搅拌摩擦焊技术在城市轨道车辆制造中的应用

□江茂□李军

重庆交通大学机电与车辆工程学院重庆400047

搅拌摩擦焊技术在城市轨道车辆制造中的应用

□江茂□李军

重庆交通大学机电与车辆工程学院重庆400047

以铝合金轨道车辆为研究对象，给出了搅拌摩擦焊技术的基本原理及特点。介绍了焊接材料种类和焊接使用设备，论述了焊接接头性能和质量，同时分析了搅拌摩擦焊技术在国内外轨道车辆制造中的应用前景。

近年来，随着经济高速发展，我国城市轨道交通建设已步入繁荣发展期。为提高轨道车辆制造技术水平，众多企业采用了一种先进、绿色、环保的新兴焊接技术——搅拌摩擦焊技术。

笔者以铝合金轨道车辆为研究对象，介绍搅拌摩擦焊技术的基本原理和特点。对搅拌摩擦焊技术相对于传统焊接技术的优势进行详细阐述，并归纳总结搅拌摩擦焊焊接材料的种类及使用设备，对搅拌摩擦焊在轨道车辆制造中的应用进行分析，重点包括焊接接头性能和焊接质量，同时指出在这一领域还需进一步研究的课题。

1 搅拌摩擦焊基本原理和特性

1991年，英国焊接研究所发明了搅拌摩擦焊。如图1所示，这是一种在旋转情况下用耐磨工具将板材或型材连接在一起的机械工艺。在焊接过程中，旋转工具自身不会损耗，使用一个带特殊轴肩和针凸的柱形搅拌头，搅拌头在旋转的同时插入被焊工件，与被焊材料之间摩擦产生摩擦热，将被焊材料热塑化。当搅拌头沿着被焊界面向前移动时，热塑化的金属由搅拌头和轴肩共同牵引向后转移，填充形成焊缝[1]。

图1 搅拌摩擦焊原理

搅拌摩擦焊的搅拌头由耐磨材料制成，搅拌焊针的直径为工件厚度的90%～110%，能够在高温下拥有良好的静态和动态性能，获得较好的焊缝质量。搅拌摩擦焊与熔焊相比，具有一些独特的优势，包括焊接速度快、变形量小、形成的焊缝金属力学性能好、缺陷小、氧化皮可以自动去除等，此外，搅拌摩擦焊应用范围广，成本低，能源消耗小。搅拌摩擦焊使用的设备结构简单，易于实现自动焊接和机器人焊接。目前，为使轨道车辆实现轻量化，制造企业纷纷应用了搅拌摩擦焊技术[2]。

1.1 搅拌摩擦焊材料

轨道车辆制造中主要采用变形铝合金和铸造铝合金两种材料，可根据车辆零部件对材料性能的不同要求而选用不同的合金。轨道车辆车体和内部装饰件采用变形铝合金中的5052铝合金、5083铝合金，车顶板、车体外部、地板、骨架采用加工性能好且耐腐蚀的5005铝合金，6063铝合金则用于车门窗与内部设施。对于底架、枕梁等要求高的关键部件，必须采用铝-锌-镁铝合金，例如7003铝合金、7N01铝合金等[3]。搅拌摩擦焊几乎能够焊接所有铝合金材料，包括铝合金与银、铝合金与镁、铜合金与铜或铝基金属复合材料，以及不同种类铝合金之间的连接，此外对于锌、铅、钛及钛合金、不锈钢和低碳钢等同种或异种材料同样适用[4]。

1.2 搅拌摩擦焊设备

搅拌摩擦焊属于压力焊，需要专用设备来进行加工。因此，搅拌摩擦焊设备几乎与搅拌摩擦焊技术同时诞生，共同发展。通过英国焊接研究所的授权，世界上已经有很多厂家成为专业的搅拌摩擦焊设备制造商，如伊萨、捷姆科和北京赛福斯特技术有限公司等[5-6]。英国焊接研究所通过改装和新建，已经拥有不同结构形式的搅拌摩擦焊设备11台，其中FW22型搅拌摩擦焊设备可以实现尺寸为3 m×4 m×5 m的纵缝和直径为1.2 m的环缝的焊接，焊接速度可达到1.7 m/min。MTS公司则研发出液压驱动搅拌摩擦焊设备，焊接对象为非平面和变截面高强度合金材料，能够对焊缝施加9 kN的焊接压力，焊接厚度可达30 mm，即使使用普通搅拌头，也可对焊缝施加13kN的顶锻压力。赛福斯特公司2003年自主开发了中国最大的搅拌摩擦焊设备，可以对焊缝施加10 kN的顶锻压力，焊接件的壁厚可达25 mm，焊缝长为1.7m[6]。

适用于轨道车辆结构产品的搅拌摩擦焊设备较多，常用的是静龙门式和动龙门式搅拌摩擦焊设备。静龙门式搅拌摩擦焊设备主要焊接轨道车辆上的短小零件，如侧墙、端盖、窗体框架和驱动箱体，零件的有效焊接长度不大于3 m，宽度不大于2.5 m。动龙门式搅拌摩擦焊设备一般焊接轨道车辆车体的大型壁板类零件，零件尺寸过大时需要增大龙门立柱间的跨距。当跨距大于2 500 m时，龙门两侧需要采用电动机同步驱动，以保证焊接平稳，获得较好的焊接质量[7-8]。

2 搅拌摩擦焊的应用

搅拌摩擦焊作为一种轻合金材料连接的优选焊接技术，经过前期大量工艺分析和试验，目前已经从技术研究转向高层次工业化应用阶段。搅拌摩擦焊技术首先应用于船舶制造和海洋工业领域，主要用于焊接甲板、侧板、船头、防水壁板和地板等。在高精密度的宇航制造工业领域，搅拌摩擦焊技术被用于焊接火箭和航天飞机助推燃料筒体的纵向对接焊缝和环向搭接接头，使板材成形前的可使用尺寸增大，降低制造超尺寸板材零件的成本。在民用建筑工业和陆路交通工业中，搅拌摩擦焊的应用也越来越广泛[9-10]。

目前，搅拌摩擦焊技术在轨道车辆制造中应用已经取得成功，特别是在国外轨道车辆制造业中已有13年的应用经验，且发展速度快。在我国，自2002年引进搅拌摩擦焊技术以来，主要车辆制造企业纷纷开始了这一技术的工程化应用研究工作，并取得了丰硕的应用成果。

2.1 国外应用情况

国际上众多知名列车生产企业都在采用搅拌摩擦焊技术生产各种不同结构和型号的轨道车辆，如庞巴迪、阿尔斯通、西门子、川崎重工、住友轻金属等，焊接车型达数十种，焊接车辆达数千辆。

日本日立公司1995年引进搅拌摩擦焊技术，之后开展了一系列基础研究。自1998年起，日立公司应用搅拌摩擦焊技术进行批量生产[11]。

日本川崎重工对搅拌摩擦焊技术给予了很高评价，其自身也采用搅拌摩擦点焊焊接FAStech360Z列车顶部面板的加强筋。搅拌摩擦焊技术的低能量输入大大改善了车体外表面的平整度和美观性。

日本住友轻金属公司已将搅拌摩擦焊技术应用于日本新干线车辆的制造中，主要用于铝合金挤压型材的拼接。

日本车辆制造公司将搅拌摩擦焊技术用于车体的中空挤压结构侧墙及地板的焊接，接头形式有两种，分别为厚度3.5 mm和4 mm的对接[12]。

在德国、法国、丹麦、英国等国家，搅拌摩擦焊技术已经获得授权并得到了广泛应用。搅拌摩擦焊在轨道车辆制造中有两种应用形式，一种是直接购买已经焊接完成的型材，另一种是自主购买搅拌摩擦焊设备进行列车零部件的生产。

庞巴迪公司应用搅拌摩擦焊技术生产英国Electrostar系列列车，已经与伦敦地铁达成376辆该系列列车的购买协议，用于线路升级。

丹麦铝合金冲压生产商萨帕是欧洲最早引进搅拌摩擦焊技术的企业，现今萨帕已经拥有一台16 m长的搅拌摩擦焊设备。这台设备有3个搅拌头，不仅能够双面焊，而且能够在同一面上从板材中心向两侧同时进行焊接，此外还适用于大厚板的拼焊，焊缝长度可达14.5 m，板材宽幅为3 m[13]。

2.2 国内应用情况

我国2002年引进搅拌摩擦焊技术以来，中车四方股份、长客股份、南京浦镇及株洲电力机车等主机厂意识到搅拌摩擦焊技术的优势，积极开展搅拌摩擦焊技术工程化应用的论证工作，取得了一定的成果。2010年8月，四方股份采用搅拌摩擦焊技术完成了广州轨道交通5号线一辆列车的车体及侧墙单元焊接。2011年，南京浦镇生产的上海轨道交通13号线列车侧墙经过搅拌摩擦焊技术焊接处理，车体表面平面度达到1 mm/m，极大提高了列车的外观美感。2012年，长客股份针对深圳轨道交通2、7、9号线铝合金列车的侧墙和车顶都采用了搅拌摩擦焊技术，进一步推广了搅拌摩擦焊技术在中国市场上的应用。2014年，四方股份完成了中国标准动车组FSW技术样车车体研制，实现了搅拌摩擦焊技术在高速动车组上的推广和应用[14]。

3 焊接接头性能

搅拌摩擦焊接头形式有I形对接、对接和搭接复合接头、双片搭接、多片对接、3片T形对接、双片T形对接、双片角对接和双片内角对接等[4]。基于搅拌摩擦焊接头的组织与力学性能，根据残余应力的变化情况可分析出焊接的接头质量，对于研究搅拌摩擦焊技术在轨道列车上的应用可行性及揭示焊板厚度对焊接的影响规律具有重要意义。

罗传孝等[15]通过对金相组织观察、断口扫描分析、拉伸试验和显微硬度测试分别研究了6082-T6铝合金和5083铝合金搅拌摩擦焊接头的微观组织和力学性能，得出了接头断面组织可分为焊核区、热机影响区、热影响区和母材区等四个区域，其中热影响区是接头最薄弱的区域。

刘杰等[16-17]对35 mm厚板6005A-T6铝合金型材采用搅拌摩擦焊双面焊工艺进行试验，并对试验结果进行分析，确认接头焊核区组织为细小等轴晶，前进侧出现明显螺旋纹及清晰接合线，热机影响区晶粒被明显拉长呈条状组织，热影响区受热晶粒相对粗大，后退侧未见螺旋纹，晶粒比前进侧细小，过渡区较前进侧宽。以上试验为后续开展搅拌摩擦焊接头性能进一步研究试验提供了参考依据。

贺地求等[18-20]对6061-T6铝合金板进行了60 mm双面搅拌摩擦对接焊试验，分析了对接焊接头的微观组织与力学性能。试验结果表明焊接区微观组织沿厚度方向发生不同程度的改变，焊接接头强度达到218 MPa，为母材强度的70%，而接头力学性能却下降。主要原因是焊接热循环引发的金属强化相重固溶和过时效，其中前进侧热机影响区为焊缝薄弱环节。此次试验为30 mm以上厚板的搅拌摩擦焊研究提供了实测依据。

4 结论

随着城市轨道交通的高速发展，轨道车辆焊接接头强度及结构安全性要求越来越高。采用搅拌摩擦焊生产的产品性能明显优于传统惰性气体保护焊，搅拌摩擦焊已成为主流。目前，国内外对于搅拌摩擦焊工程化应用和推广做了大量研究，并取得了一定的研究成果。国外的轨道车辆制造业对于搅拌摩擦焊技术的应用较为成熟，我国也自2002年起开展了大量研究和生产。基于目前的情况，搅拌摩擦焊技术还需在以下几个方面继续完善。

（1）建立完整的焊接参数数据库。现在还未形成一套规范化的技术指标，对于某些参数不能准确把握，并且不能简化焊接参数、优化步骤，所以急需一套完整的焊接参数数据库来作为参考依据，这样有助于进一步制订技术标准，开发新型设备。

（2）完善有限元模拟条件。在对搅拌摩擦焊接头及焊接车体结构进行研究时，有限元分析起着至关重要的作用。材料的结构关系在数学推导得出的前提下，还需以试验数据为基础，这样才能准确把握材料的相关性能，并加以应用。

（3）拓宽应用范围。搅拌摩擦焊在航空航天、轨道车辆、船舶制造等领域都取得了成功应用，通过设计与两侧板面完全贴合的静止轴肩等措施，可以角焊缝形式实现T形接头焊接，从而拓宽搅拌摩擦焊技术的应用范围。因此，改进结构及完善设备来拓宽应用领域是今后需要深入研究的方向。

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（编辑：启德）

Took aluminum alloy rail vehicle as the research object to present the basic principle and characteristics of the friction stir welding technology.Introduced the types of welding materials and the equipment for welding and discussed the performance and quality of the welded joints with analyses on potential application of the friction stir welding technology in manufacturing of rail vehicles at home and abroad.

轨道交通；搅拌摩擦焊；应用

RailTransit；Friction Stir Welding；Application

TH122；TG453

B

1672-0555（2017）02-012-04

2017年2月

江茂（1993—），女，硕士研究生，主要研究方向为城市轨道交通设备。