FSW參數對側墻板焊縫表面的影響

陶澤宇 王忠平 劉淙元

（中車青島四方機車車輛股份有限公司 山東青島 266000）

在某型車體側墻板制造過程中，利用攪拌摩擦焊焊接時，由于參數選取不當，容易出現焊接缺陷，如表面溝槽、飛邊毛刺等。缺陷的產生嚴重影響了現車質量，側墻板作為動車組的重要承載結構，是列車的關鍵組成部件，其生產質量對列車的安全運行起至關重要的作用［1］。Shanavas 等［2］優(yōu)化了5 系鋁板間的FSW 過程，經研究：焊接工藝參數為傾角1.5°、轉速600rpm、焊速65mm/min，選擇方錐形攪拌頭，焊接效率最優(yōu)，焊接效率近94%。孫甲堯等［3］對6mm 厚的A356-T6 異種鋁合金FSW工藝進行了實驗研究，通過采取不同焊接工藝對比實驗的方法，得出對接頭組織和性能的影響，進而得出結論：焊縫的極限拉伸強度與焊速成正比例關系，焊接速度低時，將A356鋁合金置于前進側，接頭拉伸強度更高；較高時，將6系鋁合金置于前進側。馬佳良［4］等通過實驗結果和仿真分析結果比對，利用殘余應力與焊接工藝等相關參數的關系式，得出最優(yōu)殘余應力峰值與焊接變形峰值對應的焊接參數，為枕梁及其相似結構FSW工藝參數的選擇提供理論支撐。

目前，研究人員已經對基于鎂［5］、鋼［6-7］和鈦合金［8-9］等同種、異種材料的FSW 焊接工藝展開了大量研究。為實現企業(yè)提質增效、追求卓越的經營理念，本文采用實驗方法，研究了焊接參數（主要是焊接攪拌頭的轉速和焊速）對焊接動車側墻板過程中溫度場的影響，從而確定不同焊接參數下實驗板材的焊縫質量，進而選擇合適的參數，保證側墻板的焊接質量要求。

1 實驗方法和材料

實驗采用熱電偶測溫的方式進行溫度測量。作為接觸式測溫方法，該方法需要將熱電偶直接安裝在待測溫點，焊接質量會因此受到影響。利用此測溫方式所得結果相對可靠，但是，只可以顯示有限個點位的測溫結果。在個別情況下，測量誤差的產生是由于測溫元件的裝卸不便、接觸不良。

板材尺寸為100mm×50mm×4mm。根據工藝文件要求，利用直徑0.2mm 的不銹鋼絲輪刷清理待焊部位表面（搭接面、對接面、上下表面）的氧化膜，使用棉紗布和鋁合金清洗劑處理備用。攪拌頭軸肩直徑尺寸為19mm，錐度為7°，末端半徑為3mm，長度為7.8mm，軸肩有環(huán)狀凹槽及2°內凹。

為保證實驗的正確性，查閱設計相關圖紙，得到側墻板在動龍門攪拌摩擦焊胎位的組焊示意圖（見圖1），確定側墻板組焊的搭接接頭形式及相關的焊接要求。

圖1 側墻板組焊示意圖

2 試驗結果分析

2.1 轉速對焊接結果的影響

實驗過程中，為保證與實際生產中焊接側墻板情況相符合，預熱時間選擇1s，下壓量保持0.19mm，焊速100mm/min，轉速取值為500rpm、1000rpm、1500rpm、2000rpm。

由圖2可知，溫度峰值點始終平行于焊接方向，在軸肩、待焊板材接觸處出現，與板材接觸的軸肩的前側比后側溫度低。從整體溫度云圖來看，在焊接方向上，板材后側溫降梯度略小于前側溫升梯度。

圖2 500rpm 上表面溫度云圖

圖3 是提取出的板材表面峰值t與時間變化的相關曲線，峰值溫度從383℃迅速升至約452℃后趨于穩(wěn)定，峰值溫度在焊接末期略有提升，最高可達472℃。

圖3 焊縫峰值溫度圖

轉速升至1000rpm，上表面溫度云圖和焊縫峰值溫度圖與500rpm 時大致相同，焊縫峰值溫度略有升高，溫度場云圖未見明顯變化。穩(wěn)定焊接初期，焊縫峰值t迅速下降到480℃，然后又上升到513.7℃；在穩(wěn)定焊接過程，整體溫度增速漸緩，逐漸達到541.6℃（母材熔點的84.6%）；在穩(wěn)定焊接末期，焊縫峰值t增速顯著提升，最高可達567.8℃（母材熔點的88.7%）。

結合圖4，當轉速在1500rpm時，焊縫峰值溫度進一步升高，溫度場云圖與1000rpm時相似，未見明顯變化。在穩(wěn)定焊接的初期，焊縫的峰值t從487.2℃迅速上升到520℃；穩(wěn)定焊接中期，溫度整體增速放緩，達到570℃（鋁合金熔點的87.5%）左右；在穩(wěn)定焊接末期，焊縫峰值t增幅較大，最高達597.7℃（鋁合金熔點的93.3%）。

圖4 焊縫峰值溫度圖

結合圖5，轉速升至2000rpm 時，上表面溫度云圖和焊縫峰值溫度圖與1500rpm 時近似，焊縫峰值溫度進一步提高，溫度場云圖未見明顯變化。在穩(wěn)定焊接的初期，焊縫的峰值t從501.5℃迅速升到550.3℃；焊接中期，溫度緩慢升高至580℃（鋁合金熔點的90.6%）；焊接末期階段，溫度最高可達613.5℃（鋁合金熔點的95.8%）。

圖5 焊縫峰值溫度圖

2.2 焊接速度對焊接結果的影響

預熱時間選擇1s，下壓量保持0.19mm，轉速1500rpm，焊速取值為100mm/min、300mm/min、500mm/min、700mm/min。焊速選取100mm/min 時，焊縫峰值溫度圖見圖4。

轉速1500rpm、焊速300mm/min 時，溫度場云的曲率最大位置在開始和結束時方向與焊接方向平行，前進側溫升梯度和后退側溫降梯度較大，受熱影響面積縮小，此時，焊縫表面峰值t在穩(wěn)定焊接初期開始下降，后趨于穩(wěn)定，峰值t焊縫溫度基本控制在505℃，最高達507.7℃（鋁合金熔點的79.3%）。

結合圖6、圖7可知，當焊速提高到500mm/min時，焊縫表面峰值t在穩(wěn)定焊接前半程從515℃緩緩降至475℃，后半程峰值t基本保持在470℃（鋁合金熔點的73.4%）。

圖6 焊速500mm/min 上表面溫度云圖

圖7 焊縫峰值溫度圖

當焊速升至700mm/min（見圖8）時，焊縫峰值溫度圖與500mm/min時近似。溫度場云的曲率最大位置在開始和結束時，焊縫峰值t最低。在穩(wěn)定焊接前半程，焊縫表面峰值溫度從515℃緩慢降至452℃，后半程峰值溫度穩(wěn)定在450℃（鋁合金熔點的70.3%），溫度下降速度較500mm/min有所提高。

圖8 焊縫峰值溫度圖

經上述實驗發(fā)現，攪拌頭轉速選取1500rpm時，參考點的溫度升高和降低的幅度與焊接速度成正相關，這是因為在板材散熱條件相同的情況下，焊接速度提高，溫度變化時間縮短，溫度變化梯度增大。

從圖9 可知，隨著焊接速度的提升，焊縫峰值t也會有所提高，但其降低速度會漸緩。

圖9 焊縫表面穩(wěn)定峰值溫度與轉速關系

焊縫峰值溫度在軸肩外側與板材接觸位置出現，方向平行于焊接方向，軸肩前側峰值t低于后側峰值t。測溫點出現“雙峰現象”，最高溫為第二峰值。后退側溫度低于前進側溫度，差值與焊速聯系更為緊密，差值與焊速成正比例關系，在轉速1500rpm、焊速100mm/min時，差值最小，最小值為18.9℃；在焊速700mm/min 時，溫差最大，為51.1℃。

3 結論

本文采用控制變量法，在側墻板焊接過程中，分別研究了FSW 不同轉速和不同焊速下側墻板的溫度場變化，分析判斷了參數的選擇對焊縫表面質量的影響。

（1）側墻板焊縫表面峰值溫度與轉速呈正相關，但增速漸緩，在轉速2000rpm的焊接末期出現溫度峰值，峰值為613.5℃（未達母材熔點）。轉速為500rpm，穩(wěn)定焊接時，焊縫表面峰值溫度相對平穩(wěn)，溫度值為452℃，溫度上升僅出現在穩(wěn)定焊接的初始和收尾階段。轉速繼續(xù)增大，焊縫表面峰值溫度隨時間上升趨勢逐漸明顯，這會促使焊縫質量不均，影響側墻板焊縫表面質量，進而影響行車安全。

（2）于焊速而言，焊縫表面峰值溫度與焊速成負相關，降速趨緩，最高溫在焊速100mm/min 時出現，為597.7℃（未到母材熔點）。穩(wěn)定焊接，焊速為300mm/min 時，焊縫表面峰值t控制在505℃。選擇該焊接工藝參數，焊縫一致性最好，焊縫質量要求得到滿足。