搅拌摩擦焊的焊接工艺评定论文

铝合金搅拌摩擦焊的焊接工艺评定

南车集团株洲电力机车有限公司 盛建辉（湖南株洲 412001）

株洲九方焊接技术研究所 胡煌辉 金杏英 易著宽（湖南株洲 412001）

摘 要：考虑到铝合金材料用于城轨车辆的适应性，采用FSW 与MIG 对比试验的方法来进

行进行工艺评定研究，为绿色、环保的搅拌摩擦焊在城轨车辆中的应用作准备。

关键词： 搅拌摩擦焊 工艺评定 试验

Pick to: considering the aluminum alloy material used in the adaptability of the urban rail vehicles, using FSW and contrast test methods to MIG for technology evaluation research, for the green and environmental protection of friction stir welding in city rail vehicles for the application.

Keywords: friction stir welding procedure qualification test

一 前言

搅拌摩擦焊是由英国焊接研究所（The Welding Institute ）1991年发明的一项新世纪最具革命性的新型连接方法。该技术自发明以来就得到了国际专利保护，并以很快的速度在全球工业制造领域得到推广应用，在十多年时间里，该技术已应用到航空航天、船舶、轨道交通、汽车等行业在内的众多领域。

搅拌摩擦焊技术（简称FSW ）是一项焊接工件不熔化的固相连接技术。 该技术是依靠搅拌头的旋转与被焊接 材料之间的机械摩擦作用，获得接近但低于材料熔点的焊接温度。所以搅拌摩擦焊过程中不存在金属熔化，属于一种新型的固相连接方法。

搅拌头是该技术的核心部分，由搅 拌针和轴肩两部分组成。焊接过程中，搅拌头高速旋转，搅拌针深入到工件内部，轴肩紧压在工件表面（保持一定的压入量）。高速旋转的搅拌头与工件之间摩擦，产生大量的摩擦热。

由于摩擦热的作用以及搅拌头的粉碎、挤压作

用，搅拌头周围金属在焊接过程中将发生严重的热塑性变形，从而释放大量的塑性变形能。在摩擦热及塑性变形能的综合作用下，接头金属实现塑性流动并扩散连接，如图1。

搅拌摩擦焊技术作为一种全新的焊接技术，拥有诸多独特的优点，对于轻金属材料（如铝、铜、锌等）的连接在焊接方法、力学性能和生产效率上具有其他焊接方法不可比拟的优越性。搅拌摩擦焊焊缝接头具有优良的力学性能和小的焊接变形，焊接过程中不需要添加保护气和焊丝，没有熔化、烟尘、飞溅及弧光，是一种环保型的新型连接技术。比较适合我公司铝合金城轨车辆的焊接，

。为此，针对城轨车辆常用铝合金材料，进行工艺评定研究，为

图1 搅拌摩擦焊工作原理

搅拌摩擦焊在城轨车辆中的应用作好技术储备。

二项目简介和试验方案

采用FSW焊与MIG焊对比性试验的方法来进行“搅拌摩擦焊工艺评定”。

由于GZL3和SPL2地铁车辆铝合金现用MIG焊进行焊接，已有符合质量要求的性能标准，因此，FSW焊的接头工艺性能试验应采用以MIG焊接头工艺性能试验数据为标准，两者相比较进行工艺评定，才能反映出搅拌摩擦焊接头性能较之MIG焊接头性能的优劣。

其中：

1. 已做过MIG焊接头工艺性能评定的项目，只要做相同工件、相同材料、相同规格的FSW焊的接头工艺性能试验，然后与MIG焊接头性能进行比较，得出FSW焊工艺性能评定。

2. 未做过MIG焊接头工艺性能评定的项目，则要同时做相同工件、相同材料、相同规格的MIG焊接头性能试验和FSW焊的接头工艺性能试验，然后两者接头性能进行比较，得出FSW焊工艺性能评定。

根据生产应用和技术需求综合考虑，确定本次采用对接接头进行焊接工艺评定。评定材料选用城轨车辆常用的5083，6082及6005型材。试件尺寸均为365×150。其试件编号见表1。每组材料有6或10个试件，以保证能优化出搅拌摩擦焊焊接工艺参数。

每种材料均进行优化试验来确定焊接工艺参数。

用优化后的FSW参数进行试板焊接；然后做X－射线检验和着色检验、金相检验和力学性能试验。

表1 优化试验搅拌摩擦焊焊接试件编号

材质板厚/mm 编号

5083 3 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10

6082 6 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

6082 10 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 6082+5083 6 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 6005A 3 41 42 43 45 47 48

三、焊接工艺试验

1．将试件对接边边缘的毛刺及油污擦净，将试件在工作台上装夹好。两端必须夹紧，防止焊接时涨开。

2.先进行焊接工艺参数的优选，然后按照选定的工艺参数进行试件的焊接。优选后的试件编号见表2。

表2 搅拌摩擦焊优化取样后的焊接试件编号

材质板厚/mm 编号

5083 3 08 09 10

6082 6 11 12 20

6082 10 27 29

6082+5083 6 31 39 40 6005A 3 47 48

3.优化后的焊接工艺参数

搅拌摩擦焊焊接工艺参数有：

（1）搅拌头的选择

（2）工艺参数的选择

1）搅拌头的旋转速度；

2）搅拌头的焊接速度；

3）轴肩的压紧力。

这些技术参数取决于焊接母材的材质、板厚，决定了焊接过程中搅拌头周围产生的热量，

并且直接影响到焊缝的组织和性能。本试验优化后的焊接工艺参数见表3。

表3 优化后的焊接工艺参数:

材质编号板厚/mm 转速/min 进给速度

/mm/min

搅拌头直径/mm 压力角

5083 08纵向 2.90/2.90 1000 120

3 1º

09纵向 2.90/2.90 1000 140

10横向 2.90/2.90 1000 120

6082 11纵向 6.06/6.06 400 60

6 2º

12纵向 6.08/6.08 300 60

20横向 6.00/6.00 400 60

6082 27横向10.34/10.36 180 30

10 3º

29纵向10.4/10.34 180 30

6082+5083 31纵向 6.08/6.24 600 60

6 2º

39横纵 6.00/6.24 800 80

40横纵 6.00/6.24 600 60

型材6005A 47 3.02/3.02 1000 72

3 1º

4.焊接检验

对以上试件分别取样进行了外观检验、无损探伤、力学性能试验和金相检验，试样编号

见表4。外观检验、无损探伤检验结果见表5。宏观金相、拉伸、弯曲和冲击试验结果见表6。微观金相检验结果见。

表4 搅拌摩擦焊X检验、力学性能、金相、冲击检验编号表

材质/板厚/mm X

检

验

拉伸试验

弯曲试验金相检验/点

硬度

冲击试验

正弯背弯宏观

检验

微观

检验

1 2 3

5083 （3）08 08-11 08-13 08-21 08-23 08-22 08-24 08-31 08-33 08-31

09 09-11 09-13 09-21 09-23 09-22 09-24 09-31 09-33 09-31

10 10-11 10-13 10-21 10-23 10-22 10-24 10-31 10-33 10-31

6082 （6）11 11-11 11-13 11-21 11-23 11-22 11-24 11-31 11-33 11-31

12 12-11 12-13 12-21 12-23 12-22 12-24 12-31 12-33 12-31 20 20-11 20-13 20-21 20-23 20-22 20-24 20-31 20-33 20-31

6082 （10）27 27-11 27-13 27-21 27-23 27-22 27-24 27-31 27-33 27-31 27-1 27-2 27-3 29 29-11 29-13 29-21 29-23 29-22 29-24 29-31 29-33 29-31 29-1 29-2 29-3

6082+ 5083 （6）31 31-11 31-13 31-21 31-23 31-22 31-24 31-31 31-33 31-31

39 39-11 39-13 39-21 39-23 39-22 39-24 39-31 39-33 39-31

40 40-11 40-13 40-21 40-23 40-22 40-24 40-31 40-33 40-31

6005A （6）47 47-31 47-33 47-31

48 48-31 48-33 48-31