攪拌摩擦焊在高速動車組車輛上的應用

侯建英，杜建強，王海生，宋明陽

（中車唐山機車車輛有限公司，河北唐山063035）

0 前言

攪拌摩擦焊以其綠色環保、焊后變形小、殘余應力小、作業成本低廉、適用范圍廣等優點[1]被廣泛應用于航空航天、船舶、汽車等領域。目前高速動車多采用熱膨脹系數大、導電系數大、熔點低、比熱容大的鋁合金用于車體制造，采用傳統MIG焊焊接，焊縫內部易出現氣孔、未熔合等缺陷，且焊接變形大，容易產生焊接裂紋。

1 攪拌摩擦焊技術在鋁合金車體的應用

車鉤座板是車體底架部位的重要部件，對車體的結構強度、可靠性有著重要影響。同時為滿足車鉤安裝要求，安裝面平面度不超過0.5 mm。某型高速動車組車鉤座板為滿足強度要求，采用材質為6082-T6、80 mm厚鋁型材焊接完成，如果采用傳統熔化焊不僅焊接層數多，焊后變形也難以控制，焊后產品無法滿足使用要求。為滿足設計要求，采用雙面二次成形的攪拌摩擦焊工藝進行焊接。車鉤座板焊接形式如圖1所示。

圖1 車鉤座板焊接形式

2 攪拌摩擦焊焊接接頭性能驗證

為了驗證攪拌摩擦焊焊接接頭的性能，分別對FSW接頭和雙V型35°坡口對接MIG焊接頭進行疲勞、拉伸、彎曲、金相組織對比試驗。FSW焊縫按標準ISO 17636進行100%射線探傷后[2]，焊接接頭沒有出現ISO 25239-5中規定的缺陷[3]。

2.1 焊接參數設置

2.1.1 FSW焊接接頭

由于使用的原材料材質為6082-T6，且厚度較大，為保證焊接質量，分正反面進行焊接，探針長度約45 mm，焊接時主軸旋轉速度約430 r/min，焊接速度約140 mm/min。焊接后接頭斷面如圖2所示。

2.1.2 MIG焊接接頭

對比試件母材牌號6082-T6，焊接位置PF，焊前打磨去除氧化膜，裝配間隙小于等于1 mm，MIG焊采用雙V型35°坡口對接形式，為保證焊接質量，中間預留4 mm鈍邊。坡口形式如圖3所示。

焊道分為8層，第一道焊接完成后，翻轉工件，清根并做滲透檢測，檢測合格后開始第2道焊接，并依次完成其余焊道。各層焊道焊接參數見表1。

圖2 車鉤座板焊接斷面

圖3 車鉤座板焊接形式

表1 MIG焊接參數

2.2 性能對比試驗

2.2.1 疲勞試驗

為驗證FSW焊接接頭的疲勞性能，參照GB/T 3075《金屬材料疲勞試驗-軸向力控制方法》標準[4]，取焊縫熱影響區處材料進行試驗，試驗環境溫度20℃，濕度50%RH，軸向加載，試驗應力比R=0.1，試驗波形為正弦波，試樣尺寸25 mm×28 mm×400 mm。試驗設備最大交變力50 kN，頻率80～250 Hz，力波動度0.5%F·S。試驗數據對比如圖4、圖5所示。

圖4 攪拌摩擦焊接頭疲勞試驗數據

由圖4、圖5可知，在相同的條件下，FSW接頭疲勞極限97.50 MPa，MIG焊疲勞極限83.33 MPa，FSW焊接接頭疲勞極限大于雙V型35°坡口對接MIG焊接接頭的疲勞極限。

2.2.2 拉伸試驗

根據GB/T2651《焊接接頭拉伸試驗方法》對時效處理后的FSW焊接接頭取樣進行拉伸試驗，試驗環境23.5℃，試樣尺寸28 mm×25 mm，抗拉強度204～217 MPa；MIG 焊接頭抗拉強度 189～194 MPa。試樣斷裂位置如圖6所示，試驗數據如表2所示。

圖5 熔化焊焊接頭疲勞試驗數據

圖6 拉伸試樣斷裂位置

表2 兩種焊接接頭拉伸數據

通過對比6082-6狀態FSW接頭與熔化焊接頭力學性能可知，FSW接頭強度大于等于母材強度的65%，MIG焊接頭力學性能約為母材強度的60%，攪拌摩擦焊接頭抗拉強度明顯優于熔化焊。

2.2.3 宏觀和微觀檢驗

按照ISO 17639、ISO 25239-5試驗標準[5]進行宏觀和微觀試驗。結果表明，焊縫無微觀裂紋，母材無異常，熱影響區無微觀裂紋，熔合良好。金相組織如圖7、圖8所示。

圖7 FSW焊接頭金相組織

圖8 MIG焊焊接接頭金相組織

2.2.4 彎曲試驗

參照ISO 5173《金屬材料焊縫破壞性試驗-彎曲試驗》標準對兩種焊接接頭進行180°彎曲試驗，兩種焊接接頭區域均未出現裂紋，試驗件彎曲狀態如圖9所示。

圖9 焊接頭彎曲試驗對比

3 展望

通過試驗對比可知，攪拌摩擦焊接頭性能優于傳統的熔化焊。目前，國內正在逐步實現鋁合金車體部件攪拌摩擦焊產品的工業化應用，隨著對攪拌摩擦焊技術的不斷深入研究，攪拌摩擦焊產品必將在軌道車輛領域特別是高速動車組上大放異彩。同時，我國對于鋁合金攪拌摩擦焊產品的焊縫質量檢驗還缺乏統一的標準，需要進一步加大對焊縫內部檢驗方法的研究。

參考文獻：

[1]張勝玉.攪拌摩擦焊工藝及應用[J].電焊機，2000，30（1）：6-9.

[2]ISO 17636：2003，焊縫的無損檢測-熔化焊接頭的射線檢測[S].

[3]ISO 25239-5：2011，攪拌摩擦焊-鋁-第5部分：質量和檢驗要求[S].

[4]GB/T 3075：2008，金屬材料疲勞試驗軸向力控制方法[S].

[5]ISO 17639：2003，焊縫的破壞性試驗焊縫的宏觀及顯微檢驗[S].