铝合金搅拌摩擦焊的焊接工艺评定
南车集团株洲电力机车有限公司 盛建辉（湖南株洲 412001）
株洲九方焊接技术研究所 胡煌辉 金杏英 易著宽（湖南株洲 412001）
摘 要：考虑到铝合金材料用于城轨车辆的适应性，采用FSW与MIG对比试验的方法来进
行进行工艺评定研究，为绿色、环保的搅拌摩擦焊在城轨车辆中的应用作准备。
关键词： 搅拌摩擦焊 工艺评定 试验
Pick to: considering the aluminum alloy material used in the adaptability of the urban rail vehicles, using FSW and contrast test methods to MIG for technology evaluation research, for the green and environmental protection of friction stir welding in city rail vehicles for the application.
Keywords: friction stir welding procedure qualification test
一 前言
搅拌摩擦焊是由英国焊接研究所（The Welding Institute ）1991年发明的一项新世纪最具革命性的新型连接方法。该技术自发明以来就得到了国际专利保护，并以很快的速度在全球工业制造领域得到推广应用，在十多年时间里，该技术已应用到航空航天、船舶、轨道交通、汽车等行业在内的众多领域。
搅拌摩擦焊技术（简称FSW）是一项焊接工件不熔化的固相连接技术。 该技术是依靠搅拌头的旋转与被焊接 材料之间的机械摩擦作用，获得接近但低于材料熔点的焊接温度。所以搅拌摩擦焊过程中不存在金属熔化，属于一种新型的固相连接方法。
搅拌头是该技术的核心部分，由搅 拌针和轴肩两部分组成。焊接过程中，搅拌头高速旋转，搅拌针深入到工件内部，轴肩紧压在工件表面（保持一定的压入量）。高速旋转的搅拌头与工件之间摩擦，产生大量的摩擦热。
图1 搅拌摩擦焊工作原理
由于摩擦热的作用以及搅拌头的粉碎、挤压作
用，搅拌头周围金属在焊接过程中将发生严重的热塑性变形，从而释放大量的塑性变形能。在摩擦热及塑性变形能的综合作用下，接头金属实现塑性流动并扩散连接，如图1。
搅拌摩擦焊技术作为一种全新的焊接技术，拥有诸多独特的优点，对于轻金属材料（如铝、铜、锌等）的连接在焊接方法、力学性能和生产效率上具有其他焊接方法不可比拟的优越性。搅拌摩擦焊焊缝接头具有优良的力学性能和小的焊接变形，焊接过程中不需要添加保护气和焊丝，没有熔化、烟尘、飞溅及弧光，是一种环保型的新型连接技术。比较适合我公司铝合金城轨车辆的焊接，
。为此，针对城轨车辆常用铝合金材料，进行工艺评定研究，为
搅拌摩擦焊在城轨车辆中的应用作好技术储备。
二 项目简介和试验方案
采用FSW焊与MIG焊对比性试验的方法来进行“搅拌摩擦焊工艺评定”。
由于GZL3和SPL2地铁车辆铝合金现用MIG焊进行焊接，已有符合质量要求的性能标准，因此，FSW焊的接头工艺性能试验应采用以MIG焊接头工艺性能试验数据为标准，两者相比较进行工艺评定，才能反映出搅拌摩擦焊接头性能较之MIG焊接头性能的优劣。
其中：
1. 已做过MIG焊接头工艺性能评定的项目，只要做相同工件、相同材料、相同规格的FSW焊的接头工艺性能试验，然后与MIG焊接头性能进行比较，得出FSW焊工艺性能评定。
2. 未做过MIG焊接头工艺性能评定的项目，则要同时做相同工件、相同材料、相同规格的MIG焊接头性能试验和FSW焊的接头工艺性能试验，然后两者接头性能进行比较，得出FSW焊工艺性能评定。
根据生产应用和技术需求综合考虑，确定本次采用对接接头进行焊接工艺评定。评定材料选用城轨车辆常用的5083， 6082及6005型材。试件尺寸均为365×150。其试件编号见表1。每组材料有6或10个试件，以保证能优化出搅拌摩擦焊焊接工艺参数。
每种材料均进行优化试验来确定焊接工艺参数。
用优化后的FSW参数进行试板焊接；然后做X－射线检验和着色检验、金相检验和力学性能试验。
表1 优化试验搅拌摩擦焊焊接试件编号
三、焊接工艺试验
1．将试件对接边边缘的毛刺及油污擦净，将试件在工作台上装夹好。两端必须夹紧，防止焊接时涨开。
2.先进行焊接工艺参数的优选，然后按照选定的工艺参数进行试件的焊接。优选后的试件编号见表2。
3.优化后的焊接工艺参数
搅拌摩擦焊焊接工艺参数有 ： （1）搅拌头的选择 （2）工艺参数的选择 1）搅拌头的旋转速度； 2）搅拌头的焊接速度； 3）轴肩的压紧力。
这些技术参数取决于焊接母材的材质、板厚，决定了焊接过程中搅拌头周围产生的热量，并且直接影响到焊缝的组织和性能。本试验优化后的焊接工艺参数见表3。
对以上试件分别取样进行了外观检验、无损探伤、力学性能试验和金相检验，试样编号见表4。外观检验、无损探伤检验结果见表5。宏观金相、拉伸、弯曲和冲击试验结果见表6。微观金相检验结果见。
表4 搅拌摩擦焊X检验、力学性能、金相、冲击检验编号表
微观金相检验结果见微观金相图（例举）。
08－33（×100） 左为母材右为焊缝
09－33（×100） 左为母材右为焊缝
27－33（×100） 左为母材右为焊缝
四、结论
（1）可以看出，5083δ＝3mm铝合金搅拌摩擦焊焊缝的抗拉强度接近或高于母材抗拉强
度 ，弯曲试验全部合格。微观金相检验结果发现焊缝内部没有任何缺陷。搅拌摩擦焊在5083铝合金焊接中优势非常明显。
（2）6082δ＝6mm、10mm铝合金的搅拌摩擦焊焊缝的抗拉强度低于母材的抗拉强度，高于MIG焊的抗拉强度。弯曲试验全部合格，且焊缝内部没有任何缺陷，证明搅拌摩擦焊优于MIG焊。
（3）6082+5083 δ＝6mm异种铝合金的搅拌摩擦焊焊缝的抗拉强度低于母材的抗拉强度，比MIG焊的抗拉强度高且稳定。弯曲试验全部合格，且焊缝内部没有任何缺陷，说明搅拌摩擦焊用于异种铝合金焊接是很有优势的。
（4）6005A型材的搅拌摩擦焊过程很顺利，焊缝表面成型良好，宏观金相检查内部组织无缺陷。
（5）从6082T6的搅拌摩擦焊试验过程可知，在对热处理强化铝合金实施搅拌摩擦焊时，其工艺参数非常关键，它对热输入的要求很严格。
（6）本次搅拌摩擦焊工艺评定中的部分结果与目前相关资料提供的结论尚有差距。我们很清楚，这是由我们对搅拌摩擦焊技术工艺的了解和研究的差距所造成的。这要求我们必须不断努力。
2011年，南车集团株洲电力机车有限公司已购进多台搅拌摩擦焊设备用于城规车辆的焊接。
铝合金搅拌摩擦焊的焊接工艺评定
南车集团株洲电力机车有限公司 盛建辉（湖南株洲 412001）
株洲九方焊接技术研究所 胡煌辉 金杏英 易著宽（湖南株洲 412001）
摘 要：考虑到铝合金材料用于城轨车辆的适应性，采用FSW与MIG对比试验的方法来进
行进行工艺评定研究，为绿色、环保的搅拌摩擦焊在城轨车辆中的应用作准备。
关键词： 搅拌摩擦焊 工艺评定 试验
Pick to: considering the aluminum alloy material used in the adaptability of the urban rail vehicles, using FSW and contrast test methods to MIG for technology evaluation research, for the green and environmental protection of friction stir welding in city rail vehicles for the application.
Keywords: friction stir welding procedure qualification test
一 前言
搅拌摩擦焊是由英国焊接研究所（The Welding Institute ）1991年发明的一项新世纪最具革命性的新型连接方法。该技术自发明以来就得到了国际专利保护，并以很快的速度在全球工业制造领域得到推广应用，在十多年时间里，该技术已应用到航空航天、船舶、轨道交通、汽车等行业在内的众多领域。
搅拌摩擦焊技术（简称FSW）是一项焊接工件不熔化的固相连接技术。 该技术是依靠搅拌头的旋转与被焊接 材料之间的机械摩擦作用，获得接近但低于材料熔点的焊接温度。所以搅拌摩擦焊过程中不存在金属熔化，属于一种新型的固相连接方法。
搅拌头是该技术的核心部分，由搅 拌针和轴肩两部分组成。焊接过程中，搅拌头高速旋转，搅拌针深入到工件内部，轴肩紧压在工件表面（保持一定的压入量）。高速旋转的搅拌头与工件之间摩擦，产生大量的摩擦热。
图1 搅拌摩擦焊工作原理
由于摩擦热的作用以及搅拌头的粉碎、挤压作
用，搅拌头周围金属在焊接过程中将发生严重的热塑性变形，从而释放大量的塑性变形能。在摩擦热及塑性变形能的综合作用下，接头金属实现塑性流动并扩散连接，如图1。
搅拌摩擦焊技术作为一种全新的焊接技术，拥有诸多独特的优点，对于轻金属材料（如铝、铜、锌等）的连接在焊接方法、力学性能和生产效率上具有其他焊接方法不可比拟的优越性。搅拌摩擦焊焊缝接头具有优良的力学性能和小的焊接变形，焊接过程中不需要添加保护气和焊丝，没有熔化、烟尘、飞溅及弧光，是一种环保型的新型连接技术。比较适合我公司铝合金城轨车辆的焊接，
。为此，针对城轨车辆常用铝合金材料，进行工艺评定研究，为
搅拌摩擦焊在城轨车辆中的应用作好技术储备。
二 项目简介和试验方案
采用FSW焊与MIG焊对比性试验的方法来进行“搅拌摩擦焊工艺评定”。
由于GZL3和SPL2地铁车辆铝合金现用MIG焊进行焊接，已有符合质量要求的性能标准，因此，FSW焊的接头工艺性能试验应采用以MIG焊接头工艺性能试验数据为标准，两者相比较进行工艺评定，才能反映出搅拌摩擦焊接头性能较之MIG焊接头性能的优劣。
其中：
1. 已做过MIG焊接头工艺性能评定的项目，只要做相同工件、相同材料、相同规格的FSW焊的接头工艺性能试验，然后与MIG焊接头性能进行比较，得出FSW焊工艺性能评定。
2. 未做过MIG焊接头工艺性能评定的项目，则要同时做相同工件、相同材料、相同规格的MIG焊接头性能试验和FSW焊的接头工艺性能试验，然后两者接头性能进行比较，得出FSW焊工艺性能评定。
根据生产应用和技术需求综合考虑，确定本次采用对接接头进行焊接工艺评定。评定材料选用城轨车辆常用的5083， 6082及6005型材。试件尺寸均为365×150。其试件编号见表1。每组材料有6或10个试件，以保证能优化出搅拌摩擦焊焊接工艺参数。
每种材料均进行优化试验来确定焊接工艺参数。
用优化后的FSW参数进行试板焊接；然后做X－射线检验和着色检验、金相检验和力学性能试验。
表1 优化试验搅拌摩擦焊焊接试件编号
三、焊接工艺试验
1．将试件对接边边缘的毛刺及油污擦净，将试件在工作台上装夹好。两端必须夹紧，防止焊接时涨开。
2.先进行焊接工艺参数的优选，然后按照选定的工艺参数进行试件的焊接。优选后的试件编号见表2。
3.优化后的焊接工艺参数
搅拌摩擦焊焊接工艺参数有 ： （1）搅拌头的选择 （2）工艺参数的选择 1）搅拌头的旋转速度； 2）搅拌头的焊接速度； 3）轴肩的压紧力。
这些技术参数取决于焊接母材的材质、板厚，决定了焊接过程中搅拌头周围产生的热量，并且直接影响到焊缝的组织和性能。本试验优化后的焊接工艺参数见表3。
对以上试件分别取样进行了外观检验、无损探伤、力学性能试验和金相检验，试样编号见表4。外观检验、无损探伤检验结果见表5。宏观金相、拉伸、弯曲和冲击试验结果见表6。微观金相检验结果见。
表4 搅拌摩擦焊X检验、力学性能、金相、冲击检验编号表
微观金相检验结果见微观金相图（例举）。
08－33（×100） 左为母材右为焊缝
09－33（×100） 左为母材右为焊缝
27－33（×100） 左为母材右为焊缝
四、结论
（1）可以看出，5083δ＝3mm铝合金搅拌摩擦焊焊缝的抗拉强度接近或高于母材抗拉强
度 ，弯曲试验全部合格。微观金相检验结果发现焊缝内部没有任何缺陷。搅拌摩擦焊在5083铝合金焊接中优势非常明显。
（2）6082δ＝6mm、10mm铝合金的搅拌摩擦焊焊缝的抗拉强度低于母材的抗拉强度，高于MIG焊的抗拉强度。弯曲试验全部合格，且焊缝内部没有任何缺陷，证明搅拌摩擦焊优于MIG焊。
（3）6082+5083 δ＝6mm异种铝合金的搅拌摩擦焊焊缝的抗拉强度低于母材的抗拉强度，比MIG焊的抗拉强度高且稳定。弯曲试验全部合格，且焊缝内部没有任何缺陷，说明搅拌摩擦焊用于异种铝合金焊接是很有优势的。
（4）6005A型材的搅拌摩擦焊过程很顺利，焊缝表面成型良好，宏观金相检查内部组织无缺陷。
（5）从6082T6的搅拌摩擦焊试验过程可知，在对热处理强化铝合金实施搅拌摩擦焊时，其工艺参数非常关键，它对热输入的要求很严格。
（6）本次搅拌摩擦焊工艺评定中的部分结果与目前相关资料提供的结论尚有差距。我们很清楚，这是由我们对搅拌摩擦焊技术工艺的了解和研究的差距所造成的。这要求我们必须不断努力。
2011年，南车集团株洲电力机车有限公司已购进多台搅拌摩擦焊设备用于城规车辆的焊接。