鋁合金攪拌摩擦焊型材公差對其焊接性能的影響

孟騰逸 王彥鵬 彭章祝

摘要：攪拌摩擦焊焊接接頭尺寸對焊接接頭力學性能、焊接速度、焊接過程的穩定性等均有非常重要的影響。研究軌道交通用3.5 mm鋁合金攪拌摩擦焊接頭在不同公差狀態下的焊縫組織結構與性能，對公差大幅偏離標準值條件下的焊縫性能進行了對比，結果表明：接頭上下搭接間隙大于0.4 mm時，焊縫極易出現焊接缺陷，焊縫工藝窗口較窄;在轉速為1 600 r/min、焊速為1 200 mm/min的焊接工藝參數下，隨著焊接間隙的增大，焊縫性能呈現顯著下降趨勢。

關鍵詞：摩擦焊型材接頭;尺寸公差;焊縫性能

中圖分類號：TG457.14? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）12-0080-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.12.16

0? ? 前言

攪拌摩擦焊作為一種新型的固相連接技術，被廣泛應用于軌道交通的鋁合金焊接[1-2]。與傳統熔焊相比，具有焊接變形小、殘余應力小、無焊接熱裂紋等優點[3-7]。在軌道車輛[8-9]的大批量側墻板工件焊接過程中，型材質量問題顯得尤為重要。當型材尺寸超差時，焊接質量難以得到保證。目前對型材尺寸超差對焊接性能的影響研究較少，文中旨在研究不同公差狀態下的焊縫性能，獲得窗口更為寬泛的焊接工藝參數，對推動軌道交通車體制造質量的提升具有重要意義[10-11]。

1 焊接參數試驗

在軌道交通行業，批量應用的常規薄板摩擦焊接頭通常要求型材的上下間隙控制在0.4 mm以內，左右間隙不超過0.5 mm。搭接間隙尺寸控制既是型材制造的重難點，也是焊接質量的重要保證。文中對偶發性的型材尺寸超差對產品質量的影響進行了試驗研究。

試驗材料為人為制造的上下錯邊量精度較差的側墻型材，材質為鋁合金6005A-T6，采用搭接接頭形式，如圖1所示，接頭熔深4 mm，設置0.4 mm焊接凸臺。

整塊材料拼接完成后，經檢測接頭上下搭接間隙分布不均，尺寸范圍在0.24～0.8 mm，水平左右間隙固定控制在0.2 mm以內。

試驗設備為北京賽福斯特技術有限公司生產的二維攪拌摩擦焊設備，攪拌頭針長4.9 mm，軸肩直徑15 mm。采用13組焊接參數，這些參數均可以在尺寸精度完全合格的型材上焊接合格的焊縫，如表1所示。

由表1可知，多組參數下的焊縫出現了不同程度的焊接缺陷，其中3組存在嚴重缺陷。這是由于型材接頭本身尺寸存在超差，公母接頭配合不佳，因此對焊接工藝參數的選擇提出了更高的要求。原本較大的焊接工藝窗口受接頭尺寸超差的影響，在常見工藝參數條件下出現隧道、溝槽等焊接缺陷，高轉速條件下會引起設備抖動，不利于生產安全以及產品質量的穩定，隧道缺陷如圖2所示。

由表1可知，轉速1 600 r/min，焊速1 200 mm/min時，焊接過程穩定可靠，焊縫質量受型材接頭的搭接間隙影響較小，焊縫整體性能較為優異，工藝容忍度更佳。

2 搭接間隙對性能的影響

對型材拼接的具體尺寸進行分別統計測量，確定不同搭接間隙的具體范圍。將焊接工藝參數設置為定量（轉速1 600 r/min，焊速1 200 mm/min，壓力9～10 kN），對不同間隙條件下的焊縫進行檢測分析。

選取兩段長度為2 500 mm的焊縫，每隔200 mm選取一段焊縫接頭進行尺寸測量，將搭接間隙作為試樣編號，從0.24 mm、0.3 mm到0.8 mm。即通過對不同區域的上下錯邊間隙進行標記并測量具體錯邊尺寸，對測量點處的焊縫進行取樣，然后對標記點位間隙值條件下的焊縫力學性能進行統計分析。大間隙條件下的焊縫金相如圖3所示。

由于接頭形式為雙面插接，搭接間隙對正反兩面均造成影響，將正面焊縫命名為A面，反面焊縫命名為B面，雙面相同位置均采用相同參數焊接完成后分別取樣分析，發現所有彎曲試樣彎折180°后均無任何裂紋，金相組織完好無缺陷。

將所有抗拉強度和伸長率結果進行對比，結果如圖4所示。

采用轉速1 600 r/min、焊速1 200 mm/min的固定工藝參數焊接整條焊縫時，不同的焊接間隙處焊縫的抗拉強度有所不同，在型材搭接間隙小于0.4 mm時，所有焊縫抗拉強度均大于母材標準抗拉強度（250 MPa）的80%以上，約為220 MPa，焊縫伸長率在7%以上。

當型材搭接間隙大于0.4 mm時，型材A、B面抗拉強度和伸長率均出現較大波動，搭接間隙為0.6 mm的焊縫抗拉強度為192 MPa，間隙為0.7 mm的焊縫抗拉強度僅為183 MPa，間隙為0.8 mm的焊縫抗拉強度僅為185 MPa，低于母材標準抗拉強度80%，且A面焊縫強度明顯大于B面。這反映出雙面焊接時，間隙在首面焊接過程中往另一側偏移。

此外，隨著間隙的增大，型材A、B面的焊縫伸長率出現較大偏離，B面伸長率全部低于6%。但總體看來所有位置的焊縫抗拉強度均在母材標準抗拉強度的70% （175 MPa）以上。

3 結論

（1）型材搭接間隙達到0.4 mm以上時，常規的焊接工藝參數不再適用，焊縫極易出現缺陷，同時帶來設備抖動、產品缺陷等風險。

（2）型材搭接間隙在0.4 mm以內時，焊縫性能優異，抗拉強度約為220 MPa達到母材標準抗拉的85.2%，焊縫伸長率達7%以上。

（3）在轉速為1 600 r/min，焊速為1 200 mm/min的焊接工藝參數下，焊縫間隙容忍度較高，焊縫總體力學性能隨搭接間隙的增大逐步下降，但能夠滿足焊縫質量要求，即便搭接間隙為0.8 mm，抗拉強度仍能達到母材標準抗拉的74%。

（4）為得到焊接質量穩定、優異的焊縫，摩擦焊接頭型材上下搭接間隙應控制在0.4 mm以內。

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