攪拌摩擦焊攪拌頭研究現(xiàn)狀分析

付秋姣　趙琳琳

（1.國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作廣東中心，廣東廣州 510535；2.廣州汽車集團(tuán)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(xiàn)狀分析

付秋姣1趙琳琳2

（1.國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作廣東中心，廣東廣州 510535；2.廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車研究工程研究院，廣東廣州 511434）

結(jié)合攪拌摩擦焊發(fā)展現(xiàn)狀，本文主要對(duì)攪拌摩擦焊攪拌頭領(lǐng)域?qū)＠M(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，包括申請(qǐng)量、主要申請(qǐng)人、專利申請(qǐng)態(tài)勢(shì)分布、進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)攪拌摩擦焊用攪拌頭的技術(shù)背景和應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展作了簡(jiǎn)單歸納介紹，提出專利分析可以作為一種技術(shù)路線分析的手段，指引后續(xù)創(chuàng)新方向。

攪拌摩擦焊 攪拌頭 專利

1　前言

攪拌摩擦焊是英國(guó)焊接研究所（TWI）發(fā)明的一種新興的固態(tài)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(zhuǎn)的作用下填充入攪拌針后方所形成的空腔內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)可靠的連接［3-5］，如圖1所示。攪拌頭是攪拌摩擦焊的關(guān)鍵，最優(yōu)攪拌頭是攪拌摩擦焊獲得高質(zhì)量接頭的前提。攪拌頭主要由軸肩和攪拌針兩部分構(gòu)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(dòng)形式，因而設(shè)計(jì)合理的攪拌頭是提高焊接質(zhì)量、獲得高性能接頭的前提和關(guān)鍵。

2　攪拌摩擦焊攪拌頭介紹

攪拌頭是攪拌摩擦焊技術(shù)的關(guān)鍵，它的好壞決定了攪拌摩擦焊能否擴(kuò)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(tài)、動(dòng)態(tài)力學(xué)和物理特性的材料制成。攪拌頭的作用有以下幾個(gè)方面:（1）摩擦加熱使被焊處材料于塑性狀態(tài)；（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(zhuǎn)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(shí)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(zhuǎn)著壓入焊接材料的結(jié)合界面處，并且沿著待焊界面向前移動(dòng)。

2.1軸肩

軸肩在焊接過程中對(duì)塑性區(qū)金屬起包攏作用，與工件表面摩擦作為焊接熱源。在旋轉(zhuǎn)過程中，軸肩與工件表面接觸，并產(chǎn)生向下的力壓緊工件，這樣會(huì)促進(jìn)接頭的塑性流動(dòng)，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(guó)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(guó)專利中，對(duì)軸肩的端面形狀以及軸向方向作了改進(jìn)，端面改成了凹形，軸線相對(duì)于工件法線方向有一個(gè)偏角（前進(jìn)角），一般為2°～5°。凹形的設(shè)計(jì)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(shí)可減少焊接過程中攪拌頭內(nèi)部的英應(yīng)力集中。而后，為了增進(jìn)攪拌效果，開發(fā)出了許多表面帶有螺紋溝槽的端面。軸肩的發(fā)展經(jīng)歷了這一過程:平面—凹面—同心—圓環(huán)槽—渦狀線的樣式，其主要作用是盡可能包攏塑性區(qū)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(zhuǎn)摩擦生熱提供焊接所需的熱量，并帶動(dòng)周圍材料的流動(dòng)以形成接頭。攪拌針的重要功能是保證接頭處的攪動(dòng)影響區(qū)域盡可能大，并使材料流動(dòng)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(qiáng)度有關(guān)。攪拌焊焊接工具形狀及尺寸設(shè)計(jì)合理，會(huì)使焊接區(qū)摩擦產(chǎn)熱功率提高，熱塑性材料易于流動(dòng)，焊接接頭質(zhì)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(xù)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(chǎn)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(dāng)比例有助于改善接頭的平整度。若肩部尺寸過大，會(huì)擴(kuò)大熱影響區(qū)范圍，降低接頭的力學(xué)性能。而肩部尺寸過小，焊接區(qū)熱輸入量減小，被焊材料塑形不足，焊接時(shí)向焊件所施加的壓力降低，不易獲得優(yōu)質(zhì)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(diǎn)的材料時(shí)，鋼制攪拌頭會(huì)在540℃時(shí)軟化而嚴(yán)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(jié)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(jīng)燒結(jié)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(shù)小的特點(diǎn)，可減少與被焊材料的粘結(jié)，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(shù)，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(chǎn)熱30%～70%。高的熱輸入意味著可提高焊接速度，從而提高生產(chǎn)效率。

3　攪拌摩擦焊攪拌頭專利申請(qǐng)現(xiàn)狀

在當(dāng)前科技時(shí)代，技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，各個(gè)國(guó)家、公司、個(gè)人在重視科技創(chuàng)新的同時(shí)，也越來越重視對(duì)科技創(chuàng)新的保護(hù)，對(duì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的重視，下面通過專利分析手段來對(duì)攪拌摩擦焊攪拌頭的專利申請(qǐng)現(xiàn)狀進(jìn)行分析和研究。

3.1專利申請(qǐng)量的分析

3.1.1國(guó)內(nèi)年度專利申請(qǐng)量分析

由圖5可知，我國(guó)攪拌摩擦焊攪拌頭的專利從2004年開始，申請(qǐng)量為6件，從2004年至2012年期間，申請(qǐng)量趨于逐步增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，2012年申請(qǐng)量達(dá)到最大值82件，從2013年開始，申請(qǐng)量又開始下降，說明該領(lǐng)域技術(shù)或趨近成熟，申請(qǐng)量增長(zhǎng)從而表現(xiàn)出衰減的趨勢(shì)。

3.1.2國(guó)外年度專利申請(qǐng)量分析

由圖6可知，VEN數(shù)據(jù)庫(kù)中，攪拌摩擦焊攪拌頭的國(guó)外專利申請(qǐng)是從1994年開始，而攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding，簡(jiǎn)稱FSW）是英國(guó)焊接研究所（The Welding Institute）于1991年發(fā)明的專利焊接技術(shù)，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(qǐng)。在1994年-2012年期間，攪拌摩擦焊攪拌頭的專利申請(qǐng)總體上呈上升趨勢(shì)，于2012年達(dá)到最大值，181件，從2013年開始，申請(qǐng)量開始下降，這與國(guó)內(nèi)申請(qǐng)的統(tǒng)計(jì)趨勢(shì)相吻合。

3.2專利申請(qǐng)分布分析

對(duì)攪拌摩擦焊攪拌頭申請(qǐng)量居于世界前10位的不同申請(qǐng)國(guó)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如下圖所示:由圖7可知，盡管攪拌摩擦焊起源于英國(guó)，但是在攪拌摩擦焊攪拌頭專利申請(qǐng)量居于世界首位的國(guó)家卻是日本，申請(qǐng)量為734件，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了其他國(guó)家，其次是美國(guó)444件，中國(guó)排在第三位，申請(qǐng)量為311件，而攪拌摩擦焊發(fā)源地英國(guó)卻排在了第12位，申請(qǐng)量?jī)H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(yīng)該多注意日本和美國(guó)的專利。

3.3專利申請(qǐng)人分析

從圖8中可以看出，目前在國(guó)內(nèi)攪拌摩擦焊攪拌頭的申請(qǐng)中，高校申請(qǐng)最多，公司申請(qǐng)較少，個(gè)人申請(qǐng)更少。通過專利統(tǒng)計(jì)分析，可見哈爾濱工業(yè)大學(xué)在攪拌摩擦焊攪拌頭的研究較多，專利申請(qǐng)量居國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位；個(gè)人申請(qǐng)極少，因此應(yīng)該時(shí)刻關(guān)注高校對(duì)攪拌頭的研究動(dòng)態(tài)。

4　結(jié)語

（1）為了適應(yīng)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(qǐng)角度對(duì)攪拌頭技術(shù)進(jìn)行分析，通過對(duì)國(guó)內(nèi)外專利申請(qǐng)量、申請(qǐng)人的統(tǒng)計(jì)，可以了解到攪拌頭技術(shù)的發(fā)展路線、前言進(jìn)展和研究單位等情況，可以具體指引后續(xù)創(chuàng)新方向。

攪拌針形狀、攪拌針尺寸、攪拌頭材質(zhì)，已獲得焊接性能優(yōu)良的焊接接頭。

［1］欒國(guó)紅.攪拌磨擦焊——現(xiàn)代制造技術(shù)新星.現(xiàn)代制造，2004，（11）：28-32.

［2］趙熹華，馮吉才.壓焊方法及設(shè)備.機(jī)械工業(yè)出版社，2005，（8）：241-286.

［3］張?zhí)飩}(cāng)，郭德倫，陳沁剛，等.鋁合金攪拌摩擦焊接技術(shù)研究.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2002， 38（2）：127-130.

［4］姚君山，張彥華，王國(guó)慶，等.攪拌摩擦焊技術(shù)研究進(jìn)展.宇航材料工藝，2003，（4）：24-30.

［5］平野聰.攪拌摩擦焊接技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì).國(guó)外機(jī)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(jī)，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.