城軌鋁合金車體側墻攪拌摩擦焊技術探討

林禮籌，利建源（廣東南奧交通設備有限公司，廣東 江門 529100）

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城軌鋁合金車體側墻攪拌摩擦焊技術探討

林禮籌，利建源
（廣東南奧交通設備有限公司，廣東 江門 529100）

本文通過對攪拌摩擦焊技術的原理及特點介紹，探討攪拌摩擦焊技術在城軌鋁合金車體側墻中的應用，來論證攪拌摩擦焊技術在城市軌道車輛中應用的可行性，以期對城軌車輛制造業等相關行業有所裨益。

攪拌摩擦焊；城軌車輛；鋁合金；側墻

1 攪拌摩擦焊技術和城軌鋁合金車體側墻相關研究

（1）攪拌摩擦焊技術的基本原理簡介。攪拌摩擦焊(FSW)所用的攪拌頭通常伴隨著攪拌針，在焊接時攪拌針主要是被壓入到被焊接對象中，在焊接過程中，旋轉著的攪拌頭會與被焊接對象摩擦生熱，加熱工件使其到塑性狀態，攪拌頭帶動塑化了的工件移動。（2）攪拌摩擦焊技術的優勢特點。首先、與之前的焊接方法如電弧焊接等相比，攪拌摩擦焊技術焊接后的接頭性能更佳，尤其是鋁合金材料的接頭，鋁合金具有成本低、強度高、密度低等特點，更適合輕量化的要求，但鋁合金的熔點較低，焊接時容易出現未熔合等問題，會致使焊接變形，影響應用。其次、攪拌摩擦焊技術由于焊接過程不需要使用焊接絲和保護氣體，無粉塵污染，較為環保，給工作人員提供了更加潔凈的工作環境。最后、攪拌摩擦焊技術在焊接時并沒有使工件融化，僅僅是通過摩擦作用使其塑化，因而工件焊接后變形程度不高，并且采取適當的措施后幾乎不變形。與傳統的焊接技術相比，攪拌摩擦焊技術大大節省了工作成本。（3）城軌鋁合金車體側墻的基本結構。城軌鋁合金車體是由底架、頂蓋、和墻體組成，墻體又分為側墻和端墻。

其中側墻起著至關重要的作用，主要連接底架與頂蓋，并且側墻表面的光滑度也會對車體的美觀以及以后的制作有一定的影響，側墻一般情況下都是有鋁合金型材拼焊形成，大致5~8塊，需要在焊接完成后進行窗戶部位和兩側門立柱安裝部位的加工。

2 攪拌摩擦焊技術在城軌鋁合金車體側墻中的應用可行性

攪拌摩擦焊技術能夠有效地降低工件的變形程度，提高了制造的質量水平，同時焊接后的強度較高。相對于其它焊接技術來說，不需要焊接絲和保護氣體，對周圍環境的要求相對較低。除此之外，攪拌摩擦焊技術更佳綠色環保，無粉塵產生，不會對操作人員的身體健康造成危害，符合我國綠色環保的要求，無形中降低了企業成本，具有良好的應用可行性（如圖1）。

圖1 城軌整體效果圖

圖2 原接頭焊后形狀

3 攪拌摩擦焊技術在城軌鋁合金車體側墻中的應用過程

（1）選擇攪拌摩擦焊所用的攪拌頭。攪拌頭在攪拌摩擦焊技術的焊接過程中起著至關重要的作用，在焊接時，旋轉攪拌頭使其與被焊接對象摩擦生熱，被焊接對象塑化，同時攪拌頭對于焊接裂縫的成型以及焊接后工件的最終整體性能都有很大的影響。另外，攪拌頭屬于消耗較大的部分，占據了很大一部分焊接成本，一般情況下焊接頭的選用對攪拌摩擦焊技術的使用影響巨大，在旋轉進給過程中，由于旋轉速度較大，對于攪拌頭的高溫耐磨性要求高，當前使用較多的攪拌頭大多是由高碳鋼、工具鋼等材料制成。（2）設計車體側墻使用的攪拌摩擦焊接頭的應用。在城軌鋁合金車體側墻的實際焊接過程中，除了攪拌頭的性能，攪拌摩擦焊接頭的優化是焊接生產中很關鍵的一環，接頭的結構及尺寸對接頭性能以及列車整體安全性能起到了關鍵作用。并且通過試焊可以發現，攪拌摩擦焊接頭的存在比母材表面減薄量要低（如圖2 紅色框標記部分），這是由于在焊接時中攪拌頭壓入焊縫區域擠壓母材使塑性材料溢出，在焊縫兩側造成飛邊，使表面塌陷。該現象減小了焊縫的實際有效承載面積，從而降低了接頭承載能力。

（3）車體側墻攪拌摩擦焊轉速n與進給速度v的選擇。側墻的材料一般為A6N01S-T5空心鋁合金型材，下圖是其在攪拌摩擦焊接過程中，旋轉速度n=1 000 r/min時，不同的n/v比值對抗拉強度的影響。由圖3可知，隨著n/v值增加，強度和塑性都增加，最大抗拉強度達到310 MPa，與母材實測值相同；伸長率為17%，是母材實測值的63%。在達到最大強度值后，繼續增加n/v數值，強度和塑性下降。（4）車體側墻凸臺接頭的應用。在確定了車體側墻凸臺尺寸后，需要采用不同長度的攪拌針及其它參數進行多次實驗，對焊接后整體效果尤其是焊接裂縫進行查看。由于摩擦焊攪拌頭存在一定傾斜度，會導致在焊接裂縫兩側出現飛邊，減小了一定的承載面積，因此在焊接頭和攪拌頭之間可以加入凸臺接頭。

4 攪拌摩擦焊技術在城軌鋁合金車體側墻中的應用前景

（1）經濟效益的應用前景。攪拌摩擦焊技術具有環保、安全、成本低廉等優點，并且高度自動化，焊接過程不需要焊接絲和保護氣，變形程度低，打磨時間少，大大提高了經濟效益。（2）社會效益的應用前景。攪拌摩擦焊技術以綠色環保為主要的特色，無粉塵產生，使操作人員有了更好的工作環境，身體健康有保障，很符合我國目前綠色環保的倡議，具有良好的社會效益。（3）市場競爭力的應用前景。攪拌摩擦焊技術綠色環保等優勢特點順應了時代發展的潮流，提高了城軌車輛的質量，使其在軌道車輛制造業中的競爭力大大加強。

圖3 n/v對FSW接頭性能的影響

5 結語

攪拌摩擦焊技術經過多年的發展，應用范圍越來越廣泛，不論是在安全性還是質量上都比普通的焊接技術優異。隨著各行業的發展，安全、環保理念深入人心，攪拌摩擦焊技術作為一種新型的焊接方式，一定會在城軌車輛的制造過程中甚至在其它制造行業大放異彩。

[1] 朱向東.鋁合金攪拌摩擦焊工藝研究及其在城軌車輛車體上的應用[D].湖南大學，2011.

[2] 李紅.城軌鋁合金車體側墻攪拌摩擦焊技術研究[D].哈爾濱工業大學，2014.

TG457.14

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1671-0711（2016）08（上）-0071-02