把HOOK“压下去”：一次搅拌摩擦焊缺陷改善实战

一、HOOK是怎么产生的？

hook缺陷并非随机出现，它主要出现在搭接焊缝中，本质上源于原始搭接界面的局部演变。同时，hook常与冷搭接（Cold lap）相伴：前进侧更易形成hook，后退侧则易出现Cold lap。

图1  hook与Cold lap形成机理示意

在搅拌摩擦焊过程中，塑性材料沿搅拌针螺纹向下流动，并在针尖附近释放，形成材料集中区（MCZ）。随着焊接推进，MCZ不断增大，会对周围材料施加向上的挤压力，从而将搭接界面“顶”出向上的钩状结构——这就是hook。从机理角度看，hook是热-力耦合作用下材料流动路径不理想的直接结果。

二、为什么Hook必须解决？

hook不仅影响焊缝外观，更直接决定焊缝强度。

从承载角度看，hook和Cold lap会显著改变上板局部厚度和有效搭接宽度（EST与ELW），降低结构承载能力；从失效角度看，这些区域易形成应力集中，接头断裂常发生在hook或Cold lap附近。因此，hook需要控制在国标（钩状缺陷的深度不应 超过0.3mm）及项目要求（宁德时代）允许的范围内，目标并非简单追求“绝对压下去”，而是实现界面形貌、有效板厚和有效搭接宽度的综合达标。

图2  EST与ELW示意：hook会直接影响有效板厚和有效搭接宽度

图3 宁德时代hook对于缺陷的要求

三、我们是怎么改善hook形貌的？

这次改善并非简单“调参数”，而是以“改变材料流向”为思路，先优化结构，再确定工艺窗口，使hook形貌满足标准与项目要求。

1.优化搅拌头结构

研究显示，半螺纹搅拌头可将材料集中区从搭接界面下方转移到界面上方，并将作用力向四周释放，从而显著抑制hook高度。上半螺纹、下半螺纹、反转螺纹以及阶梯结构等设计，本质都是重构材料流动路径，减弱界面附近的向上驱动力。

图4  半螺纹结构搅拌头优化思路：通过重构材料流向抑制hook高度

2.筛选刀具与工艺参数

在平板验证中，我们通过多种搅拌头的测试最终锁定了底端无螺纹搅拌头。结果显示，多种参数组合均能显著改善hook形貌，部分参数组合可实现hook向下；但从国标判定角度看，目标并非一味追求绝对向下，而是确保形貌与接头质量满足要求。

图5  不同参数下hook形貌得到改善，部分组合实现向下

3.结构优化 + 过程控制

进一步验证表明，露针长度、螺纹形状及下压量控制同样重要。实际焊接中，下压量过大或过小均可能导致hook不合格。因此，hook稳定改善依赖“刀具设计 + 工艺窗口 + 过程控制”的组合优化。后续验证围绕客户宁德时代的搭接要求开展，说明该方案可改善该场景下的hook缺陷，但不代表对所有搭接结构普遍有效，仍需结合具体产品与判定标准验证。

图6  焊接金相结果：hook形貌满足项目要求，金相验证合格

四、应用与推广

hook改善已从试验板扩展到正式产品验证。优化方案应用于托盘焊接，满足技术及力学要求。后续验证围绕宁德时代的搭接要求展开，证明该方案可改善该场景下的hook缺陷，但不应直接外推到所有搭接形式。同时，客户提出追加其他型号搅拌头验证，计划横向推广到其他项目。

图7   世佳博专攻hook缺陷高转速搅拌摩擦焊接设备

基于本次hook改善思路，世佳博团队已获得1项相关专利，完成了从“问题解决”到“知识产权沉淀”的闭环。

结语

从“向上倒勾”到“形貌可控”，从试板验证到面向宁德时代项目要求的正式产品验证，再到专利沉淀，这次改进是“以机理驱动工艺、以工艺支撑量产”的一次实践。对搅拌摩擦焊而言，解决hook不仅是消除缺陷，更是实现标准达标、项目落地和工程知识沉淀的重要过程。