FSW参数对侧墙板焊缝表面的影响

陶泽宇 王忠平 刘淙元

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东青岛 266000）

在某型车体侧墙板制造过程中，利用搅拌摩擦焊焊接时，由于参数选取不当，容易出现焊接缺陷，如表面沟槽、飞边毛刺等。缺陷的产生严重影响了现车质量，侧墙板作为动车组的重要承载结构，是列车的关键组成部件，其生产质量对列车的安全运行起至关重要的作用［1］。Shanavas 等［2］优化了5 系铝板间的FSW 过程，经研究：焊接工艺参数为倾角1.5°、转速600rpm、焊速65mm/min，选择方锥形搅拌头，焊接效率最优，焊接效率近94%。孙甲尧等［3］对6mm 厚的A356-T6 异种铝合金FSW工艺进行了实验研究，通过采取不同焊接工艺对比实验的方法，得出对接头组织和性能的影响，进而得出结论：焊缝的极限拉伸强度与焊速成正比例关系，焊接速度低时，将A356铝合金置于前进侧，接头拉伸强度更高；较高时，将6系铝合金置于前进侧。马佳良［4］等通过实验结果和仿真分析结果比对，利用残余应力与焊接工艺等相关参数的关系式，得出最优残余应力峰值与焊接变形峰值对应的焊接参数，为枕梁及其相似结构FSW工艺参数的选择提供理论支撑。

目前，研究人员已经对基于镁［5］、钢［6-7］和钛合金［8-9］等同种、异种材料的FSW 焊接工艺展开了大量研究。为实现企业提质增效、追求卓越的经营理念，本文采用实验方法，研究了焊接参数（主要是焊接搅拌头的转速和焊速）对焊接动车侧墙板过程中温度场的影响，从而确定不同焊接参数下实验板材的焊缝质量，进而选择合适的参数，保证侧墙板的焊接质量要求。

1 实验方法和材料

实验采用热电偶测温的方式进行温度测量。作为接触式测温方法，该方法需要将热电偶直接安装在待测温点，焊接质量会因此受到影响。利用此测温方式所得结果相对可靠，但是，只可以显示有限个点位的测温结果。在个别情况下，测量误差的产生是由于测温元件的装卸不便、接触不良。

板材尺寸为100mm×50mm×4mm。根据工艺文件要求，利用直径0.2mm 的不锈钢丝轮刷清理待焊部位表面（搭接面、对接面、上下表面）的氧化膜，使用棉纱布和铝合金清洗剂处理备用。搅拌头轴肩直径尺寸为19mm，锥度为7°，末端半径为3mm，长度为7.8mm，轴肩有环状凹槽及2°内凹。

为保证实验的正确性，查阅设计相关图纸，得到侧墙板在动龙门搅拌摩擦焊胎位的组焊示意图（见图1），确定侧墙板组焊的搭接接头形式及相关的焊接要求。

图1 侧墙板组焊示意图

2 试验结果分析

2.1 转速对焊接结果的影响

实验过程中，为保证与实际生产中焊接侧墙板情况相符合，预热时间选择1s，下压量保持0.19mm，焊速100mm/min，转速取值为500rpm、1000rpm、1500rpm、2000rpm。

由图2可知，温度峰值点始终平行于焊接方向，在轴肩、待焊板材接触处出现，与板材接触的轴肩的前侧比后侧温度低。从整体温度云图来看，在焊接方向上，板材后侧温降梯度略小于前侧温升梯度。

图2 500rpm 上表面温度云图

图3 是提取出的板材表面峰值t与时间变化的相关曲线，峰值温度从383℃迅速升至约452℃后趋于稳定，峰值温度在焊接末期略有提升，最高可达472℃。

图3 焊缝峰值温度图

转速升至1000rpm，上表面温度云图和焊缝峰值温度图与500rpm 时大致相同，焊缝峰值温度略有升高，温度场云图未见明显变化。稳定焊接初期，焊缝峰值t迅速下降到480℃，然后又上升到513.7℃；在稳定焊接过程，整体温度增速渐缓，逐渐达到541.6℃（母材熔点的84.6%）；在稳定焊接末期，焊缝峰值t增速显著提升，最高可达567.8℃（母材熔点的88.7%）。

结合图4，当转速在1500rpm时，焊缝峰值温度进一步升高，温度场云图与1000rpm时相似，未见明显变化。在稳定焊接的初期，焊缝的峰值t从487.2℃迅速上升到520℃；稳定焊接中期，温度整体增速放缓，达到570℃（铝合金熔点的87.5%）左右；在稳定焊接末期，焊缝峰值t增幅较大，最高达597.7℃（铝合金熔点的93.3%）。

图4 焊缝峰值温度图

结合图5，转速升至2000rpm 时，上表面温度云图和焊缝峰值温度图与1500rpm 时近似，焊缝峰值温度进一步提高，温度场云图未见明显变化。在稳定焊接的初期，焊缝的峰值t从501.5℃迅速升到550.3℃；焊接中期，温度缓慢升高至580℃（铝合金熔点的90.6%）；焊接末期阶段，温度最高可达613.5℃（铝合金熔点的95.8%）。

图5 焊缝峰值温度图

2.2 焊接速度对焊接结果的影响

预热时间选择1s，下压量保持0.19mm，转速1500rpm，焊速取值为100mm/min、300mm/min、500mm/min、700mm/min。焊速选取100mm/min 时，焊缝峰值温度图见图4。

转速1500rpm、焊速300mm/min 时，温度场云的曲率最大位置在开始和结束时方向与焊接方向平行，前进侧温升梯度和后退侧温降梯度较大，受热影响面积缩小，此时，焊缝表面峰值t在稳定焊接初期开始下降，后趋于稳定，峰值t焊缝温度基本控制在505℃，最高达507.7℃（铝合金熔点的79.3%）。

结合图6、图7可知，当焊速提高到500mm/min时，焊缝表面峰值t在稳定焊接前半程从515℃缓缓降至475℃，后半程峰值t基本保持在470℃（铝合金熔点的73.4%）。

图6 焊速500mm/min 上表面温度云图

图7 焊缝峰值温度图

当焊速升至700mm/min（见图8）时，焊缝峰值温度图与500mm/min时近似。温度场云的曲率最大位置在开始和结束时，焊缝峰值t最低。在稳定焊接前半程，焊缝表面峰值温度从515℃缓慢降至452℃，后半程峰值温度稳定在450℃（铝合金熔点的70.3%），温度下降速度较500mm/min有所提高。

图8 焊缝峰值温度图

经上述实验发现，搅拌头转速选取1500rpm时，参考点的温度升高和降低的幅度与焊接速度成正相关，这是因为在板材散热条件相同的情况下，焊接速度提高，温度变化时间缩短，温度变化梯度增大。

从图9 可知，随着焊接速度的提升，焊缝峰值t也会有所提高，但其降低速度会渐缓。

图9 焊缝表面稳定峰值温度与转速关系

焊缝峰值温度在轴肩外侧与板材接触位置出现，方向平行于焊接方向，轴肩前侧峰值t低于后侧峰值t。测温点出现“双峰现象”，最高温为第二峰值。后退侧温度低于前进侧温度，差值与焊速联系更为紧密，差值与焊速成正比例关系，在转速1500rpm、焊速100mm/min时，差值最小，最小值为18.9℃；在焊速700mm/min 时，温差最大，为51.1℃。

3 结论

本文采用控制变量法，在侧墙板焊接过程中，分别研究了FSW 不同转速和不同焊速下侧墙板的温度场变化，分析判断了参数的选择对焊缝表面质量的影响。

（1）侧墙板焊缝表面峰值温度与转速呈正相关，但增速渐缓，在转速2000rpm的焊接末期出现温度峰值，峰值为613.5℃（未达母材熔点）。转速为500rpm，稳定焊接时，焊缝表面峰值温度相对平稳，温度值为452℃，温度上升仅出现在稳定焊接的初始和收尾阶段。转速继续增大，焊缝表面峰值温度随时间上升趋势逐渐明显，这会促使焊缝质量不均，影响侧墙板焊缝表面质量，进而影响行车安全。

（2）于焊速而言，焊缝表面峰值温度与焊速成负相关，降速趋缓，最高温在焊速100mm/min 时出现，为597.7℃（未到母材熔点）。稳定焊接，焊速为300mm/min 时，焊缝表面峰值t控制在505℃。选择该焊接工艺参数，焊缝一致性最好，焊缝质量要求得到满足。