滕華新 于百川 趙春道等

摘 要：結(jié)合軌道行業(yè)鋁合金材料的應(yīng)用現(xiàn)狀，對攪拌磨擦焊（FSW）的應(yīng)用從焊接設(shè)計方面做了探討分析，包括焊接接頭形式、焊縫標(biāo)注、焊縫強度、焊縫質(zhì)量要求等，在進行焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)注意的事項及在圖紙或技術(shù)文件中應(yīng)給出的技術(shù)要求信息。本文將FSW與MIG焊進行了對比，F(xiàn)SW焊接接頭不需開坡口，不需焊接填充材料，焊縫強度更高，焊縫缺欠形式不同。

關(guān)鍵詞：攪拌磨擦焊;軌道;焊接接頭;鋁合金

鋁合金材料由于重量輕、比強度高、易擠壓成形等優(yōu)點，在軌道交通領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，應(yīng)用方式主要為板材和擠壓型材，傳統(tǒng)的焊接工藝主要采用MIG焊，此外TIG焊和電阻焊等也有應(yīng)用。

FSW是新興的焊接工藝，與傳統(tǒng)熔化焊相比，焊接過程不需填絲和保護氣，焊接熱輸入少、焊后變形小，熔融態(tài)的連接過程也解決了焊縫氣孔、熱裂紋等常見問題，并且目前一些研究也表明FSW焊接接頭力學(xué)性能優(yōu)于熔化焊接頭，因此FSW在高速列車設(shè)計制造中得到廣泛關(guān)注。

目前國內(nèi)各主機廠都已開始采用FSW，在標(biāo)準(zhǔn)動車組上也得到應(yīng)用，主要用于鋁合金車體長大型材、車鉤板、枕梁、設(shè)備箱殼體等的連接，但在實際應(yīng)用過程中面臨相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的欠缺或標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容不完善等問題。FSW焊接接頭設(shè)計主要包括接頭類型、焊縫標(biāo)注、焊縫強度、焊縫質(zhì)量要求四個方面，下面將分別介紹其注意事項。

1 焊接接頭類型

軌道行業(yè)鋁合金結(jié)構(gòu)焊接接頭設(shè)計主要依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN15085-3附錄B和ISO9692-3，但其不適用于FSW。在標(biāo)準(zhǔn)ISO25239-2中，對FSW接頭設(shè)計的基本形式僅給出了示意圖。

FSW與MIG焊的工藝過程不同，施焊示意圖如下。

下面對目前主要應(yīng)用的幾種接頭形式，對比FSW和MIG焊接頭形式的差異，尤其是鋁型材需提前考慮擠壓模具的可行性，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時需提前考慮。

1.1 板材連接、對接接頭

為保證焊縫熔透，MIG焊需根據(jù)板材厚度不同采用不同的坡口形式，在焊接接頭處需要加工出倒角;FSW不需要坡口倒角，與MIG焊相比坡口形式明顯不同。

1.2 鋁型材，單側(cè)焊

FSW單側(cè)焊在接頭背面需要支撐來托住下壓的攪拌頭，這對鋁型材焊接連接設(shè)計影響很大。MIG焊為保證焊縫背面成形，接頭背部也需要支撐來托住熔池，但因為兩種支撐的作用不同，其樣式也不同。

1.3 鋁型材，雙側(cè)焊

FSW雙側(cè)焊時背部不需額外支撐，有利于減重，對承受疲勞載荷是也有利的，并且工裝夾具相對簡單，給生產(chǎn)施工帶來便利，較薄板應(yīng)優(yōu)先選用這種接頭形式。鋁型材MIG焊只能采用單側(cè)焊。

1.4 搭接焊

因為FSW攪拌工具臺肩的需要，可能導(dǎo)致搭接量增加，但FSW不需填加焊絲，是否會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)重量增加，需綜合考慮。

1.4.1鋁型材

1.4.2板材

2 焊縫強度

為保證焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)用的安全可靠，須對焊縫連接強度進行校核，主要通過有限元分析來得出計算應(yīng)力與許用應(yīng)力的比值，用于指導(dǎo)設(shè)計，但在目前的鋁結(jié)構(gòu)設(shè)計或計算標(biāo)準(zhǔn)中都不包括FSW接頭的靜強度和疲勞強度許用值。

與MIG焊等熔化焊相比，F(xiàn)SW焊接熱輸入低，對熱處理強化鋁合金的影響小;FSW焊縫是塑性流動擠壓形成的致密鍛造組織，優(yōu)于熔化焊縫的鑄態(tài)組織，這減少了缺陷的產(chǎn)生，有利于FSW焊后的性能。

2.1 FSW焊縫強度

目前很多科研院所和主機廠都做了疲勞試驗，已公開的疲勞試驗數(shù)據(jù)也表明FSW的接頭力學(xué)性能比熔化焊好，疲勞強度高。文獻2對6005A鋁板FSW得出的實驗結(jié)果，其中疲勞試驗方式為，軸向載荷、最大應(yīng)力循環(huán)次數(shù)1X107、存活率97.5%。屈服強度Rp0.2=187MPa，抗拉強度255MPa，疲勞強度R=-1時疲勞值56MPa，遠(yuǎn)高于MIG焊接頭的36MPa。

2.2 鋁型材焊接接頭強度補償

目前軌道行業(yè)大量采用熱處理強化型合金6005A-T6，熔化焊熱輸入會破壞熱處理強化的效果，導(dǎo)致6005A-T6焊后屈服強度僅為焊前的50%多一些，因此鋁型材斷面設(shè)計時通常增加焊接接頭附近母材厚度來補償這種損失，因為FSW焊縫強度高，可減少增加母材厚度的比例，甚至不需要增加母材厚度，這有利于高速列車的輕量化。

2.3 焊接前進側(cè)與后退側(cè)性能差異

因為FSW過程中攪拌磨擦的影響，攪拌頭前進側(cè)和后退側(cè)也即焊縫兩側(cè)的性能有差異，對同種材料焊縫拉力試驗結(jié)果表明，斷裂部位更多的出現(xiàn)在后退側(cè)。為充分利用材料性能，必要時可在圖紙中標(biāo)明焊接方向。

對不同種材料，需考慮材料融合性，如文獻3中6082和5083焊接，當(dāng)6082材料位于前進側(cè)時，接頭抗拉強度相對于其位于后退側(cè)時可提高10%，并且有利于彎曲韌性的提高。5083和6N01焊接，5083 置于前進側(cè)時焊接工藝范圍較廣;將6N01置于前進側(cè)時較難融合到5083中，焊縫成形困難。

材料熱處理方式不同，焊接前進側(cè)與后退側(cè)的性能也不同，文獻3中，焊接T4與T5狀態(tài)的7N01，將7N01-T5 置于前進側(cè)時材料融合性提高，接頭沖擊韌性比其置于后退側(cè)提高約13%。

3 焊縫質(zhì)量要求

焊縫質(zhì)量狀態(tài)與焊縫強度密切相關(guān)，因此在設(shè)計圖紙中除注明焊縫類型、接頭尺寸外，對焊縫的缺欠等級、表面處理要求、熱處理要求和檢驗要求等都應(yīng)給出詳細(xì)描述。

ISO25239-5附錄A對常見的缺欠給出了要求，目前FSW的檢驗方式，外觀質(zhì)量主要采用目視檢查和著色滲透檢驗，內(nèi)部質(zhì)量采用射線或超聲波檢驗。對于危害較大的焊縫根部弱連接，必要時可采用相控陣超聲波與著色滲透檢驗配合進行。

焊態(tài)下FSW表面由于焊接工具肩部擠壓時可形成微小凸棱和旋轉(zhuǎn)加工痕跡，這往往是疲勞裂紋產(chǎn)生的源頭，必要時可在圖紙中要求去除弧紋痕跡。表面處理過的接頭性能比焊態(tài)下明顯提高，文獻1中，表面拋光后的試樣與原始焊態(tài)試樣相比，疲勞強度最大可提高31%。

4 結(jié)束語

與MIG相比，F(xiàn)SW焊接接頭不需開坡口，節(jié)約了加工坡口的工時;不需焊接填充材料，節(jié)約了焊接成本;焊縫強度更高，但焊縫兩側(cè)性能稍有差異;焊縫缺欠形式不同，質(zhì)量要求不同。

目前常用的焊接標(biāo)準(zhǔn)普遍不包括FSW，針對FSW編制的ISO25239-2011系列標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容還不夠細(xì)致，還需要行業(yè)內(nèi)的技術(shù)人員付出更多努力來完善，在目前相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)不完善的情況下可編制并執(zhí)行企業(yè)內(nèi)部規(guī)范。目前隨著FSW應(yīng)用的增多，國內(nèi)外對FSW的研究也在拓寬和加深，國內(nèi)航天行業(yè)FSW標(biāo)準(zhǔn)在2011年就已發(fā)布，國家FSW標(biāo)準(zhǔn)GB/T34630也在2017年9月發(fā)布。本文結(jié)合軌道行業(yè)鋁產(chǎn)品的特點從FSW焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計角度介紹了一些需關(guān)注的問題，并與MIG焊進行比較，在設(shè)計時可作為參考。

參考文獻：

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[2]Determination of Cyclic Properties of Friction Stir Welded EN-AW 6005A Specimens， LBF Report No.193852-Part 1. 2008.

[3]孟立春，趙明書，欒國紅.7N01-T4和7N01-T5鋁合金焊接位置的選擇對攪拌摩擦焊接頭性能的影響[J].航空制造技術(shù)，2011.

[4]ISO 25239-2 Friction stir welding — Aluminium — Part 2： Design of weld joints[S].

作者簡介：滕華新（1978-），男，山東青島人，學(xué)士，工程師，研究方向：焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造。