陶澤宇 王忠平 劉淙元

（中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 山東青島 266000）

在某型車體側(cè)墻板制造過程中，利用攪拌摩擦焊焊接時，由于參數(shù)選取不當(dāng)，容易出現(xiàn)焊接缺陷，如表面溝槽、飛邊毛刺等。缺陷的產(chǎn)生嚴(yán)重影響了現(xiàn)車質(zhì)量，側(cè)墻板作為動車組的重要承載結(jié)構(gòu)，是列車的關(guān)鍵組成部件，其生產(chǎn)質(zhì)量對列車的安全運(yùn)行起至關(guān)重要的作用［1］。Shanavas 等［2］優(yōu)化了5 系鋁板間的FSW 過程，經(jīng)研究：焊接工藝參數(shù)為傾角1.5°、轉(zhuǎn)速600rpm、焊速65mm/min，選擇方錐形攪拌頭，焊接效率最優(yōu)，焊接效率近94%。孫甲堯等［3］對6mm 厚的A356-T6 異種鋁合金FSW工藝進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，通過采取不同焊接工藝對比實(shí)驗(yàn)的方法，得出對接頭組織和性能的影響，進(jìn)而得出結(jié)論：焊縫的極限拉伸強(qiáng)度與焊速成正比例關(guān)系，焊接速度低時，將A356鋁合金置于前進(jìn)側(cè)，接頭拉伸強(qiáng)度更高；較高時，將6系鋁合金置于前進(jìn)側(cè)。馬佳良［4］等通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真分析結(jié)果比對，利用殘余應(yīng)力與焊接工藝等相關(guān)參數(shù)的關(guān)系式，得出最優(yōu)殘余應(yīng)力峰值與焊接變形峰值對應(yīng)的焊接參數(shù)，為枕梁及其相似結(jié)構(gòu)FSW工藝參數(shù)的選擇提供理論支撐。

目前，研究人員已經(jīng)對基于鎂［5］、鋼［6-7］和鈦合金［8-9］等同種、異種材料的FSW 焊接工藝展開了大量研究。為實(shí)現(xiàn)企業(yè)提質(zhì)增效、追求卓越的經(jīng)營理念，本文采用實(shí)驗(yàn)方法，研究了焊接參數(shù)（主要是焊接攪拌頭的轉(zhuǎn)速和焊速）對焊接動車側(cè)墻板過程中溫度場的影響，從而確定不同焊接參數(shù)下實(shí)驗(yàn)板材的焊縫質(zhì)量，進(jìn)而選擇合適的參數(shù)，保證側(cè)墻板的焊接質(zhì)量要求。

1 實(shí)驗(yàn)方法和材料

實(shí)驗(yàn)采用熱電偶測溫的方式進(jìn)行溫度測量。作為接觸式測溫方法，該方法需要將熱電偶直接安裝在待測溫點(diǎn)，焊接質(zhì)量會因此受到影響。利用此測溫方式所得結(jié)果相對可靠，但是，只可以顯示有限個點(diǎn)位的測溫結(jié)果。在個別情況下，測量誤差的產(chǎn)生是由于測溫元件的裝卸不便、接觸不良。

板材尺寸為100mm×50mm×4mm。根據(jù)工藝文件要求，利用直徑0.2mm 的不銹鋼絲輪刷清理待焊部位表面（搭接面、對接面、上下表面）的氧化膜，使用棉紗布和鋁合金清洗劑處理備用。攪拌頭軸肩直徑尺寸為19mm，錐度為7°，末端半徑為3mm，長度為7.8mm，軸肩有環(huán)狀凹槽及2°內(nèi)凹。

為保證實(shí)驗(yàn)的正確性，查閱設(shè)計相關(guān)圖紙，得到側(cè)墻板在動龍門攪拌摩擦焊胎位的組焊示意圖（見圖1），確定側(cè)墻板組焊的搭接接頭形式及相關(guān)的焊接要求。

圖1 側(cè)墻板組焊示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 轉(zhuǎn)速對焊接結(jié)果的影響

實(shí)驗(yàn)過程中，為保證與實(shí)際生產(chǎn)中焊接側(cè)墻板情況相符合，預(yù)熱時間選擇1s，下壓量保持0.19mm，焊速100mm/min，轉(zhuǎn)速取值為500rpm、1000rpm、1500rpm、2000rpm。

由圖2可知，溫度峰值點(diǎn)始終平行于焊接方向，在軸肩、待焊板材接觸處出現(xiàn)，與板材接觸的軸肩的前側(cè)比后側(cè)溫度低。從整體溫度云圖來看，在焊接方向上，板材后側(cè)溫降梯度略小于前側(cè)溫升梯度。

圖2 500rpm 上表面溫度云圖

圖3 是提取出的板材表面峰值t與時間變化的相關(guān)曲線，峰值溫度從383℃迅速升至約452℃后趨于穩(wěn)定，峰值溫度在焊接末期略有提升，最高可達(dá)472℃。

圖3 焊縫峰值溫度圖

轉(zhuǎn)速升至1000rpm，上表面溫度云圖和焊縫峰值溫度圖與500rpm 時大致相同，焊縫峰值溫度略有升高，溫度場云圖未見明顯變化。穩(wěn)定焊接初期，焊縫峰值t迅速下降到480℃，然后又上升到513.7℃；在穩(wěn)定焊接過程，整體溫度增速漸緩，逐漸達(dá)到541.6℃（母材熔點(diǎn)的84.6%）；在穩(wěn)定焊接末期，焊縫峰值t增速顯著提升，最高可達(dá)567.8℃（母材熔點(diǎn)的88.7%）。

結(jié)合圖4，當(dāng)轉(zhuǎn)速在1500rpm時，焊縫峰值溫度進(jìn)一步升高，溫度場云圖與1000rpm時相似，未見明顯變化。在穩(wěn)定焊接的初期，焊縫的峰值t從487.2℃迅速上升到520℃；穩(wěn)定焊接中期，溫度整體增速放緩，達(dá)到570℃（鋁合金熔點(diǎn)的87.5%）左右；在穩(wěn)定焊接末期，焊縫峰值t增幅較大，最高達(dá)597.7℃（鋁合金熔點(diǎn)的93.3%）。

圖4 焊縫峰值溫度圖

結(jié)合圖5，轉(zhuǎn)速升至2000rpm 時，上表面溫度云圖和焊縫峰值溫度圖與1500rpm 時近似，焊縫峰值溫度進(jìn)一步提高，溫度場云圖未見明顯變化。在穩(wěn)定焊接的初期，焊縫的峰值t從501.5℃迅速升到550.3℃；焊接中期，溫度緩慢升高至580℃（鋁合金熔點(diǎn)的90.6%）；焊接末期階段，溫度最高可達(dá)613.5℃（鋁合金熔點(diǎn)的95.8%）。

圖5 焊縫峰值溫度圖

2.2 焊接速度對焊接結(jié)果的影響

預(yù)熱時間選擇1s，下壓量保持0.19mm，轉(zhuǎn)速1500rpm，焊速取值為100mm/min、300mm/min、500mm/min、700mm/min。焊速選取100mm/min 時，焊縫峰值溫度圖見圖4。

轉(zhuǎn)速1500rpm、焊速300mm/min 時，溫度場云的曲率最大位置在開始和結(jié)束時方向與焊接方向平行，前進(jìn)側(cè)溫升梯度和后退側(cè)溫降梯度較大，受熱影響面積縮小，此時，焊縫表面峰值t在穩(wěn)定焊接初期開始下降，后趨于穩(wěn)定，峰值t焊縫溫度基本控制在505℃，最高達(dá)507.7℃（鋁合金熔點(diǎn)的79.3%）。

結(jié)合圖6、圖7可知，當(dāng)焊速提高到500mm/min時，焊縫表面峰值t在穩(wěn)定焊接前半程從515℃緩緩降至475℃，后半程峰值t基本保持在470℃（鋁合金熔點(diǎn)的73.4%）。

圖6 焊速500mm/min 上表面溫度云圖

圖7 焊縫峰值溫度圖

當(dāng)焊速升至700mm/min（見圖8）時，焊縫峰值溫度圖與500mm/min時近似。溫度場云的曲率最大位置在開始和結(jié)束時，焊縫峰值t最低。在穩(wěn)定焊接前半程，焊縫表面峰值溫度從515℃緩慢降至452℃，后半程峰值溫度穩(wěn)定在450℃（鋁合金熔點(diǎn)的70.3%），溫度下降速度較500mm/min有所提高。

圖8 焊縫峰值溫度圖

經(jīng)上述實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，攪拌頭轉(zhuǎn)速選取1500rpm時，參考點(diǎn)的溫度升高和降低的幅度與焊接速度成正相關(guān)，這是因?yàn)樵诎宀纳釛l件相同的情況下，焊接速度提高，溫度變化時間縮短，溫度變化梯度增大。

從圖9 可知，隨著焊接速度的提升，焊縫峰值t也會有所提高，但其降低速度會漸緩。

圖9 焊縫表面穩(wěn)定峰值溫度與轉(zhuǎn)速關(guān)系

焊縫峰值溫度在軸肩外側(cè)與板材接觸位置出現(xiàn)，方向平行于焊接方向，軸肩前側(cè)峰值t低于后側(cè)峰值t。測溫點(diǎn)出現(xiàn)“雙峰現(xiàn)象”，最高溫為第二峰值。后退側(cè)溫度低于前進(jìn)側(cè)溫度，差值與焊速聯(lián)系更為緊密，差值與焊速成正比例關(guān)系，在轉(zhuǎn)速1500rpm、焊速100mm/min時，差值最小，最小值為18.9℃；在焊速700mm/min 時，溫差最大，為51.1℃。

3 結(jié)論

本文采用控制變量法，在側(cè)墻板焊接過程中，分別研究了FSW 不同轉(zhuǎn)速和不同焊速下側(cè)墻板的溫度場變化，分析判斷了參數(shù)的選擇對焊縫表面質(zhì)量的影響。

（1）側(cè)墻板焊縫表面峰值溫度與轉(zhuǎn)速呈正相關(guān)，但增速漸緩，在轉(zhuǎn)速2000rpm的焊接末期出現(xiàn)溫度峰值，峰值為613.5℃（未達(dá)母材熔點(diǎn)）。轉(zhuǎn)速為500rpm，穩(wěn)定焊接時，焊縫表面峰值溫度相對平穩(wěn)，溫度值為452℃，溫度上升僅出現(xiàn)在穩(wěn)定焊接的初始和收尾階段。轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大，焊縫表面峰值溫度隨時間上升趨勢逐漸明顯，這會促使焊縫質(zhì)量不均，影響側(cè)墻板焊縫表面質(zhì)量，進(jìn)而影響行車安全。

（2）于焊速而言，焊縫表面峰值溫度與焊速成負(fù)相關(guān)，降速趨緩，最高溫在焊速100mm/min 時出現(xiàn)，為597.7℃（未到母材熔點(diǎn)）。穩(wěn)定焊接，焊速為300mm/min 時，焊縫表面峰值t控制在505℃。選擇該焊接工藝參數(shù)，焊縫一致性最好，焊縫質(zhì)量要求得到滿足。