新型分体式搅拌头在底架长地板上的应用研究

龙维峰 李莎

摘 要：目前城轨地铁铝合金底架长地板组焊多采用弧焊焊接，为推进搅拌摩擦焊工艺的应用，提升焊缝质量的同时有效降低生产成本。基于现有的直圆柱体搅拌头，设计了一种新型的分体式搅拌摩擦焊搅拌头，研究不同的搅拌头转速、焊接速度等参数对长地板焊接接头的影响，获得最佳的焊接参数，为后续批量化生产提供理论参考。

关键词：长地板;搅拌摩擦焊;焊接参数

0 引言

搅拌摩擦焊相对于传统熔化焊来说，具有焊接接头外观平整、性能优良，焊后残余应力和变形小，无烟尘、无辐射、无飞溅、无需焊丝与保护气体，节能等优点[1]，被广泛应用于船舶制造、航空航天和轨道交通等领域[2]。搅拌摩擦焊搅拌头与设备是进行搅拌摩擦焊接的基础，其中搅拌头更是决定搅拌摩擦焊焊缝质量的关键因素[3]。

1 长地板结构

为摸索新结构新工艺在长地板焊接过程中的应用状态，确定合适的长地板焊接工艺，以目前城轨B型地铁项目车体长地板作为搅拌摩擦焊焊接工艺研究对象。B型地铁项目长地板截面如下图所示：

长地板摩擦焊接头为全新设计，接头熔深由3.5 mm更新为4 mm，型材的来料力学性能检测数据如下表所示，相较于以往侧墙型材290 MPa左右的抗拉强度，有明显下降，会对焊缝力学性能有一定影响：

2 实验材料与设备

实验选用长地板整体型材，材质6005A-T6铝合金，搅拌摩擦焊焊机为赛福斯特搅拌摩擦焊焊机，实验所用搅拌摩擦焊搅拌头为自行优化设计的带止挡台的新型分体式搅拌头，其外形如图2所示。

长地板型材拼接完成后，参照表2所示不同参数进行焊接，下压力根据现场焊接的实际情况填写记录，取样编号为以1到8进行区分，并在各条焊缝旁做好标记。焊接完成后在焊缝中心用记号笔进行标记，并测量实际偏移量。

产品实物工程化应用需考虑更多切合实际生产过程的措施，如产品实物的焊接装夹状态、工程化应用中的便于操作性等，本次试验将分别进行验证。对各条焊缝采用多组焊接参数进行焊接，并制备拉伸、弯曲、金相试样进行检测，取样区域如下图所示，从左至右分别命名为区域1、2、3、4。

每块区域取2个拉伸，2个弯曲和1个金相试样进行检测（正反两面参数不一，均需要进行取样检测）。

3 结果分析

3.1 力学性能分析

具体力学性能结果及对应的焊缝参数如下表所示，由于长地板焊缝达17 m，现有长地板摩擦焊设备不具备激光跟踪系统保证焊接过程实时对中，长焊缝容易出现焊缝偏移的问题，对各取样区域的金相进行观测，发现多处焊缝偏移量达0.5 mm以上，对大于0.5 mm的焊缝偏移进行记录。

从焊缝偏移量对应焊缝的力学性能参数看，偏移量对焊缝力学性能影响不大，当采用1 500 rpm的转速，1 400 mm/min焊接速度时，最大偏移量为2 mm，焊缝抗拉强度也可以达到205 MPa和209 MPa，甚至强于该条焊缝偏移量较小的三号区域位置的力学性能。其他区域焊缝性能也未能看出由于焊缝偏移量的变化导致焊缝性能或金相出现明显变化的特征。

根据ISO25239要求，厚度在5 mm以下的摩擦焊接头，焊缝强度应达到母材标准抗拉强度（270 MPa）的70%以上，即应大于189 MPa[4]。由上述试验结果看出，由于本次焊接验证为整长17 m的焊接，对焊接过程稳定性要求更高，随着焊接参数的变化，焊缝性能变化较大。多组焊接参数下焊缝性能出现抗拉强度不达标或者弯曲开裂等问题。筛选后得到以下四组合格焊接参数，力学性能达到标准要求，金相也不存在缺陷问题：

（1）在采用1 500 rpm的轉速，1 000 mm/min焊接速度时，焊缝平均抗拉约为203 MPa，达到母材最低抗拉强度（270 MPa）的75.2%，焊缝最低抗拉强度为195 MPa;

（2）在采用1 500 rpm的转速，1 400 mm/min焊接速度时，焊缝平均抗拉为202 MPa，达到母材最低抗拉强度（270 MPa）的74.8%，焊缝最低抗拉强度为196 MPa;

（3）在采用1 600 rpm的转速，1 200 mm/min焊接速度时，焊缝平均抗拉为206 MPa，达到母材最低抗拉强度（270 MPa）的76.2%，焊缝最低抗拉强度为204 MPa;

（4）在采用1 600 rpm的转速，

1 600 mm/min焊接速度时，焊缝平均抗拉为207 MPa，达到母材最低抗拉强度（270 MPa）的76.7%，焊缝最低抗拉强度为205 MPa。

4 结论

试验得到了适用于现场实际情况的长地板搅拌摩擦焊焊接工艺参数，长地板搅拌摩擦焊焊缝强度均在母材最低抗拉强度的75%左右，其中1 600 mm/min的高速焊接控制难度更大，且长焊缝控制难度更大，焊缝表面外观不如低速焊接，虽然焊缝性能最佳，但不建议直接应用于大批量生产，可进行更多试验后逐步提升。B型地铁项目长地板搅拌摩擦焊建议采用1 600 rpm的转速，1 200 mm/min焊接速度进行生产，焊缝整体抗拉强度较高且最低抗拉强度也稳定在200 MPa左右。

参考文献：

[1]姜澜，魏绪钧，姚广春，等.铝合金搅拌摩擦焊研究现状及应用[J].材料导报，2003，17（6）：70-72.

[2]陈杰，张海伟，刘德佳，等.我国搅拌摩擦焊技术的研究现状与热点分析[J].电焊机，2011，41（10）：92-97.

[3]何建军，刘明宇，杨宗辉.搅拌头-搅拌摩擦焊的心脏[J].电焊机，2004，34（1）：24-26.

[4]侯振国，钮旭晶，李充.搅拌摩擦焊技术在高速列车制造中的应用[J].电焊机，2018，48（3）：32-36.