攪拌摩擦焊攪拌頭研究現狀分析

付秋姣　趙琳琳

（1.國家知識產權局專利局專利審查協作廣東中心，廣東廣州 510535；2.廣州汽車集團股份有限公司汽車研究工程研究院，廣東廣州 511434）

攪拌摩擦焊攪拌頭研究現狀分析

付秋姣1趙琳琳2

（1.國家知識產權局專利局專利審查協作廣東中心，廣東廣州 510535；2.廣州汽車集團股份有限公司汽車研究工程研究院，廣東廣州 511434）

結合攪拌摩擦焊發展現狀，本文主要對攪拌摩擦焊攪拌頭領域專利進行統計分析，包括申請量、主要申請人、專利申請態勢分布、進行統計分析，對攪拌摩擦焊用攪拌頭的技術背景和應用領域的發展作了簡單歸納介紹，提出專利分析可以作為一種技術路線分析的手段，指引后續創新方向。

攪拌摩擦焊 攪拌頭 專利

1　前言

攪拌摩擦焊是英國焊接研究所（TWI）發明的一種新興的固態連接方法［1，2］。通過攪拌針和軸肩與工件間的摩擦熱，在攪拌針的附近形成塑性軟化層，軟化層在攪拌頭高速旋轉的作用下填充入攪拌針后方所形成的空腔內，從而實現可靠的連接［3-5］，如圖1所示。攪拌頭是攪拌摩擦焊的關鍵，最優攪拌頭是攪拌摩擦焊獲得高質量接頭的前提。攪拌頭主要由軸肩和攪拌針兩部分構成，其幾何形貌和尺寸不僅決定著焊接過程的熱輸入方式，還影響焊接過程中攪拌頭附近塑性軟化材料的流動形式，因而設計合理的攪拌頭是提高焊接質量、獲得高性能接頭的前提和關鍵。

2　攪拌摩擦焊攪拌頭介紹

攪拌頭是攪拌摩擦焊技術的關鍵，它的好壞決定了攪拌摩擦焊能否擴大待焊材料的種類，能否提高待焊材料的板厚范圍，它就如同是攪拌摩擦焊的心臟。攪拌頭一般由具有良好的高溫靜態、動態力學和物理特性的材料制成。攪拌頭的作用有以下幾個方面:（1）摩擦加熱使被焊處材料于塑性狀態；（2）破碎金屬氧化膜使之彌散化；（3）完成材料從攪拌頭前部向后部的轉移；（4）完成材料從頂部向底部的遷移；（5）成形接頭---形成固相連接接頭［6］。

攪拌頭包括特形攪拌針和軸肩兩部分。焊接過程中，軸肩與被焊材料的表面緊密接觸，防止塑化金屬材料的擠出和氧化，同時攪拌軸肩還可以提供部分焊接所需要的攪拌摩擦熱，攪拌針的形狀比較特殊，焊接攪拌針要旋轉著壓入焊接材料的結合界面處，并且沿著待焊界面向前移動。

2.1軸肩

軸肩在焊接過程中對塑性區金屬起包攏作用，與工件表面摩擦作為焊接熱源。在旋轉過程中，軸肩與工件表面接觸，并產生向下的力壓緊工件，這樣會促進接頭的塑性流動，增大混合攪拌的效果。軸肩的端面形式有水平端面和凹形端面。在TWI的國際專利中，軸肩的端面為水平型，其軸線與工件表面垂直，而TWI的中國專利中，對軸肩的端面形狀以及軸向方向作了改進，端面改成了凹形，軸線相對于工件法線方向有一個偏角（前進角），一般為2°～5°。凹形的設計可保證軸肩端部下方的軟化材料收集到軸肩端面的中心，以填充攪拌針后方所形成的空腔，同時可減少焊接過程中攪拌頭內部的英應力集中。而后，為了增進攪拌效果，開發出了許多表面帶有螺紋溝槽的端面。軸肩的發展經歷了這一過程:平面—凹面—同心—圓環槽—渦狀線的樣式，其主要作用是盡可能包攏塑性區金屬，促使接頭成型光滑平整，提高焊接行走速度。

2.2攪拌針

攪拌針的作用是通過旋轉摩擦生熱提供焊接所需的熱量，并帶動周圍材料的流動以形成接頭。攪拌針的重要功能是保證接頭處的攪動影響區域盡可能大，并使材料流動更合理。攪拌針壽命主要與攪拌針根部的高溫疲勞性能與抗剪切強度有關。攪拌焊焊接工具形狀及尺寸設計合理，會使焊接區摩擦產熱功率提高，熱塑性材料易于流動，焊接接頭質量提高。目前攪拌焊工具的形狀主要有以下幾種:圓柱形、圓錐形（錐度較小）、螺旋形及偏心式。TWI研制的錐形螺紋攪拌針WhorlTM和三槽錐形螺紋攪拌針MX TrifluteTM系列攪拌頭成平截頭體狀（或玻璃杯狀），帶有螺紋，可以在6mm厚的鋁合金擠壓型材上連續焊接上千米的接頭而不用更換［7］。

攪拌頭的肩部與工件表面摩擦產生的熱量是金屬熱塑化所需能量的主要來源，焊接工具軸肩的直徑通常是焊針直徑的1.5～4倍，保持焊接工具的肩部尺寸與攪拌焊針直徑的適當比例有助于改善接頭的平整度。若肩部尺寸過大，會擴大熱影響區范圍，降低接頭的力學性能。而肩部尺寸過小，焊接區熱輸入量減小，被焊材料塑形不足，焊接時向焊件所施加的壓力降低，不易獲得優質的焊接接頭。

最初，采用工具鋼來焊接鋁合金，但在焊接高熔點的材料時，鋼制攪拌頭會在540℃時軟化而嚴重磨損。為了滿足攪拌頭材料的可加工性、與母材相匹配的良好工藝性和使用壽命，研制出燒結鎢基高密度合金，用于焊銅。由于純鎢的攪拌頭磨損量太大，壽命較短，故采用鎢—錸合金的攪拌頭。近年來，更多的研究者采用多晶立方氮化硼（PCBN）制作攪拌頭。PCBN屬超耐磨材料，是在超高溫或者是超高壓的條件下制成，經燒結后在磨光成攪拌摩擦焊的攪拌頭的端部。這樣的攪拌頭具有摩擦系數小的特點，可減少與被焊材料的粘結，從而降低主軸功率。PCBN還具有高硬度，高耐磨性，高的傳熱系數，還可耐高溫，減小端頭的溫度梯度。另外，工程陶瓷氧化鋯也是最佳的攪拌針材料，它比普通的攪拌焊針多產熱30%～70%。高的熱輸入意味著可提高焊接速度，從而提高生產效率。

3　攪拌摩擦焊攪拌頭專利申請現狀

在當前科技時代，技術突飛猛進的發展，各個國家、公司、個人在重視科技創新的同時，也越來越重視對科技創新的保護，對知識產權的重視，下面通過專利分析手段來對攪拌摩擦焊攪拌頭的專利申請現狀進行分析和研究。

3.1專利申請量的分析

3.1.1國內年度專利申請量分析

由圖5可知，我國攪拌摩擦焊攪拌頭的專利從2004年開始，申請量為6件，從2004年至2012年期間，申請量趨于逐步增長的態勢，2012年申請量達到最大值82件，從2013年開始，申請量又開始下降，說明該領域技術或趨近成熟，申請量增長從而表現出衰減的趨勢。

3.1.2國外年度專利申請量分析

由圖6可知，VEN數據庫中，攪拌摩擦焊攪拌頭的國外專利申請是從1994年開始，而攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding，簡稱FSW）是英國焊接研究所（The Welding Institute）于1991年發明的專利焊接技術，也就是攪拌摩擦焊方法問世之后三年，挪威開始了攪拌摩擦焊攪拌頭的專利申請。在1994年-2012年期間，攪拌摩擦焊攪拌頭的專利申請總體上呈上升趨勢，于2012年達到最大值，181件，從2013年開始，申請量開始下降，這與國內申請的統計趨勢相吻合。

3.2專利申請分布分析

對攪拌摩擦焊攪拌頭申請量居于世界前10位的不同申請國進行統計分析，如下圖所示:由圖7可知，盡管攪拌摩擦焊起源于英國，但是在攪拌摩擦焊攪拌頭專利申請量居于世界首位的國家卻是日本，申請量為734件，遠遠超出了其他國家，其次是美國444件，中國排在第三位，申請量為311件，而攪拌摩擦焊發源地英國卻排在了第12位，申請量僅為26件。由此可知，在今后攪拌摩擦焊攪拌頭的檢索過程中應該多注意日本和美國的專利。

3.3專利申請人分析

從圖8中可以看出，目前在國內攪拌摩擦焊攪拌頭的申請中，高校申請最多，公司申請較少，個人申請更少。通過專利統計分析，可見哈爾濱工業大學在攪拌摩擦焊攪拌頭的研究較多，專利申請量居國內領先地位；個人申請極少，因此應該時刻關注高校對攪拌頭的研究動態。

4　結語

（1）為了適應不同焊接需求，可以通過改變攪拌頭的軸肩形狀、（2）從專利申請角度對攪拌頭技術進行分析，通過對國內外專利申請量、申請人的統計，可以了解到攪拌頭技術的發展路線、前言進展和研究單位等情況，可以具體指引后續創新方向。

攪拌針形狀、攪拌針尺寸、攪拌頭材質，已獲得焊接性能優良的焊接接頭。

［1］欒國紅.攪拌磨擦焊——現代制造技術新星.現代制造，2004，（11）：28-32.

［2］趙熹華，馮吉才.壓焊方法及設備.機械工業出版社，2005，（8）：241-286.

［3］張田倉，郭德倫，陳沁剛，等.鋁合金攪拌摩擦焊接技術研究.機械工程學報，2002， 38（2）：127-130.

［4］姚君山，張彥華，王國慶，等.攪拌摩擦焊技術研究進展.宇航材料工藝，2003，（4）：24-30.

［5］平野聰.攪拌摩擦焊接技術的現狀與發展趨勢.國外機車車輛工藝，2004，（1）：1-6.

［6］何建軍，劉明宇，楊宗輝.攪拌頭——攪拌摩擦焊的心臟.電焊機，2004，34（1）：24-26.

［7］Thomas W M， Munns I， Temple-Smith P. Friction stir welding of analuminum alloy-effects of tool geometry. TWI Research Report 7735.1998，（1）：993.