軌道車輛鋁合金地板攪拌摩擦焊殘余狀態(tài)分析

王冠千 夏正志 盛明磊

摘要：攪拌摩擦焊作為一種先進的固相焊接技術(shù)，以其針對鋁合金材料焊接效率高、焊后缺陷小、環(huán)境污染小等優(yōu)點被逐漸地廣泛應(yīng)用。但是目前缺乏攪拌摩擦焊焊接中力學(xué)過程的研究，也鮮有力學(xué)過程對于焊縫殘余狀態(tài)影響的資料，不利于攪拌摩擦焊的推廣應(yīng)用。因此，本文以某型地鐵車輛鋁合金地板的焊接為研究對象，對攪拌摩擦焊工作原理及焊縫殘余狀態(tài)規(guī)律進行了分析，總結(jié)了摩擦焊接過程中的力學(xué)規(guī)律與導(dǎo)致焊縫殘余應(yīng)力不對稱分布的原因。

Abstract： At present， most high-speed railway passenger cars and urban rail vehicles use aluminum alloy materials. However， due to the low melting point and complex structure of aluminum alloy materials， traditional welding methods are prone to defects. Friction stir welding， as an advanced solid-phase welding technology， is gradually widely used for its advantages such as high welding efficiency， small post-weld defects， and low environmental pollution for aluminum alloy materials. However， there is currently no information on the mechanical process in friction stir welding， and there are few studies on the effect of mechanical processes on the residual state of the weld， which is not conducive to the popularization and application of friction stir welding. Therefore， this article takes the welding of a certain type of subway vehicle aluminum alloy floor as the research object， analyzes the working principle of friction stir welding and the law of the residual state of the weld seam， and summarizes the mechanical process and the residual stress after welding caused by friction welding cause of asymmetric distribution.

關(guān)鍵詞：攪拌摩擦焊;軌道車輛;扭矩;殘余應(yīng)力

Key words： FSW;rail vehicle;torque;residual stress

0? 引言

高強度的鋁合金（6系或7系）在軌道車輛制造領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，如車體、受電弓等等。然而，傳統(tǒng)的焊接方法并不適用于高強度鋁合金，因為在焊接過程中由于過高的熱輸入會導(dǎo)致熱變形、裂紋等焊接缺陷[1]。因此部分動車組設(shè)備使用鉚接，這無疑會使設(shè)備結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，增加成本。攪拌摩擦焊是一種新興的固相焊接方式，特別適用于鋁合金、銅等熔點較低的金屬焊接。由于焊接過程溫度并未達到母材的固相線，所以母材不會融化，從根本上杜絕了傳統(tǒng)弧焊會出現(xiàn)的氣泡、裂紋等缺陷。但是，攪拌摩擦焊焊接過程也會發(fā)生復(fù)雜的加熱、冷卻、塑性變形、擠壓等過程，必然會引起的材料的微結(jié)構(gòu)變化和殘余應(yīng)力，影響焊縫的疲勞裂紋擴展壽命，因此有必要對焊接完成后的焊縫殘余狀態(tài)進行分析。

1? 攪拌摩擦焊原理

1.1 攪拌摩擦焊生熱機理

攪拌摩擦焊的熱源產(chǎn)生與傳統(tǒng)電焊、鍛焊完全不同，熱量主要來源于摩擦生熱和材料塑性變形生熱[2]。如圖1，攪拌頭軸肩、攪拌針底面與側(cè)面與工件直接接觸，在高速旋轉(zhuǎn)過程中，摩擦產(chǎn)生熱量。塑性變形生熱是焊縫區(qū)受熱軟化的材料在攪拌頭作用下發(fā)生強烈塑性變形實現(xiàn)的功熱轉(zhuǎn)換。

1.2 生產(chǎn)設(shè)備與材料成型過程

本文中研究所使用的攪拌摩擦焊設(shè)備為ESAB廠家生產(chǎn)的雙攪拌頭摩擦焊機，焊接對象為某型號地鐵車輛鋁合金地板，配有專用工裝夾具，如圖2。

焊接時由壓輪首先壓平前方搭接焊縫，一個高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭插入鋁合金板材，并以一定速度向前移動。熱源使鋁合金材料被加熱至塑性狀態(tài)，而攪拌工具向前移動，擠壓、攪拌塑性材料，塑性材料形成了一個穩(wěn)定流場[3]。焊接完成后的位置，隨著溫度的降低，塑性材料逐漸冷卻凝固形成焊縫。

2? 殘余狀態(tài)規(guī)律

2.1 殘余應(yīng)力與變形的形成

攪拌摩擦焊過程中，焊接熱源作用于焊縫區(qū)，周邊的材料溫度較低，溫差導(dǎo)致膨脹程度不同，變形大的區(qū)域受變形小的區(qū)域束縛產(chǎn)生熱塑性壓縮[4]。焊接完成冷卻過程中，塑性壓縮的區(qū)域縮短，由于材料的連續(xù)性，產(chǎn)生相互的制約作用。整個焊接過程中鋁合金材料經(jīng)歷了復(fù)雜的受熱、冷卻過程，所以內(nèi)部出現(xiàn)殘余形變和應(yīng)力不可避免。

而且攪拌摩擦焊與弧焊及其他傳統(tǒng)焊接不同，除受熱載荷外，還受到攪拌頭所產(chǎn)生的機械載荷，因此其殘余應(yīng)力與變形的形態(tài)也與其它焊接方式有所不同。

2.2 殘余應(yīng)力的測量與分析

目前生產(chǎn)中一般采用X射線方法對于殘余應(yīng)力進行測量。當存在壓應(yīng)力時，材料的晶面間距變小，發(fā)生布拉格衍射時衍射峰向高角度偏移;存在拉應(yīng)力時，晶面間的間距拉大，衍射峰位向低角度位移。用波長λ的X射線，先后多次以不同的入射角照射到焊縫位置，測出相應(yīng)的衍射角2θ，求出2θ對sin2ψ的斜率M，即可按照公式（1）求出應(yīng)力σ。（式中K是只與材料本質(zhì)、選定衍射面HKL有關(guān)的常數(shù)，由于K<0，所以M<0時為拉應(yīng)力，M>0時為壓應(yīng)力，而M=0時無應(yīng)力存在）。

測量地板焊縫后，歸納部分結(jié)果總結(jié)為圖3所示的鋁合金攪拌摩擦焊殘余應(yīng)力實驗結(jié)果。

圖3中Rx曲線為橫向壓應(yīng)力，在整個加工區(qū)域內(nèi)都保持較低的水平[5]。一般平行焊縫方向（縱向）殘余應(yīng)力較大，是引起裂紋、應(yīng)力腐蝕等問題的主要原因，而垂直焊縫方向（橫向）和板厚方向的殘余應(yīng)力一般較小，所以TIG焊的橫向殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)并未列出。TIG焊Ry曲線為使用非熔化極惰性氣體保護焊焊接完成的焊縫殘余應(yīng)力測量結(jié)果，焊縫兩側(cè)應(yīng)力對稱，數(shù)值方面相比于攪拌摩擦焊較高。

Ry曲線為攪拌摩擦焊縱向拉應(yīng)力，數(shù)值較壓應(yīng)力升高明顯，但峰值比TIG焊結(jié)果明顯降低。Ry曲線呈不對稱雙峰特征，兩個峰值分別是攪拌頭的軸肩邊緣，前進側(cè)應(yīng)力峰值明顯高于返回側(cè)應(yīng)力峰值[4]。

3? 殘余應(yīng)力不對稱分布原因分析

經(jīng)圖3可以看出鋁合金薄板攪拌摩擦焊后的殘余應(yīng)力分布和電弧熔化焊結(jié)果有明顯的差異。造成該差異的原因存在于兩個方面：①熱源不同;②攪拌摩擦焊在焊接過程中有機械載荷參與。

嫣東洋等[6]已做實驗驗證，熱載荷與下壓力不會對殘余應(yīng)力的對稱性有影響。單考慮熱源，TIG和摩擦焊后的殘余應(yīng)力是相同的;單考慮Z方向下壓力，可以減小殘余應(yīng)力，但不會造成殘余應(yīng)力的分布不對稱。

如圖4為攪拌摩擦焊焊后焊縫形態(tài)，表面有明顯弧狀拉刀痕跡，所以分析焊縫受到的機械載荷除了下壓力外，扭矩的作用也不容忽視。在此對于攪拌頭軸肩處進行受力分析。

考慮攪拌頭扭矩后，根據(jù)理論力學(xué)原理，扭矩Mz的值可看做攪拌頭表面各點受力對旋轉(zhuǎn)中心產(chǎn)生力矩的累計，所以扭矩作用可以通過攪拌頭下表面各點的切向作用力進行表達，如圖5，fx和fy是切向力在x和y方向的分量。分量可以按照公式（2）、（3）進行計算：

其中Rs是軸肩直徑;I是受機械載荷作用區(qū)域的材料厚度;r是測量點到主軸中心距離;x、y是測量點是以主軸中心為原點，在兩個方向上的坐標值;Mz是攪拌頭扭矩，取值來源于焊接過程中測量值。結(jié)合計算公式與扭矩示意圖5，可得出攪拌頭扭矩的剪切力在攪拌頭呈圓周狀分布，大小處處相等知識方向不同，而且扭矩剪切力在前進側(cè)與返回側(cè)的作用效果不同。

在前進側(cè)，剪切力在焊縫方向的分量與攪拌頭前進方向相同;在返回側(cè)，剪切力在焊縫方向的分量和攪拌頭前進方向正好相反，從而導(dǎo)致前進側(cè)材料受到的機械攪拌作用更強烈。因此，扭矩作用導(dǎo)致前進側(cè)材料在焊接過程中發(fā)生塑性變形的程度更大，所以最終前進側(cè)的焊接殘余應(yīng)力值高于返回側(cè)，應(yīng)力分布呈現(xiàn)不對稱的雙峰特征。

4? 結(jié)語

攪拌摩擦焊的焊縫在焊接過程中受到機械載荷作用，所以其殘余狀態(tài)與傳統(tǒng)弧焊不同。本文通過分析攪拌摩擦焊原理、焊縫形態(tài)以及殘余應(yīng)力測量數(shù)據(jù)折線圖，建立了扭矩力學(xué)原理圖，得出了扭矩導(dǎo)致攪拌摩擦焊焊縫兩側(cè)殘余應(yīng)力分布不均勻的結(jié)論，為操作人員進一步研究機械載荷對于攪拌摩擦焊焊縫殘余狀態(tài)的影響奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻：

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