铝合金厚板搅拌摩擦焊焊接工艺研究

铝合金厚板搅拌摩擦焊焊接工艺研究

李瑞   ,王玉超   ,高明阳

中车青岛四方机车车辆股份有限公司  山东省青岛市  266109

摘要：近年来我国高速铁路事业迅猛发展，并成功走向世界。由于铝合金材料诸多优点，以及轨道交通车辆轻量化的设计需求，使得铝合金结构车体在城轨、地铁等城市轨道车辆上的应用逐步推广。高速列车比较恶劣的环境，更高的速度，对于承载部件提出了更高的要求，焊接接头的抗疲劳性能很大程度上决定了高速列车车体运行的安全可靠性。而车钩面板一类的厚板焊接，一直是铝合金焊接一个重要的技术难题，MIG手工焊或者MIG自动焊始终绕不过多层多道焊，焊接接头由于重复加热，导致接头性能不稳定。

关键词：铝合金厚板；搅拌；摩擦

由于搅拌摩擦焊(FSW)技术相比较于传统的熔化焊有较多的优势，已经在国内航天、军工等铝合金焊接领域得到了很好的应用，并取得了较好的效果。而国内轨道车辆相关公司也开始逐步在城铁车辆的地板等薄板上进行了应用，厚板应用也在逐步验证使用。搅拌摩擦焊的焊接工艺关键点是首先根据板材情况选用合适的搅拌头形状和搅拌针长度，其次通过调整焊接参数来避免S线、隧道等缺陷。

本文以高速列车常用材质6005A-T6的挤压型材车钩面板为研究对象，验证FSW焊接方式对厚板进行焊接，通过优化焊接工艺，可以完全避免类似“S”曲线的重大缺陷，获得更优的接头性能，为铝合金轨道列车关键部件生产提供参考。

1 试验材料及方法

试验材料为18mm厚的6005A-T6的铝合金挤压型材，为Al-Mg-Si系合金。型材长度为500mm。焊丝为ER5087,规格为Φ1.2mm, 化学成分见表1。搅拌摩擦焊所用搅拌头尺寸为17.8mm。

表1 铝合金型材及焊丝化学成分(质量分数,%)

该挤压型材如图1(a)所示，为常见车钩面板样式。搅拌摩擦焊所用型材为无坡口形式，MIG焊接型材为单V型坡口形式，坡口角度为70°,钝边长度为2mm, 如图1(c)(d)所示。FSW焊接采用ESAB Gantry 4U搅拌摩擦焊接机器人进行焊接，MIG焊接采用IGM机器人配合Fronius焊接电源进行自动焊接。

图1 焊缝坡口形式 

(1)试验方法。

分别采用FSW自动焊和MIG自动焊进行焊接。FSW焊接采用17.8mm搅拌头一次性焊接完成。MIG焊保护气体为纯度99.999%的高纯氩气，MIG焊采用多层多道焊，采用自动焊打底，自动焊多道填充，最后一层采用双丝摆动一次完成盖面。

(2)试验与检验。

焊接完成后对两组试件分别进行焊缝外观检测和渗透检测，外观和渗透试验合格后，进行X射线检测；射线合格后再进行破坏性试验，主要试验为宏观金相检测，微观金相检测，力学性能检测。

2 试验分析

2.1 外观检测及渗透检测

可以明显看出，FSW焊的外观要比MIG自动焊的外观更美观，FSW焊接实现了一道焊接完成，无多道盖面缺陷，且焊缝内无焊接接头。MIG自动焊采用摆动盖面方式基本上掩盖了多层多道焊外观方面的缺陷。同时，对二者的焊缝表面均按ISO 23277《焊缝无损检测—焊缝渗透检测—验收等级》的2X进行渗透检测，结果均合格。

2.2 X射线检测

X射线检测显示，根据标准ISO 17636《焊缝的无损检验-熔化焊接头的射线检测》对焊缝进行检测，显示其符合标准ISO 10042《铝及其合金弧焊接头缺欠质量分级》的B级要求，且FSW焊和MIG自动焊的焊缝均没有未熔合、裂纹、气孔等焊接缺陷。射线检测主要针对MIG熔化焊缺陷检测较为明显，对于FSW焊接的“S”曲线并不能完全显现，需要进一步的破坏性试验(宏观低倍)才能确定。

2.3 焊缝宏观低倍

FSW焊缝断面不存在“S”曲线、隧道缺陷等搅拌摩擦焊常见焊接缺陷，焊缝断面显示融合良好。MIG焊的各层焊道熔合良好，根部完全熔透，没有发现裂纹、层间未熔合及夹杂等缺陷。二者均符合车钩面板对焊缝宏观低倍的要求。

2.4 微观金相

可以看出，虽然焊接速度较快，但是由于多层多道焊本身的特点，使焊缝区域重复加热，促使焊缝区域晶粒不断长大，熔合区柱状晶明显长大，方向性强；焊机热输入较大，熔合区温度梯度较大，沿着散热较快方向的晶粒长大速度较快，靠近母材一侧形成大量晶核，这些晶核很快彼此相遇，形成一层很薄的等轴晶粒，且组织形貌显示为典型的急冷铸造组织，对力学性能有较为明显的影响，焊缝区与热影响区分界较明显。

搅拌摩擦焊是一个温度变化、组织转变、焊接作用力和金属塑性流动等多方面相互耦合、共同作用的复杂过程。搅拌头高速搅拌使接头金属处于塑性状态，在热-机联合作用下形成致密的金属间结合，实现材料的连接。 所以微观组织上可以看出，焊缝处的组织晶粒不会有明显的长大现象，多数晶粒因为凝固时间较短，来不及长大，仅有少量晶粒长大，对力学性能变化影响不大。从焊缝横截面全貌金相组织图可以看出，因焊缝与母材交界位置的母材被充分搅拌，形成不规则焊缝断面形貌特征，进一步说明晶粒更均匀，相比于MIG自动焊，力学性能更接近母材。

3 结论

(1)使用合适的焊接工艺，可以实现一次焊接18mm厚的铝型材，无需填充额外焊材。

(2)在焊接厚板长焊缝过程，搅拌摩擦焊对焊接作业人员更友好，无焊接弧光，焊接道数少，焊接时间短，焊接质量高等优点。

(3)MIG自动焊虽然也可以实现较为完美的焊缝外观，应用于城市轨道车体的关键部件焊接，但在铝合金厚板焊接领域，FSW具有更高的焊接效率和更小的焊接变形，力学性能更优。

(4)此种工艺也可应用于其它铝合金其他部件产品的厚板长直焊缝中。

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