劉海濤 孟騰逸 王彥鵬

(中車株洲電力機車有限公司 湖南 株洲 412000)

0 引言

攪拌摩擦焊相對熔焊有諸多優(yōu)點，可以避免熔焊過程的氣孔和熱裂紋，接頭效率高，焊后變形及殘余應(yīng)力小[1-3]。6005A-T6鋁合金因其良好的塑性、耐蝕性和成形性[4]，廣泛應(yīng)用于軌道交通行業(yè)車體的制造。

攪拌摩擦焊焊接過程中，Z軸下壓力隨轉(zhuǎn)速的增加而降低；前進力隨轉(zhuǎn)速的增加而減小，隨焊接速度增加而變大。因此，常用的力值控制區(qū)域只能設(shè)置于相對穩(wěn)定的焊接部分，即攪拌頭插入母材階段和提升階段不易采用“恒壓力”控制且對整個焊接過程不具有代表性。而在焊接穩(wěn)定后的區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)“恒壓力”控制才可以較好地反映焊接性能。

目前攪拌摩擦焊產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝通常把穩(wěn)定焊接過程中的轉(zhuǎn)速、焊速、壓力等作為固定工藝參數(shù)。而對于焊縫首尾兩端焊接起始及結(jié)束加/減速過程的研究相對較少[5-8]。行業(yè)內(nèi)攪拌摩擦焊產(chǎn)品生產(chǎn)工藝通常會對焊縫首尾端不穩(wěn)定區(qū)域(一般預(yù)留各100 mm余量)進行加工去除，過多的焊縫性能不穩(wěn)定區(qū)無疑將增大加工量和材料浪費，本文旨在研究焊接首尾兩端起始位置的焊縫性能，分析從攪拌針扎入工件至達到穩(wěn)定焊接參數(shù)，以及穩(wěn)定焊接至停止焊接抽離工件的過程中焊縫組織結(jié)構(gòu)和性能，確認(rèn)焊縫首尾兩端質(zhì)量穩(wěn)定性，對推動軌道交通車體制造提質(zhì)增效具有一定作用[9-10]。

1 試驗材料和方法

試驗材料選用鋁合金6005A-T6側(cè)墻型材生產(chǎn)物料，采用對接和搭接結(jié)合的接頭形式，接頭熔深為3.5 mm，公母接頭具體形式如圖1所示。此類摩擦焊接頭結(jié)構(gòu)為軌道交通用側(cè)墻及地板類長直型薄板型材最常見的設(shè)計方案，廣泛應(yīng)用于各類地鐵及城軌車輛的車體制造。

圖1 摩擦焊焊接接頭形式

圖2 力學(xué)試樣取樣位置圖

試驗設(shè)備為北京賽福斯特技術(shù)有限公司生產(chǎn)的二維攪拌摩擦焊設(shè)備，攪拌頭針長4.3 mm，軸肩直徑15 mm。采用1 500 r/min的轉(zhuǎn)速，1 000 mm/min的焊接速度，9 kN～10 kN的焊接壓力進行焊接，焊接設(shè)備的加速長度為50 mm，減速長度為25 mm。

取樣位置為本次試驗的重要項點，按照距離產(chǎn)品端部焊縫長度方向進行劃分，可以通過分析這些區(qū)域內(nèi)焊縫性能對預(yù)留余量的大小重新確認(rèn)。

2 取樣過程

2.1 拉伸/彎曲試樣取樣

在整條焊縫起始端區(qū)域、穩(wěn)定焊接區(qū)域、收尾端區(qū)域分別取樣，如圖2所示，彎曲與拉伸試樣取樣位置一致，試樣中心分別距離攪拌針扎入/抽出點25 mm、68 mm、111 mm。沿焊接方向分別將試樣編號為A1、A2…A8。

2.2 金相及硬度試樣取樣

在拉伸試樣取樣位置中心取金相/硬度試樣，如圖3所示。金相觀測面分別距離攪拌針扎入/抽出點14 mm、30 mm、57 mm、73 mm、101 mm、117 mm。圖3標(biāo)示了焊縫收尾端取樣尺寸，抽出端與起始端取樣位置對稱分布，以試板邊緣作為定位基準(zhǔn)。

3 試驗結(jié)果

3.1 力學(xué)性能

取兩道焊縫的力學(xué)性能數(shù)據(jù)進行對比分析，不同區(qū)域內(nèi)焊縫彎曲性能均表現(xiàn)良好；對抗拉強度進行對比，發(fā)現(xiàn)靠起始端和收尾端的焊縫抗拉強度略低于中部穩(wěn)定焊接的焊縫，整條焊縫抗拉強度趨勢為“山”字型，但整體強度相差不大(見圖4)。

圖3 金相試樣取樣位置圖(收尾端)

圖4 力學(xué)性能對比

起始端區(qū)域中A1、A2號樣件的焊縫平均抗拉強度為242 MPa，達到母材標(biāo)準(zhǔn)抗拉強度(270 MPa)的89.6%，收尾端A8號樣件的平均抗拉強度為240 MPa，達到母材標(biāo)準(zhǔn)抗拉強度的88.9%。焊縫中部穩(wěn)定焊接區(qū)域平均抗拉強度為249 MPa，達到母材標(biāo)準(zhǔn)抗拉強度的92.2%。

3.2 金相組織

焊核區(qū)由于受到攪拌棒強烈的機械攪拌作用，晶粒來不及長大就在攪拌的作用下破碎，形成細(xì)小的等軸晶組織[11]，本次試驗發(fā)現(xiàn)不同焊接區(qū)域內(nèi)的焊核區(qū)晶粒大小和形態(tài)差別不大。

熱影響區(qū)是沒有受到攪拌頭機械攪拌作用的區(qū)域，通過對比發(fā)現(xiàn)該區(qū)域內(nèi)基材的原始組織發(fā)生粗化程度不一。相較于穩(wěn)定焊接區(qū)致密的晶粒分布，焊接起始端和收尾端的晶粒組織在接近焊核區(qū)的小部分區(qū)域發(fā)生了局部破碎和黏附長大現(xiàn)象，其晶粒明顯大于穩(wěn)定焊接區(qū)。

起始端焊縫區(qū)域內(nèi)攪拌針處于逐步加速的階段，但攪拌針扎入過程設(shè)置了1 s的停留預(yù)熱時間，故總體熱輸入與穩(wěn)定焊接區(qū)相差不大，晶粒組織只是略大于穩(wěn)定焊接區(qū)。

收尾端焊縫區(qū)域內(nèi)攪拌針處于逐步減速的階段，但攪拌針焊接過程熱量逐步升高，且焊接速度在較短區(qū)域內(nèi)(50 mm)急速下降，晶粒組織不夠穩(wěn)定，如圖5所示。

圖5 不同區(qū)域熱影響區(qū)金相對比

3.3 硬度對比

對金相試樣兩端分別進行維氏硬度檢測，硬度檢測面分別距離焊縫起始/結(jié)束端中心位置14 mm、30 mm、57 mm、73 mm、101 mm、117 mm。

采用QNESS維氏硬度計，在每條焊縫中心設(shè)置31個測量點進行檢測，將焊縫起始端和收尾端硬度結(jié)果數(shù)據(jù)分別匯總制表分析，可得到圖6和圖7兩張數(shù)據(jù)對比表。

圖6 焊縫起始端不同位置硬度分布

圖7 焊縫收尾端不同位置硬度分布

可以發(fā)現(xiàn)攪拌摩擦焊焊縫硬度分布趨勢呈現(xiàn)“W”型，熱影響區(qū)域硬度最低,主要分布在60～65 HV，焊縫中心硬度有所提升，主要分布在65～70 HV，母材硬度最高，主要分布在85～95 HV?？傮w來說，起始端焊縫硬度分布不存在明顯問題，整體在合格范圍內(nèi)波動。由于摩擦焊起始端非常接近扎入點的位置(14 mm)，攪拌頭預(yù)熱和材料攪拌不完全充分，熱輸入不穩(wěn)定是導(dǎo)致硬度波動偏大的主要原因。

4 結(jié)論

(1)焊縫中部穩(wěn)定焊接區(qū)域內(nèi)，軸向壓力、插入深度、主軸旋轉(zhuǎn)速度、前進速度均可以達到穩(wěn)定狀態(tài)，使得焊接質(zhì)量相較于首尾端參數(shù)突變區(qū)域更加穩(wěn)定。

(2)通過對比距離攪拌針扎入/抽離不同位置的焊縫性能，發(fā)現(xiàn)扎入/抽出點最近距離14 mm位置的焊縫性能可以滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但是金相組織和硬度指標(biāo)存在較大波動性。

(3)距離扎入/抽出點30 mm以上位置的焊縫性能基本達到穩(wěn)定狀態(tài)，減少現(xiàn)有100 mm預(yù)留加工量至30 mm左右可以極大降低型材浪費，并有效提高生產(chǎn)效率。

(4)預(yù)留加工量減少后，經(jīng)批量產(chǎn)品實測，質(zhì)量穩(wěn)定可靠，具備良好的推廣性。