翟明，宋宏圖，石磊，任金雷，李政，石孟雷

1.中國鐵道科學研究院集團有限公司金屬及化學研究所 北京 100081 2.山東大學材料液固結構演變與加工教育部重點實驗室 山東濟南 250061

1 序言

鐵路作為國家重要基礎設施，其中動車組車體部件及鋼軌的良好焊接是保障平穩(wěn)運行的關鍵。目前，動車組車體部件是以鋁合金為代表的輕質(zhì)合金，主要采用非熔化極惰性氣體保護焊和熔化極惰性氣體保護焊的方式進行焊接制造。由于輕質(zhì)合金等具有低熔點、高線脹系數(shù)和高熱導率的特點，因此當采用熔焊方式進行焊接時容易產(chǎn)生夾雜和氣孔等缺陷，并伴有晶粒粗大、熱裂紋、焊接變形等問題[1]。目前，鋼軌作為一種高碳鋼，主要采用鋁熱焊[2]、閃光焊[3，4]、氣壓焊[5]、窄間隙電弧焊[6，7]等方式進行焊接。但是，由于這些工藝過程中都存在材料的熔化和凝固，因此會產(chǎn)生較高的殘余應力，增大生成裂紋的傾向。

攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding，F(xiàn)SW）作為一種低熱輸入的固相連接工藝，可以解決熔焊的不足，并且形成的接頭抗拉強度高，制造過程綠色環(huán)保，在軌道交通領域具有巨大的應用前景[8，9]。其中，攪拌頭作為焊接的重要工具，其幾何特征會影響到焊接產(chǎn)熱與材料流動，進而影響動車組車體部件和鋼軌攪拌摩擦焊的接頭性能。因此，本文主要從攪拌頭幾何特征、動車組車體部件攪拌摩擦焊、鋼軌攪拌摩擦焊3方面，介紹攪拌摩擦焊在軌道交通領域的應用現(xiàn)狀和發(fā)展前景。

2 攪拌頭幾何特征

在攪拌摩擦焊中，攪拌頭是重要的加工工具，由軸肩和攪拌針兩部分組成。在攪拌頭的驅(qū)動作用下，攪拌頭前方（Leading Side，LS）的工件材料遷移至攪拌頭后方（Trailing Side，TS）形成焊接接頭。在焊接過程中，攪拌頭轉(zhuǎn)速切向方向與焊接速度方向相同的一側(cè)為焊縫前進側(cè)（Advancing Side，AS），相反的一側(cè)為焊縫后退側(cè)（Retreating Side，RS），如圖1所示。其中，攪拌頭的軸肩形狀與尺寸[10-12]、攪拌針形狀與尺寸[13-16]及攪拌針螺紋[17-20]等幾何特征對接頭成形成性起著重要的作用。

圖1 攪拌摩擦焊過程示意

ELANGOVAN等[16]發(fā)現(xiàn)，當軸肩直徑約為攪拌針直徑3倍時，焊縫性能較為良好。ARORA等[21]通過數(shù)值建模計算了可以形成最佳接頭強度的軸肩直徑。SHI等[11]建立了最佳軸肩直徑與工藝參數(shù)之間的關系，認為最佳軸肩直徑隨攪拌頭轉(zhuǎn)速的增加而減小，隨焊接速度的增加而增加，如圖2所示。

圖2 軸肩直徑與工藝參數(shù)的關系[11]

GADAKH等[13]探究了攪拌針截面形狀分別為三角形、四邊形、五邊形和六邊形時焊接熱輸入的區(qū)別。MEHTA等[14]發(fā)現(xiàn)，焊接峰值溫度隨攪拌針截面形狀邊數(shù)增加而增加，最大剪切應力隨攪拌針截面形狀邊數(shù)增加而減小。SU等[15]研究了攪拌針形狀對于攪拌摩擦焊的產(chǎn)熱和材料流動的影響，認為帶有平面的攪拌針與圓錐形攪拌針相比，有效地促進了材料流動，擴大了塑性變形區(qū)的范圍，如圖3所示。RABBY等[20]采用帶有0～4個平面的攪拌針進行對比試驗，發(fā)現(xiàn)帶平面的攪拌針可以獲得更好的焊接質(zhì)量，帶有3個平面的攪拌針能產(chǎn)生無缺陷的焊縫。

圖3 攪拌針截面形狀對材料流動的影響[15]

YU等[17]發(fā)現(xiàn)，攪拌針側(cè)面的螺紋會影響攪拌區(qū)內(nèi)的溫度、材料流速和應變率。SUN[18]等認為，螺紋的存在使材料流動及產(chǎn)熱都得到了明顯的提升，如圖4所示。

圖4 攪拌針螺紋對產(chǎn)熱的影響[18]

由此可看出，攪拌頭的幾何特征會影響產(chǎn)熱傳熱與材料流動行為，進而影響接頭成形性。因此，攪拌摩擦焊應用于軌道交通領域時，應根據(jù)材質(zhì)、工件尺寸、接頭形式等合理設計攪拌頭的幾何特征。

3 動車組車體部件的攪拌摩擦焊

近年來，攪拌摩擦焊技術的發(fā)展使其逐漸成為動車組車體部件焊接的先進技術[22]。

3.1 鋁合金攪拌摩擦焊

目前，鋁合金是動車組輕量化的首選材質(zhì)。在復興號動車組上，為了進一步節(jié)能降碳，座椅底架中間擋板已由碳素鋼改為鋁合金。

王忠旭[23]研究了動車組車體用6005A-T6鋁合金型材在攪拌摩擦焊后的殘余應力與變形，制定了焊縫的焊接順序。馮浩[8]在壁厚4mm的6005A-T6鋁合金型材中研究了對接形式下雙軸肩攪拌摩擦焊工藝、接頭組織和性能，在16mm的厚壁型材中研究了對搭接形式下單軸肩攪拌摩擦焊工藝、接頭組織和性能，為促進攪拌摩擦焊在車體制造中的應用和焊接質(zhì)量的提高提供了研究基礎。張欣盟等[24]分析了6005A-T6鋁合金型材雙軸肩攪拌摩擦焊接頭的疲勞性能，斷裂發(fā)生在前進側(cè)熱影響區(qū)，發(fā)現(xiàn)斷口呈現(xiàn)出疲勞斷裂特征，如圖5所示。

圖5 鋁合金攪拌摩擦焊接頭試樣斷裂路徑及斷口形貌[24]

由此可見，當采用鋁合金作為動車組車體部件時，攪拌摩擦焊技術的應用已經(jīng)較為成熟。

3.2 鎂合金攪拌摩擦焊

隨著“雙碳”目標的提出，交通運載裝備制造領域?qū)τ谳p量化的需求進一步增大。鎂合金的強度與鋁合金接近，但是密度僅約為鋁合金的2/3，可以進一步實現(xiàn)節(jié)能降耗。在復興號動車組上，行李架后墻型材、下掛板和后型材由鋁合金更改為鎂合金，可進一步降低車身重量。

部分研究者針對鎂合金的攪拌摩擦焊過程開展了研究工作。BRUNI等[25]研究了轉(zhuǎn)速與焊接速度的比值對AZ31鎂合金攪拌摩擦焊接頭力學性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著比值的增加，力學性能先提升后降低。WANG等[26]探究了轉(zhuǎn)速對AZ31鎂合金攪拌摩擦焊溫度與接頭性能的影響，發(fā)現(xiàn)峰值溫度隨轉(zhuǎn)速的增加而增加（見圖6），在1200r/min的中等轉(zhuǎn)速條件下可獲得性能較好的接頭。梁洪嘉[9]對動車組車身用AZ31與AZ91鎂合金型材分別開展了攪拌摩擦焊工藝試驗，探究了固溶時效處理對接頭性能的影響，并確定了焊接參數(shù)。

圖6 鎂合金攪拌摩擦焊轉(zhuǎn)速與峰值溫度的關系[26]

目前，在動車組車體上，鎂合金攪拌摩擦焊尚未得到廣泛應用，因此是下一步的研究目標與方向。

3.3 鋁-鎂異質(zhì)合金攪拌摩擦焊

鋁-鎂異質(zhì)合金的焊接可以充分利用兩種金屬的優(yōu)勢，將各自劣勢降到最低，逐漸成為研究者關注的重點之一。但是，鋁-鎂異質(zhì)合金焊接會產(chǎn)生金屬間化合物（Intermetallic Compounds，IMCs），影響接頭的性能。因此，如何調(diào)控IMCs是異質(zhì)材料連接過程中的關鍵問題。

在鋁-鎂異質(zhì)合金對接焊中，L V等[27]發(fā)現(xiàn)，焊縫中上部界面處IMCs為雙層結構，由Al3Mg2和Al12Mg17組成；焊縫中下部界面處IMCs為單層結構，為Al3Mg2。KUMAR 等[28]的試驗結果表明，焊縫上部界面處IMCs 的厚度最大。付邦龍等[29]發(fā)現(xiàn)，界面處雙層IMCs由靠近鋁合金一側(cè)的Al3Mg2和靠近鎂合金一側(cè)的Al12Mg17組成（見圖7a）；選擇合適的工藝參數(shù)以獲得適當?shù)臒彷斎肱c鋁-鎂混合狀態(tài)，有助于提高接頭強度（見圖7b）。

圖7 鋁-鎂異質(zhì)合金攪拌摩擦焊[29]

對于鋁-鎂異質(zhì)合金搭接焊過程，IMCs的生成方式與對接焊時存在區(qū)別。在對接焊時，IMCs的生成主要是原子固態(tài)擴散方式[30-33]。而搭接焊中，攪拌頭軸肩接觸的主要是上板材料，相比對接焊溫度更高、材料流動更劇烈，這導致鋁-鎂混合區(qū)的溫度可能會超過鋁-鎂共晶溫度，從而產(chǎn)生局部液化行為[34-36]。鋁板與鎂板的搭接形式及攪拌針的長度，同樣也會影響到IMCs形成，影響接頭性能[37]。

因此，在鋁-鎂異質(zhì)材料的攪拌摩擦焊中，如何調(diào)控IMCs的生成與長大，是未來面向?qū)嶋H工程應用的研究重點。

4 鋼軌的攪拌摩擦焊

在鋼的攪拌摩擦焊時，由于鋼材的硬度較高，因此需要采用特制的攪拌頭。GAN等[38]通過對鋼攪拌摩擦焊過程中攪拌頭變形進行數(shù)值模擬，認為鎢-稀土合金材質(zhì)適合于制作鋼攪拌摩擦焊的攪拌頭。

鋼軌材質(zhì)是一種高碳鋼，其焊接難度較大。有部分研究者針對高碳鋼進行了攪拌摩擦加工方面的研究工作。COSTA等[39]對D2高碳工具鋼進行攪拌摩擦加工，發(fā)現(xiàn)鐵素體、碳化物的細化，以及馬氏體組織的形成導致改性層的硬度達到基體的2～4倍。NAGAOKA等[40]對激光修復D2高碳工具鋼層進行攪拌摩擦加工，可產(chǎn)生均勻分布的細小碳化物顆粒，并增加了馬氏體的含量，從而提升修復層的硬度。

在鋼軌焊接時，中國鐵道行業(yè)標準規(guī)定焊縫和母材中不允許出現(xiàn)馬氏體組織[41]。CUI等[42]在沒有任何預處理或后熱處理的情況下獲得了不包含馬氏體組織的S70C鋼攪拌摩擦焊接頭，如圖8所示。主要是通過采用低轉(zhuǎn)速與低焊接速度，將峰值溫度降低至奧氏體相變溫度以下，并使冷卻速率低于下臨界冷卻速率。

圖8 不同工藝條件下攪拌摩擦焊接頭攪拌區(qū)微觀組織[42]

雖然攪拌摩擦焊可以實現(xiàn)鋼軌的焊接，但是低轉(zhuǎn)速和低焊接速度也使得焊接效率較低。因此，如何在抑制馬氏體組織生成的前提下，提升焊接效率，是促進其工程應用的重點研究內(nèi)容。

5 結束語

本文從攪拌頭幾何特征對焊接過程的影響、動車組車體部件攪拌摩擦焊與鋼軌攪拌摩擦焊3方面，總結了攪拌摩擦焊技術在軌道交通領域的應用現(xiàn)狀與發(fā)展前景，結論如下。

1）在焊接過程中，應合理地選擇攪拌頭的軸肩形狀與尺寸、攪拌針形狀與尺寸及攪拌針螺紋，否則會影響焊接產(chǎn)熱與材料流動，進而影響動車組車體部件和鋼軌攪拌摩擦焊的接頭性能。

2）目前，動車組車體部件主要材質(zhì)為鋁合金，其攪拌摩擦焊工藝已較為成熟。隨著交通運載裝備制造領域?qū)τ谳p量化的需求進一步增大，部分車體部件中開始采用鎂合金，其攪拌摩擦焊是未來的研究方向。其中，鋁-鎂異質(zhì)合金攪拌摩擦焊是研究重點之一，如何調(diào)控IMCs的生成與長大是學者們關注的問題。

3）在鋼軌攪拌摩擦焊方面，由于中國鐵道行業(yè)標準規(guī)定鋼軌焊縫與母材中不能出現(xiàn)馬氏體組織，因此，可以在焊接時采用低轉(zhuǎn)速與低焊接速度的方式，將峰值溫度降低至奧氏體相變溫度以下，并使冷卻速率低于下臨界冷卻速率，抑制馬氏體組織的形成。因此，如何提升焊接效率，是未來研究的關鍵。