搅拌摩擦焊在轨道交通领域的应用现状与发展前景.pdf

2024年 第1期 热加工1有色金属焊接专题Nonferrous Metal Welding Topic搅拌摩擦焊在轨道交通领域的应用现状与发展前景翟明1，宋宏图1，石磊2，任金雷1，李政1，石孟雷11.中国铁道科学研究院集团有限公司金属及化学研究所 北京 1000812.山东大学材料液固结构演变与加工教育部重点实验室 山东济南 250061摘要：从搅拌头几何特征对焊接过程的影响、动车组车体部件的搅拌摩擦焊与钢轨的搅拌摩擦焊3方面总结了搅拌摩擦焊技术在轨道交通领域的应用现状与发展前景。在搅拌摩擦焊过程中，搅拌头几何特征会影响焊接产热与材料流动，进而影响接头性能。因此，应合理设计搅拌头的轴肩形状与尺寸、搅拌针形状与尺寸及搅拌针螺纹。目前，动车组车体部件主要材质为铝合金，其搅拌摩擦焊工艺已较成熟。随着交通运载装备制造领域对轻量化的需求进一步增大，部分车体部件中开始采用镁合金，其搅拌摩擦焊是未来的研究方向。其中，铝-镁异质合金中对于IMCs的调控是研究重点。在钢轨搅拌摩擦焊方面，采用低转速与低焊接速度的方式，可以抑制马氏体组织形成，满足中国铁道行业标准的要求。在此基础上提升焊接效率，是未来研究的关键。关键词：搅拌摩擦焊；铝合金；镁合金；钢轨钢The application and development of friction stir welding in rail transit fieldZHAI Ming1,SONG Hongtu1,SHI Lei2,REN Jinlei1,LI Zheng1,SHI Menglei11.Metals and Chemistry Research Institute,China Academy of Railway Sciences Co.Ltd.,Beijing 100081,China2.MOE Key Lab for Liquid-Solid Structure Evolution and Materials Processing,Shandong University,Jinan 250061,Shandong,ChinaAbstract:In this paper,the application and development of friction stir welding（FSW）in rail transit field are comprehensively reviewed from three aspects.Including the influence of tool geometry on welding process,FSW of multiple-unit train body parts and FSW of rail steel.The tool geometry can affect the heat generation and materials flow in FSW process,and subsequently affect the joint quality.Therefore,it is imperative to reasonably design the shape and size of the shoulder and pin,and the thread of the pin.At present,aluminum（Al）alloy is the predominant material used in multi-unit train body parts,and its FSW technique has been widely applied.With the increasing demand for lightweight in the field of vehicle manufacturing,magnesium（Mg）alloy is beginning to be used in some multiple-unit train body parts,which results in the FSW of Mg alloy become the future research aspect.Whats more,the control mechanism of intermetallic compounds（IMCs）in Al/Mg dissimilar alloys is critical challenge.In the FSW of rail steel,the formation of martensite can be suppressed by adopting low rotating rate and welding speed.Which can meet the requirements of China railway industrial standard.In the future,it still need improve the welding efficiency.Keywords:friction stir welding；aluminum alloy；magnesium alloy；rail steel基金项目：国家重点研发计划（2021YFB2601000）；国铁集团科技研究开发计划（J2021G10）。第一作者/通信作者：翟明，助理研究员，主要从事搅拌摩擦焊接与加工、激光增材制造、钢轨铝热焊接研究工作，E-mail：。2024年 第1期 热加工2有色金属焊接专题Nonferrous Metal Welding Topic1 序言铁路作为国家重要基础设施，其中动车组车体部件及钢轨的良好焊接是保障平稳运行的关键。目前，动车组车体部件是以铝合金为代表的轻质合金，主要采用非熔化极惰性气体保护焊和熔化极惰性气体保护焊的方式进行焊接制造。由于轻质合金等具有低熔点、高线胀系数和高热导率的特点，因此当采用熔焊方式进行焊接时容易产生夹杂和气孔等缺陷，并伴有晶粒粗大、热裂纹、焊接变形等问题1。目前，钢轨作为一种高碳钢，主要采用铝热焊2、闪光焊3，4、气压焊5、窄间隙电弧焊6，7等方式进行焊接。但是，由于这些工艺过程中都存在材料的熔化和凝固，因此会产生较高的残余应力，增大生成裂纹的倾向。搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding，FSW）作为一种低热输入的固相连接工艺，可以解决熔焊的不足，并且形成的接头抗拉强度高，制造过程绿色环保，在轨道交通领域具有巨大的应用前景8，9。其中，搅拌头作为焊接的重要工具，其几何特征会影响到焊接产热与材料流动，进而影响动车组车体部件和钢轨搅拌摩擦焊的接头性能。因此，本文主要从搅拌头几何特征、动车组车体部件搅拌摩擦焊、钢轨搅拌摩擦焊3方面，介绍搅拌摩擦焊在轨道交通领域的应用现状和发展前景。2 搅拌头几何特征在搅拌摩擦焊中，搅拌头是重要的加工工具，由轴肩和搅拌针两部分组成。在搅拌头的驱动作用下，搅拌头前方（Leading Side，LS）的工件材料迁移至搅拌头后方（Trailing Side，TS）形成焊接接头。在焊接过程中，搅拌头转速切向方向与焊接速度方向相同的一侧为焊缝前进侧（Advancing Side，AS），相反的一侧为焊缝后退侧（Retreating Side，RS），如图1所示。其中，搅拌头的轴肩形状与尺寸10-12、搅拌针形状与尺寸13-16及搅拌针螺纹17-20等几何特征对接头成形成性起着重要的作用。ELANGOVAN等16发现，当轴肩直径约为搅拌针直径3倍时，焊缝性能较为良好。ARORA等21通过数值建模计算了可以形成最佳接头强度的轴肩直径。SHI等11建立了最佳轴肩直径与工艺参数之间的关系，认为最佳轴肩直径随搅拌头转速的增加而减小，随焊接速度的增加而增加，如图2所示。a）搅拌头转速b）焊接速度图2 轴肩直径与工艺参数的关系11GADAKH等13探究了搅拌针截面形状分别为三角形、四边形、五边形和六边形时焊接热输入的区别。MEHTA等14发现，焊接峰值温度随搅拌针截面形状边数增加而增加，最大剪切应力随搅拌针截面形状边数增加而减小。SU等15研究了搅拌针形状对于搅拌摩擦焊的产热和材料流动的影响，认为带有平面的搅拌针与圆锥形搅拌针相比，有效地促进图1 搅拌摩擦焊过程示意2024年 第1期 热加工3有色金属焊接专题Nonferrous Metal Welding Topic了材料流动，扩大了塑性变形区的范围，如图3所示。RABBY等20采用带有04个平面的搅拌针进行对比试验，发现带平面的搅拌针可以获得更好的焊接质量，带有3个平面的搅拌针能产生无缺陷的 焊缝。a）圆锥形搅拌针b）带有3个平面的搅拌针图3 搅拌针截面形状对材料流动的影响15YU等17发现，搅拌针侧面的螺纹会影响搅拌区内的温度、材料流速和应变率。SUN18等认为，螺纹的存在使材料流动及产热都得到了明显的提升，如图4所示。由此可看出，搅拌头的几何特征会影响产热传热与材料流动行为，进而影响接头成形性。因此，搅拌摩擦焊应用于轨道交通领域时，应根据材质、工件尺寸、接头形式等合理设计搅拌头的几何特征。3 动车组车体部件的搅拌摩擦焊近年来，搅拌摩擦焊技术的发展使其逐渐成为动车组车体部件焊接的先进技术22。3.1 铝合金搅拌摩擦焊目前，铝合金是动车组轻量化的首选材质。在复兴号动车组上，为了进一步节能降碳，座椅底架中间挡板已由碳素钢改为铝合金。王忠旭23研究了动车组车体用6005A-T6铝合金型材在搅拌摩擦焊后的残余应力与变形，制定了焊缝的焊接顺序。冯浩8在壁厚4mm的6005A-T6铝合金型材中研究了对接形式下双轴肩搅拌摩擦焊工艺、接头组织和性能，在16mm的厚壁型材中研究了对搭接形式下单轴肩搅拌摩擦焊工艺、接头组织和性能，为促进搅拌摩擦焊在车体制造中的应用和b）搅拌针模型a）搅拌针螺纹位置对产热的影响图4 搅拌针螺纹对产热的影响18注：U为焊接速度，w为转速，a为搅拌针与焊接方向夹角。2024年 第1期 热加工4有色金属焊接专题Nonferrous Metal Welding Topic焊接质量的提高提供了研究基础。张欣盟等24分析了6005A-T6铝合金型材双轴肩搅拌摩擦焊接头的疲劳性能，断裂发生在前进侧热影响区，发现断口呈现出疲劳断裂特征，如图5所示。a）疲劳试样断裂路径 b）左侧低倍 c）右侧低倍 d）A区低倍 e）A区局部高倍f）B区 g）C区图5 铝合金搅拌摩擦焊接头试样断裂路径及断口形貌24由此可见，当采用铝合金作为动车组车体部件时，搅拌摩擦焊技术的应用已经较为成熟。3.2 镁合金搅拌摩擦焊随着“双碳”目标的提出，交通运载装备制造领域对于轻量化的需求进一步增大。镁合金的强度与铝合金接近，但是密度仅约为铝合金的2/3，可以进一步实现节能降耗。在复兴号动车组上，行李架后墙型材、下挂板和后型材由铝合金更改为镁合金，可进一步降低车身重量。部分研究者针对镁合金的搅拌摩擦焊过程开展了研究工作。BRUNI等25研究了转速与焊接速度的比值对AZ31镁合金搅拌摩擦焊接头力学性能的影响，发现随着比值的增加，力学性能先提升后降低。WANG等26探究了转速对AZ31镁合金搅拌摩擦焊温度与接头性能的影响，发现峰值温度随转速的增加而增加（见图6），在1200r/min的中等转速条件下可获得性能较好的接头。梁洪嘉9对动车组车身用AZ31与AZ91镁合金型材分别开展了搅拌摩擦焊工艺试验，探究了固溶时效处理对接头性能的影响，并确定了焊接参数。图6 镁合金搅拌摩擦焊转速与峰值温度的关系26目前，在动车组车体上，镁合金搅拌摩擦焊尚未得到广泛应用，因此是下一步的研究目标与方向。3.3 铝-镁异质合金搅拌摩擦焊铝-镁异质合金的焊接可以充分利用两种金属的优势，将各自劣势降到最低，逐渐成为研究者关注的重点之一。但是，铝-镁异质合金焊接会产生金属间化合物（Intermetallic Compounds，IMCs），影响接头的性能。因此，如何调控IMCs是异质材料连接过程中的关键问题。在铝-镁异质合金对接焊中，LV等27发现，焊缝中上部界面处IMCs为双层结构，由Al3Mg2和Al12Mg17组成；焊缝中下部界面处IMCs为单层结构，为Al3Mg2。KUMAR 等28的试验结果表明，焊缝上部界面处IMCs 的厚度最大。付邦龙等29发现，界面处双层IMCs由靠近铝合金一侧的Al3Mg2和靠近镁合金一侧的Al12Mg17组成（见图7a）；选择合适的工艺参数以获得适当的热输入与铝-镁混合状态，有助于提高接头强度（见图7b）。对于铝-镁异质合金搭接焊过程，IMCs的生成方式与对接焊时存在区别。在对接焊时，IMCs的生成主要是原子固态扩散方式30-33。而搭接焊中，搅拌头轴肩接触的主要是上板材料，相比对接焊温度更高、材料流动更剧烈，这导致铝-镁混合区的温度可能会超过铝-镁共晶温度，从而产生局部液化行为34-36。铝板与镁板的搭接形式及搅拌针的长度，同样也会影响到IMCs形成，影响接头性能37。因此，在铝-镁异质材料的搅拌摩擦焊中，如何调控IMCs的生成与长大，是未来面向实际工程应用的研究重点。2024年 第1期 热加工5有色金属焊接专题Nonferrous Metal Welding Topic4 钢轨的搅拌摩擦焊在钢的搅拌摩擦焊时，由于钢材的硬度较高，因此需要采用特制的搅拌头。GAN等38通过对钢搅拌摩擦焊过程中搅拌头变形进行数值模拟，认为钨-稀土合金材质适合于制作钢搅拌摩擦焊的搅拌头。钢轨材质是一种高碳钢，其焊接难度较大。有部分研究者针对高碳钢进行了搅拌摩擦加工方面的研究工作。COSTA等39对D2高碳工具钢进行搅拌摩擦加工，发现铁素体、碳化物的细化，以及马氏体组织的形成导致改性层的硬度达到基体的24倍。NAGAOKA等40对激光修复D2高碳工具钢层进行搅拌摩擦加工，可产生均匀分布的细小碳化物颗粒，并增加了马氏体的含量，从而提升修复层的硬度。在钢轨焊接时，中国铁道行业标准规定焊缝和母材中不允许出现马氏体组织41。CUI等42在没有任何预处理或后热处理的情况下获得了不包含马氏体组织的S70C钢搅拌摩擦焊接头，如图8所示。主要是通过采用低转速与低焊接速度，将峰值温度降低至奥氏体相变温度以下，并使冷却速率低于下临界冷却速率。虽然搅拌摩擦焊可以实现钢轨的焊接，但是低转速和低焊接速度也使得焊接效率较低。因此，如何在抑制马氏体组织生成的前提下，提升焊接效率，是促进其工程应用的重点研究内容。a）200r/min、25mm/min b）200r/min、400mm/min c）400r/min、25mm/min d）400r/min、100mm/min e）400r/min、400mm/min f）800r/min、400mm/min图8 不同工艺条件下搅拌摩擦焊接头搅拌区微观组织425 结束语本文从搅拌头几何特征对焊接过程的影响、动车组车体部件搅拌摩擦焊与钢轨搅拌摩擦焊3方面，总结了搅拌摩擦焊技术在轨道交通领域的应用现状与发展前景，结论如下。1）在焊接过程中，应合理地选择搅拌头的轴肩形状与尺寸、搅拌针形状与尺寸及搅拌针螺纹，否则会影响焊接产热与材料流动，进而影响动车组车体部件和钢轨搅拌摩擦焊的接头性能。2）目前，动车组车体部件主要材质为铝合金，其搅拌摩擦焊工艺已较为成熟。随着交通运载装备制造领域对于轻量化的需求进一步增大，部分车体部件中开始采用镁合金，其搅拌摩擦焊是未来的研究方向。其中，铝-镁异质合金搅拌摩擦焊是研究重点之一，如何调控IMCs的生成与长大是学者们关注的问题。a）IMCs点扫描结果b）接头抗拉强度图7 铝-镁异质合金搅拌摩擦焊292024年 第1期 热加工6有色金属焊接专题Nonferrous Metal Welding Topic3）在钢轨搅拌摩擦焊方面，由于中国铁道行业标准规定钢轨焊缝与母材中不能出现马氏体组织，因此，可以在焊接时采用低转速与低焊接速度的方式，将峰值温度降低至奥氏体相变温度以下，并使冷却速率低于下临界冷却速率，抑制马氏体组织的形成。因此，如何提升焊接效率，是未来研究的关键。参考文献：1 马宗义，乔商，倪丁瑞，等.镁合金搅拌摩擦焊接的研究现状与展望J.金属学报，2018，54（11）：1597-1617.2 宋宏图，王亮明，贾运满，等.正火热处理对高速铁路辙叉铝热焊接头性能的影响J.热加工工艺，2012，41（10）：172-174，188.3 俞喆，蒋明，张倩，等.U71Mn钢轨闪光焊接头马氏体组织成因及处理措施J.金属热处理，2023，48（6）：270-277.4 王秀菊，李琪.有轨电车合金钢道岔与钢轨闪光焊接技术J.金属加工（热加工），2022（12）：57-59.5 廖马宏.重载用高耐磨、高强韧过共析钢轨气压焊工艺研究D.成都：西南交通大学，2021.6 宋宏图，李力，丁韦，等.钢轨自保护药芯焊丝自动窄间隙电弧焊工艺及装备研究J.电焊机，2011，41（3）：91-94.7 季伟瀚.全自动钢轨窄间隙电弧焊接机J.金属加工（热加工），2011（14）：11，14.8 冯浩.标准动车组用铝合金型材搅拌摩擦焊工艺、组织和性能研究D.太原：太原理工大学，2021.9 梁洪嘉.高铁车身用镁合金型材的制备及其搅拌摩擦焊工艺研究D.沈阳：沈阳工业大学，2022.10 VILLEGAS J F，GUARIN A M，SILGADO J U.A coupled rigid-viscoplastic numerical modeling for evaluating effects of shoulder geometry on friction stir-welded aluminum alloysJ.International Journal of Engineering，2019，32（2）：313-321.11 SHI L，WU C S，FU L.Effects of tool shoulder size on the thermal process and material flow 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