鋁合金攪拌摩擦焊在鐵路貨車上的應用實踐

劉志強 武永亮 馮存義 張江銀 史春江 向 明

(1.中車長江運輸設備集團有限公司 湖北 武漢 430212； 2.中車株洲車輛有限公司 湖南 株洲 412003； 3.中車長江車輛有限公司 湖北 武漢 430212)

0 引言

鋁合金材料具有比重低、比強度高、耐腐蝕性強、成型性好等優(yōu)點，在很多工業(yè)領域得到了廣泛應用。早在上世紀70～80年代，北美、澳大利亞等國家就開始研發(fā)鋁合金鐵路車輛進行煤炭運輸。我國在借鑒北美重載技術發(fā)展的基礎上，為提高西煤東運能力，于2003年研制了25 t軸重C80鋁合金運煤專業(yè)敞車，首次在我國鐵路貨車上采用鋁合金材料，該車實現(xiàn)批量運營，經(jīng)濟和社會效益顯著。但以上鐵路貨車的鋁合金結構多采用鉚接結構，部分漏斗車型的底開門鋁合金結構采用熔化焊結構，均未采用鋁合金攪拌摩擦焊結構[1]。

為了積極推動中國鐵路貨車重載技術發(fā)展，中車長江運輸設備集團有限公司于2013年在大量研究論證的基礎上率先將攪拌摩擦焊技術成功應用于鐵路貨車，創(chuàng)新研制了30 t軸重KM98、KM100型系列煤炭漏斗車產(chǎn)品(見圖1)，其車體的側墻、端墻均采用了鋁合金攪拌摩擦焊結構，極大減輕了車輛自重，與鉚接結構相比不需要鉆孔與鉚釘，在大部件輕量化、標準化、模塊化設計應用及降本增效方面具有非常明顯的優(yōu)勢。產(chǎn)品載重達100 t，從批量應用情況看，實際運營試驗狀態(tài)良好，較C80鋁合金運煤專業(yè)敞車提高運能約25%，具有顯著的經(jīng)濟及社會效益[1]。

圖1 KM98型鐵路貨車

為保證鋁合金攪拌摩擦焊首次在鐵路貨車上的應用質量，對實際采用的6061-T6鋁合金進行了大量的攪拌摩擦焊基礎試驗研究，優(yōu)選焊接參數(shù)，嚴控關鍵控制點。

1 6061-T6攪拌摩擦焊工藝試驗

1.1 攪拌摩擦焊原理

攪拌摩擦焊是一種利用摩擦熱與塑性變形熱作為焊接熱源的新型焊接技術，由一個高速旋轉的攪拌頭扎入工件后沿焊接方向運動，在攪拌頭與工件接觸部位產(chǎn)生摩擦熱，使其附近金屬形成塑性軟化層，軟化層在攪拌頭旋轉的作用下填充攪拌針后方所形成的空腔，并在軸肩與攪拌針(如帶螺紋的圓柱體、圓錐體或其他形狀)的攪拌及擠壓作用下實現(xiàn)材料固相連接，其焊縫在熱力耦合的鍛壓作用下形成[2-3]。原理如圖2所示。

圖2 攪拌摩擦焊示意圖

1.2 工藝試驗

1.2.1試驗材料

目前，國內(nèi)外用于鐵路貨車制造的鋁合金材料主要為：5系非熱處理強化鋁合金和6系、7系熱處理強化鋁合金。以公司創(chuàng)新研制的KM98型煤炭漏斗車產(chǎn)品為例，選用6061-T6鋁合金擠壓成型板材為試驗對象，其化學成分及標準力學性能如表1所示。

表1 6061-T6鋁合金化學成分與力學性能

1.2.2對接接頭型式

試驗用鋁合金材料為擠壓成型，對接接頭如圖3所示。為保證焊件裝夾，避免焊縫厚度受攪拌摩擦擦焊成型影響而減薄，對接縫區(qū)域(區(qū)域寬度大于攪拌摩擦焊焊縫寬度)設計補償厚度，在接頭處設計凸臺便于保障裝夾精度。試驗用試件的板厚尺寸為t1=7 mm，t2=5 mm。

圖3 產(chǎn)品側墻結構采用的對接接頭型式

1.2.3焊接參數(shù)優(yōu)選

相關文獻研究表明，攪拌摩擦焊熱輸入主要取決于轉焊比[4]，為保證焊縫力學性能，可先確定適合的轉焊比，在此基礎上再進行系列試驗優(yōu)選參數(shù)。從理論分析出發(fā)，在所采用攪拌摩擦焊設備應用經(jīng)驗的基礎上，設定攪拌頭壓力為28 kN、軸傾角為1.6°、攪拌針長度為6.8 mm、軸肩直徑為?20 mm，上述參數(shù)為不變量，通過改變旋轉速度、焊接行進速度等變量進行焊接參數(shù)優(yōu)選。最佳焊接參數(shù)確定步驟如圖4所示 。

圖4 攪拌摩擦焊最優(yōu)工藝參數(shù)確定流程

采用不同的參數(shù)共進行了20組焊接試驗，根據(jù)焊縫外觀質量情況確定對12組試件進行理化檢驗，對于表面質量較差的試板直接按參數(shù)不合格處理，不再進行理化檢驗。典型的焊縫外觀如圖5所示，所選12組試件的焊接參數(shù)如表2所示。

表2 所選12組試件的焊接參數(shù)對照表

圖5 攪拌摩擦焊試驗件焊縫外觀

對選擇的12組試件分別進行無損檢測，焊縫經(jīng)UT、雙面PT檢查合格，UT檢測符合TB/T 1558.2標準，評定等級為1級；PT檢測符合TB/T 1558.5標準，評定等級為1級。參照ISO 25239標準，對選擇的12組試件分別取樣進行拉伸、彎曲、宏觀金相試驗等力學性能檢測，拉伸試驗斷口均為熱影響區(qū)或熱力影響區(qū)。具體檢測數(shù)據(jù)(抗拉強度數(shù)據(jù)為兩組試樣檢測的平均值)如表3所示，焊縫強度與轉速比的關系如圖6所示。

表3 焊接試件理化檢測數(shù)據(jù)

圖6 焊縫強度與轉速比的關系

根據(jù)以上試驗數(shù)據(jù)，轉速比在1.3～2.0之間時，試樣抗拉強度值與母材標準值的比值基本可達80%，且焊縫表面質量較好，焊縫外觀及力學性能滿足標準要求；當轉速比大于2.0時會出現(xiàn)較明顯的粘刀、飛邊等現(xiàn)象，綜合考慮焊縫力學性能和表面質量，選用6#試件的焊接參數(shù)(轉速1 300 r/min、焊接速度1 000 mm/min)進行產(chǎn)品批量生產(chǎn)，產(chǎn)品焊接接頭的宏觀金相如圖7所示。

圖7 焊接接頭宏觀金相

2 易見缺陷的成因與預防措施

近年來，國內(nèi)外科研機構、高等院校對鋁合金攪拌摩擦焊工藝和接頭組織性能進行了大量研究，與常規(guī)的熔焊方法相比，攪拌摩擦焊由于是固相焊接，母材不熔化，焊接過程無飛濺、不需要填充焊絲與保護氣體，焊縫內(nèi)不易形成氣孔和熱裂紋等焊接缺陷。而且整個焊接過程一般靠設備程序化控制，焊接質量主要靠焊接設備的性能保障、焊前的準備工作、過程中的有效管理等環(huán)節(jié)來保障。

但在批量生產(chǎn)中，常會因開工前的準備工作不充分、過程管理不力或突發(fā)情況等因素，造成焊接異常，出現(xiàn)自身固有的缺陷，包括焊縫外觀缺陷和內(nèi)部缺陷。結合相關文獻，從試驗情況看，板材對接攪拌摩擦焊焊接接頭易出現(xiàn)的缺陷主要有焊縫塌陷、飛邊、起皮、溝槽、孔洞、弱連接、未焊透7種。缺陷產(chǎn)生的主要原因是工藝波動、焊具尺寸不合適或者裝配不良等因素造成焊接過程中不同部位的焊縫金屬經(jīng)歷了不同的熱機過程，造成過熱或塑性材料流動不足、根部摩擦熱不夠。具體如表4所示。

表4 鋁合金攪拌摩擦焊典型缺陷產(chǎn)生的主要原因及預防措施

3 關鍵控制點

在保證焊接技術文件齊全，焊接操作人員、檢查人員的資質與技能，焊接設備具備焊接穩(wěn)定性、自動化控制、參數(shù)動態(tài)顯示及焊接過程視頻監(jiān)控等能力的基本前提下，重點對以下幾方面進行控制。

3.1 攪拌摩擦焊設備

焊接設備主要參數(shù)允許波動范圍如下：攪拌頭轉速的波動范圍為±1%；攪拌頭行進速度的波動范圍為±0.5%；攪拌頭傾角的波動范圍為±0.1°。攪拌頭在700 ℃以上應仍能保持良好的高溫韌性、高溫硬度及抗磨性能。所選的攪拌頭結構材料不應在焊接時與鋁合金發(fā)生粘連反應。

3.2 工裝要求

攪拌摩擦焊需針對被焊產(chǎn)品的結構特點配備滿足焊接裝配要求的焊接工裝，變形控制及壓裝裝置須可靠、穩(wěn)定。焊接墊板表面必須光潔，表面粗糙度不大于3.2 μm，能實現(xiàn)和焊件的緊密貼合。焊接墊板必須有足夠的剛性，且與被焊材料不發(fā)生反應。

3.3 環(huán)境溫度與濕度

環(huán)境溫度一般應保持在10 ℃以上，相對濕度一般不大于80%。

3.4 焊接控制要求

3.4.1參數(shù)優(yōu)選

FSW工藝參數(shù)是影響FSW焊接接頭強度的重要因素[5]，相關研究表明FSW工藝參數(shù)對焊接接頭組織和性能的影響呈非線性關系，正式焊接前通過系列試驗確定最優(yōu)焊接參數(shù)意義重大。一般情況下，選擇攪拌針的直徑為焊件厚度的0.9～1.1倍；攪拌頭軸肩直徑通常是攪拌針直徑的3倍左右；攪拌頭傾角一般為1.5°～4.5°；對焊接熱輸入起決定作用的攪拌頭轉速與焊接速度需在經(jīng)驗積累的基礎上通過試驗論證優(yōu)選[5-6]。

3.4.2焊前準備

(1)攪拌頭檢查

焊接前，應確保攪拌頭清潔，沒有對焊縫產(chǎn)生不良影響的污染物(如：油污、油脂和污垢等)存在；應按期對攪拌頭形狀及其磨損程度進行檢驗，符合相關設計與工藝規(guī)范要求。

(2)焊件檢查與清理

焊前應對焊件的待焊部位進行清理，去除接頭對接面及待焊區(qū)域(攪拌頭軸肩直徑+10mm)的氧化膜、油污及異物等。清理可采用化學方法和機械方法。

3.4.3裝配

對接接頭允許的局部最大間隙應不大于表5的規(guī)定。

表5 對接接頭允許的局部最大組裝間隙 /mm

對接接頭錯邊量應不大于表6的規(guī)定。

表6 對接接頭允許的最大錯邊量 /mm

焊接裝配攪拌頭旋轉中心與焊件對接線的偏移量應不超過表7的規(guī)定。

表7 焊接裝配偏移量要求 /mm

焊件裝配應在焊接工裝上進行，確保焊件與墊板緊密貼合，保證接頭的裝配間隙、錯邊、偏移量符合表5～表7的規(guī)定。

3.4.4施焊

(1)新產(chǎn)品焊接前，應通過焊接試件進行試驗驗證確定焊接工藝參數(shù)(攪拌頭轉速、焊接速度等)，參數(shù)確定后進行焊接工藝評定試驗，將焊接工藝參數(shù)納入工藝文件作為指導生產(chǎn)的依據(jù)。焊接前需要確認攪拌頭規(guī)格及參數(shù)等是否符合文件相關要求。不同批次的產(chǎn)品焊接前，應按WPS試焊試件，以驗證焊接工藝參數(shù)的穩(wěn)定性，評價合格后方可正式焊接產(chǎn)品。

(2)遇攪拌頭材質或結構變化、母材厚度變化超過15%、工藝參數(shù)變動、工裝夾具調整等條件中的任何情況，均須重新確認焊接參數(shù)，進行工藝評定，評定合格后方可開始正式生產(chǎn)。

(3)攪拌頭與焊件的傾角為2°～5°，攪拌針尺寸須與產(chǎn)品板厚尺寸相匹配；攪拌摩擦焊參數(shù)與攪拌頭材料和形狀、產(chǎn)品材料及厚度等相關，焊接操作時應合理匹配攪拌頭轉速、焊速等參數(shù)，防止焊接缺陷；焊接操作人員應注意檢查工藝參數(shù)的正確性和穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)工藝參數(shù)及設備問題應及時采取應急處理措施，確認故障已排查后重新進行焊接工藝評定，合格后方可進行焊接。

3.4.5焊后檢查

焊接完成后根據(jù)焊縫質量等級按標準要求進行相關檢查，做好相關記錄。對于鐵路貨車結構，一般攪拌摩擦焊焊縫不允許返修。

4 結束語

通過設計補償厚度，有助于改善鋁合金板對接接頭的綜合承載能力；通過優(yōu)選焊接參數(shù)、嚴控關鍵控制點可以獲得較好的鋁合金板對接接頭攪拌摩擦焊質量。鋁合金攪拌摩擦焊技術在鐵路貨車應用領域具有較高的推廣價值，而且在鐵路貨車批量應用實踐中取得了良好效果。

(1)采用優(yōu)選焊接參數(shù)，6061-T6鋁合金攪拌摩擦焊可獲得較優(yōu)的焊接質量，焊縫強度與母材標準強度的比值可達90%。

(2)通過強化人員、設備、工裝、焊接過程及焊后檢測的控制管理，嚴控關鍵控制點，可以有效保證攪拌摩擦焊質量，相對于傳統(tǒng)的熔焊工藝，其質量更可控。