新型帶筋單層板攪拌摩擦焊工藝研究

■ 付寧寧，金文濤，武美妮

攪拌摩擦焊（FSW）是一種新型固相連接技術，在焊接過程中不存在母材的熔化，因此可以有效避免熔焊過程中形成的氣孔、裂紋等焊接缺陷；同時由于FSW焊接速度高，接頭性能優良，焊接過程中不需要焊絲、氣體等，所以是一種綠色、高效的焊接方法。隨著軌道交通多樣化的快速發展，FSW在鋁合金車體制造中得到了越來越廣泛的應用。

本文主要針對國內某APM項目車頂新型帶筋單層板開展攪拌摩擦焊研究，通過工藝優化，使得車頂攪拌摩擦焊滿足工業化生產需求。

1. 車頂結構

國內某APM項目車頂采用的是新型帶筋單層板結構，材質為6005A—T6鋁合金，如圖1所示，該車頂結構主要由車頂邊梁和車頂板7塊型材組成，采用輕量化設計，可大大降低能耗。焊接接頭形式采用對接結構，單面焊雙面成形，焊縫設計熔深要求為5mm。

攪拌摩擦焊設備采用ESAB 5軸攪拌摩擦焊機（見圖2），采用水冷攪拌頭（見圖3），攪拌針長4.8mm，軸肩直徑20mm。

2. 焊接工藝優化

為了保證焊縫質量，分別選取不同的焊接速度、旋轉速度、焊接壓力進行試驗，焊接參數如表1所示。

（1）焊縫宏觀形貌 不同焊接參數FSW焊縫形貌如圖4所示。

圖1 車頂結構

圖2 ESAB 5軸攪拌摩擦焊機

圖3 水冷攪拌頭

表1 焊接參數

由圖4可以看出，1#、2#、3#、5#參數均得到了表面成形良好的焊縫，4#參數焊縫表面出現了較大的表面溝槽，這是由于旋轉速度過慢或焊接速度過快導致焊接熱輸入不夠，使得焊縫金屬無法得到充分的流動，而在焊縫表面形成了一種溝槽缺陷。通過增大熱輸入，可有效的避免溝槽缺陷的產生。

分別選取表面成形良好的焊縫接頭，用砂紙打磨后放在氫氧化鈉溶液中進行腐蝕，其截面形貌如圖5所示。從圖5可以看出，4組參數下的FSW接頭焊縫成形良好，呈“漏斗狀”，可明顯觀察到攪拌摩擦焊特有“S”線缺陷，未觀察到攪拌摩擦焊接時出現的其他宏觀缺陷，如隧道孔、孔洞及未焊透等缺陷。

（2）力學性能 選取焊縫表面成形良好、內部無缺陷的1#、2#、3#、5#試樣的焊接接頭按照ISO 4136進行拉伸試驗，其結果如表2所示。由表2可以看出，4組參數下的接頭均滿足標準要求，均達到母材的60%以上，3#參數下的接頭平均抗拉強度為282MPa，達到母材的85%。

圖4 不同焊接參數FSW焊縫形貌

圖5 不同焊接參數下的焊縫接頭截面形貌

表2 不同焊接參數下接頭拉伸性能

（3）微觀組織 選擇表面成形良好、抗拉強度最高的4#焊縫接頭按照標準要求制成微觀試樣，分析接頭微觀組織形貌，如圖6所示。從圖6b可看出，焊核區處于焊縫中心，其大小與攪拌針尺寸接近，焊接時直接受到攪拌針強烈的機械攪拌作用，經歷較高溫度熱循環，組織發生動態再結晶而形成細小的等軸晶。圖6c和圖6d分別為熱機影響區前進側和后退側的微觀組織，熱機影響區受到塑性金屬流動時產生的沖擊力和熱的雙重作用，表現為畸變的組織，晶粒被拉長，前進側的組織要比后退側的細小。圖6e和圖6f分別為熱影響區前進側和后退側的微觀組織，因為熱影響區距離焊縫較遠，只受到焊接熱作用的影響，因此這個區域的組織與母材略相似，晶粒尺寸稍變大，前進側和后退側的熱影響區沒有明顯區別。

3. 新型帶筋單層板車頂攪拌摩擦焊焊接

通過以上試驗對比，最終確定最佳焊接參數為：焊接速度1500mm/min，旋轉速度1750r/min，焊接壓力16kN。

焊接參數選定后，利用天車將車頂型材吊運至工裝上，并打開側推及壓緊裝置，對車頂型材進行剛性固定。焊前確認裝配間隙≤1mm，錯邊量≤1mm，超差部分通過木槌等進行調節。設定好參數后，對車頂進行攪拌摩擦焊接時，為減小焊接變形，焊接順序由中間向兩側焊接，如圖7所示。

焊后對焊縫進行PT探傷及超聲相控陣檢測，均未發現隧道、裂紋等焊接缺陷，滿足ISO25239標準及工藝要求。松開側推及壓緊裝置，利用天車將其吊運至交檢胎。

4. 結語

通過工藝優化，得到了成形良好的新型帶筋單層板攪拌摩擦焊接頭，為以后的生產奠定了基礎。攪拌摩擦焊由于其高效、綠色環保等技術優勢，將會更多的應用在軌道交通制造業中。

圖6 4#參數接頭微觀組織形貌

圖7 新型帶筋單層板車頂攪拌摩擦焊接