■ 付寧寧，金文濤，武美妮

攪拌摩擦焊（FSW）是一種新型固相連接技術(shù)，在焊接過程中不存在母材的熔化，因此可以有效避免熔焊過程中形成的氣孔、裂紋等焊接缺陷；同時(shí)由于FSW焊接速度高，接頭性能優(yōu)良，焊接過程中不需要焊絲、氣體等，所以是一種綠色、高效的焊接方法。隨著軌道交通多樣化的快速發(fā)展，F(xiàn)SW在鋁合金車體制造中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

本文主要針對(duì)國(guó)內(nèi)某APM項(xiàng)目車頂新型帶筋單層板開展攪拌摩擦焊研究，通過工藝優(yōu)化，使得車頂攪拌摩擦焊滿足工業(yè)化生產(chǎn)需求。

1. 車頂結(jié)構(gòu)

國(guó)內(nèi)某APM項(xiàng)目車頂采用的是新型帶筋單層板結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為6005A—T6鋁合金，如圖1所示，該車頂結(jié)構(gòu)主要由車頂邊梁和車頂板7塊型材組成，采用輕量化設(shè)計(jì)，可大大降低能耗。焊接接頭形式采用對(duì)接結(jié)構(gòu)，單面焊雙面成形，焊縫設(shè)計(jì)熔深要求為5mm。

攪拌摩擦焊設(shè)備采用ESAB 5軸攪拌摩擦焊機(jī)（見圖2），采用水冷攪拌頭（見圖3），攪拌針長(zhǎng)4.8mm，軸肩直徑20mm。

2. 焊接工藝優(yōu)化

為了保證焊縫質(zhì)量，分別選取不同的焊接速度、旋轉(zhuǎn)速度、焊接壓力進(jìn)行試驗(yàn)，焊接參數(shù)如表1所示。

（1）焊縫宏觀形貌 不同焊接參數(shù)FSW焊縫形貌如圖4所示。

圖1 車頂結(jié)構(gòu)

圖2 ESAB 5軸攪拌摩擦焊機(jī)

圖3 水冷攪拌頭

表1 焊接參數(shù)

由圖4可以看出，1#、2#、3#、5#參數(shù)均得到了表面成形良好的焊縫，4#參數(shù)焊縫表面出現(xiàn)了較大的表面溝槽，這是由于旋轉(zhuǎn)速度過慢或焊接速度過快導(dǎo)致焊接熱輸入不夠，使得焊縫金屬無(wú)法得到充分的流動(dòng)，而在焊縫表面形成了一種溝槽缺陷。通過增大熱輸入，可有效的避免溝槽缺陷的產(chǎn)生。

分別選取表面成形良好的焊縫接頭，用砂紙打磨后放在氫氧化鈉溶液中進(jìn)行腐蝕，其截面形貌如圖5所示。從圖5可以看出，4組參數(shù)下的FSW接頭焊縫成形良好，呈“漏斗狀”，可明顯觀察到攪拌摩擦焊特有“S”線缺陷，未觀察到攪拌摩擦焊接時(shí)出現(xiàn)的其他宏觀缺陷，如隧道孔、孔洞及未焊透等缺陷。

（2）力學(xué)性能 選取焊縫表面成形良好、內(nèi)部無(wú)缺陷的1#、2#、3#、5#試樣的焊接接頭按照ISO 4136進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，其結(jié)果如表2所示。由表2可以看出，4組參數(shù)下的接頭均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，均達(dá)到母材的60%以上，3#參數(shù)下的接頭平均抗拉強(qiáng)度為282MPa，達(dá)到母材的85%。

圖4 不同焊接參數(shù)FSW焊縫形貌

圖5 不同焊接參數(shù)下的焊縫接頭截面形貌

表2 不同焊接參數(shù)下接頭拉伸性能

（3）微觀組織 選擇表面成形良好、抗拉強(qiáng)度最高的4#焊縫接頭按照標(biāo)準(zhǔn)要求制成微觀試樣，分析接頭微觀組織形貌，如圖6所示。從圖6b可看出，焊核區(qū)處于焊縫中心，其大小與攪拌針尺寸接近，焊接時(shí)直接受到攪拌針強(qiáng)烈的機(jī)械攪拌作用，經(jīng)歷較高溫度熱循環(huán)，組織發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶而形成細(xì)小的等軸晶。圖6c和圖6d分別為熱機(jī)影響區(qū)前進(jìn)側(cè)和后退側(cè)的微觀組織，熱機(jī)影響區(qū)受到塑性金屬流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的沖擊力和熱的雙重作用，表現(xiàn)為畸變的組織，晶粒被拉長(zhǎng)，前進(jìn)側(cè)的組織要比后退側(cè)的細(xì)小。圖6e和圖6f分別為熱影響區(qū)前進(jìn)側(cè)和后退側(cè)的微觀組織，因?yàn)闊嵊绊憛^(qū)距離焊縫較遠(yuǎn)，只受到焊接熱作用的影響，因此這個(gè)區(qū)域的組織與母材略相似，晶粒尺寸稍變大，前進(jìn)側(cè)和后退側(cè)的熱影響區(qū)沒有明顯區(qū)別。

3. 新型帶筋單層板車頂攪拌摩擦焊焊接

通過以上試驗(yàn)對(duì)比，最終確定最佳焊接參數(shù)為：焊接速度1500mm/min，旋轉(zhuǎn)速度1750r/min，焊接壓力16kN。

焊接參數(shù)選定后，利用天車將車頂型材吊運(yùn)至工裝上，并打開側(cè)推及壓緊裝置，對(duì)車頂型材進(jìn)行剛性固定。焊前確認(rèn)裝配間隙≤1mm，錯(cuò)邊量≤1mm，超差部分通過木槌等進(jìn)行調(diào)節(jié)。設(shè)定好參數(shù)后，對(duì)車頂進(jìn)行攪拌摩擦焊接時(shí)，為減小焊接變形，焊接順序由中間向兩側(cè)焊接，如圖7所示。

焊后對(duì)焊縫進(jìn)行PT探傷及超聲相控陣檢測(cè)，均未發(fā)現(xiàn)隧道、裂紋等焊接缺陷，滿足ISO25239標(biāo)準(zhǔn)及工藝要求。松開側(cè)推及壓緊裝置，利用天車將其吊運(yùn)至交檢胎。

4. 結(jié)語(yǔ)

通過工藝優(yōu)化，得到了成形良好的新型帶筋單層板攪拌摩擦焊接頭，為以后的生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。攪拌摩擦焊由于其高效、綠色環(huán)保等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，將會(huì)更多的應(yīng)用在軌道交通制造業(yè)中。

圖6 4#參數(shù)接頭微觀組織形貌

圖7 新型帶筋單層板車頂攪拌摩擦焊接