铝合金地铁车辆枕梁搅拌摩擦焊工艺研究论文_易理文

枕梁是铝合金地铁车辆底架上面一个非常重要的承重部件，使用MIG焊进行组装焊接时焊接变形大，搅拌摩擦焊工艺在焊接铝合金时焊接变形小，本文主要是研究枕梁6005A铝合金型材搅拌摩擦焊与MIG焊焊接接头对比，分析枕梁搅拌摩擦焊接头组织、性能。

通过对枕梁13.5mm和16mm焊缝进行搅拌摩擦焊焊接的接头分析结果表明，选用合适的转速、进给速度等搅拌摩擦焊参数，能够得到没有明显焊接缺陷的焊缝。中厚板铝合金枕梁型材搅拌摩擦焊焊接过程中焊缝区域形成漏斗状的温度分布，焊缝厚度方向的组织形貌与强化相分布产生了较大的差异。厚度越大，焊缝组织不均匀情况会更严重。

关键字：枕梁；搅拌摩擦焊；组织；性能

一 绪论

搅拌摩擦焊是一种新的焊接工艺，在1991年由英国焊接研究所（TWI）发明并申请专利，其原理如图1所示[1]。它是利用摩擦热作为热源来实现焊接，焊接过程由一个带有搅拌针和轴肩的搅拌头来完成。搅拌摩擦焊是一种固相焊接技术，不会产生熔焊过程中容易产生的凝固裂纹和气孔等缺陷，焊缝多为等轴晶粒，性能好；焊接变形和残余应力小；搅拌摩擦焊是一种机械自动化生产过程，劳动效率高，劳动强度低；焊焊接过程中不会产生烟尘、飞溅和弧光，劳动环境好，是一种绿色的焊接技术。焊缝成形美观，不需要或只需要少量的打磨，提高了生产效率，可实现车体无涂装，进一步体现了环保的优势。

到目前为止，搅拌摩擦焊技术的铝合金城轨车辆上的侧墙、地板等薄板产品得到广泛应用，客户回馈效果良好[2]。由于搅拌摩擦焊的独特优势，其在铝合金城轨车辆上的应用范围必将迅速的扩大。本文通过对枕梁型材的搅拌摩擦焊工艺研究分析，论证了搅拌摩擦焊在EN AW 6005铝合金中厚板型材焊接方面的可行性，为扩大搅拌摩擦焊在铝合金城轨车辆上的应用范围有必要的指导意义。

1-母材； 2-搅拌针；3-搅拌头轴肩；4-锻压侧；

5-压入量；6-搅拌头旋转方向； 7-下压力方向；8-搅拌头倾角；

图1 搅拌摩擦焊原理

二 枕梁搅拌摩擦焊焊接接头与搅拌头

枕梁是城轨车辆底架上面的一个非常重要的承重部件，不仅对该焊接结构质量要求较高，而且对该结构尺寸的要求也较高。铝合金城轨车体的枕梁结构如图2所示，搅拌摩擦焊焊缝结构是在原来MIG焊焊缝的基础上进行了结构改进，改进后的焊缝结构为对搭接接头形式。这种结构形式已成功的应用在侧墙板、空调板等的搅拌摩擦焊上面。

图2 EN AW 6005A枕梁型材对搭接接头结构

搅拌头是影响搅拌摩擦焊焊接性能的关键工具[3]，本课题现阶段的主要研究内容是枕梁6005A铝合金型材对搭接接头13.5mm和16mm焊缝，通过与英国TWI合作，设计了一款搅拌头，通过选用不同的搅拌头针长来适应不同板厚的焊缝接头。其基本结构如图3所示。

图3 枕梁搅拌摩擦焊焊接搅拌头

三 焊接试验结果

1 焊缝金相组织

图4中(a)-(h)所示为不同焊接参数下枕梁搅拌摩擦焊焊缝金相组织。图(a)、(b)是较低的搅拌头转速和进给速度下的接头金相，可以看出两种板厚的焊缝中均存在较严重的HOOK缺陷，而且接头中S线十分明显[4]。对搅拌摩擦焊转速和进给速度进行调整，当转速、进给速度提高时，从图(c)-(h)中可以看出焊缝中HOOK缺陷变小，S线变得弥散。搅拌针长度和焊接道数的变化对焊缝中HOOK缺陷和S线的情况影响较小。

(a) 1-1焊缝 (b)1-2焊缝 (c) 2-1焊缝 (d) 2-2焊缝

(e) 3-1焊缝 (f) 3-2焊缝 (g) 4-1焊缝 (h) 4-2焊缝

图4 焊缝组织形貌

2 焊缝力学性能

试验为验证枕梁部件焊接由常规MIG焊工艺转变为搅拌摩擦焊工艺的可行性，对MIG焊接头与搅拌摩擦焊接头各项性能进行对比分析。试验结果表明：铝合金FSW接头（13.5mm、16mm）抗冲击性能优于其MIG焊接头，但其拉伸性能略低于其MIG焊接头。但均大于母材标准最低抗拉强度的70％。

针对厚板搅拌摩擦焊的抗拉强度与熔化焊接头的抗拉强度对比没有出现较大的优势，进一步进行疲劳试验。铝合金FSW接头（13.5mm、16mm）其疲劳性能略低于其MIG焊接头。

观察焊缝金相，可以发现焊缝上下部微观组织差异较大，这主要是收到变化大温度影响。搅拌摩擦焊过程中，轴肩的摩擦作用是焊接的主要热源，搅拌针是焊接的次要热源。在焊接厚板铝合金时轴肩部位产生的热量很难到达焊缝底部，而搅拌针的产生热量有限，焊接过程中焊缝区域形成漏斗状的温度分布，故焊缝厚度方向的组织形貌与强化相分布产生了较大的差异。厚度越大，焊缝组织不均匀情况会更严重。

通过优化焊接参数，进一步扩大铝合金搅拌摩擦焊与MIG焊接头板厚的抗拉试验对比，铝合金FSW接头抗拉强度均能超过母材标准抗拉强度的75%。根据EN15085相关标准的要求，中厚板铝合金搅拌摩擦焊焊接接头性能，达到在铝合金城轨车辆上进行工程化应用的要求。

四 小结

近年来随着工程技术的要求提高，中厚板及大厚度铝合金搅拌摩擦焊开始成为研究重点。本文对搅拌摩擦焊在铝合金城轨车辆中厚板上的应用具有一定的工程实际意义与理论价值。综合以上搅拌摩擦焊组织与性能结果，取得了以下进展：

（1）铝合金城轨车辆铝合金型材（6005A）搅拌摩擦焊的接头性能满足EN15085相关标准的要求，达到工程化应用条件。

（2）选用合适的搅拌摩擦焊参数，能够得到没有明显焊接缺陷的焊缝。

（3）一定的焊接参数下，焊接道数和搅拌针长度的微小变化对接头抗拉强度影响很小，接头抗拉强度能够达到母材的75%。

（4）中厚板铝合金型材（6005A）搅拌摩擦焊的抗拉强度与疲劳性能与MIG焊接头没有明显优势。提高搅拌针的摩擦产热在整个搅拌摩擦焊过程中的热量所占比例，能改善焊缝的温度场分布，优化焊缝的组织结构，提升焊接接头的力学性能。

参考文献

[1] 栾国红. 摩擦搅拌焊在中国的发展[J].电焊机，2004,34（增刊）：100.

[2] 高井莫夫. 摩擦搅拌焊接在轨道车辆上的应用[J].国外机车车辆工艺，2002,7(4):13.

[3] 柯黎明，邢丽，刘鸽平. 搅拌摩擦焊工艺及其应用[J]. 焊接技术,2000,29(2):7-8.

[4] 刘艳，王淮，宫文彪，等.6005A合金搅拌摩擦焊接头疲劳性能的研究[J].长春工业大学学报(自然科学版).2009. 30(1):12-17.

论文作者:易理文

论文发表刊物:《科学与技术》2019年第22期

论文发表时间:2020/4/29

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