一种搅拌头轴肩临界值的计算方法

祝宗煌，左立生，李泽阳，左敦稳

(南京航空航天大学 机电学院，江苏 南京 210016)

0 引言

搅拌摩擦焊(friction stir welding,FSW)作为一种新型的固相连接技术在1991年首次被英国焊接研究所提出。相比于传统的电弧焊接工艺，FSW工艺在焊接铝合金方面具有明显的优势[1]，如焊接热输入、焊接残余应力和变形小等。其原理主要是利用搅拌头与工件发生相对运动摩擦生热使工件材料温度上升达到塑性状态；在搅拌针的高速旋转搅拌和轴肩的挤压同时作用下，工件的焊接区域形成致密的结合，从而实现材料的连接。选用合适的搅拌头和工艺参数可以获得性能优良的焊接头，目前普遍能达到母材力学性能的60%以上，经过工艺参数优化，甚至能达到90%[2]。

使用搅拌摩擦焊技术首先要解决的问题是选用合适的搅拌头。搅拌头对搅拌摩擦焊过程至关重要，尽管从搅拌摩擦焊发明至今，已经有大量的学者进行了相关研究，但是搅拌头却一直处于发展之中，至今没有搅拌头最优设计方案的定论和相关设计标准发布，并且学术界对如何选择合理搅拌头的研究较少。

本文从生产实际角度出发，以工程常用的圆锥等螺纹搅拌针+内凹锥面轴肩搅拌头为基础，以铝合金6061为例，根据被焊接工件材料与厚度，提出一种确定搅拌头最小轴肩直径的方法，同时也讨论了搅拌针直径和搅拌针长度的选择问题。

1 搅拌头结构外形

早期的搅拌头形状都比较简单，随着技术的不断发展，如今已经有许多形状各异的搅拌头被做出，如Whorl Tools搅拌头、Triflute搅拌头、MX-Triflute搅拌头等。……