高速列车侧墙结构搅拌摩擦焊接
如何减少铝合金焊接接头强度损失、如何缩小焊接填充量、如何提高焊接效率、如何获得更优良的焊接接头抗时效性是提高铝合金车辆发展的重要研究课题,国外主要从研究整体热时效方法和焊接手段来解决该问题,本处主要是从研究新型焊接方法的角度来思考该问题,铝合金车辆新型自动焊接方法主要有搅拌摩擦焊和激光MIG复合焊。
1、搅拌摩擦焊
(1)基本原理
搅拌摩擦焊是一种热-力锻造的固相连接方法。待焊工件被刚性固定在垫板上,搅拌头在焊缝处高速旋转,利用搅拌头的轴肩与工件的外摩擦和搅拌头与工件内摩擦热使接合面处产生金属热塑化并在其连续运动下形成连续固相焊缝。


搅拌摩擦焊和MIG焊车钩座焊接示意
◆焊接变形小,综合效率高
下图是两种焊接方法在同一工况下的变形比较,搅拌摩擦焊变形要远远小于MIG焊接。

◆焊缝与母材基本持平,打磨工作量小
下图为搅拌摩擦焊焊缝外观示意,平整的焊缝外观成型可以保证焊缝基本不用打磨处理,节约了焊缝处理时间。

搅拌摩擦焊外观状态示意图
◆焊缝静强度、耐疲劳性能、抗冲击性能获得提高,尤其薄壁结构性能改善更好
下图示意了焊接接头的冲击韧性比较,搅拌摩擦焊接头抗冲击性能最好,甚至比母材还耐冲击,根据试验研究,焊接接头的静强度性能、疲劳性能均比MIG焊获得大幅提高。

◆焊缝中不存在气孔、疏松,焊缝气密与水密性高
下图示意了搅拌摩擦焊和MIG焊的接头致密性比较,从图可以看出,搅拌摩擦焊接头致密性要好于MIG焊接头致密性。

搅拌摩擦焊和MIG焊的接头致密性示意
◆焊接作业清洁,对环境、人员没有危害,能耗低
搅拌摩擦焊过程类似机加工过程,没有焊接烟尘的产生和金属颜色的变化,而MIG焊接过程将伴随大量危害健康的烟尘产生,弧光对人的辐射作用也不可能完全避免,而搅拌摩擦焊接能量转换率高,属于低能耗、环保型焊接方法,是国际推广应用的方向。

焊接过程示意
(3)搅拌摩擦焊在国外铁路的应用情况
搅拌摩擦焊在日本日立、德国邦巴帝、法国ALSTOM等公司均有大量应用,法国ALSTOM还专门成立了一个焊接研究中心研究适合这种工艺方法的设计结构,研究各种规范条件下的力学性能,日立公司在该工艺的应用上走在世界同行的最前沿,用自反应搅拌摩擦焊改革了传统搅拌摩擦焊和MIG焊工艺完全不兼容的弊端,实现了MIG焊、激光MIG复合焊工装条件下的搅拌摩擦焊工艺应用,对该工艺在铁路行业的应用起到化时代的意义,将该工艺的推广应用变得简单化。

日立搅拌摩擦焊焊接车顶、侧墙工作示意

用搅拌摩擦焊接的侧墙、地板示意
(4)搅拌摩擦焊在车辆产品上的主要接头示意
搅拌摩擦焊接头设计主要采用三种方式,对于厚板对接,主要采用直角对接,两块板对接靠严后,直接进行焊接。

搅拌摩擦焊厚板焊接示意

搅拌摩擦焊车辆型材焊接接头设计方案示意

自反应搅拌摩擦焊接头示意

开式型材搅拌摩擦焊接接头示意

搅拌摩擦点焊接头示意

铝合金车辆端墙电阻点焊示意

