劉志強(qiáng) 武永亮 馮存義 張江銀 史春江 向 明

(1.中車長(zhǎng)江運(yùn)輸設(shè)備集團(tuán)有限公司 湖北 武漢 430212； 2.中車株洲車輛有限公司 湖南 株洲 412003； 3.中車長(zhǎng)江車輛有限公司 湖北 武漢 430212)

0 引言

鋁合金材料具有比重低、比強(qiáng)度高、耐腐蝕性強(qiáng)、成型性好等優(yōu)點(diǎn)，在很多工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。早在上世紀(jì)70～80年代，北美、澳大利亞等國(guó)家就開(kāi)始研發(fā)鋁合金鐵路車輛進(jìn)行煤炭運(yùn)輸。我國(guó)在借鑒北美重載技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，為提高西煤東運(yùn)能力，于2003年研制了25 t軸重C80鋁合金運(yùn)煤專業(yè)敞車，首次在我國(guó)鐵路貨車上采用鋁合金材料，該車實(shí)現(xiàn)批量運(yùn)營(yíng)，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著。但以上鐵路貨車的鋁合金結(jié)構(gòu)多采用鉚接結(jié)構(gòu)，部分漏斗車型的底開(kāi)門鋁合金結(jié)構(gòu)采用熔化焊結(jié)構(gòu)，均未采用鋁合金攪拌摩擦焊結(jié)構(gòu)[1]。

為了積極推動(dòng)中國(guó)鐵路貨車重載技術(shù)發(fā)展，中車長(zhǎng)江運(yùn)輸設(shè)備集團(tuán)有限公司于2013年在大量研究論證的基礎(chǔ)上率先將攪拌摩擦焊技術(shù)成功應(yīng)用于鐵路貨車，創(chuàng)新研制了30 t軸重KM98、KM100型系列煤炭漏斗車產(chǎn)品(見(jiàn)圖1)，其車體的側(cè)墻、端墻均采用了鋁合金攪拌摩擦焊結(jié)構(gòu)，極大減輕了車輛自重，與鉚接結(jié)構(gòu)相比不需要鉆孔與鉚釘，在大部件輕量化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(jì)應(yīng)用及降本增效方面具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。產(chǎn)品載重達(dá)100 t，從批量應(yīng)用情況看，實(shí)際運(yùn)營(yíng)試驗(yàn)狀態(tài)良好，較C80鋁合金運(yùn)煤專業(yè)敞車提高運(yùn)能約25%，具有顯著的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益[1]。

圖1 KM98型鐵路貨車

為保證鋁合金攪拌摩擦焊首次在鐵路貨車上的應(yīng)用質(zhì)量，對(duì)實(shí)際采用的6061-T6鋁合金進(jìn)行了大量的攪拌摩擦焊基礎(chǔ)試驗(yàn)研究，優(yōu)選焊接參數(shù)，嚴(yán)控關(guān)鍵控制點(diǎn)。

1 6061-T6攪拌摩擦焊工藝試驗(yàn)

1.1 攪拌摩擦焊原理

攪拌摩擦焊是一種利用摩擦熱與塑性變形熱作為焊接熱源的新型焊接技術(shù)，由一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭扎入工件后沿焊接方向運(yùn)動(dòng)，在攪拌頭與工件接觸部位產(chǎn)生摩擦熱，使其附近金屬形成塑性軟化層，軟化層在攪拌頭旋轉(zhuǎn)的作用下填充攪拌針后方所形成的空腔，并在軸肩與攪拌針(如帶螺紋的圓柱體、圓錐體或其他形狀)的攪拌及擠壓作用下實(shí)現(xiàn)材料固相連接，其焊縫在熱力耦合的鍛壓作用下形成[2-3]。原理如圖2所示。

圖2 攪拌摩擦焊示意圖

1.2 工藝試驗(yàn)

1.2.1試驗(yàn)材料

目前，國(guó)內(nèi)外用于鐵路貨車制造的鋁合金材料主要為：5系非熱處理強(qiáng)化鋁合金和6系、7系熱處理強(qiáng)化鋁合金。以公司創(chuàng)新研制的KM98型煤炭漏斗車產(chǎn)品為例，選用6061-T6鋁合金擠壓成型板材為試驗(yàn)對(duì)象，其化學(xué)成分及標(biāo)準(zhǔn)力學(xué)性能如表1所示。

表1 6061-T6鋁合金化學(xué)成分與力學(xué)性能

1.2.2對(duì)接接頭型式

試驗(yàn)用鋁合金材料為擠壓成型，對(duì)接接頭如圖3所示。為保證焊件裝夾，避免焊縫厚度受攪拌摩擦擦焊成型影響而減薄，對(duì)接縫區(qū)域(區(qū)域?qū)挾却笥跀嚢枘Σ梁负缚p寬度)設(shè)計(jì)補(bǔ)償厚度，在接頭處設(shè)計(jì)凸臺(tái)便于保障裝夾精度。試驗(yàn)用試件的板厚尺寸為t1=7 mm，t2=5 mm。

圖3 產(chǎn)品側(cè)墻結(jié)構(gòu)采用的對(duì)接接頭型式

1.2.3焊接參數(shù)優(yōu)選

相關(guān)文獻(xiàn)研究表明，攪拌摩擦焊熱輸入主要取決于轉(zhuǎn)焊比[4]，為保證焊縫力學(xué)性能，可先確定適合的轉(zhuǎn)焊比，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行系列試驗(yàn)優(yōu)選參數(shù)。從理論分析出發(fā)，在所采用攪拌摩擦焊設(shè)備應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)定攪拌頭壓力為28 kN、軸傾角為1.6°、攪拌針長(zhǎng)度為6.8 mm、軸肩直徑為?20 mm，上述參數(shù)為不變量，通過(guò)改變旋轉(zhuǎn)速度、焊接行進(jìn)速度等變量進(jìn)行焊接參數(shù)優(yōu)選。最佳焊接參數(shù)確定步驟如圖4所示 。

圖4 攪拌摩擦焊最優(yōu)工藝參數(shù)確定流程

采用不同的參數(shù)共進(jìn)行了20組焊接試驗(yàn)，根據(jù)焊縫外觀質(zhì)量情況確定對(duì)12組試件進(jìn)行理化檢驗(yàn)，對(duì)于表面質(zhì)量較差的試板直接按參數(shù)不合格處理，不再進(jìn)行理化檢驗(yàn)。典型的焊縫外觀如圖5所示，所選12組試件的焊接參數(shù)如表2所示。

表2 所選12組試件的焊接參數(shù)對(duì)照表

圖5 攪拌摩擦焊試驗(yàn)件焊縫外觀

對(duì)選擇的12組試件分別進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，焊縫經(jīng)UT、雙面PT檢查合格，UT檢測(cè)符合TB/T 1558.2標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)定等級(jí)為1級(jí)；PT檢測(cè)符合TB/T 1558.5標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)定等級(jí)為1級(jí)。參照ISO 25239標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)選擇的12組試件分別取樣進(jìn)行拉伸、彎曲、宏觀金相試驗(yàn)等力學(xué)性能檢測(cè)，拉伸試驗(yàn)斷口均為熱影響區(qū)或熱力影響區(qū)。具體檢測(cè)數(shù)據(jù)(抗拉強(qiáng)度數(shù)據(jù)為兩組試樣檢測(cè)的平均值)如表3所示，焊縫強(qiáng)度與轉(zhuǎn)速比的關(guān)系如圖6所示。

表3 焊接試件理化檢測(cè)數(shù)據(jù)

圖6 焊縫強(qiáng)度與轉(zhuǎn)速比的關(guān)系

根據(jù)以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)速比在1.3～2.0之間時(shí)，試樣抗拉強(qiáng)度值與母材標(biāo)準(zhǔn)值的比值基本可達(dá)80%，且焊縫表面質(zhì)量較好，焊縫外觀及力學(xué)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；當(dāng)轉(zhuǎn)速比大于2.0時(shí)會(huì)出現(xiàn)較明顯的粘刀、飛邊等現(xiàn)象，綜合考慮焊縫力學(xué)性能和表面質(zhì)量，選用6#試件的焊接參數(shù)(轉(zhuǎn)速1 300 r/min、焊接速度1 000 mm/min)進(jìn)行產(chǎn)品批量生產(chǎn)，產(chǎn)品焊接接頭的宏觀金相如圖7所示。

圖7 焊接接頭宏觀金相

2 易見(jiàn)缺陷的成因與預(yù)防措施

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)、高等院校對(duì)鋁合金攪拌摩擦焊工藝和接頭組織性能進(jìn)行了大量研究，與常規(guī)的熔焊方法相比，攪拌摩擦焊由于是固相焊接，母材不熔化，焊接過(guò)程無(wú)飛濺、不需要填充焊絲與保護(hù)氣體，焊縫內(nèi)不易形成氣孔和熱裂紋等焊接缺陷。而且整個(gè)焊接過(guò)程一般靠設(shè)備程序化控制，焊接質(zhì)量主要靠焊接設(shè)備的性能保障、焊前的準(zhǔn)備工作、過(guò)程中的有效管理等環(huán)節(jié)來(lái)保障。

但在批量生產(chǎn)中，常會(huì)因開(kāi)工前的準(zhǔn)備工作不充分、過(guò)程管理不力或突發(fā)情況等因素，造成焊接異常，出現(xiàn)自身固有的缺陷，包括焊縫外觀缺陷和內(nèi)部缺陷。結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)，從試驗(yàn)情況看，板材對(duì)接攪拌摩擦焊焊接接頭易出現(xiàn)的缺陷主要有焊縫塌陷、飛邊、起皮、溝槽、孔洞、弱連接、未焊透7種。缺陷產(chǎn)生的主要原因是工藝波動(dòng)、焊具尺寸不合適或者裝配不良等因素造成焊接過(guò)程中不同部位的焊縫金屬經(jīng)歷了不同的熱機(jī)過(guò)程，造成過(guò)熱或塑性材料流動(dòng)不足、根部摩擦熱不夠。具體如表4所示。

表4 鋁合金攪拌摩擦焊典型缺陷產(chǎn)生的主要原因及預(yù)防措施

3 關(guān)鍵控制點(diǎn)

在保證焊接技術(shù)文件齊全，焊接操作人員、檢查人員的資質(zhì)與技能，焊接設(shè)備具備焊接穩(wěn)定性、自動(dòng)化控制、參數(shù)動(dòng)態(tài)顯示及焊接過(guò)程視頻監(jiān)控等能力的基本前提下，重點(diǎn)對(duì)以下幾方面進(jìn)行控制。

3.1 攪拌摩擦焊設(shè)備

焊接設(shè)備主要參數(shù)允許波動(dòng)范圍如下：攪拌頭轉(zhuǎn)速的波動(dòng)范圍為±1%；攪拌頭行進(jìn)速度的波動(dòng)范圍為±0.5%；攪拌頭傾角的波動(dòng)范圍為±0.1°。攪拌頭在700 ℃以上應(yīng)仍能保持良好的高溫韌性、高溫硬度及抗磨性能。所選的攪拌頭結(jié)構(gòu)材料不應(yīng)在焊接時(shí)與鋁合金發(fā)生粘連反應(yīng)。

3.2 工裝要求

攪拌摩擦焊需針對(duì)被焊產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)配備滿足焊接裝配要求的焊接工裝，變形控制及壓裝裝置須可靠、穩(wěn)定。焊接墊板表面必須光潔，表面粗糙度不大于3.2 μm，能實(shí)現(xiàn)和焊件的緊密貼合。焊接墊板必須有足夠的剛性，且與被焊材料不發(fā)生反應(yīng)。

3.3 環(huán)境溫度與濕度

環(huán)境溫度一般應(yīng)保持在10 ℃以上，相對(duì)濕度一般不大于80%。

3.4 焊接控制要求

3.4.1參數(shù)優(yōu)選

FSW工藝參數(shù)是影響FSW焊接接頭強(qiáng)度的重要因素[5]，相關(guān)研究表明FSW工藝參數(shù)對(duì)焊接接頭組織和性能的影響呈非線性關(guān)系，正式焊接前通過(guò)系列試驗(yàn)確定最優(yōu)焊接參數(shù)意義重大。一般情況下，選擇攪拌針的直徑為焊件厚度的0.9～1.1倍；攪拌頭軸肩直徑通常是攪拌針直徑的3倍左右；攪拌頭傾角一般為1.5°～4.5°；對(duì)焊接熱輸入起決定作用的攪拌頭轉(zhuǎn)速與焊接速度需在經(jīng)驗(yàn)積累的基礎(chǔ)上通過(guò)試驗(yàn)論證優(yōu)選[5-6]。

3.4.2焊前準(zhǔn)備

(1)攪拌頭檢查

焊接前，應(yīng)確保攪拌頭清潔，沒(méi)有對(duì)焊縫產(chǎn)生不良影響的污染物(如：油污、油脂和污垢等)存在；應(yīng)按期對(duì)攪拌頭形狀及其磨損程度進(jìn)行檢驗(yàn)，符合相關(guān)設(shè)計(jì)與工藝規(guī)范要求。

(2)焊件檢查與清理

焊前應(yīng)對(duì)焊件的待焊部位進(jìn)行清理，去除接頭對(duì)接面及待焊區(qū)域(攪拌頭軸肩直徑+10mm)的氧化膜、油污及異物等。清理可采用化學(xué)方法和機(jī)械方法。

3.4.3裝配

對(duì)接接頭允許的局部最大間隙應(yīng)不大于表5的規(guī)定。

表5 對(duì)接接頭允許的局部最大組裝間隙 /mm

對(duì)接接頭錯(cuò)邊量應(yīng)不大于表6的規(guī)定。

表6 對(duì)接接頭允許的最大錯(cuò)邊量 /mm

焊接裝配攪拌頭旋轉(zhuǎn)中心與焊件對(duì)接線的偏移量應(yīng)不超過(guò)表7的規(guī)定。

表7 焊接裝配偏移量要求 /mm

焊件裝配應(yīng)在焊接工裝上進(jìn)行，確保焊件與墊板緊密貼合，保證接頭的裝配間隙、錯(cuò)邊、偏移量符合表5～表7的規(guī)定。

3.4.4施焊

(1)新產(chǎn)品焊接前，應(yīng)通過(guò)焊接試件進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證確定焊接工藝參數(shù)(攪拌頭轉(zhuǎn)速、焊接速度等)，參數(shù)確定后進(jìn)行焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)，將焊接工藝參數(shù)納入工藝文件作為指導(dǎo)生產(chǎn)的依據(jù)。焊接前需要確認(rèn)攪拌頭規(guī)格及參數(shù)等是否符合文件相關(guān)要求。不同批次的產(chǎn)品焊接前，應(yīng)按WPS試焊試件，以驗(yàn)證焊接工藝參數(shù)的穩(wěn)定性，評(píng)價(jià)合格后方可正式焊接產(chǎn)品。

(2)遇攪拌頭材質(zhì)或結(jié)構(gòu)變化、母材厚度變化超過(guò)15%、工藝參數(shù)變動(dòng)、工裝夾具調(diào)整等條件中的任何情況，均須重新確認(rèn)焊接參數(shù)，進(jìn)行工藝評(píng)定，評(píng)定合格后方可開(kāi)始正式生產(chǎn)。

(3)攪拌頭與焊件的傾角為2°～5°，攪拌針尺寸須與產(chǎn)品板厚尺寸相匹配；攪拌摩擦焊參數(shù)與攪拌頭材料和形狀、產(chǎn)品材料及厚度等相關(guān)，焊接操作時(shí)應(yīng)合理匹配攪拌頭轉(zhuǎn)速、焊速等參數(shù)，防止焊接缺陷；焊接操作人員應(yīng)注意檢查工藝參數(shù)的正確性和穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)工藝參數(shù)及設(shè)備問(wèn)題應(yīng)及時(shí)采取應(yīng)急處理措施，確認(rèn)故障已排查后重新進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，合格后方可進(jìn)行焊接。

3.4.5焊后檢查

焊接完成后根據(jù)焊縫質(zhì)量等級(jí)按標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行相關(guān)檢查，做好相關(guān)記錄。對(duì)于鐵路貨車結(jié)構(gòu)，一般攪拌摩擦焊焊縫不允許返修。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)設(shè)計(jì)補(bǔ)償厚度，有助于改善鋁合金板對(duì)接接頭的綜合承載能力；通過(guò)優(yōu)選焊接參數(shù)、嚴(yán)控關(guān)鍵控制點(diǎn)可以獲得較好的鋁合金板對(duì)接接頭攪拌摩擦焊質(zhì)量。鋁合金攪拌摩擦焊技術(shù)在鐵路貨車應(yīng)用領(lǐng)域具有較高的推廣價(jià)值，而且在鐵路貨車批量應(yīng)用實(shí)踐中取得了良好效果。

(1)采用優(yōu)選焊接參數(shù)，6061-T6鋁合金攪拌摩擦焊可獲得較優(yōu)的焊接質(zhì)量，焊縫強(qiáng)度與母材標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的比值可達(dá)90%。

(2)通過(guò)強(qiáng)化人員、設(shè)備、工裝、焊接過(guò)程及焊后檢測(cè)的控制管理，嚴(yán)控關(guān)鍵控制點(diǎn)，可以有效保證攪拌摩擦焊質(zhì)量，相對(duì)于傳統(tǒng)的熔焊工藝，其質(zhì)量更可控。