目前，國內(nèi)在航空航天、造船等行業(yè)，攪拌摩擦焊技術已得到一定的應用，但在軌道交通領域，鋁合金攪拌摩擦焊工藝尚處于研究起步階段。2010年由我公司研制的廣州地鐵3號線城軌車輛車體，國內(nèi)首次采用了攪拌摩擦焊工藝，極大拓寬了軌道車輛的焊接技術(見圖1)。

  圖1 首個應用FSW的軌道交通車體

  在軌道車輛領域，鋁合金擠壓型材的電弧焊接連接方式，成為制約列車輕量化發(fā)展的重要因素。而攪拌摩擦焊焊接接頭強度優(yōu)于MIG焊焊接接頭，并且缺陷率低，制造成本低，在軌道車輛的制造中采用FSW技術，將成為主流趨勢。FSW技術推廣較快，但工程化應用時間不長，因此提升FSW制造工藝水平有著極其重要的作用。本文以軌道車輛中空鋁型材6005A焊接為例，對FSW制造工藝進行分析。

  2. 6005A鋁型材FSW工藝特點

  FSW是一種新的焊接工藝，與普通熔化焊相比，這是一種固態(tài)塑性連接工藝，其高速旋轉的攪拌頭產(chǎn)生摩擦熱，使金屬達到塑性熔融狀態(tài)形成焊縫的連接過程。FSW焊接原理如圖2所示。

  圖2 FSW焊接原理

  FSW工藝在軌道車輛工程應用過程中，產(chǎn)品多為平板式結構，我公司6005A鋁型材焊接過程采用北京賽福斯特公司提供的壓力感應式FSW設備(見圖3)。

  圖3 FSW焊接設備

  6005A鋁合金接頭設計特點為中空閉式鋁合金擠壓型材拼接，對搭接結構設計，如圖4所示。在軌道車輛平板部件中應用FSW工藝，多數(shù)采用此結構方案。首先，該種鋁合金中空型材結構，平面對接式，便于FSW工藝實施，對設備要求程度小。其次，F(xiàn)SW也是一種帶壓力焊接的工藝，因此其中空型材支撐穩(wěn)定，設計簡單的攪拌頭就可以實現(xiàn)高質(zhì)量的焊接，避免產(chǎn)生內(nèi)部缺陷。

  圖4 中空鋁型材拼接

  3. 6005A鋁型材FSW制造中的影響因素

  (1)鋁型材母材力學性能 6005A鋁型材在FSW制造中會受母材本身的強度影響，盡管材料公差尺寸、合金成分、抗拉強度、硬度符合相關標準要求，但不同廠家提供型材的抗拉強度、硬度上存在偏差，在相同焊接參數(shù)條件下，會有如下表現(xiàn)：①偏軟中空鋁型材導致FSW焊接過程中產(chǎn)生嚴重飛邊。②焊接過程中設備設定的波動的參數(shù)變化異常。③焊縫內(nèi)部易產(chǎn)生缺陷。因此，母材本身良好的力學性能是FSW工藝制造批量化的前提。

  (2)焊接參數(shù) FSW在實現(xiàn)焊接過程中，形成熱輸入量，使金屬熔化。熱輸入量受到攪拌頭轉速，焊接速度(機床進給速度)影響，加大轉速或降低焊接速度可加大熱輸入量，反之則減少。在兼顧生產(chǎn)效率和機床主軸承受能力的情況下，采用不同參數(shù)組合進行對比試驗，從試驗結果中得出較優(yōu)焊接參數(shù)。

  (3)攪拌針 FSW制造過程中，扎入工件的部分，既為攪拌針。焊接過程中，使用的焊接攪拌頭對焊接質(zhì)量也有較大影響。在某次工藝驗證過程中，共采用了兩種攪拌針長度的攪拌頭對產(chǎn)品進行驗證，在其他焊接條件相同下裝配針長度4.1mm和3.8mm，得出兩種不同焊接截面宏觀質(zhì)量。另外，攪拌針外形同樣影響產(chǎn)品質(zhì)量，攪拌針在使用過程中，存在磨損現(xiàn)象，磨損一定程度也會對焊接質(zhì)量存在影響。

  (4)軸向壓力 6005A鋁型材在FSW制造中，軸向壓力是一個動態(tài)參數(shù)，實際操作過程中，會跟壓入量的深淺與飛邊的狀況進行實時調(diào)整，實際的參數(shù)值與初始設定值會有很大出入。在試驗過程中，設定值一般為4.5~5kN之間，但實際操作這一參數(shù)主要還是受到壓入深度的影響，只能推薦最適合值，不能確定準確值。

  4. 6005A鋁合金FSW焊接與返修措施

  (1) 6005A鋁合金FSW焊接 在我公司軌道車輛鋁合金6005A擠壓中空型材采用FSW工藝，板厚可涉及2.5～20mm，其中在薄板2.5～4.5mm型材拼接制造中，其工藝控制措施已很成熟。圖5為我公司在型材板厚為3.0mm的FSW焊接。

  圖5 側墻部件FSW

  針對2.5～4.5mm壁厚中空擠壓型材，其工藝重點控制措施：①嚴格控制型材來料，拼裝時保證型材與型材搭接以及對接部分貼緊。實際6005A鋁型材產(chǎn)品拼裝時容易產(chǎn)生間隙，易導致焊接過程中形成缺陷，焊接前間隙總量推薦不超過0.4mm。②6005A鋁型材在生產(chǎn)前，采用了多種焊接參數(shù)進行試驗，例如對焊接轉速、焊接速度的調(diào)整，產(chǎn)品在批量化生產(chǎn)前工藝參數(shù)應是最穩(wěn)定的。③工裝的夾緊要好，焊接時焊縫兩側形成固定壓緊，如圖5中焊縫兩側存在壓緊裝置。實際生產(chǎn)過程中，由于FSW焊接過程中存在軸向力，工裝夾緊會減少焊縫兩側的變形量，產(chǎn)品試驗證明，工裝夾持效果越好，對FSW焊接質(zhì)量穩(wěn)定性越好。因此，良好的工藝控制措施是保證FSW質(zhì)量的基礎。

  (2)6005A鋁合金FSW焊縫返修 目前國內(nèi)軌道車輛領域，對6005A鋁合金FSW焊縫返修技術研究很少，現(xiàn)階段在返修技術上可以有兩種工藝實現(xiàn)措施：①采用合理的焊接參數(shù)進行FSW再次攪拌。②針對鋁合金材料特征，采用成熟的弧焊工藝進行補焊。采用FSW對問題FSW焊縫進行返修，需要針對產(chǎn)品的特征以及應用狀態(tài)進行測試，而采用弧焊工藝補焊在相關試驗中證明是可行的，因此FSW技術在6005A鋁型材工程化中，相應返修技術還有待完善。

  5. 結語

  在軌道車輛領域，鋁合金6005A中空擠壓型材應用FSW技術還是起步階段，要確保軌道車輛鋁合金FSW制造質(zhì)量，還需要進步完善產(chǎn)品制造過程中的工藝，加強過程控制研究，比如鋁合金部件的焊前裝配、焊接參數(shù)驗證、工裝調(diào)整、焊后矯形以及缺陷的處理等。本本文來自《金屬加工(熱加工)》雜志，作者來自：株洲電力機車有限公司