攪拌摩擦焊采用弧焊修補(bǔ)工藝研究

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引言

近年來，軌道交通產(chǎn)業(yè)在我國(guó)飛速發(fā)展，各大城市爭(zhēng)相修建地鐵以緩解高峰期的客流壓力。車體作為地鐵車輛的主要承載部件，由底架（含地板）、端墻、車頂、側(cè)墻幾大部件組成，其中地板、側(cè)頂板、端墻板、側(cè)墻板目前均由長(zhǎng)直型材拼焊而成，且對(duì)平面度要求較高。攪拌摩擦焊工藝由于其穩(wěn)定高效且低熱輸入的特點(diǎn)被大量使用在車體大部件上。但是只要是焊接必然會(huì)有出現(xiàn)缺陷的可能性，弧焊用在攪拌摩擦焊縫修補(bǔ)工藝會(huì)解決很多攪拌摩擦焊自身無法處理的缺陷問題。

目前軌道車輛行業(yè)攪拌摩擦焊標(biāo)準(zhǔn)主要有：ISO25239-4《攪拌摩擦焊-鋁焊接工藝規(guī)程及評(píng)定》、ISO25239-5[2]《攪拌摩擦焊-鋁合金：質(zhì)量檢驗(yàn)要求》、弧焊的標(biāo)準(zhǔn)有ISO15614-2[3]《鋁及鋁合金焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》、ISO10042[4]《鋁及其合金焊接接頭—缺陷質(zhì)量等級(jí)評(píng)定》。

本文針對(duì)上述標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)比分析了攪拌摩擦焊焊縫采用弧焊修補(bǔ)后的焊縫質(zhì)量性能與攪拌摩擦焊焊縫性能，闡述了不同結(jié)構(gòu)焊縫常規(guī)缺陷返修方法以及焊縫性能。

1 標(biāo)準(zhǔn)分析

1.1 各標(biāo)準(zhǔn)使用情況

目前全球鐵路軌道交通行業(yè)多用ISO標(biāo)準(zhǔn)，ISO是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織的英文簡(jiǎn)稱，為國(guó)際鐵路聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)，適用于其所有成員國(guó)，鑒于各國(guó)鐵路狀況差異較大，其載荷要求也最嚴(yán)格。目前，我國(guó)地鐵車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要采用ISO標(biāo)準(zhǔn)，軌道焊接質(zhì)量體系ISO15085。

日本是最早發(fā)展高速列車的國(guó)家，其發(fā)展的JIS標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于本國(guó)鐵路具備良好適應(yīng)性。但是在國(guó)際軌道領(lǐng)域，ISO標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用更加廣泛。

1.2 焊接性能分析

ISO25239標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定攪拌摩擦焊焊縫性能必須滿足下表（ISO25239-4，6.3.3.3）。

表1 攪拌摩擦焊性能系數(shù)

ISO15614標(biāo)準(zhǔn)軌道弧焊焊縫性能必須滿足下表。

攪拌摩擦焊焊縫焊接時(shí)受過一次熱輸入，采用弧焊返修后受到第二次熱輸入，理論上收到二次熱輸入后的焊縫性能水平明顯下降。如果返修方案可行其焊縫強(qiáng)度必須滿足ISO25239和ISO15614標(biāo)準(zhǔn)最高要求，可以證明工藝合理。

2 試驗(yàn)方法及其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2.1 試驗(yàn)方法

以下試驗(yàn)情況均根據(jù)ISO標(biāo)準(zhǔn)確定。

試驗(yàn)一

（1）側(cè)墻型材

側(cè)墻型材試驗(yàn)等同于車頂、端墻、地板型材，均為中空薄板鋁型材，厚度一般為2.7mm，焊縫處厚度為4.5mm結(jié)構(gòu)，材料為6082-T6型材。

圖1 側(cè)墻型材焊縫結(jié)構(gòu)

圖2 側(cè)墻型材焊縫曲線挖除

（2）試驗(yàn)方法

對(duì)側(cè)墻型材進(jìn)行攪拌摩擦焊焊接，一般出現(xiàn)缺陷為隧道缺陷，模擬出現(xiàn)隧道缺陷位置，將焊縫延中心線往焊縫下面挖銑，直至挖到常規(guī)隧道缺陷處，模擬挖除隧道缺陷。

用弧焊對(duì)挖銑槽進(jìn)行焊補(bǔ)，對(duì)修補(bǔ)后的焊縫按照ISO25239-4[1]標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行焊縫性能試驗(yàn)。

該試驗(yàn)用于模擬車體部件型材在攪拌摩擦焊焊接過程中，由于型材自身、設(shè)備、工裝、人為等因素造成的焊縫內(nèi)部隧道缺陷。

試驗(yàn)二

（1）車鉤座型材

車鉤座型材為42mm厚度的鋁型材，焊縫厚度也為42mm，采用攪拌摩擦焊雙面焊接工藝，材料為6082-T6型材。

圖3 車鉤座型材焊縫結(jié)構(gòu)

圖4 車鉤座型材焊縫缺陷挖除

（2）試驗(yàn)方法

車鉤座容易出現(xiàn)的缺陷為母材以下4mm左右位置S線融合不良，寬度過寬。S線缺陷位置不定，可以在焊縫寬度方向任意位置。

采用超聲波探傷找出S線位置，畫線沿線往下挖銑將缺陷徹底清除干凈，采用弧焊方法將挖槽進(jìn)行焊補(bǔ)。對(duì)返修后的焊縫按照ISO25239-4[1]標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行焊縫性能試驗(yàn)

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容

針對(duì)6082鋁合金攪拌摩擦焊接缺陷采用MIG焊修，通過試驗(yàn)研究，制定可行的焊接工藝。主要研究?jī)?nèi)容如下：

1）研究修復(fù)后焊縫的射線探傷的特點(diǎn)；

2）研究修復(fù)后焊縫的宏觀、微觀金相組織的特點(diǎn)；

3）研究修復(fù)后焊縫的拉伸、彎曲等靜力學(xué)性能。

（1）修復(fù)后焊縫的宏觀、微觀金相組織的特點(diǎn)

焊縫射線探傷按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，觀察射線底片上有無隧道、氣孔、焊修未熔合、內(nèi)部裂紋等缺陷。

圖5 側(cè)墻焊縫修補(bǔ)射線

圖6 車鉤座焊縫修補(bǔ)射線

（2）修復(fù)后焊縫的宏觀、微觀金相組織的特點(diǎn)

焊縫宏觀和微觀檢驗(yàn)按照ISO 17639:2003(E)[5]進(jìn)行。觀察焊縫內(nèi)部有無孔穴缺陷、未焊透、弱連接、彎鉤、焊修未熔合、內(nèi)部裂紋等缺陷。微觀金相主要觀察焊修后的熱影響區(qū)（HAZ）、熱機(jī)影響區(qū)（TMAZ）、焊核（WN）和熔合區(qū)的微觀組織特征。

圖7 側(cè)墻焊縫修補(bǔ)宏觀

圖8 車鉤座焊縫修補(bǔ)宏觀

（3）修復(fù)后焊縫的拉伸性能

拉伸試驗(yàn)按ISO 4136:2001[6]進(jìn)行，測(cè)量接頭的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率，記錄斷裂位置。試板粗取樣規(guī)格分別為(300×45×t)mm，取樣后加工成拉伸試件。每組焊接參數(shù)的接頭拉伸試樣至少4件。拉伸試樣的形狀見圖。

圖9 側(cè)墻焊縫修補(bǔ)拉伸

圖10 車鉤座焊縫修補(bǔ)拉伸

（4） 修復(fù)后焊縫的彎曲性能

彎曲試驗(yàn)考察接頭的致密性。彎曲試樣準(zhǔn)備和彎曲試驗(yàn)按照ISO 5173:2000[7]進(jìn)行。彎曲角度180°，任何大于3mm的裂紋均算裂紋，無裂紋為合格。

圖11 側(cè)墻焊縫修補(bǔ)彎曲

圖12 車鉤座焊縫修補(bǔ)彎曲

2.3 試驗(yàn)設(shè)備

根據(jù)第2節(jié)試樣情況，試驗(yàn)需要設(shè)備：攪拌摩擦焊接設(shè)備、X射線探傷機(jī)、電子萬能試驗(yàn)機(jī)，如圖13～圖15。

圖13 攪拌摩擦焊設(shè)備

圖14 電子萬能試驗(yàn)機(jī)

圖15 X射線探傷機(jī)

2.4 試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過以上試驗(yàn)結(jié)果如下表所示，通過兩種型材試驗(yàn)，攪拌摩擦焊焊縫弧焊返修后的性能試樣可以滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 試驗(yàn)結(jié)果表

3 結(jié)束語

攪拌摩擦焊試驗(yàn)在我國(guó)經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展，各方面已經(jīng)非常成熟，但仍存在以下問題需要解決：

（1）攪拌摩擦焊速度提升問題。

（2）機(jī)器人攪拌摩擦焊在厚板方面的運(yùn)用。