铝合金侧墙搅拌摩擦焊的隧道缺陷改进技术研究

■ 吴兴欢，彭勇军

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搅拌摩擦焊是利用搅拌摩擦热作为焊接热源，它是由一个带有搅拌针和轴肩的特殊形式的搅拌头通过摩擦迅速升温将母材软化变成热塑性金属层，当搅拌头沿着接合焊缝运行时使其前方的热塑性金属不断流向其后方，并通过相互扩散与再结晶使接合材料以固相形式进行永久接合的一种焊接方法。国内在航空航天、造船以及轨道交通等行业，搅拌摩擦焊技术已得到一定的应用，但在轨道交通领域，铝合金搅拌摩擦焊技术尚处于研究起步阶段。

搅拌摩擦焊是公司近年引进的一种新型焊接方法，由于技术及工艺的不成熟，在前期的试制过程中，出现较多的质量问题，导致产品不合格主要原因为焊缝起、收弧端存在隧道缺陷，如图1所示。根据质量体系要求该缺陷在焊接产品中不允许出现，同时严重影响生产进程。

1. 隧道缺陷产生原因

（1）型材来料 型材装配后，凹凸配合存在高低差、直线度超差，装配间隙允许最大值为0.4mm。由于侧墙板正面搅拌头加压焊接时造成焊缝间隙不断增大，当间隙＞0.4mm，造成焊缝没有充足母材填充，易导致焊缝起、收弧端产生隧道缺陷。

（2）装配或焊接间隙过大 侧墙板焊接装配直接在工装上进行，且装配要求很高，工艺要求其装配间隙控制在0.4mm（正反面之和）以内。当装配间隙过大，搅拌头在进行搅拌时无法将母材填充到搅拌头直径两侧，易产生不同程度的隧道缺陷。

（3）工装原因 侧墙板焊接正反采用手动压臂工装压紧，反面刚性支撑，保证焊接过程中工件受压变形。由于侧墙板装配在工装上后，背面条形工装刚性不足，同时手动压臂压紧力不够，致使工件无法工装贴紧，焊接后焊缝易产生隧道缺陷。

（4）搅拌头选择不当 焊接过程中，若选择的搅拌头直径过大，造成焊缝断面增大，焊缝热影响区变宽，焊接时向前推进的阻力增加；搅拌头直径过小，摩擦时产生的热量不足，焊接时流动性变差，向前移动时对侧边的挤压力减小。选择的搅拌针的长度过长或过短，同样易造成焊缝产生隧道等缺陷。

图1 侧墙板焊接时出现的焊道缺陷

2. 隧道缺陷改进措施

（1）型材装配点焊 采用装配工装及工作平台对侧墙板进行装配，同时采用拉紧带对侧墙型材进行紧固，保证正反两个面凹凸配合后内间隙控制在最低值，再对焊缝起收弧端进行点焊固定。侧墙板点焊后，由于两端面被定位焊固定，当搅拌头扎入型材焊接时焊缝间隙不易张开，有效确保所有母料全部填入焊缝内，不会因产生飞边的原因而造成母料流失，从而可解决焊缝隧道缺陷的产生。

（2）侧墙吊装紧固 检查各工装能否正常工作后，在侧墙板吊入工装前，检查工装表面是否有焊渣、飞边等杂物。使用手动压臂将侧墙板压紧与工装贴紧，检查侧墙板反面与背面工装必须贴紧，无间隙。

（3）选择合理的搅拌头规格 根据焊接材质选择适用于10mm以下厚度的6XXX系列中空挤压型材的搅拌头。经试验研究表明，对接板焊接搅拌头、针长度的选择一般为板厚的0.9～1.1倍，能获得良好的焊缝接头，搅拌头肩部的直径与搅拌针直径之比为3:1，在适当的工艺条件下能够获得高质量的焊缝。当搅拌针磨损量达到0.2mm，或焊接焊缝长度达到1500000mm，当搅拌针螺纹出现磨损以及轴肩纹路出现缺口的情况下，搅拌头应报废。

（4）选择合理焊接参数 搅拌摩擦焊参数主要有搅拌头的倾角、转速、焊接深度、焊接速度以及焊接压力。搅拌摩擦焊的工艺参数选择与被焊接材料、厚度及搅拌头的形状密切相关。优化后的参数如附表所示。

3. 实施效果

虽然增加一道装配定位焊工序，但是通过此工艺改进措施的实施，在起弧端和收弧端，焊缝隧道缺陷都得到明显的改善，如图3所示，合格率达98%以上，产品质量稳步提升。型材采购时可减少原有加长余量250mm，从而降低采购成本，减少材料的浪费，同时减少下道工序机加工工作量。经计算每节车可降低原材料成本约1万余元。此工艺方法在其他项目实施中得到广泛应用，实施效果良好，并大幅提高生产效率。

图2 型材装配工装及工艺的改进

搅拌摩擦焊参数

图3 焊缝隧道缺陷的改善效果

4. 结语

通过对现场生产工艺条件的分析，找出了铝合金侧墙在搅拌摩擦焊接过程中出现隧道缺陷的可能原因，在此基础上对型材的装配点焊工艺、吊装紧固工艺进行了优化调整，同时设计了合理的搅拌头规格以及焊接参数。通过工艺改进措施实施之后，焊缝隧道缺陷都得到明显的改善，可有效降低生产成本并提高了生产效率。