CWAN 0022-2021攪拌摩擦焊靜軸肩焊具設(shè)計及制造標(biāo)準(zhǔn)

ICS25.160.20

CCSJ33

團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)

T/CWAN0022—2021

GB/T13814—92

攪拌摩擦焊靜軸肩焊具設(shè)計及制造規(guī)范

SpecificationfordesignandmanufactureofFSWstationaryshoulderweldingtool

2021-03-15發(fā)布2021-05-01實(shí)施

中國焊接協(xié)會發(fā)布

T/CWAN0022—2021

攪拌摩擦焊靜軸肩焊具設(shè)計及制造規(guī)范

1范圍

本文件規(guī)定了靜止軸肩攪拌摩擦焊焊具定義、作用、設(shè)計、制造及焊接技術(shù)條件的范圍

包括靜止軸肩攪拌摩擦焊用的焊具設(shè)計及制造和安全要求等。

本文件適用于各種材料的靜止軸肩攪拌摩擦焊焊接用焊具。

2規(guī)范性引用文件

GB/T1804一般公差未注公差的線性和角度尺寸的公差

GB/T3246.2-2012變形鋁及鋁合金制品組織檢驗(yàn)方法第2部分：低倍組織檢驗(yàn)方法

GB/T3323.1-2019焊縫無損檢測射線檢測第1部分：X和伽瑪射線的膠片技

GB/T3375焊接術(shù)語

GB/T11345-2013焊縫無損檢測超聲波檢測技術(shù)、檢測等級和評定

GB/T18851.1-2012無損檢測滲透檢測第1部分：總則

GB/T26953-2011焊縫無損檢測焊縫滲透檢測驗(yàn)收等級

GB/T26955—2011金屬材料焊縫破壞性試驗(yàn)焊縫宏觀和微觀檢驗(yàn)

GB/T34630攪拌摩擦焊鋁及鋁合金

T/CWAN0012—2019焊接術(shù)語-壓焊

3術(shù)語和定義

3.1攪拌摩擦焊frictionstirwelding

利用高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭插入被焊材料后沿焊接方向運(yùn)動，攪拌頭與焊接材料產(chǎn)生摩擦熱，

使材料達(dá)到熱塑性狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)工件間固相連接的焊接方法，見圖1。

1

T/CWAN0022—2021

說明:1-母材;3-攪拌頭;5-軸肩;6-攪拌針;13-焊縫表面;7-后退側(cè);12-前進(jìn)側(cè);11-匙孔.

8-攪拌頭旋轉(zhuǎn)方向（順時針/逆時針方向）;2-攪拌頭下壓;c-軸向壓力;9-焊接方向;10-攪拌

頭上提.

圖1攪拌摩擦焊原理示意圖

3.2靜止軸肩攪拌摩擦焊stationaryshoulderfrictionstirwelding

靜止軸肩攪拌摩擦焊通過內(nèi)部旋轉(zhuǎn)的攪拌針扎入待焊材料與焊接材料產(chǎn)生摩擦熱，使材

料達(dá)到熱塑性狀態(tài)，外部不旋轉(zhuǎn)的軸肩與試板表面緊密接觸并對材料施加壓力或者保證材料

不被擠出，內(nèi)部旋轉(zhuǎn)的攪拌針與外部不旋轉(zhuǎn)的軸肩一起沿焊接方向運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)工件間固相連

接的焊接方法，靜止軸肩攪拌摩擦焊用焊具如圖2所示。

說明:1-靜止軸套；2-緊固件；3-攪拌針；4-靜止軸肩.

圖2靜止軸肩攪拌摩擦焊具組件示意圖

3.3靜止軸套sleeve

2

T/CWAN0022—2021

靜止軸套用于連接靜止軸肩與焊接設(shè)備。焊接過程中設(shè)備的主軸帶動攪拌針發(fā)生旋轉(zhuǎn)，

靜止軸肩在焊接過程中不發(fā)生旋轉(zhuǎn)即需要將靜止軸肩與設(shè)備上不發(fā)生旋轉(zhuǎn)的位置進(jìn)行固定

連接，通過靜止軸套一端與設(shè)備不旋轉(zhuǎn)的位置進(jìn)行連接，另一端與靜止軸肩進(jìn)行連接，從而

實(shí)現(xiàn)外部不旋轉(zhuǎn)的靜止軸肩與內(nèi)部旋轉(zhuǎn)的攪拌針組成的焊具。

3.4緊固件locknut

用于將靜止軸肩與靜止軸套進(jìn)行連接，也可使用螺孔或者螺母進(jìn)行連接。

3.5攪拌針pin

焊接過程中內(nèi)部旋轉(zhuǎn)的部件。用來產(chǎn)生摩擦熱和焊件材料塑性流動的旋轉(zhuǎn)工具。

3.6靜止軸肩stationaryshoulder

焊接過程中外部不旋轉(zhuǎn)的部件，通過與材料表面的接觸及滑動形成表面焊縫形式。

3.7焊接傾角tiltangle

攪拌針軸線與焊件垂直方向的夾角。夾角與焊接方向相反，一般呈0°~3°。

4焊具設(shè)計原則

4.1攪拌針設(shè)計原則

4.1.1攪拌針材料的選用原則

根據(jù)待焊接材料的物理特性選擇，如材料的熔點(diǎn)、硬度等。

如焊接鋁合金時，鋁合金的熔點(diǎn)一般在660℃左右，攪拌針的材料應(yīng)該選擇工作溫度在

660℃左右時仍然能夠保證良好硬度、韌性和耐磨性的材料，如高速工具鋼或高溫綜合性能

尤其是抗磨性能更好的耐熱合金鋼等。

4.1.2攪拌針針部的設(shè)計原則

4.1.2.1攪拌針針長設(shè)計原則

根據(jù)待焊接工件的所需焊接深度設(shè)計對應(yīng)長度的焊針，如圖3所示，一般針長L=焊接

深度H-（0.2到0.3）mm。

3

T/CWAN0022—2021

注：h：焊接深度（mm），l：針長（mm），θ：焊接傾角（°），D：軸肩直徑（mm）

圖3針長計算方式示意圖

推薦使用以下公式進(jìn)行針長計算：

θθ

4.1.2.2攪拌針螺紋設(shè)計原則l=1/2Dtan+h/cos

根據(jù)針長選擇合適的螺紋形狀、螺紋深度及螺紋切面。

螺紋形狀一般有圓形、梯形、三角形等。

螺紋的深度一般根據(jù)針長和針直徑進(jìn)行選擇，螺紋深度一般為針長的0.1。

4.1.3攪拌針小軸肩直徑的設(shè)計原則

攪拌針小軸肩直徑主要根據(jù)焊接深度進(jìn)行選擇，小軸肩直徑的作用主要是輔助產(chǎn)熱。一

般來說，小軸肩直徑為攪拌針根部直徑的1到1.5倍。

4.1.4攪拌針外輪廓的設(shè)計原則

攪拌針的外輪廓以可以保證攪拌針在一定焊接參數(shù)范圍內(nèi)焊具穩(wěn)定焊接無抖動為原則。

4.2靜止軸肩設(shè)計原則

4.2.1靜止軸肩材料的選用原則

靜止軸肩材料選用和攪拌針材料一致，根據(jù)待焊接材料的物理特性選擇，如材料的熔點(diǎn)、

硬度等。

如焊接鋁合金時，鋁合金的熔點(diǎn)一般在660℃左右，軸肩的材料應(yīng)該選擇工作溫度在

660℃左右時仍然能夠保證良好硬度、韌性和耐磨性的材料，如高速工具鋼或高溫綜合性能

尤其是抗磨性能更好的耐熱合金鋼等。

4.2.2靜止軸肩端部直徑的設(shè)計原則

4

T/CWAN0022—2021

靜止軸肩端部與攪拌針端部均與待焊工件接觸，靜止軸肩端部直徑的內(nèi)徑與攪拌針的小

軸肩直徑匹配。

4.2.3靜止軸肩內(nèi)輪廓設(shè)計原則

靜止軸肩內(nèi)輪廓與攪拌針外輪廓匹配，匹配間隙在0.5mm到1.5mm之間。

4.2.4靜止軸肩外輪廓設(shè)計原則

靜止軸肩外輪廓的設(shè)計以保證軸肩不與工件或工裝發(fā)生干涉且靜止軸肩可以穩(wěn)定焊接

為原則。

4.3靜止軸套設(shè)計原則

靜止軸套作為連接靜止軸肩與設(shè)備的連接件，其設(shè)計原則應(yīng)盡量保證主軸與靜止軸肩的

同軸度，保證靜止軸套的剛度。靜止軸套的材料可以選擇結(jié)構(gòu)鋼或模具鋼。

4.4緊固件設(shè)計原則

緊固件的作用為將靜止軸肩與靜止軸套進(jìn)行連接，緊固件與靜止軸套的固定方式為可以

為螺紋連接、螺栓連接或者其他方式。緊固件的材料可以選擇結(jié)構(gòu)鋼或模具鋼。

5焊具制造原則

5.1原材料加工

加工后的保證焊具的每個位置的公差均不超過0.05mm，焊具的表面無油污無毛刺，保

證同心度不超過0.02mm。

5.2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(yù)期組織和性能的

一種金屬熱加工工藝。

在焊具制作中起到提高金屬材料的強(qiáng)度、硬度及一定的韌性。由原材料加工后的焊具需

要進(jìn)行熱處理才能進(jìn)行使用，根據(jù)選用的焊具的牌號確定熱處理工藝及熱處理后的硬度。

5.3焊具精磨

攪拌針熱處理后的焊具表面存在一層氧化皮，需要進(jìn)行精磨去除氧化皮，因此在進(jìn)行焊

具原材料加工時需要預(yù)留出精磨的量。精磨的尺寸根據(jù)最終焊具的尺寸決定。

5.4焊具表面處理

一般靜止軸套和緊固件在經(jīng)過熱處理后不需要精磨，而是需要進(jìn)行表面處理，保證其表

面一定的耐腐蝕性。

5

T/CWAN0022—2021

5.5焊具檢驗(yàn)原則

依據(jù)圖紙進(jìn)行焊具檢測，外部輪廓采用精度高于圖紙公差的測量工具進(jìn)行檢測。

根據(jù)焊具的內(nèi)輪廓制作相應(yīng)的檢具，對焊具的內(nèi)輪廓進(jìn)行檢驗(yàn)。

檢測未注公差的尺寸按照GB-T1804-2016未注公差的公差標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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焊具存儲、包裝及運(yùn)輸

焊具為高精密的焊接耗材，其包裝及運(yùn)輸需要注意其規(guī)范化。

6.1包裝規(guī)范

焊具的包裝應(yīng)注意其在運(yùn)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，需要確保以下幾點(diǎn)：

6.1.1焊具應(yīng)放置于穩(wěn)定性良好的包裝盒內(nèi)，保證其不會因顛簸發(fā)生位移；

6.1.2包裝材料應(yīng)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，另外包裝材料應(yīng)該為綠色環(huán)保的材料；

6.1.3焊具功能區(qū)域（攪拌針、軸肩）、裝夾區(qū)域?yàn)橹匾Ｗo(hù)區(qū)域，需使用特殊方式進(jìn)行保

護(hù)；

6.1.4在濕度較大或腐蝕環(huán)境下，應(yīng)增添防腐手段（增加干燥劑或涂防銹油等）。

6.2運(yùn)輸規(guī)范

6.2.1為保證攪拌頭在運(yùn)輸途中不會因運(yùn)輸顛簸磕碰、海水腐蝕等因素引起的焊接失效，在

運(yùn)輸途中盡量選取顛簸少、耗時短、低腐蝕性環(huán)境的運(yùn)輸方法。

6.2.2在運(yùn)輸過程中需要標(biāo)注向上、怕濕、小心輕放等標(biāo)志

6.3焊具的存儲

焊具存儲的位置應(yīng)保持干燥，并且采取一定的防塵措施。

7安全要求

7.1焊接操作過程中操作人員應(yīng)在安全區(qū)域內(nèi)，戴好安全帽并戴防護(hù)眼鏡和隔音耳塞；

7.2操作人員在焊接過程中戴防塵口罩和手套；

7.3焊接過程中禁止接觸攪拌頭和焊縫；

7.4焊接結(jié)束后裝卸攪拌頭和零件時防止?fàn)C傷。

6

T/CWAN0022—2021

附錄A

（資料性）

攪拌摩擦焊靜軸肩焊具使用方法

將靜止軸套固定于設(shè)備(龍門設(shè)備、機(jī)器人設(shè)備或者CNC設(shè)備)的主軸上，攪拌針通過頂

絲或者氣液壓的方式與刀柄連接，將匹配的靜止軸肩與攪拌針同心防止并通過緊固件與靜止

軸套進(jìn)行連接。

通過設(shè)置一定的焊接軌跡和焊接參數(shù)，開始運(yùn)行設(shè)備。焊接過程中攪拌針發(fā)生旋轉(zhuǎn)，外

部靜止軸肩不旋轉(zhuǎn)保持與焊縫表面接觸，通過程序的運(yùn)行形成焊縫。

靜止軸肩位置設(shè)計有部分出料槽和出料孔，出料槽和出料孔可以幫助擠入到軸肩內(nèi)的材

料排出，防止堵塞軸肩。當(dāng)出料槽和出料孔的材料排出過多時可以通過人工剪切或者機(jī)械的

方式除去出料，保證焊接的順利進(jìn)行。

7

T/CWAN0022—2021

附錄B

（資料性）

靜軸肩攪拌摩擦焊焊具使用焊前準(zhǔn)備及接頭要求

B.1表面處理

焊接前需對焊件的待焊接區(qū)域進(jìn)行清理，去除接頭面及待焊區(qū)周圍的表面氧化膜、油污

等其他物質(zhì)。焊件清理的方法可以通過化學(xué)方法如酒精或丙酮擦拭，也可以通過機(jī)械的方法

如打磨或拋光的形式。

B.2裝配

B.2.1裝配間隙

對接接頭允許的最大間隙應(yīng)不超過下表B.1的規(guī)定。

表B.1靜止軸肩攪拌摩擦焊對接接頭允許的最大間隙（單位：mm）

焊接深度t允許的最大間隙

≤3≤10%t或0.25，取較小值

3＜t≤5≤10%t或0.5，取較小值

5＜t≤8≤10%t或0.8，取較小值

8＜t≤12≤10%t或1.0，取較小值

12＜t≤20≤10%t或2，取較小值

B.2.2高度差

對接接頭允許的最大高度差應(yīng)不超過下表B.2的規(guī)定。

表B.2靜止軸肩攪拌摩擦焊對接接頭允許的最大高度差（單位：mm）

焊接深度t允許的最大高度差

≤3≤5%t或0.1，取較小值

3＜t≤5≤5%t或0.2，取較小值

5＜t≤8≤5%t或0.35，取