铝合金搅拌摩擦焊型材公差对其焊接性能的影响

孟腾逸 王彦鹏 彭章祝

摘要：搅拌摩擦焊焊接接头尺寸对焊接接头力学性能、焊接速度、焊接过程的稳定性等均有非常重要的影响。研究轨道交通用3.5 mm铝合金搅拌摩擦焊接头在不同公差状态下的焊缝组织结构与性能，对公差大幅偏离标准值条件下的焊缝性能进行了对比，结果表明：接头上下搭接间隙大于0.4 mm时，焊缝极易出现焊接缺陷，焊缝工艺窗口较窄;在转速为1 600 r/min、焊速为1 200 mm/min的焊接工艺参数下，随着焊接间隙的增大，焊缝性能呈现显著下降趋势。

关键词：摩擦焊型材接头;尺寸公差;焊缝性能

中图分类号：TG457.14      文献标志码：A         文章编号：1001-2003（2021）12-0080-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.12.16

0    前言

搅拌摩擦焊作为一种新型的固相连接技术，被广泛应用于轨道交通的铝合金焊接[1-2]。与传统熔焊相比，具有焊接变形小、残余应力小、无焊接热裂纹等优点[3-7]。在轨道车辆[8-9]的大批量侧墙板工件焊接过程中，型材质量问题显得尤为重要。当型材尺寸超差时，焊接质量难以得到保证。目前对型材尺寸超差对焊接性能的影响研究较少，文中旨在研究不同公差状态下的焊缝性能，获得窗口更为宽泛的焊接工艺参数，对推动轨道交通车体制造质量的提升具有重要意义[10-11]。

1 焊接参数试验

在轨道交通行业，批量应用的常规薄板摩擦焊接头通常要求型材的上下间隙控制在0.4 mm以内，左右间隙不超过0.5 mm。搭接间隙尺寸控制既是型材制造的重难点，也是焊接质量的重要保证。文中对偶发性的型材尺寸超差对产品质量的影响进行了试验研究。

试验材料为人为制造的上下错边量精度较差的侧墙型材，材质为铝合金6005A-T6，采用搭接接头形式，如图1所示，接头熔深4 mm，设置0.4 mm焊接凸台。

整块材料拼接完成后，经检测接头上下搭接间隙分布不均，尺寸范围在0.24～0.8 mm，水平左右间隙固定控制在0.2 mm以内。

试验设备为北京赛福斯特技术有限公司生产的二维搅拌摩擦焊设备，搅拌头针长4.9 mm，轴肩直径15 mm。采用13组焊接参数，这些参数均可以在尺寸精度完全合格的型材上焊接合格的焊缝，如表1所示。

由表1可知，多组参数下的焊缝出现了不同程度的焊接缺陷，其中3组存在严重缺陷。这是由于型材接头本身尺寸存在超差，公母接头配合不佳，因此对焊接工艺参数的选择提出了更高的要求。原本较大的焊接工艺窗口受接头尺寸超差的影响，在常见工艺参数条件下出现隧道、沟槽等焊接缺陷，高转速条件下会引起设备抖动，不利于生产安全以及产品质量的稳定，隧道缺陷如图2所示。

由表1可知，转速1 600 r/min，焊速1 200 mm/min时，焊接过程稳定可靠，焊缝质量受型材接头的搭接间隙影响较小，焊缝整体性能较为优异，工艺容忍度更佳。

2 搭接间隙对性能的影响

对型材拼接的具体尺寸进行分别统计测量，确定不同搭接间隙的具体范围。将焊接工艺参数设置为定量（转速1 600 r/min，焊速1 200 mm/min，压力9～10 kN），对不同间隙条件下的焊缝进行检测分析。

选取两段长度为2 500 mm的焊缝，每隔200 mm选取一段焊缝接头进行尺寸测量，將搭接间隙作为试样编号，从0.24 mm、0.3 mm到0.8 mm。即通过对不同区域的上下错边间隙进行标记并测量具体错边尺寸，对测量点处的焊缝进行取样，然后对标记点位间隙值条件下的焊缝力学性能进行统计分析。大间隙条件下的焊缝金相如图3所示。

由于接头形式为双面插接，搭接间隙对正反两面均造成影响，将正面焊缝命名为A面，反面焊缝命名为B面，双面相同位置均采用相同参数焊接完成后分别取样分析，发现所有弯曲试样弯折180°后均无任何裂纹，金相组织完好无缺陷。

将所有抗拉强度和伸长率结果进行对比，结果如图4所示。

采用转速1 600 r/min、焊速1 200 mm/min的固定工艺参数焊接整条焊缝时，不同的焊接间隙处焊缝的抗拉强度有所不同，在型材搭接间隙小于0.4 mm时，所有焊缝抗拉强度均大于母材标准抗拉强度（250 MPa）的80%以上，约为220 MPa，焊缝伸长率在7%以上。

当型材搭接间隙大于0.4 mm时，型材A、B面抗拉强度和伸长率均出现较大波动，搭接间隙为0.6 mm的焊缝抗拉强度为192 MPa，间隙为0.7 mm的焊缝抗拉强度仅为183 MPa，间隙为0.8 mm的焊缝抗拉强度仅为185 MPa，低于母材标准抗拉强度80%，且A面焊缝强度明显大于B面。这反映出双面焊接时，间隙在首面焊接过程中往另一侧偏移。

此外，随着间隙的增大，型材A、B面的焊缝伸长率出现较大偏离，B面伸长率全部低于6%。但总体看来所有位置的焊缝抗拉强度均在母材标准抗拉强度的70% （175 MPa）以上。

3 结论

（1）型材搭接间隙达到0.4 mm以上时，常规的焊接工艺参数不再适用，焊缝极易出现缺陷，同时带来设备抖动、产品缺陷等风险。

（2）型材搭接间隙在0.4 mm以内时，焊缝性能优异，抗拉强度约为220 MPa达到母材标准抗拉的85.2%，焊缝伸长率达7%以上。

（3）在转速为1 600 r/min，焊速为1 200 mm/min的焊接工艺参数下，焊缝间隙容忍度较高，焊缝总体力学性能随搭接间隙的增大逐步下降，但能够满足焊缝质量要求，即便搭接间隙为0.8 mm，抗拉强度仍能达到母材标准抗拉的74%。

（4）为得到焊接质量稳定、优异的焊缝，摩擦焊接头型材上下搭接间隙应控制在0.4 mm以内。

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