鋁合金攪拌磨擦焊焊接接頭設計

滕華新 于百川 趙春道等

摘 要：結合軌道行業(yè)鋁合金材料的應用現(xiàn)狀，對攪拌磨擦焊（FSW）的應用從焊接設計方面做了探討分析，包括焊接接頭形式、焊縫標注、焊縫強度、焊縫質(zhì)量要求等，在進行焊接結構設計時應注意的事項及在圖紙或技術文件中應給出的技術要求信息。本文將FSW與MIG焊進行了對比，F(xiàn)SW焊接接頭不需開坡口，不需焊接填充材料，焊縫強度更高，焊縫缺欠形式不同。

關鍵詞：攪拌磨擦焊;軌道;焊接接頭;鋁合金

鋁合金材料由于重量輕、比強度高、易擠壓成形等優(yōu)點，在軌道交通領域應用廣泛，應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用。

FSW是新興的焊接工藝，與傳統(tǒng)熔化焊相比，焊接過程不需填絲和保護氣，焊接熱輸入少、焊后變形小，熔融態(tài)的連接過程也解決了焊縫氣孔、熱裂紋等常見問題，并且目前一些研究也表明FSW焊接接頭力學性能優(yōu)于熔化焊接頭，因此FSW在高速列車設計制造中得到廣泛關注。

目前國內(nèi)各主機廠都已開始采用FSW，在標準動車組上也得到應用，主要用于鋁合金車體長大型材、車鉤板、枕梁、設備箱殼體等的連接，但在實際應用過程中面臨相關標準的欠缺或標準內(nèi)容不完善等問題。FSW焊接接頭設計主要包括接頭類型、焊縫標注、焊縫強度、焊縫質(zhì)量要求四個方面，下面將分別介紹其注意事項。

1 焊接接頭類型

軌道行業(yè)鋁合金結構焊接接頭設計主要依據(jù)標準EN15085-3附錄B和ISO9692-3，但其不適用于FSW。在標準ISO25239-2中，對FSW接頭設計的基本形式僅給出了示意圖。

FSW與MIG焊的工藝過程不同，施焊示意圖如下。

下面對目前主要應用的幾種接頭形式，對比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，在結構設計時需提前考慮。

1.1 板材連接、對接接頭

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，單側焊

FSW單側焊在接頭背面需要支撐來托住下壓的攪拌頭，這對鋁型材焊接連接設計影響很大。MIG焊為保證焊縫背面成形，接頭背部也需要支撐來托住熔池，但因為兩種支撐的作用不同，其樣式也不同。

1.3 鋁型材，雙側焊

FSW雙側焊時背部不需額外支撐，有利于減重，對承受疲勞載荷是也有利的，并且工裝夾具相對簡單，給生產(chǎn)施工帶來便利，較薄板應優(yōu)先選用這種接頭形式。鋁型材MIG焊只能采用單側焊。

1.4 搭接焊

因為FSW攪拌工具臺肩的需要，可能導致搭接量增加，但FSW不需填加焊絲，是否會導致結構重量增加，需綜合考慮。

1.4.1鋁型材

1.4.2板材

2 焊縫強度

為保證焊接結構應用的安全可靠，須對焊縫連接強度進行校核，主要通過有限元分析來得出計算應力與許用應力的比值，用于指導設計，但在目前的鋁結構設計或計算標準中都不包括FSW接頭的靜強度和疲勞強度許用值。

與MIG焊等熔化焊相比，F(xiàn)SW焊接熱輸入低，對熱處理強化鋁合金的影響小;FSW焊縫是塑性流動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焊縫強度

目前很多科研院所和主機廠都做了疲勞試驗，已公開的疲勞試驗數(shù)據(jù)也表明FSW的接頭力學性能比熔化焊好，疲勞強度高。文獻2對6005A鋁板FSW得出的實驗結果，其中疲勞試驗方式為，軸向載荷、最大應力循環(huán)次數(shù)1X107、存活率97.5%。屈服強度Rp0.2=187MPa，抗拉強度255MPa，疲勞強度R=-1時疲勞值56MPa，遠高于MIG焊接頭的36MPa。

2.2 鋁型材焊接接頭強度補償

目前軌道行業(yè)大量采用熱處理強化型合金6005A-T6，熔化焊熱輸入會破壞熱處理強化的效果，導致6005A-T6焊后屈服強度僅為焊前的50%多一些，因此鋁型材斷面設計時通常增加焊接接頭附近母材厚度來補償這種損失，因為FSW焊縫強度高，可減少增加母材厚度的比例，甚至不需要增加母材厚度，這有利于高速列車的輕量化。

2.3 焊接前進側與后退側性能差異

因為FSW過程中攪拌磨擦的影響，攪拌頭前進側和后退側也即焊縫兩側的性能有差異，對同種材料焊縫拉力試驗結果表明，斷裂部位更多的出現(xiàn)在后退側。為充分利用材料性能，必要時可在圖紙中標明焊接方向。

對不同種材料，需考慮材料融合性，如文獻3中6082和5083焊接，當6082材料位于前進側時，接頭抗拉強度相對于其位于后退側時可提高10%，并且有利于彎曲韌性的提高。5083和6N01焊接，5083 置于前進側時焊接工藝范圍較廣;將6N01置于前進側時較難融合到5083中，焊縫成形困難。

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

3 焊縫質(zhì)量要求

焊縫質(zhì)量狀態(tài)與焊縫強度密切相關，因此在設計圖紙中除注明焊縫類型、接頭尺寸外，對焊縫的缺欠等級、表面處理要求、熱處理要求和檢驗要求等都應給出詳細描述。

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

焊態(tài)下FSW表面由于焊接工具肩部擠壓時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，必要時可在圖紙中要求去除弧紋痕跡。表面處理過的接頭性能比焊態(tài)下明顯提高，文獻1中，表面拋光后的試樣與原始焊態(tài)試樣相比，疲勞強度最大可提高31%。

4 結束語

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

目前常用的焊接標準普遍不包括FSW，針對FSW編制的ISO25239-2011系列標準的內(nèi)容還不夠細致，還需要行業(yè)內(nèi)的技術人員付出更多努力來完善，在目前相關標準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應用的增多，國內(nèi)外對FSW的研究也在拓寬和加深，國內(nèi)航天行業(yè)FSW標準在2011年就已發(fā)布，國家FSW標準GB/T34630也在2017年9月發(fā)布。本文結合軌道行業(yè)鋁產(chǎn)品的特點從FSW焊接結構設計角度介紹了一些需關注的問題，并與MIG焊進行比較，在設計時可作為參考。

參考文獻：

[1]周才智，楊新岐，欒國紅.攪拌磨擦焊接頭疲勞行為研究現(xiàn)狀[J].稀有金屬材料與工程，2005.

[2]Determination of Cyclic Properties of Friction Stir Welded EN-AW 6005A Specimens， LBF Report No.193852-Part 1. 2008.

[3]孟立春，趙明書，欒國紅.7N01-T4和7N01-T5鋁合金焊接位置的選擇對攪拌摩擦焊接頭性能的影響[J].航空制造技術，2011.

[4]ISO 25239-2 Friction stir welding — Aluminium — Part 2： Design of weld joints[S].

作者簡介：滕華新（1978-），男，山東青島人，學士，工程師，研究方向：焊接結構設計和制造。