城轨铝合金车体侧墙搅拌摩擦焊技术探讨

林礼筹，利建源（广东南奥交通设备有限公司，广东 江门 529100）



城轨铝合金车体侧墙搅拌摩擦焊技术探讨

林礼筹，利建源
（广东南奥交通设备有限公司，广东 江门 529100）

本文通过对搅拌摩擦焊技术的原理及特点介绍，探讨搅拌摩擦焊技术在城轨铝合金车体侧墙中的应用，来论证搅拌摩擦焊技术在城市轨道车辆中应用的可行性，以期对城轨车辆制造业等相关行业有所裨益。

搅拌摩擦焊；城轨车辆；铝合金；侧墙

1 搅拌摩擦焊技术和城轨铝合金车体侧墙相关研究

（1）搅拌摩擦焊技术的基本原理简介。搅拌摩擦焊(FSW)所用的搅拌头通常伴随着搅拌针，在焊接时搅拌针主要是被压入到被焊接对象中，在焊接过程中，旋转着的搅拌头会与被焊接对象摩擦生热，加热工件使其到塑性状态，搅拌头带动塑化了的工件移动。（2）搅拌摩擦焊技术的优势特点。首先、与之前的焊接方法如电弧焊接等相比，搅拌摩擦焊技术焊接后的接头性能更佳，尤其是铝合金材料的接头，铝合金具有成本低、强度高、密度低等特点，更适合轻量化的要求，但铝合金的熔点较低，焊接时容易出现未熔合等问题，会致使焊接变形，影响应用。其次、搅拌摩擦焊技术由于焊接过程不需要使用焊接丝和保护气体，无粉尘污染，较为环保，给工作人员提供了更加洁净的工作环境。最后、搅拌摩擦焊技术在焊接时并没有使工件融化，仅仅是通过摩擦作用使其塑化，因而工件焊接后变形程度不高，并且采取适当的措施后几乎不变形。与传统的焊接技术相比，搅拌摩擦焊技术大大节省了工作成本。（3）城轨铝合金车体侧墙的基本结构。城轨铝合金车体是由底架、顶盖、和墙体组成，墙体又分为侧墙和端墙。

其中侧墙起着至关重要的作用，主要连接底架与顶盖，并且侧墙表面的光滑度也会对车体的美观以及以后的制作有一定的影响，侧墙一般情况下都是有铝合金型材拼焊形成，大致5~8块，需要在焊接完成后进行窗户部位和两侧门立柱安装部位的加工。

2 搅拌摩擦焊技术在城轨铝合金车体侧墙中的应用可行性

搅拌摩擦焊技术能够有效地降低工件的变形程度，提高了制造的质量水平，同时焊接后的强度较高。相对于其它焊接技术来说，不需要焊接丝和保护气体，对周围环境的要求相对较低。除此之外，搅拌摩擦焊技术更佳绿色环保，无粉尘产生，不会对操作人员的身体健康造成危害，符合我国绿色环保的要求，无形中降低了企业成本，具有良好的应用可行性（如图1）。

图1 城轨整体效果图

图2 原接头焊后形状

3 搅拌摩擦焊技术在城轨铝合金车体侧墙中的应用过程

（1）选择搅拌摩擦焊所用的搅拌头。搅拌头在搅拌摩擦焊技术的焊接过程中起着至关重要的作用，在焊接时，旋转搅拌头使其与被焊接对象摩擦生热，被焊接对象塑化，同时搅拌头对于焊接裂缝的成型以及焊接后工件的最终整体性能都有很大的影响。另外，搅拌头属于消耗较大的部分，占据了很大一部分焊接成本，一般情况下焊接头的选用对搅拌摩擦焊技术的使用影响巨大，在旋转进给过程中，由于旋转速度较大，对于搅拌头的高温耐磨性要求高，当前使用较多的搅拌头大多是由高碳钢、工具钢等材料制成。（2）设计车体侧墙使用的搅拌摩擦焊接头的应用。在城轨铝合金车体侧墙的实际焊接过程中，除了搅拌头的性能，搅拌摩擦焊接头的优化是焊接生产中很关键的一环，接头的结构及尺寸对接头性能以及列车整体安全性能起到了关键作用。并且通过试焊可以发现，搅拌摩擦焊接头的存在比母材表面减薄量要低（如图2 红色框标记部分），这是由于在焊接时中搅拌头压入焊缝区域挤压母材使塑性材料溢出，在焊缝两侧造成飞边，使表面塌陷。该现象减小了焊缝的实际有效承载面积，从而降低了接头承载能力。

（3）车体侧墙搅拌摩擦焊转速n与进给速度v的选择。侧墙的材料一般为A6N01S-T5空心铝合金型材，下图是其在搅拌摩擦焊接过程中，旋转速度n=1 000 r/min时，不同的n/v比值对抗拉强度的影响。由图3可知，随着n/v值增加，强度和塑性都增加，最大抗拉强度达到310 MPa，与母材实测值相同；伸长率为17%，是母材实测值的63%。在达到最大强度值后，继续增加n/v数值，强度和塑性下降。（4）车体侧墙凸台接头的应用。在确定了车体侧墙凸台尺寸后，需要采用不同长度的搅拌针及其它参数进行多次实验，对焊接后整体效果尤其是焊接裂缝进行查看。由于摩擦焊搅拌头存在一定倾斜度，会导致在焊接裂缝两侧出现飞边，减小了一定的承载面积，因此在焊接头和搅拌头之间可以加入凸台接头。

4 搅拌摩擦焊技术在城轨铝合金车体侧墙中的应用前景

（1）经济效益的应用前景。搅拌摩擦焊技术具有环保、安全、成本低廉等优点，并且高度自动化，焊接过程不需要焊接丝和保护气，变形程度低，打磨时间少，大大提高了经济效益。（2）社会效益的应用前景。搅拌摩擦焊技术以绿色环保为主要的特色，无粉尘产生，使操作人员有了更好的工作环境，身体健康有保障，很符合我国目前绿色环保的倡议，具有良好的社会效益。（3）市场竞争力的应用前景。搅拌摩擦焊技术绿色环保等优势特点顺应了时代发展的潮流，提高了城轨车辆的质量，使其在轨道车辆制造业中的竞争力大大加强。

图3 n/v对FSW接头性能的影响

5 结语

搅拌摩擦焊技术经过多年的发展，应用范围越来越广泛，不论是在安全性还是质量上都比普通的焊接技术优异。随着各行业的发展，安全、环保理念深入人心，搅拌摩擦焊技术作为一种新型的焊接方式，一定会在城轨车辆的制造过程中甚至在其它制造行业大放异彩。

[1] 朱向东.铝合金搅拌摩擦焊工艺研究及其在城轨车辆车体上的应用[D].湖南大学，2011.

[2] 李红.城轨铝合金车体侧墙搅拌摩擦焊技术研究[D].哈尔滨工业大学，2014.

TG457.14

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1671-0711（2016）08（上）-0071-02