城軌鋁合金車體側(cè)墻攪拌摩擦焊技術(shù)探討

林禮籌，利建源（廣東南奧交通設(shè)備有限公司，廣東 江門 529100）

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城軌鋁合金車體側(cè)墻攪拌摩擦焊技術(shù)探討

林禮籌，利建源
（廣東南奧交通設(shè)備有限公司，廣東 江門 529100）

本文通過對攪拌摩擦焊技術(shù)的原理及特點介紹，探討攪拌摩擦焊技術(shù)在城軌鋁合金車體側(cè)墻中的應(yīng)用，來論證攪拌摩擦焊技術(shù)在城市軌道車輛中應(yīng)用的可行性，以期對城軌車輛制造業(yè)等相關(guān)行業(yè)有所裨益。

攪拌摩擦焊；城軌車輛；鋁合金；側(cè)墻

1 攪拌摩擦焊技術(shù)和城軌鋁合金車體側(cè)墻相關(guān)研究

（1）攪拌摩擦焊技術(shù)的基本原理簡介。攪拌摩擦焊(FSW)所用的攪拌頭通常伴隨著攪拌針，在焊接時攪拌針主要是被壓入到被焊接對象中，在焊接過程中，旋轉(zhuǎn)著的攪拌頭會與被焊接對象摩擦生熱，加熱工件使其到塑性狀態(tài)，攪拌頭帶動塑化了的工件移動。（2）攪拌摩擦焊技術(shù)的優(yōu)勢特點。首先、與之前的焊接方法如電弧焊接等相比，攪拌摩擦焊技術(shù)焊接后的接頭性能更佳，尤其是鋁合金材料的接頭，鋁合金具有成本低、強度高、密度低等特點，更適合輕量化的要求，但鋁合金的熔點較低，焊接時容易出現(xiàn)未熔合等問題，會致使焊接變形，影響應(yīng)用。其次、攪拌摩擦焊技術(shù)由于焊接過程不需要使用焊接絲和保護氣體，無粉塵污染，較為環(huán)保，給工作人員提供了更加潔凈的工作環(huán)境。最后、攪拌摩擦焊技術(shù)在焊接時并沒有使工件融化，僅僅是通過摩擦作用使其塑化，因而工件焊接后變形程度不高，并且采取適當(dāng)?shù)拇胧┖髱缀醪蛔冃?。與傳統(tǒng)的焊接技術(shù)相比，攪拌摩擦焊技術(shù)大大節(jié)省了工作成本。（3）城軌鋁合金車體側(cè)墻的基本結(jié)構(gòu)。城軌鋁合金車體是由底架、頂蓋、和墻體組成，墻體又分為側(cè)墻和端墻。

其中側(cè)墻起著至關(guān)重要的作用，主要連接底架與頂蓋，并且側(cè)墻表面的光滑度也會對車體的美觀以及以后的制作有一定的影響，側(cè)墻一般情況下都是有鋁合金型材拼焊形成，大致5~8塊，需要在焊接完成后進行窗戶部位和兩側(cè)門立柱安裝部位的加工。

2 攪拌摩擦焊技術(shù)在城軌鋁合金車體側(cè)墻中的應(yīng)用可行性

攪拌摩擦焊技術(shù)能夠有效地降低工件的變形程度，提高了制造的質(zhì)量水平，同時焊接后的強度較高。相對于其它焊接技術(shù)來說，不需要焊接絲和保護氣體，對周圍環(huán)境的要求相對較低。除此之外，攪拌摩擦焊技術(shù)更佳綠色環(huán)保，無粉塵產(chǎn)生，不會對操作人員的身體健康造成危害，符合我國綠色環(huán)保的要求，無形中降低了企業(yè)成本，具有良好的應(yīng)用可行性（如圖1）。

圖1 城軌整體效果圖

圖2 原接頭焊后形狀

3 攪拌摩擦焊技術(shù)在城軌鋁合金車體側(cè)墻中的應(yīng)用過程

（1）選擇攪拌摩擦焊所用的攪拌頭。攪拌頭在攪拌摩擦焊技術(shù)的焊接過程中起著至關(guān)重要的作用，在焊接時，旋轉(zhuǎn)攪拌頭使其與被焊接對象摩擦生熱，被焊接對象塑化，同時攪拌頭對于焊接裂縫的成型以及焊接后工件的最終整體性能都有很大的影響。另外，攪拌頭屬于消耗較大的部分，占據(jù)了很大一部分焊接成本，一般情況下焊接頭的選用對攪拌摩擦焊技術(shù)的使用影響巨大，在旋轉(zhuǎn)進給過程中，由于旋轉(zhuǎn)速度較大，對于攪拌頭的高溫耐磨性要求高，當(dāng)前使用較多的攪拌頭大多是由高碳鋼、工具鋼等材料制成。（2）設(shè)計車體側(cè)墻使用的攪拌摩擦焊接頭的應(yīng)用。在城軌鋁合金車體側(cè)墻的實際焊接過程中，除了攪拌頭的性能，攪拌摩擦焊接頭的優(yōu)化是焊接生產(chǎn)中很關(guān)鍵的一環(huán)，接頭的結(jié)構(gòu)及尺寸對接頭性能以及列車整體安全性能起到了關(guān)鍵作用。并且通過試焊可以發(fā)現(xiàn)，攪拌摩擦焊接頭的存在比母材表面減薄量要低（如圖2 紅色框標(biāo)記部分），這是由于在焊接時中攪拌頭壓入焊縫區(qū)域擠壓母材使塑性材料溢出，在焊縫兩側(cè)造成飛邊，使表面塌陷。該現(xiàn)象減小了焊縫的實際有效承載面積，從而降低了接頭承載能力。

（3）車體側(cè)墻攪拌摩擦焊轉(zhuǎn)速n與進給速度v的選擇。側(cè)墻的材料一般為A6N01S-T5空心鋁合金型材，下圖是其在攪拌摩擦焊接過程中，旋轉(zhuǎn)速度n=1 000 r/min時，不同的n/v比值對抗拉強度的影響。由圖3可知，隨著n/v值增加，強度和塑性都增加，最大抗拉強度達到310 MPa，與母材實測值相同；伸長率為17%，是母材實測值的63%。在達到最大強度值后，繼續(xù)增加n/v數(shù)值，強度和塑性下降。（4）車體側(cè)墻凸臺接頭的應(yīng)用。在確定了車體側(cè)墻凸臺尺寸后，需要采用不同長度的攪拌針及其它參數(shù)進行多次實驗，對焊接后整體效果尤其是焊接裂縫進行查看。由于摩擦焊攪拌頭存在一定傾斜度，會導(dǎo)致在焊接裂縫兩側(cè)出現(xiàn)飛邊，減小了一定的承載面積，因此在焊接頭和攪拌頭之間可以加入凸臺接頭。

4 攪拌摩擦焊技術(shù)在城軌鋁合金車體側(cè)墻中的應(yīng)用前景

（1）經(jīng)濟效益的應(yīng)用前景。攪拌摩擦焊技術(shù)具有環(huán)保、安全、成本低廉等優(yōu)點，并且高度自動化，焊接過程不需要焊接絲和保護氣，變形程度低，打磨時間少，大大提高了經(jīng)濟效益。（2）社會效益的應(yīng)用前景。攪拌摩擦焊技術(shù)以綠色環(huán)保為主要的特色，無粉塵產(chǎn)生，使操作人員有了更好的工作環(huán)境，身體健康有保障，很符合我國目前綠色環(huán)保的倡議，具有良好的社會效益。（3）市場競爭力的應(yīng)用前景。攪拌摩擦焊技術(shù)綠色環(huán)保等優(yōu)勢特點順應(yīng)了時代發(fā)展的潮流，提高了城軌車輛的質(zhì)量，使其在軌道車輛制造業(yè)中的競爭力大大加強。

圖3 n/v對FSW接頭性能的影響

5 結(jié)語

攪拌摩擦焊技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，應(yīng)用范圍越來越廣泛，不論是在安全性還是質(zhì)量上都比普通的焊接技術(shù)優(yōu)異。隨著各行業(yè)的發(fā)展，安全、環(huán)保理念深入人心，攪拌摩擦焊技術(shù)作為一種新型的焊接方式，一定會在城軌車輛的制造過程中甚至在其它制造行業(yè)大放異彩。

[1] 朱向東.鋁合金攪拌摩擦焊工藝研究及其在城軌車輛車體上的應(yīng)用[D].湖南大學(xué)，2011.

[2] 李紅.城軌鋁合金車體側(cè)墻攪拌摩擦焊技術(shù)研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2014.

TG457.14

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1671-0711（2016）08（上）-0071-02