張澤勇 林正帥 傅 曄 王澤文

(中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 山東 青島 266111)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高速動(dòng)車組、地鐵、城際動(dòng)車組等軌道交通車輛的需求大幅增加。目前各種類車輛的車體材料一般采用鋁合金，少數(shù)為不銹鋼，基本90%以上的焊縫采用電弧氣保焊進(jìn)行焊接。

氣體保護(hù)焊是一種熔化焊方法，焊接過(guò)程中通過(guò)在填充金屬和母材之間引燃的電弧將金屬熔化形成熔池，進(jìn)而冷卻凝固形成焊縫接頭，在保護(hù)氣氛圍下，電弧穩(wěn)定燃燒，熔池可避免被氧化。該方法操作簡(jiǎn)便、焊接效率較高，但對(duì)母材及填充金屬的焊前處理要求較高，且焊接過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生弧光、煙塵、飛濺等，造成工作環(huán)境的惡化。對(duì)母材的局部進(jìn)行加熱，接頭會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，且易出現(xiàn)氣孔、裂紋、夾渣等缺陷，影響接頭的質(zhì)量。為克服以上氣保焊接頭的缺點(diǎn)，各軌道交通車輛生產(chǎn)商已嘗試使用攪拌摩擦焊來(lái)代替氣保焊，以獲得更高的效率和接頭質(zhì)量。

攪拌摩擦焊是一種無(wú)弧光、無(wú)煙塵、無(wú)須使用焊絲的綠色環(huán)保焊接方法，焊后變形小，殘余應(yīng)力小，且焊縫組織細(xì)小，無(wú)氣孔及元素?zé)龘p等問(wèn)題，已在航空航天、造船、汽車等行業(yè)取得廣泛應(yīng)用。

1 攪拌摩擦焊的原理

攪拌摩擦焊是英國(guó)焊接學(xué)會(huì)TWI于1991年發(fā)明的焊接方法[1]。經(jīng)過(guò)二十多年的發(fā)展，攪拌摩擦焊可焊接的材料領(lǐng)域逐漸由低熔點(diǎn)合金向高熔點(diǎn)合金發(fā)展。焊接時(shí)，通過(guò)由耐磨材料制成的攪拌頭在被焊材料的連接處快速旋轉(zhuǎn)，使得被焊材料與攪拌頭之間摩擦產(chǎn)生摩擦熱，進(jìn)而達(dá)到塑化狀態(tài)。攪拌頭沿著被焊界面向前移動(dòng)時(shí)，塑化狀態(tài)的材料在攪拌頭和軸肩的攪拌及擠壓作用下向后方轉(zhuǎn)移，填充形成焊縫，焊接過(guò)程如圖1所示。

圖1 攪拌摩擦焊過(guò)程示意圖

攪拌頭主要由軸肩和攪拌針組成，軸肩與被焊材料的表面通過(guò)摩擦產(chǎn)生熱量，是熱輸入的主要來(lái)源；攪拌針對(duì)焊縫處的塑化狀態(tài)金屬進(jìn)行攪拌，使金屬發(fā)生遷移。焊接參數(shù)如焊接速度、攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度、旋轉(zhuǎn)方向、下壓量等以及攪拌針形貌均會(huì)影響最終焊縫的成形質(zhì)量。

另外還有雙軸肩攪拌摩擦焊技術(shù)，即攪拌頭由上下兩個(gè)軸肩和中間的攪拌針組成(見(jiàn)圖2)，焊接時(shí)上下2個(gè)軸肩及攪拌針與母材摩擦產(chǎn)生熱輸入，同時(shí)驅(qū)使塑化金屬流動(dòng)形成焊縫。目前單軸肩和雙軸肩攪拌摩擦焊在軌道交通車輛領(lǐng)域均有應(yīng)用。

圖2 雙軸肩攪拌摩擦焊示意圖

2 攪拌摩擦焊的應(yīng)用

2.1 國(guó)外應(yīng)用現(xiàn)狀

在日本、法國(guó)、德國(guó)等傳統(tǒng)軌道交通裝備制造強(qiáng)國(guó)，攪拌摩擦焊技術(shù)已取得近15年的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，眾多知名生產(chǎn)企業(yè)已采用攪拌摩擦焊技術(shù)生產(chǎn)出不同結(jié)構(gòu)和型號(hào)的軌道交通車輛。焊接車型已達(dá)十余種，焊接車輛超過(guò)千輛，涉及部位包括車體前端、側(cè)墻、車頂板等。

日本HITACHI公司在1995年引進(jìn)攪拌摩擦焊技術(shù)，并開(kāi)展一系列基礎(chǔ)工藝研究，利用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了新干線高速列車、地鐵以及通勤車輛等車體框架蒙皮的焊接[2]。KAWASAKI采用攪拌摩擦點(diǎn)焊技術(shù)焊接了新干線E955型電力動(dòng)車組的頂部面板加強(qiáng)筋，其低能量輸入改善了車體外表面的平整度和美觀性，如圖3所示。

圖3 新干線E955型電力動(dòng)車組

德國(guó)、法國(guó)、英國(guó)等歐洲國(guó)家的軌道車輛制造商也在高速列車中廣泛采用攪拌摩擦焊技術(shù)，直接購(gòu)買已完成攪拌摩擦焊的型材，或者是自主進(jìn)行零部件的焊接生產(chǎn)。Bombardier應(yīng)用攪拌摩擦焊技術(shù)生產(chǎn)英國(guó)Electrostar系列列車，已經(jīng)與倫敦地鐵達(dá)成376 輛該系列列車的購(gòu)買協(xié)議，用于線路升級(jí)[3]。

2.2 國(guó)內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀

從我國(guó)2002年引進(jìn)攪拌摩擦焊技術(shù)以來(lái)，中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱“中車四方股份公司”)、中車株洲電力機(jī)車有限公司(以下簡(jiǎn)稱“中車株機(jī)公司”)、中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱“中車長(zhǎng)客股份公司”)、中車唐山機(jī)車車輛有限公司(以下簡(jiǎn)稱“中車唐山公司”)及中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司(以下簡(jiǎn)稱“中車浦鎮(zhèn)公司”)等車輛制造企業(yè)均開(kāi)展了攪拌摩擦焊技術(shù)的研究工作，取得大量成果。中車四方股份公司針對(duì)廣州地鐵5號(hào)線的一輛列車采用攪拌摩擦焊完成車體及側(cè)墻的焊接；中車浦鎮(zhèn)公司采用攪拌摩擦焊技術(shù)焊接上海地鐵13號(hào)線車體側(cè)墻，提高了車體表面的平面度；中車長(zhǎng)客股份公司針對(duì)深圳地鐵的多條線路列車進(jìn)行了側(cè)墻和車頂?shù)臄嚢枘Σ梁?，進(jìn)一步推廣了其應(yīng)用。隨著技術(shù)的積累，2014年中車四方股份公司完成了中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組攪拌摩擦焊技術(shù)樣車車體的研制，標(biāo)志著我國(guó)攪拌摩擦焊技術(shù)在高速動(dòng)車組上應(yīng)用的開(kāi)端。

從目前的主要研究現(xiàn)狀來(lái)看，攪拌摩擦焊在軌道交通車輛的應(yīng)用主要集中在車體的各組成部件，如側(cè)墻、車頂、地板、裙板等，涉及到的材料為5系、6系及7系的鋁合金。軌道交通車輛車體和內(nèi)部裝飾部件多采用5083、5052鋁合金，車門窗與內(nèi)部設(shè)施采用6063，底架、枕梁等要求高的部件有采用6082、6005等Al-Mg-Si合金，也有使用Al-Zn-Mg系列的7003、7N01合金。

枕梁是車體底架結(jié)構(gòu)的重要部件，車體結(jié)構(gòu)通過(guò)枕梁與轉(zhuǎn)向架對(duì)接，其安全性及可靠性非常重要。通常由兩側(cè)枕梁、筋板和上下蓋板組成。中車長(zhǎng)客股份公司[4]采用6005A-T6鋁合金擠壓型材和板材研究了枕梁的攪拌摩擦焊工藝。主要焊接技術(shù)參數(shù)為：運(yùn)動(dòng)軸，0～2 000 mm/min；傾角，±5°；主軸轉(zhuǎn)速，250～1 500 r/min；焊接軸向力，60 kN；主軸功率，22 kW。焊接完成后對(duì)接頭進(jìn)行測(cè)試，焊縫為致密的鍛造細(xì)晶組織，無(wú)氣孔等缺陷，且與MIG焊獲得的接頭在同等條件下進(jìn)行疲勞強(qiáng)度測(cè)試，結(jié)果表明攪拌摩擦焊接頭的疲勞強(qiáng)度高于MIG焊接頭。

車鉤座板同樣位于車體底架，是車廂之間連接的重要承載結(jié)構(gòu)件。中車唐山公司針對(duì)某型號(hào)的動(dòng)車組車鉤座板，采用6082-T6、80 mm厚的鋁型材進(jìn)行了攪拌摩擦焊工藝研究[5]。焊接采用的攪拌針長(zhǎng)度為45 mm，主軸旋轉(zhuǎn)速度430 r/min。焊后得到的接頭疲勞極限為97.5 MPa，抗拉強(qiáng)度達(dá)204～217 MPa，均高于同等條件下MIG焊接頭的性能。

6005A是一種典型Al-Mg-Si中等強(qiáng)度合金，廣泛用于車體的制造中，中車多家企業(yè)對(duì)該材料型材的攪拌摩擦焊進(jìn)行了工藝研究[6-8]。浦鎮(zhèn)公司采用專用的攪拌摩擦焊設(shè)備對(duì)5 mm厚的6005A-T6鋁合金單層帶筋板進(jìn)行2 000～3 000 mm/min的高速焊接，并對(duì)焊接接頭進(jìn)行性能測(cè)試，表明焊速3 000 mm/min、主軸旋轉(zhuǎn)速度1 700 r/min時(shí)接頭抗拉強(qiáng)度可達(dá)235 MPa，循環(huán)次數(shù)1×106次的條件下，疲勞極限達(dá)132.9 MPa。其后，采用自主設(shè)計(jì)的雙軸肩攪拌頭進(jìn)行了工藝試驗(yàn)，能獲得雙面成形美觀、飛邊少、無(wú)表面溝槽的焊縫，抗拉強(qiáng)度達(dá)205 MPa，疲勞極限為96.6 MPa。中車四方股份公司對(duì)4 mm厚的6005A-T6進(jìn)行攪拌摩擦焊后，對(duì)接頭焊縫進(jìn)行了應(yīng)力腐蝕性能測(cè)試，結(jié)果表明接頭具有良好的抗應(yīng)力腐蝕性能，但由于熱影響區(qū)受熱循環(huán)的影響，為耐蝕性最差的部位。

大部分研究均為同種材料的對(duì)接接頭，然而軌道交通車輛車體上除了對(duì)接，常見(jiàn)的接頭形式還有T型接頭和搭接接頭，尤其在司機(jī)室部件中，絕大部分焊縫采用T型接頭設(shè)計(jì)[9]。中車長(zhǎng)客股份公司針對(duì)5083/6082異種材料的T型接頭進(jìn)行了研究，將垂直板材裝夾在水平板下方，攪拌頭在水平板上方施焊從而形成接頭。試驗(yàn)結(jié)果表明，在焊接轉(zhuǎn)速為1 000～1 200 r/min，焊接速度為300～700 mm/min的工藝范圍內(nèi)，接頭宏觀形貌良好，抗拉強(qiáng)度及彎曲性能優(yōu)良，抗拉強(qiáng)度最大可達(dá)256 MPa。

3 結(jié)束語(yǔ)

攪拌摩擦焊在軌道交通車輛中的廣泛使用極大促進(jìn)了攪拌摩擦焊技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，各項(xiàng)研究表明，攪拌摩擦焊的焊接效果優(yōu)于傳統(tǒng)的弧焊，在清潔、綠色生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)要求環(huán)境下攪拌摩擦焊代替弧焊將會(huì)是發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。然而，國(guó)內(nèi)針對(duì)攪拌摩擦焊核心技術(shù)的掌握與國(guó)外相比還有差距，且在標(biāo)準(zhǔn)制定、工藝實(shí)施、檢測(cè)實(shí)施等方面還存在問(wèn)題。今后持續(xù)深入地研究該技術(shù)，對(duì)提高我國(guó)軌道交通車輛的制造水平有重要意義。