当下，在国内的航空航天、造船等行业，搅拌摩擦焊技术已获得了一定程度的运用，然而在轨道交通领域，铝合金搅拌摩擦焊工艺仍处于研究的初始阶段。2010 年，由我公司研制的广州地铁 3 号线城轨车辆车体，在国内首次运用了搅拌摩擦焊工艺，极大地拓展了轨道车辆的焊接技术（见图 1）。

在轨道车辆领域，铝合金挤压型材的电弧焊接连接方式，已成为制约列车轻量化发展的关键因素。而搅拌摩擦焊焊接接头的强度优于 MIG 焊接接头，并且缺陷率低、制造成本低。在轨道车辆的制造中采用 FSW 技术，将会成为主流趋势。FSW 技术推广较快，但工程化应用的时间不长，所以提升 FSW 制造工艺水平具有极其重要的作用。本文以轨道车辆中空铝型材 6005A 焊接为例，对 FSW 制造工艺展开分析。

6005A 铝型材 FSW 工艺特点

FSW 是一种全新的焊接工艺，和普通熔化焊相比，这是一种固态塑性连接工艺。其高速旋转的搅拌头产生摩擦热，使金属达到塑性熔融状态从而形成焊缝的连接过程。FSW 焊接原理如图 2 所示。

FSW 工艺在轨道车辆工程应用的过程中，产品大多为平板式结构。我公司 6005A 铝型材焊接过程采用北京赛福斯特公司提供的压力感应式 FSW 设备（见图 3）。

6005A 铝合金接头的设计特点为中空闭式铝合金挤压型材拼接，对于搭接结构设计，如图 4 所示，在轨道车辆平板部件中应用 FSW 工艺，多数采用此结构方案。首先，这种铝合金中空型材结构为平面对接式，便于 FSW 工艺的实施，对设备的要求程度较低。其次，FSW 也是一种带压力焊接的工艺，因此其中空型材支撑稳定，设计简单的搅拌头就能够实现高质量的焊接，避免产生内部缺陷。

6005A 铝型材 FSW 制造中的影响因素

（1）铝型材母材力学性能 6005A 铝型材在 FSW 制造中会受到母材自身强度的影响。尽管材料公差尺寸、合金成分、抗拉强度、硬度符合相关标准要求，但不同厂家提供的型材在抗拉强度、硬度上存在偏差。在相同焊接参数条件下，会有如下表现：①偏软的中空铝型材会导致 FSW 焊接过程中产生严重飞边。②焊接过程中设备设定的波动参数变化异常。③焊缝内部容易产生缺陷。因此，母材本身良好的力学性能是 FSW 工艺制造批量化的前提。

（2）焊接参数 FSW 在实现焊接的过程中，形成热输入量，使金属熔化。热输入量受到搅拌头转速、焊接速度（机床进给速度）的影响，加大转速或降低焊接速度可加大热输入量，反之则减少。在兼顾生产效率和机床主轴承受能力的情况下，采用不同参数组合进行对比试验，从试验结果中得出较优焊接参数。

（3）搅拌针 FSW 制造过程中，扎入工件的部分即为搅拌针。焊接过程中，使用的焊接搅拌头对焊接质量也有较大影响。在某次工艺验证过程中，共采用了两种搅拌针长度的搅拌头对产品进行验证，在其他焊接条件相同的情况下，装配针长度 4.1mm 和 3.8mm，得出两种不同焊接截面的宏观质量。另外，搅拌针外形同样影响产品质量，搅拌针在使用过程中，存在磨损现象，磨损到一定程度也会对焊接质量产生影响。

（4）轴向压力 6005A 铝型材在 FSW 制造中，轴向压力是一个动态参数，实际操作过程中，会根据压入量的深浅与飞边的状况进行实时调整，实际的参数值与初始设定值会有很大差别。在试验过程中，设定值一般为 4.5 - 5KN 之间，但实际操作这一参数主要还是受到压入深度的影响，只能推荐最适合值，不能确定准确值。

6005A 铝合金 FSW 焊接与返修措施

（1）6005A 铝合金 FSW 焊接 在我公司轨道车辆铝合金 6005A 挤压中空型材采用 FSW 工艺，板厚可涵盖 2.5 - 20mm，其中在薄板 2.5 - 4.5mm 型材拼接制造中，其工艺控制措施已相当成熟。图 5 为我公司在型材板厚为 3.0mm 的 FSW 焊接。

针对 2.5 - 4.5mm 壁厚中空挤压型材，其工艺重点控制措施：①严格控制型材来料，拼装时保证型材与型材搭接以及对接部分贴紧。实际 6005A 铝型材产品拼装时容易产生间隙，易导致焊接过程中形成缺陷，焊接前间隙总量推荐不超过 0.4mm。②6005A 铝型材在生产前，采用了多种焊接参数进行试验，例如对焊接转速、焊接速度的调整，产品在批量化生产前工艺参数应是最稳定的。③工装的夹紧要好，焊接时焊缝两侧形成固定压紧，如图 5 中焊缝两侧存在压紧装置，实际生产过程中，由于 FSW 焊接过程中存在轴向力，工装夹紧会减少焊缝两侧的变形量，产品试验证明，工装夹持效果越好，对 FSW 焊接质量稳定性越好。因此，良好的工艺控制措施是保证 FSW 质量的基础。

（2）6005A 铝合金 FSW 焊缝返修 目前国内轨道车辆领域，对 6005A 铝合金 FSW 焊缝返修技术的研究极少，现阶段在返修技术上可以有两种工艺实现措施：①采用合理的焊接参数进行 FSW 再次搅拌。②针对铝合金材料特征，采用成熟的弧焊工艺进行补焊。采用 FSW 对问题 FSW 焊缝进行返修，需要针对产品的特征以及应用状态进行测试，而采用弧焊工艺补焊在相关试验中证明是可行的，因此 FSW 技术在 6005A 铝型材工程化中，相应返修技术还有待完善。

结语

在轨道车辆领域，铝合金 6005A 中空挤压型材应用 FSW 技术尚处于起步阶段，要确保轨道车辆铝合金 FSW 制造质量，还需要进一步完善产品制造过程中的工艺，加强过程控制研究，比如铝合金部件的焊前装配、焊接参数验证、工装调整、焊后矫形以及缺陷的处理等。

综上所述，搅拌摩擦焊在轨道交通领域中铝合金 中空挤压型材应用的现状、工艺特点、制造影响因素、焊接与返修措施。尽管目前该技术在轨道车辆领域仍处于起步阶段，但通过对其工艺的深入研究和不断改进，有望在未来实现更广泛且高质量的应用，为轨道车辆的轻量化和高性能发展提供有力支持。