鋁合金攪拌摩擦焊缺陷及修補方法

王大臣

(中車長春軌道客車股份有限公司， 吉林 長春　130062)

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鋁合金攪拌摩擦焊缺陷及修補方法

王大臣

(中車長春軌道客車股份有限公司， 吉林 長春130062)

摘要：針對攪拌摩擦焊缺陷特點、類型及產(chǎn)生原因進行了介紹，對攪拌摩擦焊缺陷檢測和修補方法進行了針對性的分析，為加快攪拌摩擦焊技術(shù)在鋁合金車體的推廣應(yīng)用提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：攪拌摩擦焊； 鋁合金車體； 缺陷； 焊接修補

0引言

隨著高速鐵路的迅速發(fā)展和城鐵車市場需求的擴大，國內(nèi)軌道車輛制造業(yè)中自主研發(fā)的迫切性和制造新技術(shù)應(yīng)用的挑戰(zhàn)性進一步增加，使焊接新工藝的應(yīng)用也有了突飛猛進的發(fā)展。攪拌摩擦焊(FSW)技術(shù)自從1991年由英國焊接研究所TWI發(fā)明以來，得到了工業(yè)制造領(lǐng)域的密切關(guān)注，迄今這項革命性的連接技術(shù)已經(jīng)在國外工業(yè)制造領(lǐng)域得到規(guī)?；⒐I(yè)化的應(yīng)用[1-5]。

攪拌摩擦焊焊接具有效率高、環(huán)保、制造成本低和接頭強度高等優(yōu)點，但焊接參數(shù)選擇不當或工藝因素存在不一致等原因，也會在車輛產(chǎn)品生產(chǎn)中產(chǎn)生一些缺陷，隨著該項技術(shù)在鋁車體制造上的推廣應(yīng)用，對攪拌摩擦焊缺陷的控制和處理已成為軌道車輛鋁合金車體生產(chǎn)中考慮的問題，也是完善鋁合金車體攪拌摩擦焊工藝的重要環(huán)節(jié)。

文中著重分析了攪拌摩擦焊缺陷分析及處理方法，為加快攪拌摩擦焊技術(shù)在鋁合金車體的推廣應(yīng)用提供依據(jù)。

1攪拌摩擦焊技術(shù)特點

攪拌摩擦焊是一項固相連接技術(shù)，該技術(shù)通過旋轉(zhuǎn)的攪拌頭與兩焊件接觸產(chǎn)生摩擦熱，使接縫處金屬產(chǎn)生塑性軟化區(qū)，旋轉(zhuǎn)的攪拌頭周圍被軟化的金屬受到攪拌擠壓，并隨攪拌頭的旋轉(zhuǎn)沿焊縫前進側(cè)向后退側(cè)方向流動，軟化的金屬待攪拌頭離開冷卻后形成焊縫，實現(xiàn)了固相連接[2-6]，工藝原理如圖1所示。

1.工件； 2.攪拌頭； 3.軸肩； 4.攪拌針； 5.焊接面；

2攪拌摩擦焊缺陷產(chǎn)生原因

焊接接頭中因焊接過程產(chǎn)生的金屬不連續(xù)、不致密或連接不良的現(xiàn)象稱為缺欠。而在實際生產(chǎn)過程中，不能接受的缺欠定義為缺陷。攪拌摩擦焊缺陷產(chǎn)生主要是由于在焊接過程中，不同部位的焊縫金屬經(jīng)歷不同的熱力過程或塑性材料流動不足都會導(dǎo)致缺陷的形成。若將焊縫分成頂部、中部和底部3個部分，其中焊縫底部的熱量輸入最少而輸出最大，所以,當焊接工藝參數(shù)或焊具尺寸選擇不當時,焊縫根部易產(chǎn)生焊接缺陷[7]。雖然攪拌摩擦焊焊接方法能夠避免熔化焊中產(chǎn)生裂紋、氣孔等缺陷，但是若焊接參數(shù)選擇不當也會引入新的缺陷，例如典型的孔洞、溝槽和未焊透等缺陷。國內(nèi)外學者對攪拌摩擦焊工藝參數(shù)和接頭組織性能的研究結(jié)果可見，攪拌頭的形狀和尺寸、旋轉(zhuǎn)速度和焊接速度、攪拌針扎入的深度和傾斜角度、組對間隙和錯邊等多種因素能對攪拌摩擦焊接頭組織造成影響，進而也是產(chǎn)生缺陷的主要原因。

3攪拌摩擦焊缺陷分析及處理方法

針對軌道客車企業(yè)提質(zhì)提能生產(chǎn)大環(huán)境下，為了加快攪拌摩擦焊技術(shù)在軌道車輛鋁合金車體上的工程化應(yīng)用，應(yīng)重點分析攪拌摩擦焊焊縫檢測及缺陷處理方法的可行性。目前常用的檢測方法有VT、PT、UT、RT及ME等多種無損檢測方法，需要針對缺陷類型、缺陷出現(xiàn)在焊縫的位置及作業(yè)環(huán)境，采用弧焊和攪拌摩擦焊方法修補[8]。

3.1飛邊

攪拌摩擦焊焊接過程中，在攪拌頭軸肩壓力的作用下，與軸肩接觸的焊件表層金屬發(fā)生塑性流變，沿軸肩邊緣擠出冷卻后形成的毛刺，稱為飛邊，如圖2所示。

圖2　飛邊

若技術(shù)要求有“將沿著焊縫邊緣的所有飛邊、重疊的金屬或者其它突出母材的金屬全部去除”的明確要求，需要采用打磨工具將飛邊打磨去除，或者采用自動設(shè)備去除飛邊，注意不應(yīng)傷到母材；若未有技術(shù)要求的情況下可不處理。

3.2未填滿

由于焊接下壓量過大，使焊縫表面遠低于相鄰母材表面的現(xiàn)象，稱為焊接未填滿或焊接塌陷，如圖3所示。

圖3　未填滿

用打磨工具將缺陷處焊縫表面打磨干凈，確認無其它缺陷后，用弧焊進行焊補，填滿后，對焊縫進行打磨，打磨至焊縫與焊縫、焊縫與母材間圓滑過渡，打磨后進行檢測并應(yīng)滿足相關(guān)標準要求。

3.3未焊透

攪拌摩擦焊焊接過程中要求焊透,但在接頭根部未完全焊合的現(xiàn)象稱為未焊透，如圖4所示。

圖4　未焊透

通常引起的原因為攪拌針長度選擇不合適。若缺陷分布較短的情況下，焊補應(yīng)優(yōu)先采用弧焊方法；若缺陷分布較長的情況下，焊補應(yīng)優(yōu)先采用攪拌摩擦焊方法，對焊縫進行二次攪拌摩擦焊焊接，焊后打磨進行檢測并且合格。

3.4未熔合

在焊縫區(qū)未形成連接或不完全連接而出現(xiàn)的“裂紋狀”缺陷稱為未熔合，如圖5所示。

圖5　未焊合

通常引起的原因多為焊接工藝參數(shù)選擇不當。若缺陷分布較短的情況下，焊補可優(yōu)先采用弧焊方法；若缺陷分布較長的情況下，焊補可優(yōu)先采用攪拌摩擦焊方法，對焊縫進行二次攪拌摩擦焊焊接，焊后打磨進行檢測并且合格。

3.5過度焊透

攪拌摩擦焊焊接過程中接頭根部完全過度焊合的現(xiàn)象稱為過度焊透，如圖6所示。

圖6　過度焊透

過度焊透缺陷極少發(fā)生，此類缺陷若為系統(tǒng)性缺陷，建議不處理；若缺陷分布長度較大時，采用反裝工位使用打磨工具將缺陷打磨修平，檢測合格即可。

3.6表面溝槽

焊縫表面出現(xiàn)的類似溝槽的缺陷稱為表面溝槽，如圖7所示。

圖7　表面溝槽

通常引起的原因多為焊接熱輸入不足造成。若缺陷分布較短情況下，焊補可優(yōu)先采用弧焊方法，實施補焊。補焊后打磨進行檢測并且合格；若缺陷分布較長，焊補應(yīng)優(yōu)先采用攪拌摩擦焊方法。

3.7孔洞(隧道孔)

由于材料流動不充分而導(dǎo)致在焊縫內(nèi)部形成材料未完全閉合的現(xiàn)象稱為孔洞，如圖8所示。

圖8　孔洞

若孔洞方向與焊接方向一致，在焊縫長度方向上延伸較長時被稱作隧道型缺陷，也稱為隧道孔。若缺陷分布較短時，焊補應(yīng)優(yōu)先采用弧焊方法；若缺陷分布較大時，焊補應(yīng)優(yōu)先采用攪拌摩擦焊方法。必要時選擇與母材材質(zhì)一致、形狀與隧道孔仿形的鋁合金填充堵，采用機械方法填充隧道孔后，再進行攪拌摩擦焊二次焊接，打磨后進行檢測并合格。

3.8鉤及夾雜

攪拌摩擦焊焊接過程中，沿著焊接金屬搭接面向上或者向下彎曲的短小曲線，稱為“鉤”缺陷，如圖9所示。

圖9　鉤

夾雜是由于外界雜質(zhì)引入殘留在焊縫區(qū)形成的內(nèi)部缺陷，如圖10所示。

圖10　夾雜

兩種缺陷均可以采用弧焊方法修補，補焊后打磨進行檢測并且合格。

4結(jié)語

隨著軌道車輛制造關(guān)鍵技術(shù)的迅速發(fā)展，先進焊接技術(shù)的快速應(yīng)用直接影響產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)成本及制造周期，勢必成為各大軌道車輛制造企業(yè)拓展市場的途徑之一。而攪拌摩擦焊與傳統(tǒng)的熔化焊接方法相比具有諸多優(yōu)點，目前國內(nèi)外尚未建立起一套針對攪拌摩擦焊焊縫的質(zhì)量檢測與評價標準,技術(shù)上尚處于缺陷表征與檢測方法探索、技術(shù)積累階段，因此相應(yīng)的攪拌摩擦焊缺陷及修補方法標準研究勢必引起廣泛關(guān)注，成為新的應(yīng)用研究熱點。

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Defects of aluminum alloy Friction Stir Welding and repair method

WANG Dachen

(CRRC Changchun Railway Vehicles Co. Ltd., Changchun 130062， China)

Abstract：The characters, types and causes of Friction Stir Welding (FSW) defects were introduced, and the analysis of the defect detection and repair method was carried out, which provided the basis for the application of the friction stir welding technology in the promotion of the aluminum alloy car body.

Key words：Friction Stir Welding (FSW); aluminum alloy; defects; welding repaired.

收稿日期：2016-02-25

基金項目：長春市重大科技攻關(guān)項目(2013035)； 長春軌道客車股份有限公司技術(shù)開發(fā)項目(J0000000018K)

作者簡介：王大臣(1981-)，男，漢族，山東齊河人，長春軌道客車股份有限公司高級工程師，主要從事軌道車輛車體焊接工藝和理化檢驗方向研究,E-mail:wangdachen@cccar.com.cn.

DOI:10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2016.2.13

中圖分類號：TG 146.21

文獻標志碼：A

文章編號：1674-1374(2016)02-0171-04