CWAN0022-2021攪拌摩擦焊靜軸肩焊具設計及制造標準

T/CWAN0022—2021

攪拌摩擦焊靜軸肩焊具設計及制造規(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、設計、制造及焊接技術條件的范圍

包括靜止軸肩攪拌摩擦焊用的焊具設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方法第2部分：低倍組織檢驗方法

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焊接術語

GB/T11345-2013焊縫無損檢測超聲波檢測技術、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收等級

GB/T26955—2011金屬材料焊縫破壞性試驗焊縫宏觀和微觀檢驗

GB/T34630攪拌摩擦焊鋁及鋁合金

T/CWAN0012—2019焊接術語-壓焊

3術語和定義

3.1攪拌摩擦焊frictionstirwelding

利用高速旋轉的攪拌頭插入被焊材料后沿焊接方向運動，攪拌頭與焊接材料產生摩擦熱，

使材料達到熱塑性狀態(tài)，實現(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;12-前進側;11-匙孔.

8-攪拌頭旋轉方向（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部旋轉的攪拌針扎入待焊材料與焊接材料產生摩擦熱，使材

料達到熱塑性狀態(tài)，外部不旋轉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，內部旋轉的攪拌針與外部不旋轉的軸肩一起沿焊接方向運動，實現(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備。焊接過程中設備的主軸帶動攪拌針發(fā)生旋轉，

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

連接，通過靜止軸套一端與設備不旋轉的位置進行連接，另一端與靜止軸肩進行連接，從而

實現(xiàn)外部不旋轉的靜止軸肩與內部旋轉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行連接，也可使用螺孔或者螺母進行連接。

3.5攪拌針pin

焊接過程中內部旋轉的部件。用來產生摩擦熱和焊件材料塑性流動的旋轉工具。

3.6靜止軸肩stationaryshoulder

焊接過程中外部不旋轉的部件，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焊具設計原則

4.1攪拌針設計原則

4.1.1攪拌針材料的選用原則

根據待焊接材料的物理特性選擇，如材料的熔點、硬度等。

如焊接鋁合金時，鋁合金的熔點一般在660℃左右，攪拌針的材料應該選擇工作溫度在

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攪拌針針部的設計原則

4.1.2.1攪拌針針長設計原則

根據待焊接工件的所需焊接深度設計對應長度的焊針，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行針長計算：

θθ

4.1.2.2攪拌針螺紋設計原則l=1/2Dtan+h/cos

根據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針長和針直徑進行選擇，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計原則

攪拌針小軸肩直徑主要根據焊接深度進行選擇，小軸肩直徑的作用主要是輔助產熱。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)范圍內焊具穩(wěn)定焊接無抖動為原則。

4.2靜止軸肩設計原則

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，根據待焊接材料的物理特性選擇，如材料的熔點、

硬度等。

如焊接鋁合金時，鋁合金的熔點一般在660℃左右，軸肩的材料應該選擇工作溫度在

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徑與攪拌針的小

軸肩直徑匹配。

4.2.3靜止軸肩內輪廓設計原則

靜止軸肩內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靜止軸肩外輪廓設計原則

靜止軸肩外輪廓的設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靜止軸套設計原則

靜止軸套作為連接靜止軸肩與設備的連接件，其設計原則應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構鋼或模具鋼。

4.4緊固件設計原則

緊固件的作用為將靜止軸肩與靜止軸套進行連接，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構鋼或模具鋼。

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度、硬度及一定的韌性。由原材料加工后的焊具需

要進行熱處理才能進行使用，根據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，需要進行精磨去除氧化皮，因此在進行焊

具原材料加工時需要預留出精磨的量。精磨的尺寸根據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過熱處理后不需要精磨，而是需要進行表面處理，保證其表

面一定的耐腐蝕性。

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T/CWAN0022—2021

5.5焊具檢驗原則

依據圖紙進行焊具檢測，外部輪廓采用精度高于圖紙公差的測量工具進行檢測。

根據焊具的內輪廓制作相應的檢具，對焊具的內輪廓進行檢驗。

檢測未注公差的尺寸按照GB-T1804-2016未注公差的公差標準進行檢測，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、包裝及運輸

焊具為高精密的焊接耗材，其包裝及運輸需要注意其規(guī)范化。

6.1包裝規(guī)范

焊具的包裝應注意其在運輸顛簸狀態(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：

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

6.1.2包裝材料應選取合適硬度、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)域為重要保護區(qū)域，需使用特殊方式進行保

護；

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

6.2運輸規(guī)范

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

運輸途中盡量選取顛簸少、耗時短、低腐蝕性環(huán)境的運輸方法。

6.2.2在運輸過程中需要標注向上、怕濕、小心輕放等標志

6.3焊具的存儲

焊具存儲的位置應保持干燥，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在安全區(qū)域內，戴好安全帽并戴防護眼鏡和隔音耳塞；

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焊接結束后裝卸攪拌頭和零件時防止燙傷。

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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備(龍門設備、機器人設備或者CNC設備)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

軸套進行連接。

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

部靜止軸肩不旋轉保持與焊縫表面接觸，通過程序的運行形成焊縫。

靜止軸肩位置設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的材

料排出，防止堵塞軸肩。當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械的

方式除去出料，保證焊接的順利進行。

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附錄B

（資料性）

靜軸肩攪拌摩擦焊焊具使用焊前準備及接頭要求

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。焊件清理的方法可以通過化學方法如酒精或丙酮擦拭，也可以通過機械的方法

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，取較小值

8＜t≤12≤5%t或0.5，取較小值

12＜t≤20≤5%t或0.8，取較小值

注：高度差指等厚板對接時由于裝夾或者板材尺寸精度導致對接的兩板上表面之間存在一定

高度差異。

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T/CWAN0022—2021

附錄C

（資料性）

靜軸肩攪拌摩擦焊焊后檢驗及接頭測試內容

C.1表面質量

焊縫表面質量采用目測進行全檢。焊縫表面不允許出現(xiàn)表面溝槽及起皮現(xiàn)象，焊縫背部

不允許出現(xiàn)未焊透。目視檢測按GB/T32259進行檢測。

C.2焊縫內部質量

焊縫內部質量可以采用無損檢測或者金相的方法進行檢測評定；

C.2.1滲透檢測按GB/T18851.1和GB/T26953進行檢測；

C.2.2X射線檢測按GB/T3323.1和GB/T3323.2進行檢測；

C.2.3超聲檢測按GB/T11345進行檢測；

C.2.4焊縫的宏觀和微觀檢驗按GB/T26955進行檢測。

9

ICS25.160.20

CCSJ33

團體標準

T/CWAN0022—2021

GB/T13814—92

攪拌摩擦焊靜軸肩焊具設計及制造規(guī)范

SpecificationfordesignandmanufactureofFSWstationaryshoulderweldingtool

2021-03-15發(fā)布2021-05-01實施

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、設計、制造及焊接技術條件的范圍

包括靜止軸肩攪拌摩擦焊用的焊具設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方法第2部分：低倍組織檢驗方法

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焊接術語

GB/T11345-2013焊縫無損檢測超聲波檢測技術、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收等級

GB/T26955—2011金屬材料焊縫破壞性試驗焊縫宏觀和微觀檢驗

GB/T34630攪拌摩擦焊鋁及鋁合金

T/CWAN0012—2019焊接術語-壓焊

3術語和定義

3.1攪拌摩擦焊frictionstirwelding

利用高速旋轉的攪拌頭插入被焊材料后沿焊接方向運動，攪拌頭與焊接材料產生摩擦熱，

使材料達到熱塑性狀態(tài)，實現(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;12-前進側;11-匙孔.

8-攪拌頭旋轉方向（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部旋轉的攪拌針扎入待焊材料與焊接材料產生摩擦熱，使材

料達到熱塑性狀態(tài)，外部不旋轉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，內部旋轉的攪拌針與外部不旋轉的軸肩一起沿焊接方向運動，實現(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

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T/CWAN0022—2021

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

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

連接，通過靜止軸套一端與設備不旋轉的位置進行連接，另一端與靜止軸肩進行連接，從而

實現(xiàn)外部不旋轉的靜止軸肩與內部旋轉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行連接，也可使用螺孔或者螺母進行連接。

3.5攪拌針pin

焊接過程中內部旋轉的部件。用來產生摩擦熱和焊件材料塑性流動的旋轉工具。

3.6靜止軸肩stationaryshoulder

焊接過程中外部不旋轉的部件，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焊具設計原則

4.1攪拌針設計原則

4.1.1攪拌針材料的選用原則

根據待焊接材料的物理特性選擇，如材料的熔點、硬度等。

如焊接鋁合金時，鋁合金的熔點一般在660℃左右，攪拌針的材料應該選擇工作溫度在

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攪拌針針部的設計原則

4.1.2.1攪拌針針長設計原則

根據待焊接工件的所需焊接深度設計對應長度的焊針，如圖3所示，一般針長L=焊接

深度H-（0.2到0.3）mm。

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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行針長計算：

θθ

4.1.2.2攪拌針螺紋設計原則l=1/2Dtan+h/cos

根據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針長和針直徑進行選擇，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計原則

攪拌針小軸肩直徑主要根據焊接深度進行選擇，小軸肩直徑的作用主要是輔助產熱。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)范圍內焊具穩(wěn)定焊接無抖動為原則。

4.2靜止軸肩設計原則

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，根據待焊接材料的物理特性選擇，如材料的熔點、

硬度等。

如焊接鋁合金時，鋁合金的熔點一般在660℃左右，軸肩的材料應該選擇工作溫度在

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計原則

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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徑與攪拌針的小

軸肩直徑匹配。

4.2.3靜止軸肩內輪廓設計原則

靜止軸肩內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靜止軸肩外輪廓設計原則

靜止軸肩外輪廓的設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靜止軸套設計原則

靜止軸套作為連接靜止軸肩與設備的連接件，其設計原則應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構鋼或模具鋼。

4.4緊固件設計原則

緊固件的作用為將靜止軸肩與靜止軸套進行連接，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構鋼或模具鋼。

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度、硬度及一定的韌性。由原材料加工后的焊具需

要進行熱處理才能進行使用，根據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，需要進行精磨去除氧化皮，因此在進行焊

具原材料加工時需要預留出精磨的量。精磨的尺寸根據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過熱處理后不需要精磨，而是需要進行表面處理，保證其表

面一定的耐腐蝕性。

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