铝合金搅拌磨擦焊焊接接头设计
滕华新 于百川 赵春道等
摘 要：结合轨道行业铝合金材料的应用现状，对搅拌磨擦焊（FSW）的应用从焊接设计方面做了探讨分析，包括焊接接头形式、焊缝标注、焊缝强度、焊缝质量要求等，在进行焊接结构设计时应注意的事项及在图纸或件中应给出的技术要求信息。本文将FSW与MIG焊进行了对比，FSW焊接接头不需开坡口，不需焊接填充材料，焊缝强度更高，焊缝缺欠形式不同。
关键词：搅拌磨擦焊;轨道;焊接接头;铝合金
铝合金材料由于重量轻、比强度高、易挤压成形等优点，在轨道交通领域应用广泛，应用方式主要为板材和挤压型材，传统的焊接工艺主要采用MIG焊，此外TIG焊和电阻焊等也有应用。
FSW是新兴的焊接工艺，与传统熔化焊相比，焊接过程不需填丝和保护气，焊接热输入少、焊后变形小，熔融态的连接过程也解决了焊缝气孔、热裂纹等常见问题，并且目前一些研究也表明FSW焊接接头力学性能优于熔化焊接头，因此FSW在高速列车设计制造中得到广泛关注。
目前国内各主机厂都已开始采用FSW，在标准动车组上也得到应用，主要用于铝合金车体长大型材、车钩板、枕梁、设备箱壳体等的连接，但在实际应用过程中面临相关标准的欠缺或标准内容不完善等问题。FSW焊接接头设计主要包括接头类型、焊缝标注、焊缝强度、焊缝质量要求四个方面，下面将分别介绍其注意事项。
1 焊接接头类型
轨道行业铝合金结构焊接接头设计主要依据标准EN15085-3附录B和ISO9692-3，但其不适用于FSW。在标准ISO25239-2中，对FSW接头设计的基本形式仅给出了示意图。
FSW与MIG焊的工艺过程不同，施焊示意图如下。
下面对目前主要应用的几种接头形式，对比FSW和MIG焊接头形式的差异，尤其是铝型材需提前考虑挤压模具的可行性，在结构设计时需提前考虑。
1.1 板材连接、对接接头
为保证焊缝熔透，MIG焊需根据板材厚度不同采用不同的坡口形式，在焊接接头处需要加工出倒角;FSW不需要坡口倒角，与MIG焊相比坡口形式明显不同。
1.2 铝型材，单侧焊
FSW单侧焊在接头背面需要支撑来托住下压的搅拌头，这对铝型材焊接连接设计影响很大。MIG焊为保证焊缝背面成形，接头背部也需要支撑来托住熔池，但因为两种支撑的作用不同，其样式也不同。
1.3 铝型材，双侧焊
FSW双侧焊时背部不需额外支撑，有利于减重，对承受疲劳载荷是也有利的，并且工装夹具相对简单，给生产施工带来便利，较薄板应优先选用这种接头形式。铝型材MIG焊只能采用单侧焊。
1.4 搭接焊
因为FSW搅拌工具台肩的需要，可能导致搭接量增加，但FSW不需填加焊丝，是否会导致结构重量增加，需综合考虑。
1.4.1铝型材
1.4.2板材
2 焊缝强度
为保证焊接结构应用的安全可靠，须对焊缝连接强度进行校核，主要通过有限元分析来得出计算应力与许用应力的比值，用于指导设计，但在目前的铝结构设计或计算标准中都不包括FSW接头的静强度和疲劳强度许用值。
与MIG焊等熔化焊相比，FSW焊接热输入低，对热处理强化铝合金的影响小;FSW焊缝是塑性流动挤压形成的致密锻造组织，优于熔化焊缝的铸态组织，这减少了缺陷的产生，有利于FSW焊后的性能。
2.1 FSW焊缝强度
目前很多科研院所和主机厂都做了疲劳试验，已公开的疲劳试验数据也表明FSW的接头力学性能比熔化焊好，疲劳强度高。文献2对6005A铝板FSW得出的实验结果，其中疲劳试验方式为，轴向载荷、最大应力循环次数1X107、存活率97.5%。屈服强度Rp0.2=187MPa，抗拉强度255MPa，疲劳强度R=-1时疲劳值56MPa，远高于MIG焊接头的36MPa。
2.2 铝型材焊接接头强度补偿
目前轨道行业大量采用热处理强化型合金6005A-T6，熔化焊热输入会破坏热处理强化的效果，导致6005A-T6焊后屈服强度仅为焊前的50%多一些，因此铝型材断面设计时通常增加焊接接头附近母材厚度来补偿这种损失，因为FSW焊缝强度高，可减少增加母材厚度的比例，甚至不需要增加母材厚度，这有利于高速列车的轻量化。
2.3 焊接前进侧与后退侧性能差异
因为FSW过程中搅拌磨擦的影响，搅拌头前进侧和后退侧也即焊缝两侧的性能有差异，对同种材料焊缝拉力试验结果表明，断裂部位更多的出现在后退侧。为充分利用材料性能，必要时可在图纸中标明焊接方向。
对不同种材料，需考虑材料融合性，如文献3中6082和5083焊接，当6082材料位于前进侧时，接头抗拉强度相对于其位于后退侧时可提高10%，并且有利于弯曲韧性的提高。5083和6N01焊接，5083 置于前进侧时焊接工艺范围较广;将6N01置于前进侧时较难融合到5083中，焊缝成形困难。
材料热处理方式不同，焊接前进侧与后退侧的性能也不同，文献3中，焊接T4与T5状态的7N01，将7N01-T5 置于前进侧时材料融合性提高，接头冲击韧性比其置于后退侧提高约13%。
3 焊缝质量要求
焊缝质量状态与焊缝强度密切相关，因此在设计图纸中除注明焊缝类型、接头尺寸外，对焊缝的缺欠等级、表面处理要求、热处理要求和检验要求等都应给出详细描述。
ISO25239-5附录A对常见的缺欠给出了要求，目前FSW的检验方式，外观质量主要采用目视检查和着色渗透检验，内部质量采用射线或超声波检验。对于危害较大的焊缝根部弱连接，必要时可采用相控阵超声波与着色渗透检验配合进行。
焊态下FSW表面由于焊接工具肩部挤压时可形成微小凸棱和旋转加工痕迹，这往往是疲劳裂纹产生的源头，必要时可在图纸中要求去除弧纹痕迹。表面处理过的接头性能比焊态下明显提高，文献1中，表面抛光后的试样与原始焊态试样相比，疲劳强度最大可提高31%。
4 结束语
与MIG相比，FSW焊接接头不需开坡口，节约了加工坡口的工时;不需焊接填充材料，节约了焊接成本;焊缝强度更高，但焊缝两侧性能稍有差异;焊缝缺欠形式不同，质量要求不同。
目前常用的焊接标准普遍不包括FSW，针对FSW编制的ISO25239-2011系列标准的内容还不够细致，还需要行业内的技术人员付出更多努力来完善，在目前相关标准不完善的情况下可编制并执行企业内部规范。目前随着FSW应用的增多，国内外对FSW的研究也在拓宽和加深，国内航天行业FSW标准在2011年就已发布，国家FSW标准GB/T34630也在2017年9月发布。本文结合轨道行业铝产品的特点从FSW焊接结构设计角度介绍了一些需关注的问题，并与MIG焊进行比较，在设计时可作为参考。
参考文献：
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作者简介：滕华新（1978-），男，山東青岛人，学士，工程师，研究方向：焊接结构设计和制造。
