫焊只能焊接鋁、鎂及其合金和銅合金等。隨著攪拌指棒的材質(zhì)不斷開發(fā)，可以預(yù)見會(huì)有更多的材料適用于攪拌摩檫焊焊接。

　　2、攪拌指棒的形狀

　　攪拌指棒的形狀為單純圓柱形或加工成稍帶錐形的圓柱形;也有得把單純圓柱形加工成螺紋牙型或淺牙形，而端部形狀一般為半球形。

　　TWI采用FSW焊接75m特大厚板時(shí)，采用的攪拌頭表面如圖2-2(a)所示，切削成螺紋牙型的螺旋溝，目的是增加對(duì)被焊金屬的攪拌力。圖2-2(b)所示為較為復(fù)雜形狀的攪拌指棒。

圖2-2新的攪拌頭

　　二、攪拌頭肩部的形狀和材質(zhì)

　　如圖2-3所示，攪拌頭的肩部不是平面狀，而是稍帶凹面的形狀，凹的程度應(yīng)通過實(shí)踐來確定。這種肩部形狀在旋轉(zhuǎn)摩檫時(shí)，會(huì)促進(jìn)其正下方母材表面金屬的塑性流動(dòng)，增強(qiáng)混合攪拌效果。

圖2-3攪拌頭的肩部形狀

　　因?yàn)閿嚢桀^的肩部是產(chǎn)熱之處，可采用熱傳導(dǎo)率低的二氧化鋯作為肩部材料;而有的攪拌頭為整體鋼制。它與采用通常一體型全鋼制攪拌頭相比，向攪拌頭傳導(dǎo)的熱減少，即減少了熱損失;而且在相同條件下也不會(huì)增加FSW熱影響區(qū)的寬度。

　　在FSW高速焊時(shí)，肩部的發(fā)熱量增加了30-70%。只有當(dāng)肩部材質(zhì)為二氧化鋯時(shí)，向攪拌頭側(cè)的熱傳導(dǎo)會(huì)得到有效的抑制，該攪拌頭才適用于高速FSW焊接。

　　三、攪拌頭的壽命

　　攪拌頭的壽命主要是以攪拌指棒根部的損傷為衡量標(biāo)準(zhǔn)。由于攪拌指棒根部易發(fā)生高溫疲勞或剪切破壞，而造成損傷。

　　初步試驗(yàn)結(jié)果表明，攪拌頭的材質(zhì)、形狀、被焊工件的板厚各異以及焊接工藝參數(shù)不同，其壽命會(huì)有差別。在實(shí)際施焊過程中，以達(dá)到規(guī)定的焊縫長度或達(dá)到規(guī)定的使用時(shí)間為其壽命。例如焊接板厚6mm的6082-T6鋁合金時(shí)，焊接長度為800m。

　　當(dāng)攪拌頭壞損后，一定要把殘留在焊縫內(nèi)的破損的攪拌指棒取出。目前，采用肉眼觀察檢驗(yàn)攪拌頭是否破損，是不容易的。在實(shí)際施焊過程中，達(dá)到規(guī)定的壽命，必須更換攪拌頭，然后通過研磨等修復(fù)處理后再使用。

　　四、攪拌頭的前進(jìn)角

　　攪拌頭的前進(jìn)角是指攪拌頭中心軸線與工件表面垂線之間的夾角。在一般情況下，攪拌頭的前進(jìn)角定為3-5º。確定前進(jìn)角的目的，一般認(rèn)為它可以提高攪拌頭的壽命，促進(jìn)摩擦引起的焊縫金屬塑性流動(dòng)，消除產(chǎn)生缺陷的傾向。

圖2-4攪拌頭前進(jìn)角對(duì)焊縫金屬的塑性流動(dòng)停滯點(diǎn)位置的影響

　　攪拌頭的前進(jìn)角對(duì)焊縫金屬塑性流動(dòng)的影響如圖2-4所示。當(dāng)改變攪拌頭的前進(jìn)角時(shí)，焊縫金屬的塑性流動(dòng)停滯點(diǎn)發(fā)生很大變化。從圖中可以看出，在攪拌頭的前進(jìn)角為零度時(shí)，即攪拌頭與工件表面垂直，焊縫金屬的塑性流動(dòng)停滯點(diǎn)處于焊根部中心，隨著前進(jìn)角角度的增大，攪拌力增大，塑性流動(dòng)的停滯點(diǎn)向焊縫上方移動(dòng)，這有利于消除缺陷。

　　五、攪拌頭的位置

　　攪拌頭的位置是被焊金屬與攪拌頭的相對(duì)位置有關(guān)的參數(shù)。為了獲得沒有缺陷的良好接頭，被焊金屬必須通過攪拌作用向板厚方向輸入摩擦熱。這就要求攪拌頭的肩部必須完全與被焊金屬表面接觸，使攪拌指棒完全插入板厚的狀態(tài)保持穩(wěn)定。攪拌頭中心線的位置正好處于接頭中心線上。