■ 吳興歡，彭勇軍

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攪拌摩擦焊是利用攪拌摩擦熱作為焊接熱源，它是由一個(gè)帶有攪拌針和軸肩的特殊形式的攪拌頭通過摩擦迅速升溫將母材軟化變成熱塑性金屬層，當(dāng)攪拌頭沿著接合焊縫運(yùn)行時(shí)使其前方的熱塑性金屬不斷流向其后方，并通過相互擴(kuò)散與再結(jié)晶使接合材料以固相形式進(jìn)行永久接合的一種焊接方法。國內(nèi)在航空航天、造船以及軌道交通等行業(yè)，攪拌摩擦焊技術(shù)已得到一定的應(yīng)用，但在軌道交通領(lǐng)域，鋁合金攪拌摩擦焊技術(shù)尚處于研究起步階段。

攪拌摩擦焊是公司近年引進(jìn)的一種新型焊接方法，由于技術(shù)及工藝的不成熟，在前期的試制過程中，出現(xiàn)較多的質(zhì)量問題，導(dǎo)致產(chǎn)品不合格主要原因?yàn)楹缚p起、收弧端存在隧道缺陷，如圖1所示。根據(jù)質(zhì)量體系要求該缺陷在焊接產(chǎn)品中不允許出現(xiàn)，同時(shí)嚴(yán)重影響生產(chǎn)進(jìn)程。

1. 隧道缺陷產(chǎn)生原因

（1）型材來料 型材裝配后，凹凸配合存在高低差、直線度超差，裝配間隙允許最大值為0.4mm。由于側(cè)墻板正面攪拌頭加壓焊接時(shí)造成焊縫間隙不斷增大，當(dāng)間隙＞0.4mm，造成焊縫沒有充足母材填充，易導(dǎo)致焊縫起、收弧端產(chǎn)生隧道缺陷。

（2）裝配或焊接間隙過大 側(cè)墻板焊接裝配直接在工裝上進(jìn)行，且裝配要求很高，工藝要求其裝配間隙控制在0.4mm（正反面之和）以內(nèi)。當(dāng)裝配間隙過大，攪拌頭在進(jìn)行攪拌時(shí)無法將母材填充到攪拌頭直徑兩側(cè)，易產(chǎn)生不同程度的隧道缺陷。

（3）工裝原因 側(cè)墻板焊接正反采用手動壓臂工裝壓緊，反面剛性支撐，保證焊接過程中工件受壓變形。由于側(cè)墻板裝配在工裝上后，背面條形工裝剛性不足，同時(shí)手動壓臂壓緊力不夠，致使工件無法工裝貼緊，焊接后焊縫易產(chǎn)生隧道缺陷。

（4）攪拌頭選擇不當(dāng) 焊接過程中，若選擇的攪拌頭直徑過大，造成焊縫斷面增大，焊縫熱影響區(qū)變寬，焊接時(shí)向前推進(jìn)的阻力增加；攪拌頭直徑過小，摩擦?xí)r產(chǎn)生的熱量不足，焊接時(shí)流動性變差，向前移動時(shí)對側(cè)邊的擠壓力減小。選擇的攪拌針的長度過長或過短，同樣易造成焊縫產(chǎn)生隧道等缺陷。

圖1 側(cè)墻板焊接時(shí)出現(xiàn)的焊道缺陷

2. 隧道缺陷改進(jìn)措施

（1）型材裝配點(diǎn)焊 采用裝配工裝及工作平臺對側(cè)墻板進(jìn)行裝配，同時(shí)采用拉緊帶對側(cè)墻型材進(jìn)行緊固，保證正反兩個(gè)面凹凸配合后內(nèi)間隙控制在最低值，再對焊縫起收弧端進(jìn)行點(diǎn)焊固定。側(cè)墻板點(diǎn)焊后，由于兩端面被定位焊固定，當(dāng)攪拌頭扎入型材焊接時(shí)焊縫間隙不易張開，有效確保所有母料全部填入焊縫內(nèi)，不會因產(chǎn)生飛邊的原因而造成母料流失，從而可解決焊縫隧道缺陷的產(chǎn)生。

（2）側(cè)墻吊裝緊固 檢查各工裝能否正常工作后，在側(cè)墻板吊入工裝前，檢查工裝表面是否有焊渣、飛邊等雜物。使用手動壓臂將側(cè)墻板壓緊與工裝貼緊，檢查側(cè)墻板反面與背面工裝必須貼緊，無間隙。

（3）選擇合理的攪拌頭規(guī)格 根據(jù)焊接材質(zhì)選擇適用于10mm以下厚度的6XXX系列中空擠壓型材的攪拌頭。經(jīng)試驗(yàn)研究表明，對接板焊接攪拌頭、針長度的選擇一般為板厚的0.9～1.1倍，能獲得良好的焊縫接頭，攪拌頭肩部的直徑與攪拌針直徑之比為3:1，在適當(dāng)?shù)墓に嚄l件下能夠獲得高質(zhì)量的焊縫。當(dāng)攪拌針磨損量達(dá)到0.2mm，或焊接焊縫長度達(dá)到1500000mm，當(dāng)攪拌針螺紋出現(xiàn)磨損以及軸肩紋路出現(xiàn)缺口的情況下，攪拌頭應(yīng)報(bào)廢。

（4）選擇合理焊接參數(shù) 攪拌摩擦焊參數(shù)主要有攪拌頭的傾角、轉(zhuǎn)速、焊接深度、焊接速度以及焊接壓力。攪拌摩擦焊的工藝參數(shù)選擇與被焊接材料、厚度及攪拌頭的形狀密切相關(guān)。優(yōu)化后的參數(shù)如附表所示。

3. 實(shí)施效果

雖然增加一道裝配定位焊工序，但是通過此工藝改進(jìn)措施的實(shí)施，在起弧端和收弧端，焊縫隧道缺陷都得到明顯的改善，如圖3所示，合格率達(dá)98%以上，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)步提升。型材采購時(shí)可減少原有加長余量250mm，從而降低采購成本，減少材料的浪費(fèi)，同時(shí)減少下道工序機(jī)加工工作量。經(jīng)計(jì)算每節(jié)車可降低原材料成本約1萬余元。此工藝方法在其他項(xiàng)目實(shí)施中得到廣泛應(yīng)用，實(shí)施效果良好，并大幅提高生產(chǎn)效率。

圖2 型材裝配工裝及工藝的改進(jìn)

攪拌摩擦焊參數(shù)

圖3 焊縫隧道缺陷的改善效果

4. 結(jié)語

通過對現(xiàn)場生產(chǎn)工藝條件的分析，找出了鋁合金側(cè)墻在攪拌摩擦焊接過程中出現(xiàn)隧道缺陷的可能原因，在此基礎(chǔ)上對型材的裝配點(diǎn)焊工藝、吊裝緊固工藝進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，同時(shí)設(shè)計(jì)了合理的攪拌頭規(guī)格以及焊接參數(shù)。通過工藝改進(jìn)措施實(shí)施之后，焊縫隧道缺陷都得到明顯的改善，可有效降低生產(chǎn)成本并提高了生產(chǎn)效率。