城轨车辆铝合金地板高速搅拌摩擦焊工艺研究

姚杞，黄海旭，李莎，刘海涛

中车株洲电力机车有限公司 湖南株洲 412004

1 序言

6005A-T6是一种可热处理强化的Al-Mg-Si 系铝合金，因其具有密度小、强度高、热稳定性好、耐腐蚀及低温性能好等特点，已成为当前我国高速列车及地铁车辆制造的主要材料[1]。与车辆制造中常用的熔化极气体保护焊（MIG）相比，搅拌摩擦焊（FSW）是一种固态焊接技术，焊缝中气孔、裂纹等缺陷少，焊后变形小，使得它成为地铁车体焊接的重要发展趋势。

地板是地铁车辆的主要部件之一，其焊接质量的好坏直接关系到车辆的承载安全。在搅拌摩擦焊焊接过程中，影响焊缝成形的焊接参数有搅拌头转速、焊接速度、焊接倾角等[2，3]。本文针对地铁车辆常用的6005A-T6铝合金，研究了焊接参数对4.4mm厚型材对接接头搅拌摩擦焊焊缝成形及力学性能的影响，以实现其在轨道车辆地板上的工程化应用。

2 搅拌摩擦焊试验

2.1 试验材料

试验材料采用目前轨道车辆制造中常用的6005-T6型材，其抗拉强度为272MPa，化学成分见表1。

表1 6005A-T6铝合金化学成分（质量分数）（%）

2.2 试验设备

试验设备采用航天工程装备（苏州）有限公司研制的型号为HT-DLM10×530/1的长地板搅拌摩擦焊设备。搅拌头采用针肩一体式结构，搅拌针伸出轴肩长度为5mm。轴肩是凹形，搅拌针呈圆锥形，针上有左旋螺纹，端部直径15.0mm，倾角为3°，整个搅拌头采用水冷系统冷却，如图1所示。

图1 搅拌头结构及实物

2.3 接头形式及试验参数

焊接接头形式为自带垫板的对接接头，型材上下面板厚度均为4.4mm，焊缝轴肩接触区域的型材均设有0.4mm凸台，避免板厚减薄，型材接头形式如图2所示。

图2 型材接头形式

焊接过程中，搅拌头的扎入速度为50mm/min，搅拌头倾角保持2.5°不变。试验采用的焊接参数见表2。

表2 搅拌摩擦焊焊接参数

2.4 试验步骤

型材待焊区域在焊前采用机械抛光进行表面去氧化膜处理。接头装配完成后端部采用定位焊固定，侧面采用液压装置推紧，保证焊接过程中接头装配间隙始终＜0.4mm。焊缝长度方向两侧采用液压臂压紧固定，防止接头错边。焊后首先根据GB/T 26955—2011《金属材料焊缝破坏性试验 焊缝宏观和微观检验》进行焊缝断面宏观检测[4]，观察焊缝内部有无孔穴（隧道）、未焊透及弯钩等缺陷。拉伸试样准备和试验按GB/T 2651—2008[5]《焊接接头拉伸试验》进行，拉伸试样按照图3所示尺寸加工获得，拉伸试验在微机控制电液伺服万能试验机（SHT4106型）上进行。为提高检测的准确性，每组参数取3件拉伸试样进行试验。

图3 接头拉伸试样尺寸

3 试验结果及分析

3.1 工艺参数对焊缝外观的影响

试验中的所有工艺参数均能保证4mm有效熔深。当搅拌头下压力为1.2kN、转速为3200r/min时，焊缝起始端表面出现较为严重的飞边，如图4a～c所示。这是因转速较高、焊接速度较低而引起的疑似过热现象。当下压力从1.2kN降低至1.1kN、转速降低后，飞边程度可得到较大改善，如图4d～f所示。

图4 不同焊接参数下焊缝外观成形

从宏观金相来看，除搅拌头转速为3200r/min、焊接速度为2000mm/min时，焊缝接头搭接位置出现微小裂纹外（见图5a），其他参数下均未见隧道、未焊透等缺陷，如图5b～d所示。

图5 焊接速度为2000mm/min时，不同搅拌头转速下焊缝宏观金相

3.2 工艺参数对接头性能的影响

所有工艺参数下所得到的接头抗拉强度，均满足ISO 25239-5—2020《搅拌摩擦焊-铝合金-第五部分：质量检验要求》标准要求，即接头强度应达到母材标准抗拉强度（272MPa）的70%以上（190MPa）。

不同搅拌头转速下焊接接头的抗拉强度如图6所示。当焊接速度为2000mm/min、搅拌头转速为2900r/min时，接头抗拉强度达到最大值220.5MPa，达到母材抗拉强度的81.07%。随着转速的增加，接头的抗拉强度逐渐降低，这是因为随着转速的增加，焊接热输入不断增加，焊接区因金属过热而导致焊缝质量较差[2]。当焊接速度为2100mm/min时，随着搅拌头转速的增加，其所得接头的抗拉强度呈现先增加后降低的趋势。

图6 不同搅拌头转速下焊接接头的抗拉强度

不同焊接速度下焊接接头的抗拉强度如图7所示。当转速为3100r/min时，随着焊接速度增加，接头的抗拉强度逐渐降低。当转速为3000r/min时，随着焊接速度的增加，接头抗拉强度先增加后降低。这是因为焊接热输入过高或过低都会影响焊缝质量[2]。当焊接速度为2100mm/min时，抗拉强度最大值为218.5 MPa，达到母材抗拉强度的80.33%。

图7 不同焊接速度下焊接接头的抗拉强度

所有接头拉伸失效位置均位于后退侧的焊接热影响区，这是因为焊接热影响区晶粒发生粗化，所以导致其力学性能相对更低[6]。

4 结束语

1）4.4mm厚6005-T6铝合金对接接头，采用搅拌针伸出量为5mm，下压力为1.1kN，搅拌头转速为2900r/min、3000r/min、3100r/min，焊接速度为2000mm/min、2100mm/min、2200mm/min焊接时，均可得到外观成形良好、接头力学性能满足工程化应用要求的焊缝。接头拉伸失效位置均位于后退侧的焊接热影响区。

2）焊接速度为2000mm/min时，随着搅拌头转速增加，接头的抗拉强度逐渐降低，当搅拌头转速为2900r/min时，抗拉强度达到最大值220.5MPa。

3）搅拌头转速为3000r/min时，随着焊接速度的增加，接头的抗拉强度先增加后降低。