軌道交通車輛鋁合金地板FSW與MIG焊殘余應力對比分析

閆占奇

（中車長春軌道客車股份有限公司工程規劃發展部，130062，長春∥工程師）

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

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

1　測試方法

超聲波殘余應力檢測技術主要是基于材料的聲彈性效應，即固體在有限變形條件下連續介質的力學應力狀態與彈性波波速間的關系。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力的數學關系，實現通過聲速測量來獲取殘余應力值［4-5］。

采用哈爾濱工業大學研制的超聲波殘余應力測量系統（見圖1），對中車長春軌道客車股份有限公司生產的鋁合金地板典型部位進行MIG與FSW殘余應力測試分析。地板型材尺寸結構除焊接接頭存在差異外，其余結構一致，焊縫兩側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，FSW焊縫寬度19 mm，MIG焊縫寬度11 mm。

2　測試結果與分析

2.1　縱向殘余應力

圖1　超聲波殘余應力測量系統

圖2　鋁合金地板焊縫殘余應力測量點布置圖

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

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

2.2　橫向殘余應力

由圖4可知，焊縫A1至A4的橫向殘余應力（σy）分布與σx分布規律類似，最大值也出現在靠近焊趾位置處，并隨與焊縫中心距離增大，應力逐漸下降，個別位置出現了較小的壓應力。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力分布

焊縫A1、A2、A4的FSW橫向殘余應力均在20 MPa左右，但A3橫向殘余應力最大值卻達到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，其橫向拘束達到最大，可變形或位移空間在4條焊縫中最小，導致其橫向應力釋放條件最差，殘余應力值也相應最大。

圖4　鋁合金地板焊縫橫向殘余應力分布

3　結論

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

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

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

［1］欒國紅，郭德倫，張田倉，等.鋁合金的攪拌摩擦焊［J］.焊接技術，2003，32（1）：1.

［2］王炎金.鋁合金車體焊接工藝［M］.北京：機械工業出版社，2009.

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

［4］石建剛.基于臨界折射縱波平面應力場測量系統的研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，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力分析［J］.焊接學報，2014，34（5）：45.