軌道交通車輛鋁合金地板FSW與MIG焊殘余應(yīng)力對比分析

閆占奇

（中車長春軌道客車股份有限公司工程規(guī)劃發(fā)展部，130062，長春∥工程師）

攪拌摩擦焊（FSW）是英國焊接研究所于1991年發(fā)明的一種新型固態(tài)焊接技術(shù)。FSW相對傳統(tǒng)弧焊具有很多優(yōu)點，如熱輸入小、焊接生產(chǎn)過程無煙塵及弧光，對溫度、濕度、風(fēng)速等環(huán)境要求低，焊接接頭質(zhì)量高，無氣孔、熱裂紋等鋁合金常見缺陷［1］。因此，自發(fā)明以來其就得到快速發(fā)展。

由于軌道交通車輛鋁合金車體結(jié)構(gòu)主要由長直鋁合金型材構(gòu)成，故特別適合于FSW技術(shù)的應(yīng)用與推廣。近年來，該技術(shù)在軌道交通車輛鋁合金車體制造上應(yīng)用越來越廣泛，國內(nèi)各主要軌道車輛制造廠均在大力發(fā)展該項技術(shù)［2］。FSW接頭殘余應(yīng)力大小對焊接結(jié)構(gòu)的尺寸穩(wěn)定性、抗腐蝕性及疲勞性能等均有很大影響。通常認(rèn)為FSW焊縫兩側(cè)殘余應(yīng)力低于弧焊，但FSW在熱過程中還承受較大的鍛壓力，因此其殘余應(yīng)力的產(chǎn)生機理及分布更為復(fù)雜［3］。本文基于超聲波殘余應(yīng)力無損檢測技術(shù)，測試了鋁合金地板典型部位FSW與熔化極氬弧焊（MIG）的殘余應(yīng)力，并進(jìn)行了對比分析。

1　測試方法

超聲波殘余應(yīng)力檢測技術(shù)主要是基于材料的聲彈性效應(yīng)，即固體在有限變形條件下連續(xù)介質(zhì)的力學(xué)應(yīng)力狀態(tài)與彈性波波速間的關(guān)系。故可通過試驗獲取6005A-T6鋁合金材料的超聲波聲速與殘余應(yīng)力的數(shù)學(xué)關(guān)系，實現(xiàn)通過聲速測量來獲取殘余應(yīng)力值［4-5］。

采用哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的超聲波殘余應(yīng)力測量系統(tǒng)（見圖1），對中車長春軌道客車股份有限公司生產(chǎn)的鋁合金地板典型部位進(jìn)行MIG與FSW殘余應(yīng)力測試分析。地板型材尺寸結(jié)構(gòu)除焊接接頭存在差異外，其余結(jié)構(gòu)一致，焊縫兩側(cè)的測試布點位置如圖2所示。地板部件焊接順序為焊縫A1→A4→A2→A3，F(xiàn)SW焊縫寬度19 mm，MIG焊縫寬度11 mm。

2　測試結(jié)果與分析

2.1　縱向殘余應(yīng)力

圖1　超聲波殘余應(yīng)力測量系統(tǒng)

圖2　鋁合金地板焊縫殘余應(yīng)力測量點布置圖

焊縫A1至A4的縱向殘余應(yīng)力（σx）測試結(jié)果如圖3所示。由圖3可看出，鋁合金MIG的σx在靠近焊趾的位置（距焊縫中心約10 mm）出現(xiàn)最大值，并隨著與焊縫中心距離的增大，殘余應(yīng)力迅速降低，在距焊縫中心大于30 mm的位置應(yīng)力值降至0，甚至局部位置出現(xiàn)較小的壓應(yīng)力；鋁合金FSW的σx在靠近焊趾的位置處（距焊縫中心約15 mm處）出現(xiàn)最大值，隨著與焊縫中心距離增大，殘余應(yīng)力快速下降。

鋁合金FSW縱向殘余應(yīng)力分布規(guī)律與MIG的殘余應(yīng)力分布規(guī)律整體趨勢相近，均是在焊趾附近出現(xiàn)殘余應(yīng)力最大值，并隨著與焊縫中心距離的增大，殘余應(yīng)力降低，個別遠(yuǎn)離焊縫的位置出現(xiàn)較小的壓應(yīng)力。FSW與MIG的σx差值平均約64 MPa。

2.2　橫向殘余應(yīng)力

由圖4可知，焊縫A1至A4的橫向殘余應(yīng)力（σy）分布與σx分布規(guī)律類似，最大值也出現(xiàn)在靠近焊趾位置處，并隨與焊縫中心距離增大，應(yīng)力逐漸下降，個別位置出現(xiàn)了較小的壓應(yīng)力。FSW與MIG的σy差值平均約42 MPa。

圖3　鋁合金地板焊縫縱向殘余應(yīng)力分布

焊縫A1、A2、A4的FSW橫向殘余應(yīng)力均在20 MPa左右，但A3橫向殘余應(yīng)力最大值卻達(dá)到77 MPa，基本與MIG焊一致，顯著高于其它3條焊縫。主要原因在于：A3作為最后一條FSW焊縫，其橫向拘束達(dá)到最大，可變形或位移空間在4條焊縫中最小，導(dǎo)致其橫向應(yīng)力釋放條件最差，殘余應(yīng)力值也相應(yīng)最大。

圖4　鋁合金地板焊縫橫向殘余應(yīng)力分布

3　結(jié)論

（1）6005A-T6鋁合金地板FSW與MIG殘余應(yīng)力分布規(guī)律類似，均是在焊趾附件出現(xiàn)最大值，并隨著與焊縫中心距離增加，呈現(xiàn)減小趨勢。

（2）縱向殘余應(yīng)力FSW比MIG平均低64 MPa，橫向殘余應(yīng)力FSW比MIG平均低約42 MPa。

（3）兩種焊接方法中應(yīng)力值均是縱向殘余應(yīng)力顯著大于橫向殘余應(yīng)力，焊縫中殘余應(yīng)力以縱向殘余應(yīng)力為主。

［1］欒國紅，郭德倫，張?zhí)飩}，等.鋁合金的攪拌摩擦焊［J］.焊接技術(shù)，2003，32（1）：1.

［2］王炎金.鋁合金車體焊接工藝［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2009.

［3］李亭，史清宇，李紅克，等.鋁合金攪拌摩擦焊接頭殘余應(yīng)力分布［J］.焊接學(xué)報，2007，28（6）：105.

［4］石建剛.基于臨界折射縱波平面應(yīng)力場測量系統(tǒng)的研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012.

［5］馬子奇劉雪松，張世平.等.高速列車底架焊接變形超聲波法應(yīng)力分析［J］.焊接學(xué)報，2014，34（5）：45.