孫權(quán)智

中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司

攪拌摩擦焊的在軌道客車(chē)上的應(yīng)用及工藝特點(diǎn)

孫權(quán)智

中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司

隨著現(xiàn)代工業(yè)的蓬勃發(fā)展，能源緊缺、環(huán)境污染等問(wèn)題日益嚴(yán)峻。軌道客車(chē)行業(yè)已經(jīng)大量采用鋁合金車(chē)體結(jié)構(gòu)，有效解決輕量化及污染問(wèn)題。傳統(tǒng)的鋁合金焊接方法主要是TIG和MAG焊，其接頭強(qiáng)度低，還具有放射性。攪拌摩擦焊焊接溫度較低、缺陷少、無(wú)其他焊接耗材、污染小、更利于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接。攪拌摩擦焊以其優(yōu)異的環(huán)保及焊接能力，正在逐漸普及在鋁合金結(jié)構(gòu)的軌道客車(chē)焊接生產(chǎn)中。

攪拌摩擦焊；軌道客車(chē)；鋁合金材料

1 概述

1.1 鋁合金材料在軌道客車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用及其焊接性問(wèn)題

隨著現(xiàn)代軌道交通運(yùn)輸業(yè)的蓬勃發(fā)展以及能源緊缺、環(huán)境污染等問(wèn)題的日益加劇。高速動(dòng)車(chē)組的迅速發(fā)展，更加顯現(xiàn)出以鋼鐵為主要材料的軌道客車(chē)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿(mǎn)足不了社會(huì)及工業(yè)的要求，快速安全、節(jié)能環(huán)保是高速軌道客車(chē)行業(yè)追求的目標(biāo)。

鋁合金因其密度小、強(qiáng)度高、耐腐蝕、成型性能優(yōu)良、價(jià)格適中以及可實(shí)現(xiàn)型材的大型寬體化等特點(diǎn)，可以滿(mǎn)足列車(chē)車(chē)體的輕量化、密封性及可靠性等要求。而鋁合金要實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)制造中的廣泛應(yīng)用，首先要解決的就是焊接性問(wèn)題。鋁合金的焊接性問(wèn)題主要包括：氣孔、熱裂紋及接頭強(qiáng)度降低。此外，由于鋁的活性特點(diǎn)，極易在空氣中氧化，在表面形成氧化膜，氧化膜的熔點(diǎn)高于鋁材本身，因此鋁合金的焊接比較困難。

1.2 攪拌摩擦焊在鋁合金焊接中得到應(yīng)用

1991年，攪拌摩擦焊也稱(chēng)FSW(Friction Stir Welding)在美國(guó)焊接研究所研究成功，并迅速以其出色的環(huán)保及焊接能力，引起各工業(yè)領(lǐng)域的關(guān)注。由于FSW全過(guò)程都是在焊件的熔點(diǎn)以下完成的固相焊接，所以金屬材料沒(méi)有熔化，因焊接時(shí)焊接接頭收縮變形小、力學(xué)性能損失也明顯降低，因而與其他鋁合金焊接方法相比，F(xiàn)SW更適合鋁合金的焊接。攪拌頭對(duì)工件的機(jī)械攪拌以及軸肩的鍛壓作用，接頭會(huì)形成比母材更細(xì)小的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶組織，從而使焊縫的強(qiáng)度超過(guò)了母材的強(qiáng)度，此外它克服了以往熔焊中的諸如氣孔、裂紋、變形等缺點(diǎn)。

2 攪拌摩擦焊的焊接原理

攪拌摩擦焊通過(guò)攪拌頭軸肩和攪拌針與工件之間的摩擦、擠壓作用，產(chǎn)生足夠的摩擦熱以及塑性變形熱加上機(jī)械力將兩部分待焊工件連接起來(lái)的過(guò)程。通常分為四步：旋轉(zhuǎn)、插入、預(yù)熱以及移動(dòng)。FSW具有傳統(tǒng)的熔化焊無(wú)法相比的優(yōu)點(diǎn)，其具有焊縫晶粒組織細(xì)小，接頭強(qiáng)度優(yōu)良，焊接過(guò)程環(huán)保、節(jié)能、無(wú)弧光煙塵等污染、對(duì)操作工人身體無(wú)害，焊后工件殘余應(yīng)力小、板材變形小等優(yōu)點(diǎn)[1]。經(jīng)過(guò)二十多年的研究發(fā)展，攪拌摩擦焊已經(jīng)在飛機(jī)制造業(yè)、造船行業(yè)、汽車(chē)工業(yè)和軍事工業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。(圖1)

圖(1)

3 攪拌摩擦焊的優(yōu)勢(shì)及特點(diǎn)

3.1 攪拌摩擦焊的優(yōu)勢(shì)

目前，TIG和MAG焊是鋁合金焊接的主要方法，均采用氬氣作為保護(hù)氣體，通過(guò)陰極霧化作用破壞氧化膜從而完成焊接。弊端在于耗氬量大，并且具有放射性，對(duì)焊工身體會(huì)造成影響，接頭的強(qiáng)度也難以達(dá)到要求。

(1)攪拌摩擦焊是一種新型的固態(tài)塑化連接方法，比傳統(tǒng)焊接方法有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。由于產(chǎn)生的最高溫度較低，因此攪拌摩擦焊接避免了溶化焊接所帶來(lái)的缺陷；焊接后具有細(xì)化的鍛造組織， 接頭組織的晶粒細(xì)小、焊接性能良好。

(2)焊接后結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力或變形很小，而且焊接過(guò)程中也不需要其它焊接消耗材料，對(duì)環(huán)境的污染極小，無(wú)煙塵和飛濺，噪音很低；

(3)適合于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接。在對(duì)接接頭中，由于焊接方法的優(yōu)越性，攪拌摩擦焊對(duì)焊接接頭形狀、清潔度以及接頭裝配間隙均要求不太高；

(4)攪拌摩擦焊適于連接同質(zhì)或異質(zhì)的多種結(jié)構(gòu)材料，如：鋁、鎂、銅、鐵、鈦等多種合金材料和熱塑材料，尤其適于連接常規(guī)焊接工藝難以焊接的高強(qiáng)鋁合金、鋁鋰合金、 鈦合金等航宇材料的焊接。

3.2 攪拌摩擦焊的工藝特點(diǎn)

攪拌摩擦焊作為一種新型的焊接方式，其在工業(yè)中的應(yīng)用日趨普及，對(duì)其工藝特點(diǎn)及工藝參數(shù)的影響也有大量研究。如在攪拌摩擦焊時(shí)，焊接速度與熱輸入不呈線性關(guān)系，而是呈現(xiàn)復(fù)雜的形態(tài).當(dāng)焊接速度較小，塑性變形產(chǎn)熱可以忽略時(shí)，摩擦熱主要地位.這時(shí)隨焊接速度的增加，熱輸入減小，接頭性能下降.當(dāng)焊接速度較大，塑性變形產(chǎn)熱占主要地位時(shí)，隨焊接速度的增加，熱輸入增加，接頭性能上升.當(dāng)進(jìn)一步增加焊接速度，由塑性變形引起的產(chǎn)熱小于焊接速度增加造成的熱輸入減小，總的熱輸入減小，性能下降。當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度與焊接速度比值為定值時(shí)，接頭力學(xué)性能是變化的，并且不是線性的。由摩擦熱、塑性變形產(chǎn)熱綜合影響接頭的性能.摩擦熱是隨旋轉(zhuǎn)速度和焊接速度的絕對(duì)值的增加而增加，塑性變形熱是先下降后上升，總的趨勢(shì)是先下降，后上升。

4 攪拌摩擦焊在軌道客車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用

1998年，日本日立公司最早將FSW技術(shù)應(yīng)用于地鐵車(chē)體側(cè)墻，隨后該公司在地鐵、城軌動(dòng)車(chē)組及高鐵的車(chē)體上大量采用FSE技術(shù)，其使用部件從最初的側(cè)墻擴(kuò)展到車(chē)頂，接頭形式從單層單面到雙層雙面。目前日本企業(yè)已在車(chē)體總組焊工序中采用了FSW工藝，將側(cè)墻與車(chē)底焊為一體，保證了車(chē)體的美觀性，為鋁合金車(chē)體免涂裝打下了基礎(chǔ)。在歐洲，瑞典SAPA公司從1997年開(kāi)始向所有主要列車(chē)生產(chǎn)商提供FSW工藝的鋁合金擠壓型材焊接部件。

在國(guó)內(nèi)，2010年，株洲電力機(jī)車(chē)公司將代工的攪拌摩擦焊?jìng)?cè)墻板用于廣州地鐵3號(hào)線車(chē)體；青島四方股份公司將攪拌摩擦焊?jìng)?cè)墻板小范圍用于廣州地鐵5號(hào)線車(chē)體。2011年長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司制造出高速列車(chē)攪拌摩擦焊車(chē)體。以A型地鐵車(chē)體為例，地板、側(cè)墻、車(chē)頂、枕粱、端墻部件的長(zhǎng)直焊縫均為攪拌摩擦焊，站焊縫總長(zhǎng)度的60%以上。目前攪拌摩擦焊車(chē)體總組裝的焊縫，小件焊縫、曲面焊縫依然采用了電弧焊。如何在車(chē)體總組裝應(yīng)用攪拌摩擦焊尚屬世界難點(diǎn)，也是未來(lái)以中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司為代表的軌道客車(chē)制造企業(yè)的努力方向。

[1]李東輝. 高強(qiáng)鋁合金超聲輔助攪拌摩擦焊工藝與機(jī)理研究[D]. 長(zhǎng)沙院中南大學(xué)袁2008.