鋁合金攪拌磨擦焊焊接接頭設(shè)計(jì)

滕華新 于百川 趙春道等

摘 要：結(jié)合軌道行業(yè)鋁合金材料的應(yīng)用現(xiàn)狀，對(duì)攪拌磨擦焊（FSW）的應(yīng)用從焊接設(shè)計(jì)方面做了探討分析，包括焊接接頭形式、焊縫標(biāo)注、焊縫強(qiáng)度、焊縫質(zhì)量要求等，在進(jìn)行焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)及在圖紙或技術(shù)文件中應(yīng)給出的技術(shù)要求信息。本文將FSW與MIG焊進(jìn)行了對(duì)比，F(xiàn)SW焊接接頭不需開(kāi)坡口，不需焊接填充材料，焊縫強(qiáng)度更高，焊縫缺欠形式不同。

關(guān)鍵詞：攪拌磨擦焊;軌道;焊接接頭;鋁合金

鋁合金材料由于重量輕、比強(qiáng)度高、易擠壓成形等優(yōu)點(diǎn)，在軌道交通領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，應(yīng)用方式主要為板材和擠壓型材，傳統(tǒng)的焊接工藝主要采用MIG焊，此外TIG焊和電阻焊等也有應(yīng)用。

FSW是新興的焊接工藝，與傳統(tǒng)熔化焊相比，焊接過(guò)程不需填絲和保護(hù)氣，焊接熱輸入少、焊后變形小，熔融態(tài)的連接過(guò)程也解決了焊縫氣孔、熱裂紋等常見(jiàn)問(wèn)題，并且目前一些研究也表明FSW焊接接頭力學(xué)性能優(yōu)于熔化焊接頭，因此FSW在高速列車(chē)設(shè)計(jì)制造中得到廣泛關(guān)注。

目前國(guó)內(nèi)各主機(jī)廠都已開(kāi)始采用FSW，在標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車(chē)組上也得到應(yīng)用，主要用于鋁合金車(chē)體長(zhǎng)大型材、車(chē)鉤板、枕梁、設(shè)備箱殼體等的連接，但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中面臨相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的欠缺或標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容不完善等問(wèn)題。FSW焊接接頭設(shè)計(jì)主要包括接頭類(lèi)型、焊縫標(biāo)注、焊縫強(qiáng)度、焊縫質(zhì)量要求四個(gè)方面，下面將分別介紹其注意事項(xiàng)。

1 焊接接頭類(lèi)型

軌道行業(yè)鋁合金結(jié)構(gòu)焊接接頭設(shè)計(jì)主要依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN15085-3附錄B和ISO9692-3，但其不適用于FSW。在標(biāo)準(zhǔn)ISO25239-2中，對(duì)FSW接頭設(shè)計(jì)的基本形式僅給出了示意圖。

FSW與MIG焊的工藝過(guò)程不同，施焊示意圖如下。

下面對(duì)目前主要應(yīng)用的幾種接頭形式，對(duì)比FSW和MIG焊接頭形式的差異，尤其是鋁型材需提前考慮擠壓模具的可行性，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需提前考慮。

1.1 板材連接、對(duì)接接頭

為保證焊縫熔透，MIG焊需根據(jù)板材厚度不同采用不同的坡口形式，在焊接接頭處需要加工出倒角;FSW不需要坡口倒角，與MIG焊相比坡口形式明顯不同。

1.2 鋁型材，單側(cè)焊

FSW單側(cè)焊在接頭背面需要支撐來(lái)托住下壓的攪拌頭，這對(duì)鋁型材焊接連接設(shè)計(jì)影響很大。MIG焊為保證焊縫背面成形，接頭背部也需要支撐來(lái)托住熔池，但因?yàn)閮煞N支撐的作用不同，其樣式也不同。

1.3 鋁型材，雙側(cè)焊

FSW雙側(cè)焊時(shí)背部不需額外支撐，有利于減重，對(duì)承受疲勞載荷是也有利的，并且工裝夾具相對(duì)簡(jiǎn)單，給生產(chǎn)施工帶來(lái)便利，較薄板應(yīng)優(yōu)先選用這種接頭形式。鋁型材MIG焊只能采用單側(cè)焊。

1.4 搭接焊

因?yàn)镕SW攪拌工具臺(tái)肩的需要，可能導(dǎo)致搭接量增加，但FSW不需填加焊絲，是否會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)重量增加，需綜合考慮。

1.4.1鋁型材

1.4.2板材

2 焊縫強(qiáng)度

為保證焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)用的安全可靠，須對(duì)焊縫連接強(qiáng)度進(jìn)行校核，主要通過(guò)有限元分析來(lái)得出計(jì)算應(yīng)力與許用應(yīng)力的比值，用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)，但在目前的鋁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)中都不包括FSW接頭的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度許用值。

與MIG焊等熔化焊相比，F(xiàn)SW焊接熱輸入低，對(duì)熱處理強(qiáng)化鋁合金的影響小;FSW焊縫是塑性流動(dòng)擠壓形成的致密鍛造組織，優(yōu)于熔化焊縫的鑄態(tài)組織，這減少了缺陷的產(chǎn)生，有利于FSW焊后的性能。

2.1 FSW焊縫強(qiáng)度

目前很多科研院所和主機(jī)廠都做了疲勞試驗(yàn)，已公開(kāi)的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)也表明FSW的接頭力學(xué)性能比熔化焊好，疲勞強(qiáng)度高。文獻(xiàn)2對(duì)6005A鋁板FSW得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中疲勞試驗(yàn)方式為，軸向載荷、最大應(yīng)力循環(huán)次數(shù)1X107、存活率97.5%。屈服強(qiáng)度Rp0.2=187MPa，抗拉強(qiáng)度255MPa，疲勞強(qiáng)度R=-1時(shí)疲勞值56MPa，遠(yuǎn)高于MIG焊接頭的36MPa。

2.2 鋁型材焊接接頭強(qiáng)度補(bǔ)償

目前軌道行業(yè)大量采用熱處理強(qiáng)化型合金6005A-T6，熔化焊熱輸入會(huì)破壞熱處理強(qiáng)化的效果，導(dǎo)致6005A-T6焊后屈服強(qiáng)度僅為焊前的50%多一些，因此鋁型材斷面設(shè)計(jì)時(shí)通常增加焊接接頭附近母材厚度來(lái)補(bǔ)償這種損失，因?yàn)镕SW焊縫強(qiáng)度高，可減少增加母材厚度的比例，甚至不需要增加母材厚度，這有利于高速列車(chē)的輕量化。

2.3 焊接前進(jìn)側(cè)與后退側(cè)性能差異

因?yàn)镕SW過(guò)程中攪拌磨擦的影響，攪拌頭前進(jìn)側(cè)和后退側(cè)也即焊縫兩側(cè)的性能有差異，對(duì)同種材料焊縫拉力試驗(yàn)結(jié)果表明，斷裂部位更多的出現(xiàn)在后退側(cè)。為充分利用材料性能，必要時(shí)可在圖紙中標(biāo)明焊接方向。

對(duì)不同種材料，需考慮材料融合性，如文獻(xiàn)3中6082和5083焊接，當(dāng)6082材料位于前進(jìn)側(cè)時(shí)，接頭抗拉強(qiáng)度相對(duì)于其位于后退側(cè)時(shí)可提高10%，并且有利于彎曲韌性的提高。5083和6N01焊接，5083 置于前進(jìn)側(cè)時(shí)焊接工藝范圍較廣;將6N01置于前進(jìn)側(cè)時(shí)較難融合到5083中，焊縫成形困難。

材料熱處理方式不同，焊接前進(jìn)側(cè)與后退側(cè)的性能也不同，文獻(xiàn)3中，焊接T4與T5狀態(tài)的7N01，將7N01-T5 置于前進(jìn)側(cè)時(shí)材料融合性提高，接頭沖擊韌性比其置于后退側(cè)提高約13%。

3 焊縫質(zhì)量要求

焊縫質(zhì)量狀態(tài)與焊縫強(qiáng)度密切相關(guān)，因此在設(shè)計(jì)圖紙中除注明焊縫類(lèi)型、接頭尺寸外，對(duì)焊縫的缺欠等級(jí)、表面處理要求、熱處理要求和檢驗(yàn)要求等都應(yīng)給出詳細(xì)描述。

ISO25239-5附錄A對(duì)常見(jiàn)的缺欠給出了要求，目前FSW的檢驗(yàn)方式，外觀質(zhì)量主要采用目視檢查和著色滲透檢驗(yàn)，內(nèi)部質(zhì)量采用射線或超聲波檢驗(yàn)。對(duì)于危害較大的焊縫根部弱連接，必要時(shí)可采用相控陣超聲波與著色滲透檢驗(yàn)配合進(jìn)行。

焊態(tài)下FSW表面由于焊接工具肩部擠壓時(shí)可形成微小凸棱和旋轉(zhuǎn)加工痕跡，這往往是疲勞裂紋產(chǎn)生的源頭，必要時(shí)可在圖紙中要求去除弧紋痕跡。表面處理過(guò)的接頭性能比焊態(tài)下明顯提高，文獻(xiàn)1中，表面拋光后的試樣與原始焊態(tài)試樣相比，疲勞強(qiáng)度最大可提高31%。

4 結(jié)束語(yǔ)

與MIG相比，F(xiàn)SW焊接接頭不需開(kāi)坡口，節(jié)約了加工坡口的工時(shí);不需焊接填充材料，節(jié)約了焊接成本;焊縫強(qiáng)度更高，但焊縫兩側(cè)性能稍有差異;焊縫缺欠形式不同，質(zhì)量要求不同。

目前常用的焊接標(biāo)準(zhǔn)普遍不包括FSW，針對(duì)FSW編制的ISO25239-2011系列標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容還不夠細(xì)致，還需要行業(yè)內(nèi)的技術(shù)人員付出更多努力來(lái)完善，在目前相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)不完善的情況下可編制并執(zhí)行企業(yè)內(nèi)部規(guī)范。目前隨著FSW應(yīng)用的增多，國(guó)內(nèi)外對(duì)FSW的研究也在拓寬和加深，國(guó)內(nèi)航天行業(yè)FSW標(biāo)準(zhǔn)在2011年就已發(fā)布，國(guó)家FSW標(biāo)準(zhǔn)GB/T34630也在2017年9月發(fā)布。本文結(jié)合軌道行業(yè)鋁產(chǎn)品的特點(diǎn)從FSW焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度介紹了一些需關(guān)注的問(wèn)題，并與MIG焊進(jìn)行比較，在設(shè)計(jì)時(shí)可作為參考。

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作者簡(jiǎn)介：滕華新（1978-），男，山東青島人，學(xué)士，工程師，研究方向：焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造。