铝合金搅拌摩擦焊缺陷及修补方法

王大臣

(中车长春轨道客车股份有限公司， 吉林 长春　130062)



铝合金搅拌摩擦焊缺陷及修补方法

王大臣

(中车长春轨道客车股份有限公司， 吉林 长春130062)

摘要：针对搅拌摩擦焊缺陷特点、类型及产生原因进行了介绍，对搅拌摩擦焊缺陷检测和修补方法进行了针对性的分析，为加快搅拌摩擦焊技术在铝合金车体的推广应用提供依据。

关键词：搅拌摩擦焊； 铝合金车体； 缺陷； 焊接修补

0引言

随着高速铁路的迅速发展和城铁车市场需求的扩大，国内轨道车辆制造业中自主研发的迫切性和制造新技术应用的挑战性进一步增加，使焊接新工艺的应用也有了突飞猛进的发展。搅拌摩擦焊(FSW)技术自从1991年由英国焊接研究所TWI发明以来，得到了工业制造领域的密切关注，迄今这项革命性的连接技术已经在国外工业制造领域得到规模化、工业化的应用[1-5]。

搅拌摩擦焊焊接具有效率高、环保、制造成本低和接头强度高等优点，但焊接参数选择不当或工艺因素存在不一致等原因，也会在车辆产品生产中产生一些缺陷，随着该项技术在铝车体制造上的推广应用，对搅拌摩擦焊缺陷的控制和处理已成为轨道车辆铝合金车体生产中考虑的问题，也是完善铝合金车体搅拌摩擦焊工艺的重要环节。

文中着重分析了搅拌摩擦焊缺陷分析及处理方法，为加快搅拌摩擦焊技术在铝合金车体的推广应用提供依据。

1搅拌摩擦焊技术特点

搅拌摩擦焊是一项固相连接技术，该技术通过旋转的搅拌头与两焊件接触产生摩擦热，使接缝处金属产生塑性软化区，旋转的搅拌头周围被软化的金属受到搅拌挤压，并随搅拌头的旋转沿焊缝前进侧向后退侧方向流动，软化的金属待搅拌头离开冷却后形成焊缝，实现了固相连接[2-6]，工艺原理如图1所示。

1.工件； 2.搅拌头； 3.轴肩； 4.搅拌针； 5.焊接面；

2搅拌摩擦焊缺陷产生原因

焊接接头中因焊接过程产生的金属不连续、不致密或连接不良的现象称为缺欠。而在实际生产过程中，不能接受的缺欠定义为缺陷。搅拌摩擦焊缺陷产生主要是由于在焊接过程中，不同部位的焊缝金属经历不同的热力过程或塑性材料流动不足都会导致缺陷的形成。若将焊缝分成顶部、中部和底部3个部分，其中焊缝底部的热量输入最少而输出最大，所以,当焊接工艺参数或焊具尺寸选择不当时,焊缝根部易产生焊接缺陷[7]。虽然搅拌摩擦焊焊接方法能够避免熔化焊中产生裂纹、气孔等缺陷，但是若焊接参数选择不当也会引入新的缺陷，例如典型的孔洞、沟槽和未焊透等缺陷。国内外学者对搅拌摩擦焊工艺参数和接头组织性能的研究结果可见，搅拌头的形状和尺寸、旋转速度和焊接速度、搅拌针扎入的深度和倾斜角度、组对间隙和错边等多种因素能对搅拌摩擦焊接头组织造成影响，进而也是产生缺陷的主要原因。

3搅拌摩擦焊缺陷分析及处理方法

针对轨道客车企业提质提能生产大环境下，为了加快搅拌摩擦焊技术在轨道车辆铝合金车体上的工程化应用，应重点分析搅拌摩擦焊焊缝检测及缺陷处理方法的可行性。目前常用的检测方法有VT、PT、UT、RT及ME等多种无损检测方法，需要针对缺陷类型、缺陷出现在焊缝的位置及作业环境，采用弧焊和搅拌摩擦焊方法修补[8]。

3.1飞边

搅拌摩擦焊焊接过程中，在搅拌头轴肩压力的作用下，与轴肩接触的焊件表层金属发生塑性流变，沿轴肩边缘挤出冷却后形成的毛刺，称为飞边，如图2所示。

图2　飞边

若技术要求有“将沿着焊缝边缘的所有飞边、重叠的金属或者其它突出母材的金属全部去除”的明确要求，需要采用打磨工具将飞边打磨去除，或者采用自动设备去除飞边，注意不应伤到母材；若未有技术要求的情况下可不处理。

3.2未填满

由于焊接下压量过大，使焊缝表面远低于相邻母材表面的现象，称为焊接未填满或焊接塌陷，如图3所示。

图3　未填满

用打磨工具将缺陷处焊缝表面打磨干净，确认无其它缺陷后，用弧焊进行焊补，填满后，对焊缝进行打磨，打磨至焊缝与焊缝、焊缝与母材间圆滑过渡，打磨后进行检测并应满足相关标准要求。

3.3未焊透

搅拌摩擦焊焊接过程中要求焊透,但在接头根部未完全焊合的现象称为未焊透，如图4所示。

图4　未焊透

通常引起的原因为搅拌针长度选择不合适。若缺陷分布较短的情况下，焊补应优先采用弧焊方法；若缺陷分布较长的情况下，焊补应优先采用搅拌摩擦焊方法，对焊缝进行二次搅拌摩擦焊焊接，焊后打磨进行检测并且合格。

3.4未熔合

在焊缝区未形成连接或不完全连接而出现的“裂纹状”缺陷称为未熔合，如图5所示。

图5　未焊合

通常引起的原因多为焊接工艺参数选择不当。若缺陷分布较短的情况下，焊补可优先采用弧焊方法；若缺陷分布较长的情况下，焊补可优先采用搅拌摩擦焊方法，对焊缝进行二次搅拌摩擦焊焊接，焊后打磨进行检测并且合格。

3.5过度焊透

搅拌摩擦焊焊接过程中接头根部完全过度焊合的现象称为过度焊透，如图6所示。

图6　过度焊透

过度焊透缺陷极少发生，此类缺陷若为系统性缺陷，建议不处理；若缺陷分布长度较大时，采用反装工位使用打磨工具将缺陷打磨修平，检测合格即可。

3.6表面沟槽

焊缝表面出现的类似沟槽的缺陷称为表面沟槽，如图7所示。

图7　表面沟槽

通常引起的原因多为焊接热输入不足造成。若缺陷分布较短情况下，焊补可优先采用弧焊方法，实施补焊。补焊后打磨进行检测并且合格；若缺陷分布较长，焊补应优先采用搅拌摩擦焊方法。

3.7孔洞(隧道孔)

由于材料流动不充分而导致在焊缝内部形成材料未完全闭合的现象称为孔洞，如图8所示。

图8　孔洞

若孔洞方向与焊接方向一致，在焊缝长度方向上延伸较长时被称作隧道型缺陷，也称为隧道孔。若缺陷分布较短时，焊补应优先采用弧焊方法；若缺陷分布较大时，焊补应优先采用搅拌摩擦焊方法。必要时选择与母材材质一致、形状与隧道孔仿形的铝合金填充堵，采用机械方法填充隧道孔后，再进行搅拌摩擦焊二次焊接，打磨后进行检测并合格。

3.8钩及夹杂

搅拌摩擦焊焊接过程中，沿着焊接金属搭接面向上或者向下弯曲的短小曲线，称为“钩”缺陷，如图9所示。

图9　钩

夹杂是由于外界杂质引入残留在焊缝区形成的内部缺陷，如图10所示。

图10　夹杂

两种缺陷均可以采用弧焊方法修补，补焊后打磨进行检测并且合格。

4结语

随着轨道车辆制造关键技术的迅速发展，先进焊接技术的快速应用直接影响产品质量、生产成本及制造周期，势必成为各大轨道车辆制造企业拓展市场的途径之一。而搅拌摩擦焊与传统的熔化焊接方法相比具有诸多优点，目前国内外尚未建立起一套针对搅拌摩擦焊焊缝的质量检测与评价标准,技术上尚处于缺陷表征与检测方法探索、技术积累阶段，因此相应的搅拌摩擦焊缺陷及修补方法标准研究势必引起广泛关注，成为新的应用研究热点。

参考文献：

[1]R S Mishra, Z Y Ma. Friction stir welding and processing [J]. Materials Science and Engineering R,2005,50:1-78.

[2]P M G P Moreira, M A V de Figueiredo, P M S T de Castro. Fatigue behaviour of FSW and MIG weld mentsfor two aluminium alloys [J]. Theoretical and Applied Fracture Mechanics,2007,48:169-177.

[3]S Rajakumar, C Muralidharan, V Balasubramanian. Influence of friction stir welding process and tool parameters on strength properties of AA7075-T6 aluminium alloy joints [J]. Materials and Design,2011,32:535-549.

[4]刘艳,王淮,宫文彪,等.6005A合金搅拌摩擦焊接头疲劳性能的研究[J].长春工业大学学报:自然科学版,2009，30(1):12-17.

[5]肖静,宫文彪,刘威,等.6005A-T6/6082-T6铝合金FSW与MIG接头组织与性能研究[J].长春工业大学学报,2015，36(1):1-5.

[6]国际标准化组织委员会(ISO)．ISO25239-2011 铝合金搅拌摩擦焊焊接工艺规程及鉴定[S].[出版地不详]:瑞士出版社，2011：3-5.

[7]李博，沈以赴，胡伟叶.伸缩式搅拌头厚铝板搅拌摩擦焊缺陷及其补焊工艺[J].中国有色金属学报，2012,22(1)：62-71.

[8]刘杰，杨景宏，韩凤武,等.厚板铝合金搅拌摩擦焊匙孔补焊接头组织与性能[J].材料工程,2012(7):29-33.

Defects of aluminum alloy Friction Stir Welding and repair method

WANG Dachen

(CRRC Changchun Railway Vehicles Co. Ltd., Changchun 130062， China)

Abstract：The characters, types and causes of Friction Stir Welding (FSW) defects were introduced, and the analysis of the defect detection and repair method was carried out, which provided the basis for the application of the friction stir welding technology in the promotion of the aluminum alloy car body.

Key words：Friction Stir Welding (FSW); aluminum alloy; defects; welding repaired.

收稿日期：2016-02-25

基金项目：长春市重大科技攻关项目(2013035)； 长春轨道客车股份有限公司技术开发项目(J0000000018K)

作者简介：王大臣(1981-)，男，汉族，山东齐河人，长春轨道客车股份有限公司高级工程师，主要从事轨道车辆车体焊接工艺和理化检验方向研究,E-mail:wangdachen@cccar.com.cn.

DOI:10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2016.2.13

中图分类号：TG 146.21

文献标志码：A

文章编号：1674-1374(2016)02-0171-04