王 穩(wěn) 金濤濤 張 軍 馬 賀

北京建筑大學(xué)城市軌道交通車輛服役性能保障北京市重點實驗室，北京，100044

0 引言

我國重載鐵路以大秦、浩吉、朔黃等煤運鐵路為主，朔黃線等運行的25 t軸重C80重載貨車是我國首次將鋁合金材料使用在鐵路重載貨車車體上[1-2]。鋁合金車體貨車在采用吊車、叉車等重型機械化設(shè)備進行大宗貨物的裝卸時，很容易受到機械設(shè)備或貨物的意外撞擊，造成車體破損或變形；當(dāng)接近使用年限時，車體會因沿線異物刮劃、雨水腐蝕或疲勞裂紋等出現(xiàn)損傷和變形，將嚴(yán)重影響運輸安全[3]。C80鋁合金貨車車體采用鉚接結(jié)構(gòu)進行連接，在檢修車體端墻和側(cè)墻的破損故障時，必須將支柱與環(huán)槽部位連接的鉚釘割掉，采用整板更換或采用“打補丁”的修補方式，這使得車體破損檢修耗時長，增加了企業(yè)的運營成本[4]。

進行鋁合金車體破損的修復(fù)時，鋁合金材料具有熔點低、導(dǎo)熱率高、熱膨脹收縮率大等特點，但傳統(tǒng)電弧焊接方法焊接溫度過高，易使得鋁合金發(fā)生嚴(yán)重的氧化反應(yīng)，影響焊接強度，造成安全隱患，故不適用于鋁合金車體損傷的修補[5-6]。攪拌摩擦焊(friction stir welding,FSW)技術(shù)經(jīng)過近30年的發(fā)展，已經(jīng)是一項成熟的工業(yè)技術(shù)[7]。攪拌摩擦焊作為一種環(huán)保的固相連接技術(shù)，以其較好的焊接效果被廣泛應(yīng)用于鋁合金、銅合金甚至鋼材料的連接修復(fù)中[8]。

基于攪拌摩擦焊技術(shù)的設(shè)備研制也備受關(guān)注。國內(nèi)外許多學(xué)者基于傳統(tǒng)鉆銑機床，通過改進焊接壓力控制、使用柔性化工裝設(shè)計、設(shè)計適用于常規(guī)銑床攪拌摩擦焊工藝的工裝夾具等，進行攪拌摩擦焊設(shè)備的設(shè)計研發(fā)[9-13]。攪拌摩擦焊技術(shù)由于其諸多優(yōu)點已被廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶、軌道交通車輛等工業(yè)領(lǐng)域的生產(chǎn)制造中[14-16]。攪拌摩擦焊在軌道車輛領(lǐng)域主要用于鋁合金車體側(cè)墻、車體頂板、地板等部件的大長焊縫的焊接制造[17-19]。

現(xiàn)有攪拌摩擦焊設(shè)備大都為固定龍門式結(jié)構(gòu)，均需要在背部有剛性支撐的條件下完成焊接。為了拓寬攪拌摩擦焊的應(yīng)用范圍，崔凡等[20]針對某些焊縫難以實現(xiàn)靜態(tài)剛性支撐的問題，研制了環(huán)形焊縫剛性動支撐攪拌摩擦焊試驗裝置；余愛武等[21]將剛性動支撐攪拌摩擦焊技術(shù)應(yīng)用于大口徑鋁合金螺旋管的焊接生產(chǎn)，并獲得了穩(wěn)定可靠的焊接效果。但在一些特殊工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境下，無法實現(xiàn)剛性支撐來完成焊接修補，例如鋁合金車體的在線焊接修補作業(yè)。本研究針對C80鋁合金貨車車體破損修復(fù)，設(shè)計研發(fā)了一套專用的可移動式非剛性支撐鋁合金攪拌摩擦焊修復(fù)設(shè)備。

1 非剛性支撐攪拌摩擦焊修復(fù)設(shè)備

C80鋁合金貨車車體如圖1所示。為了滿足鋁合金車體焊接的需求，該可移動式非剛性支撐鋁合金攪拌摩擦焊修復(fù)設(shè)備的主要設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 設(shè)備主要設(shè)計參數(shù)

該非剛性支撐攪拌摩擦焊設(shè)備主體高約4 m，寬約1.6 m，使用加強過的鋁合金型材搭建，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖2，主要結(jié)構(gòu)如下。

圖2 非剛性支撐攪拌摩擦焊設(shè)備Fig.2 Non-rigid support friction stir welding equipment

(1)移動升降平臺。整機搭載在麥克納姆輪移動升降平臺上，該移動升降平臺可實現(xiàn)整個設(shè)備的前行、橫向移動、旋轉(zhuǎn)及其組合等多種運動方式，可方便移動至所需焊接部位，實現(xiàn)移動修補作業(yè)，適用于車輛檢修等工作空間有限、通道狹窄的作業(yè)環(huán)境，提高了設(shè)備的工作效率。

(2)電器控制單元是由西門子SIMATIC系列PLC模塊式結(jié)構(gòu)等組成的電氣控制系統(tǒng)。

(3)旋轉(zhuǎn)伸縮臂單元為焊接提供背部支撐。

(4)主體框架單元使用加強鋁合金型材搭建，為整個攪拌摩擦焊設(shè)備提供安裝基礎(chǔ)、承力和定位平臺。一方面由于主體框架使用鋁合金型材搭建從而實現(xiàn)了整個設(shè)備的輕量化，另一方面由于主體框架上安裝有滾珠絲杠和驅(qū)動電機，使得攪拌摩擦焊單元可實現(xiàn)沿Y軸的上下移動。

(5)上下夾鉗由鋼板焊接而成，其夾持部分分別根據(jù)貨車車廂頂部結(jié)構(gòu)、貨車底部橫梁結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，工作時上下夾鉗的鉗口分別與車廂相應(yīng)位置進行夾緊固定，從而保證整個設(shè)備與車體的固定夾緊。

(6)攪拌摩擦焊單元由鋁合金型材框架、環(huán)形轉(zhuǎn)動單元、焊接作業(yè)單元、半徑自動調(diào)整單元等組成。

2 非剛性支撐修補焊接關(guān)鍵結(jié)構(gòu)

由于C80鋁合金貨車車廂的破損尺寸大小不一，且在線焊接修補時難以提供剛性支撐。為了實現(xiàn)不同大小破損的在線焊接修補，設(shè)計了銑焊半徑自動調(diào)整結(jié)構(gòu)，解決了破損尺寸不一的焊接修復(fù)問題；綜合采用了旋轉(zhuǎn)伸縮臂支撐、花瓣式砧板等結(jié)構(gòu)解決了非剛性支撐焊接過程中支撐力不足、大變形等問題，可滿足不同大小破損的在線焊接修復(fù)要求。

2.1 攪拌摩擦焊單元

攪拌摩擦焊單元是整個設(shè)備最核心的部分，如圖3所示，可實現(xiàn)沿X軸、Y軸、Z軸的移動和C軸(繞Z軸)的轉(zhuǎn)動。設(shè)備的主要運行參數(shù)如表2所示。

圖3 攪拌摩擦焊單元Fig.3 Friction stir welding unit

表2 設(shè)備主要運行參數(shù)

沿Y軸的移動由安裝在主體框架單元的驅(qū)動電機控制，攪拌摩擦焊單元通過滾珠絲杠與主體框架連接，驅(qū)動電機通過帶動安裝在主體框架上的滾珠絲杠運動，進而帶動攪拌摩擦焊單元沿導(dǎo)軌滑塊完成Y向移動。

Z軸的進給驅(qū)動單元包括Z軸進給驅(qū)動電機、進給減速器、滾珠絲杠、導(dǎo)軌滑塊等，如圖4所示。Z軸進給電機通過進給減速器帶動滾珠絲杠運動，使得焊接框架在導(dǎo)軌滑塊上移動，完成Z向移動。為了獲得更好的焊接效果，在焊接主軸上配有位移傳感器，對Z軸進行實時距離檢測，將檢測值與預(yù)設(shè)值進行比較，并將偏差值反饋給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)可對Z軸進行實時位置補償控制。主軸上還配有壓力傳感器，對攪拌頭的壓力進行實時監(jiān)測，以實現(xiàn)精準(zhǔn)控制，保證焊接壓力恒定。將車體破損部位銑削成圓形再進行焊接，可以擁有平整的焊接效果。C軸轉(zhuǎn)動是由電機通過齒輪帶動焊接框架繞Z軸轉(zhuǎn)動，進而完成一整個圓周的銑焊。

圖4 Z軸進給單元Fig.4 Z-axis feed unit

為了自動調(diào)整焊接修復(fù)范圍，滿足不同尺寸破損的修復(fù)，設(shè)計了銑焊半徑自動調(diào)整結(jié)構(gòu)，如圖5所示，主要由高精度伺服電機、減速器、滾珠絲杠和導(dǎo)軌滑塊等組成。伺服電機帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動進而帶動主軸電機在導(dǎo)軌滑塊上進行移動，可實現(xiàn)110～300 mm的大范圍可調(diào)銑焊直徑，實現(xiàn)了半徑自動調(diào)整的銑削焊接。

圖5 半徑自動調(diào)整結(jié)構(gòu)Fig.5 Radius automatic adjustment structure

2.2 旋轉(zhuǎn)伸縮臂單元

在進行非剛性支撐焊接時，主軸作用于攪拌頭及軸肩的壓力使得車廂待修補部位發(fā)生較大位移，由于背部支撐不足，導(dǎo)致焊縫軟化的金屬鼓出背板平面，在焊縫正面會形成隧道和裂紋缺陷。為了消除因背部支撐不足導(dǎo)致的焊接缺陷，設(shè)計了旋轉(zhuǎn)伸縮臂單元，為焊接提供背部支撐。旋轉(zhuǎn)伸縮臂單元主要由旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機、伸縮臂、伸縮撐桿、頂板和花瓣式砧板組成，如圖6所示。

圖6 旋轉(zhuǎn)伸縮臂單元Fig.6 Rotating telescopic arm unit

當(dāng)定位到破損位置并放置好修復(fù)板之后，驅(qū)動電機帶動轉(zhuǎn)軸使伸縮臂和伸縮撐桿繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)至需焊接的部位。利用伺服電機編碼器控制伸縮臂的旋轉(zhuǎn)角度，伸縮臂在液壓系統(tǒng)作用下可完成三級可調(diào)伸縮，采用拉伸傳感器檢測伸縮臂的伸展長度，實現(xiàn)伸縮臂的精準(zhǔn)定位?；ò晔秸璋搴晚敯宸謩e頂住車廂內(nèi)部兩側(cè)墻，為焊接提供頂鍛力，支撐示意圖見圖7。

圖7 支撐示意圖Fig.7 Support diagram

為了給焊接時的主軸壓力提供充足的背部反向支撐，采用球鉸花瓣式移動砧板，使砧板與焊縫背面的接觸方式為環(huán)面接觸。環(huán)面接觸能夠使頂鍛力集中作用在焊縫周圍，可改善焊接過程中的支撐效果，提高焊接質(zhì)量。設(shè)計簡圖及現(xiàn)場支撐效果見圖8。

圖8 花瓣式砧板及現(xiàn)場圖Fig.8 Petal type anvil plate and site picture

為了使得花瓣式砧板在壓力作用下可以和鋁板充分接觸，減小頂撐時鋁板變形與砧板產(chǎn)生的接觸縫隙，增加環(huán)面接觸的面積，改善焊接支撐效果，對花瓣式砧板與鋁板接觸的平面設(shè)置一定的坡度。經(jīng)現(xiàn)場試驗與仿真計算綜合分析，設(shè)置坡度約為5.24%，如圖9所示。

圖9 花瓣式砧板Fig.9 Petal type anvil plate

為了分析在載荷作用下花瓣式砧板與鋁板的接觸情況，建立花瓣式砧板與鋁板支撐的有限元模型。根據(jù)現(xiàn)場試驗使用的鋁板尺寸，建立的鋁板模型尺寸為2000 mm×500 mm×6 mm；砧板采用了36瓣的花瓣式結(jié)構(gòu)，瓣間空隙約為2 mm,分別建立坡度為0和坡度為5.24%的花瓣式砧板與鋁板接觸有限元模型，如圖10所示。

圖10 砧板與鋁板支撐有限元模型Fig.10 Finite element model of anvil plate andaluminum plate support

根據(jù)現(xiàn)場試驗情況，分別對花瓣式砧板施加5 kN和10 kN的垂向壓力，進行接觸計算，并做對比分析，其接觸斑云圖見圖11。

(a)無坡度，載荷為5 kN (b)無坡度，載荷為10 kN

當(dāng)花瓣式砧板與鋁板接觸的平面坡度為0、載荷為5 kN時，砧板與鋁板的接觸區(qū)域主要集中在花瓣邊緣，與鋁板的有效接觸面積較小。當(dāng)載荷增大到10 kN時，鋁板受壓變形增大，鋁板與砧板之間由于頂撐壓力作用而產(chǎn)生的接觸縫隙增大，但接觸面積沒有明顯增加，頂鍛力不能有效集中在焊縫周圍，對焊接支撐效果改善較小。

當(dāng)花瓣式砧板與鋁板接觸的平面坡度為5.24%、載荷為5 kN時，在砧板的垂向壓力作用下，鋁板受壓變形，由于花瓣式砧板與鋁板接觸面存在一定坡度，使得砧板接觸面可以有效減少因鋁板頂撐變形而產(chǎn)生的接觸縫隙，砧板上的接觸斑均勻分布在焊縫周圍。相比于不設(shè)置坡度的花瓣式砧板結(jié)構(gòu)，接觸斑的分布更加均勻，頂撐效果更好，可有效消除因背部支撐不足導(dǎo)致的隧道、裂紋等焊接缺陷，提高焊接質(zhì)量。當(dāng)載荷增大到10 kN時，花瓣式砧板與鋁板的接觸斑面積也隨之增大，接觸斑分布更加均勻，但由于載荷過大使鋁板受壓變形過大，導(dǎo)致焊接后的鋁板平面產(chǎn)生凸起，影響焊接的平整度。

綜合考慮，采用具有5.24%坡度的花瓣式砧板平面，在頂鍛力為5 kN時既可獲得相對平整的焊接平面，又可以獲得良好的焊接效果。

2.3 電氣控制系統(tǒng)

本攪拌摩擦焊修復(fù)設(shè)備系統(tǒng)驅(qū)動軸由主軸、X軸、Y軸、Z軸和C軸五軸組成，均采用伺服電機驅(qū)動。控制器采用西門子SIMATIC系列PLC模塊式結(jié)構(gòu)，用搭積木的方式組成系統(tǒng)，控制系統(tǒng)框架圖見圖12。針對實際焊接需求，對攪拌摩擦焊修復(fù)設(shè)備的電氣控制系統(tǒng)進行了優(yōu)化配置。

圖12 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖Fig.12 Frame diagram of control system structure

3 現(xiàn)場試驗及焊接效果

設(shè)備現(xiàn)場作業(yè)時的工作狀態(tài)如圖13所示，移動升降平臺帶動整個設(shè)備移動至所需焊接部位，上下夾鉗固定夾緊在車廂上。

圖13 設(shè)備現(xiàn)場作業(yè)圖Fig.13 Equipment site work picture

C80鋁合金貨車的車廂側(cè)墻壁厚為6 mm，在進行焊接修補時，先將破損部位銑削成孔洞，如圖14所示，圓形修復(fù)板與銑削孔洞形成過盈配合。旋轉(zhuǎn)伸縮臂在車廂內(nèi)部進行支撐，為焊接提供約5 kN的頂鍛力。使用圓形修復(fù)板與母材進行對接焊接修補時，先圍繞修復(fù)板四周進行點焊，防止在開始焊接時，修復(fù)板發(fā)生移動和翹起影響焊接結(jié)果，設(shè)備工作流程如圖15所示。

圖14 車體側(cè)墻銑孔作業(yè)Fig.14 Milling of car body side walls

圖15 設(shè)備工作流程圖Fig.15 Equipment work flow chart

采用此非剛性支撐攪拌摩擦焊修復(fù)的表面光滑無飛邊，內(nèi)部無溝槽隧道缺陷，焊接效果如圖16所示。

圖16 焊接效果Fig.16 Welding effect

依據(jù)GB/T 228—2002和GB/T 2651—2008加工拉伸試樣，與母材進行拉伸對比試驗，焊縫拉伸試樣及其斷面效果如圖17所示。

圖17 拉伸試樣及斷面Fig.17 Tensile specimen and section

拉伸試驗結(jié)果如圖18所示，從試驗數(shù)據(jù)可以看出，母材抗拉強度約為350.8 MPa，拉伸試樣焊縫抗拉強度為251.3 MPa，約為母材的71.6%，焊縫抗拉性能較好。

圖18 母材與拉伸試樣應(yīng)力-應(yīng)變圖Fig.18 Stress-strain diagram of base metal and tensile specimen

4 結(jié)論

(1)針對C80鋁合金貨車車體的破損修復(fù)問題，設(shè)計研發(fā)了一套專用的可移動式非剛性支撐鋁合金攪拌摩擦焊修復(fù)設(shè)備，該設(shè)備能夠在不拆解車體板材的情況下完成鋁合金車體的焊接修復(fù)，且焊縫的抗拉性能可達到母材的71.6%左右。

(2)設(shè)計了旋轉(zhuǎn)伸縮臂、花瓣式砧板等結(jié)構(gòu)，并對花瓣式砧板進行仿真優(yōu)化設(shè)計，使頂鍛力有效集中在焊縫周圍，提高了焊接質(zhì)量，實現(xiàn)了非剛性支撐攪拌摩擦焊修復(fù)焊接。

(3)采用具有麥克納姆輪及液壓舉升機構(gòu)的移動升降平臺，可方便移動至所需焊接部位；設(shè)計了銑焊半徑自動調(diào)整結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了對鋁合金貨車車體不同尺寸及不同破損部位的自動化焊接修復(fù)。