6005A-T6铝合金型材搅拌摩擦焊工艺参数优化

郁志凯，刘春宁，钮旭晶，范东宇

（中车唐山机车车辆有限公司，河北 唐山 063035）

0 前言

随着轨道交通行业的快速发展，铝合金因其质轻高强、可回收重熔等特点，越来越多地应用于动车和地铁等车体结构中[1]。铝合金材料对相应的连接技术也提出更高的要求[2]。铝及铝合金的化学活泼性很强，极易在表面形成致密且难熔（Al2O3熔点约为2 050℃）的氧化膜，加之铝合金的导热性强，在使用传统的熔化焊连接方法时容易形成不熔合及裂纹等缺陷。另外铝及铝合金的线膨胀系数大，采用高热输入的熔化焊时容易产生较大的翘曲变形。因此采用熔化焊方法焊接铝合金对操作人员和焊接工艺要求很高。

搅拌摩擦焊是一种新型连接技术，它依靠搅拌头与工件的摩擦产生热量，使焊缝区域受热形成塑性流动状态，并通过搅拌针的搅拌作用达到连接的目的[3]。搅拌摩擦焊的焊接温度是铝合金熔点的0.7～0.9倍（约为470～560℃），热输入远远小于熔化焊，在焊接接头区域能形成较小的温度梯度，减小焊接变形，大大降低焊缝的残余应力。同时搅拌摩擦焊搅拌头的轴肩在焊接过程中对焊缝表面施加一定压力，使得焊缝表面更为光滑平整[4]。与传统熔化焊相比，搅拌摩擦焊具有无飞溅、无烟尘、不需要填充材料和保护气体、对操作者的技能要求不高、易实现高速自动化焊接等诸多优点，在铝合金焊接过程中优势明显。本研究以某型号地铁侧墙板为依托，对6005A-T6铝合金型材进行大量的工艺参数研究，通过对比验证获得最优工艺参数，为实际焊接生产应用提供有力的依据[5]。

1 试验材料和试验方法

1.1 试验材料

试验型材如图1所示，长3m，分段焊接，每段焊接长度500 mm。焊接接头为对搭接形式，接头名义厚度4.5 mm，焊缝两侧均设计有厚度0.5 mm、宽11 mm的工艺补偿凸台，如图2所示。型材材料为6005AT6铝合金，化学成分及力学性能如表1、表2所示。

图1 侧墙板模型

图2 对搭接接头形式

表1 6005A-T6中空铝型材的化学成分%

表2 6005A-T6中空铝型材的力学性能

1.2 试验设备和工装

试验设备为149厂生产的静龙门搅拌摩擦焊设备，型号HT-JM10X40/2，具备主轴恒压力控制系统。设备能提供的最大顶锻力50 kN，主轴最大焊接转速3 000 r/min，最大焊接速度3 000 mm/min。工装为侧墙板搅拌摩擦焊专用工装，如图3所示。

搅拌头如图4所示，其材质为高速工具钢，轴肩直径18 mm，搅拌针长4.8 mm，搅拌针形状为锥形，带有螺纹，搅拌针直径7.0mm（根部直径7.2mm），轴肩位置开有开口型回拢槽。

图3 设备及工装

图4 搅拌头

1.3 试验过程和方法

焊接前采用打磨机、千叶片和钢丝刷等工具打磨清理焊缝及附近区域的氧化膜，然后使用清洗剂去除焊缝表面及附近区域的油污。

图5 转速、焊速参数分布

根据前期试验数据及结果，初步拟定150组焊接试验参数，参数范围如图5所示，转速ω为1 000～2 100 r/min，焊接速度 v 为 500～2 200 mm/min，焊接过程中保持搅拌头的前倾角为2°，预热时间1 s。

试验初期不使用恒压力控制系统，设定搅拌头的压入量为0.1 mm，对转速和焊接速度参数进行初步筛选，同时打开压力监测系统测量顶锻力的数据范围。后期确定转速和焊接速度后，再调节压力参数，以获得不同性能的焊缝接头。

焊接完成后，对试件进行外观检测（ISO17637）和渗透检测（ISO3452-1）。无损检测合格后切取试件进行宏观、微观金相检测以及拉伸（ISO4136）、弯曲（ISO5173）试验，拉伸试样尺寸如图6所示。

图6 拉伸试样尺寸

2 试验结果和分析

影响搅拌摩擦焊焊缝质量的参数较多，其中最主要的是转速、焊接速度以及焊接顶锻力。本研究通过先调整转速和焊接速度，获得焊缝外观较好的参数，然后调整焊接顶锻力，获得优质焊缝。

2.1 转速与焊接速度参数优化

不同焊速与焊接速度下侧墙板的焊缝外观如图7所示。在ω=1 000 r/min，v=1 100 mm/min的情况下，搅拌头与工件摩擦产热不足，焊缝表面出现犁沟缺陷，同时有不易去除的大飞边，降低焊接速度（见图7b）或者提高转速（见图7c）均可消除犁沟缺陷，减少飞边生成。在较高转速、较低焊接速度下（见图7d），搅拌头与工件摩擦产热过多，焊缝表面出现“毛刺”现象，严重时可引起“起皮”缺陷。

2.2 焊接顶锻力参数优化

较好的焊速和焊接速度下，不同顶锻力时侧墙板的焊缝外观与宏观金相照片如图8所示。

由图8可知，在转速和焊接速度相同的情况下，采用恒压力进行焊接，较小的焊接顶锻力（见图8a）使得搅拌头压入工件较浅，接触面积减少，焊接热输入降低，焊缝区域金属塑性、流动性不足，出现小隧道等缺陷。当焊接顶锻力（见图8c）较大时，搅拌头压入工件过深，更多的金属被挤压出来形成较大飞边，同时型材筋板不足以支撑如此大的顶锻力，产生下塌，导致大隧道、焊洇及未焊满等缺陷。

图7 不同转速、焊接速度参数下的侧墙板焊缝外观

最终确定侧墙板搅拌摩擦焊的最优焊接工艺参数为：转速1 500 r/min、焊接速度1 100 mm/min、焊接顶锻力13.5 kN。焊后焊缝成形美观，表面无飞边、毛刺等缺陷，内部无隧道，抗拉强度可达215MPa，弯曲性能180°，不出现任何缺陷。该参数下的微观金相和应力应变曲线如图9所示。

3 结论

（1）当转速过低或焊接速度过高时，搅拌头与工件摩擦产热不足，焊缝表面易出现“犁沟、飞边”等缺陷；当转速过高或焊接速度过低时，搅拌头与工件摩擦产热过多，焊缝表面又会出现“毛刺、起皮”等缺陷。

（2）焊接顶锻力较小时，搅拌头压入工件较浅，接触面积少，焊接热输入低，易出现“隧道”等缺陷；焊接顶锻力过大时，搅拌头压入工件过深，易形成“大飞边”缺陷，同时，侧墙板型材筋板不足以支撑这么大的顶锻力，产生下塌，导致“隧道、焊洇及未焊满”等缺陷。

（3）综合考虑焊缝外观成形质量、金相结果以及力学性能等各因素，最终确定侧墙板搅拌摩擦焊的最优合格焊接工艺参数为：转速1 500 r/min、焊速1 100 mm/min、焊接顶锻力13.5 kN。

图8 不同顶锻力参数下侧墙板焊缝外观与宏观金相

图9 最优合格工艺参数下的微观金相和应力应变曲线

参考文献：

[1]栾国红，胡煌辉，柴鹏.搅拌摩擦焊—新型列车制造新技术[J].电力机车与城轨车辆，2006，29（4）：40-44.

[2]宋东福，王海艳，戚文军，等.铝合金搅拌摩擦焊的研究现状与展望[J].电焊机，2011，41（3）：50-54.

[3]蒋百威，吴志明，乔红云，等.轨道车辆铝合金6005A搅拌摩擦焊制造工艺[J].金属加工，2013（20）：3525-3539.

[4]RADISAVLJEVIC I，ZIVKOVIC A，RADOVIC N，etal.Influence of FSW parameters on formation quality and mechanical propeities of Al 2024-T351 butt welded jointa[J].Science Direct，2013（23）：50-54.

[5]汪洪峰，汪建利，宋娓娓，等.7022铝合金搅拌摩擦焊工艺参数的优化[J].热加工工艺，2013，42（9）：156-159.