橋殼摩擦焊接工藝可行性研究

胡萬良 方志剛

橋殼摩擦焊接工藝可行性研究

胡萬良1方志剛2

（1.方盛車橋（柳州）有限公司，廣西 柳州 545006；2.武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430070）

摩擦焊接因其優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能和無污染的技術(shù)特色，已在航空航天、汽車、工程機(jī)械等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本文針對(duì)汽車橋殼的摩擦焊接為研究對(duì)象，對(duì)摩擦焊接的優(yōu)勢(shì)以及在橋殼焊接上的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了介紹，確定了用于橋殼焊接的轉(zhuǎn)速、摩擦壓力、摩擦?xí)r間、變形量、頂鍛壓力、頂鍛變形量、頂鍛速度等關(guān)鍵工藝參數(shù)，并對(duì)摩擦焊接的接頭分別進(jìn)行了金相檢驗(yàn)、抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和疲勞測(cè)試，結(jié)果顯示均滿足設(shè)計(jì)要求。文章研究可為摩擦焊在橋殼及同類產(chǎn)品焊接研究提供參考。

汽車；橋殼；摩擦焊接；金相檢驗(yàn)

引言

橋殼作為汽車傳動(dòng)系的重要承載件，其為安裝主減速器、差速器、半軸、輪轂和懸架的基礎(chǔ)件，對(duì)主減速器、差速器和半軸起到重要的支撐保護(hù)作用[1-3]。后橋殼總成主要由上下橋殼、輪轂軸管、鋼板彈簧導(dǎo)向座、加強(qiáng)環(huán)、后蓋等零部件組成。同時(shí)，橋殼也是行駛系的主要組成部件之一，對(duì)車輛起到重要的支撐作用，使左右驅(qū)動(dòng)輪的軸向位置相對(duì)固定[4]。在車輛行駛過程中，橋殼承受驅(qū)動(dòng)輪傳遞的各種作用力和力矩，并通過懸架傳給車架，對(duì)整車的承載和力的傳遞起到重要的支撐作用。

近年來，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)、快速、健康發(fā)展，人們物質(zhì)生活水平和精神文化生活水平不斷提高，對(duì)出行工具的安全性、舒適性提出了更高要求。橋殼作為重要的整車安保件，其質(zhì)量問題，特別是環(huán)縫焊開裂、斷裂等問題，對(duì)車輛行駛的安全性造成嚴(yán)重影響。目前橋殼的焊接多采用CO2保護(hù)焊、電子束、摩擦焊三種焊接方式。其中，摩擦焊焊接工藝有強(qiáng)度高、有效提高承載能力、焊接過程不用填充任何輔助材料、不產(chǎn)生煙塵和弧光、有利于改善作業(yè)環(huán)境、減少污染等優(yōu)勢(shì)。

1 摩擦焊的特點(diǎn)與工藝

1.1 摩擦焊的特點(diǎn)

摩擦焊接工藝已在國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)尤其車橋制造業(yè)得到了廣泛應(yīng)用（如圖1）。自20世紀(jì)80年代，國(guó)內(nèi)的黃海汽車集團(tuán)車橋公司率先使用摩擦焊接技術(shù)進(jìn)行車橋生產(chǎn)。目前，車橋生產(chǎn)商的摩擦焊技術(shù)已成為評(píng)價(jià)其工藝水平、產(chǎn)品質(zhì)量高低的重要指標(biāo)。摩擦焊在國(guó)內(nèi)車橋生產(chǎn)中能夠快速發(fā)展得益于其優(yōu)異的技術(shù)特點(diǎn)，因此，本文首先對(duì)其技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行介紹。

圖1 車橋摩擦焊

（1）摩擦焊接過程中，被焊材料通常不熔化，仍處于固相狀態(tài)，軸向壓力和扭矩共同作用于摩擦焊接表面及其近區(qū)，產(chǎn)生了一些力學(xué)冶金效應(yīng)，如晶粒細(xì)化、組織致密、夾雜物彌散分布，以及摩擦焊接表面的“自清理”作用等。摩擦焊接時(shí)間短，熱影響區(qū)窄，熱影響區(qū)組織無明顯粗化。消除CO2氣體保護(hù)焊容易產(chǎn)生氣孔、夾渣、裂紋等缺陷。

（2）焊接過程可靠性高，摩擦焊接過程完全由焊接設(shè)備控制，人為因素影響很小。焊接過程中所需控制的焊接參數(shù)較少，只有壓力、時(shí)間、速度和位移。將計(jì)算機(jī)技術(shù)引入到摩擦焊接過程控制中，對(duì)焊接參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)與閉環(huán)控制，可進(jìn)一步提高摩擦焊接過程的控制精度與可靠性。摩擦壓力控制精度可達(dá)±0.3 MPa，主軸轉(zhuǎn)速控制精度可達(dá)±0.1%。

（3）焊件尺寸精度較高，由于摩擦焊接為固態(tài)連接，其加熱過程具有能量密度高、熱輸入速度快以及沿整個(gè)摩擦焊接表面同步均勻加熱等特點(diǎn)，故焊接變形較小。在保證焊接設(shè)備具有足夠大的剛性、焊件裝配定位精確以及嚴(yán)格控制焊接參數(shù)的條件下，焊件尺寸精度較高。焊接接頭的長(zhǎng)度公差和同軸度可控制在±0.25 mm左右。這可以有效減小焊接橋殼兩頭軸管的跳動(dòng)，進(jìn)而減少橋殼變形。

1.2 摩擦焊的工藝要求

為高效進(jìn)行橋殼的焊接，首先應(yīng)根據(jù)摩擦焊的加工工藝要求對(duì)零部件進(jìn)行處理。本節(jié)對(duì)摩擦焊的加工工藝進(jìn)行介紹。摩擦焊的焊接工藝應(yīng)滿足接頭設(shè)計(jì)原則；（1）旋轉(zhuǎn)式摩擦焊應(yīng)保證至少有一個(gè)面是圓形截面；（2）為保證卡殼在焊接過程中不失穩(wěn)，在零件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免設(shè)計(jì)成薄管、薄板等連接類型；（3）零件的連接接頭應(yīng)與中心線成30°～45°的斜面；（4）為保證摩擦加熱時(shí)的扭矩和功率峰值滿足要求，應(yīng)采用端面?zhèn)冉堑霓k法增大焊接接觸面積。

1.3 橋殼摩擦焊的工藝參數(shù)

摩擦焊的摩擦?xí)r間對(duì)焊接接頭處的溫度、焊縫質(zhì)量等具有顯著影響，如加熱時(shí)間過短會(huì)造成焊接截面的加熱不充分，焊接處的溫度場(chǎng)無法滿足摩擦焊接要求，造成焊接不合格。當(dāng)摩擦焊接時(shí)間過長(zhǎng)時(shí)，會(huì)造成摩擦焊接消耗能量多、熱影響區(qū)大、高溫區(qū)金屬過熱、變形大、飛邊大、耗材增大等問題，根據(jù)前期試驗(yàn)，在本文橋殼的摩擦焊接上，摩擦?xí)r間根據(jù)焊接位置選擇為1 s～40 s。

摩擦焊接的變形量與轉(zhuǎn)速、摩擦?xí)r間、摩擦壓力、材質(zhì)狀態(tài)、材質(zhì)變形抗力等均密切相關(guān)。為保證焊接的接頭強(qiáng)度滿足要求，需確定其具有一定的摩擦焊接量，因此摩擦焊接的變形量一般選擇為1 mm～10 mm。此外，停車時(shí)間對(duì)接頭的變形層厚度和焊接質(zhì)量具有顯著影響。停車時(shí)間的選擇要按照以下依據(jù)，當(dāng)變形層較厚時(shí)，停車時(shí)間要短以保證其焊接質(zhì)量，反之，當(dāng)變形層較薄時(shí)，且希望在停車階段增加變形層厚度，可適當(dāng)增加停車時(shí)間。一般的停車時(shí)間的選擇范圍為0.1 s～1 s。

頂鍛壓力是摩擦塑性變形層中的氧化物和其他有害物質(zhì)擠出的關(guān)鍵步驟，可使焊縫得到有效鍛壓、接頭牢固、晶粒細(xì)化。頂鍛壓力的選擇與材質(zhì)、接頭溫度、變形層厚度以及摩擦力有關(guān)。當(dāng)材料的高溫強(qiáng)度高時(shí)，頂鍛壓力要大；溫度高，變形層厚度小時(shí)，頂鍛壓力要?。荒Σ翂毫Υ髸r(shí)，頂鍛壓力要選擇較小值。頂鍛壓力一般選取摩擦壓力的2～3倍，對(duì)于中、高碳鋼，可選取100 MPa～400 MPa。

頂鍛變形量與頂鍛壓力相關(guān)，其為頂鍛壓力的具體的反映，當(dāng)頂鍛壓力較大時(shí)，頂鍛變形量也隨之增大，反之，當(dāng)頂鍛壓力較小時(shí)，頂鍛變形量也相應(yīng)較小，因?yàn)轫斿懽冃蔚牧康倪x擇一定程度上取決于頂鍛壓力。目前，頂鍛變形量的選擇一般為1 mm～6 mm。

頂鍛速度對(duì)接頭的焊接質(zhì)量具有顯著影響，指的是趁熱頂鍛的響應(yīng)。如頂鍛速度較慢，則無法滿足頂鍛變形量的要求，當(dāng)頂鍛速度較大，也無法最大程度發(fā)揮摩擦焊的優(yōu)勢(shì)。因此，頂鍛速度的選擇一般為10 mm/s～40 mm/s。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

橋殼的焊接形式為管-管的焊接，材料為：殼體總成（16Mn R-GB 6654-96）、輪轂軸管（40Mn BH-GB/T 5216），外徑尺寸為170 mm，壁厚為16 mm，截面積為7740.88 mm2。生產(chǎn)節(jié)拍：≤3 min（含上下件）。頂鍛力= (82.9 -165.7 MPa)×截面積=64.17 - 128.27 t；焊接壓力= (41.7 - 82.9 MPa) ×截面積=32.28 - 64.17 t。

2.2 焊接方法

在車橋進(jìn)行摩擦焊時(shí)，將軸頭裝卡在床頭卡盤上，橋包安裝在床身夾具上，軸頭旋轉(zhuǎn)接觸橋包端面，摩擦生熱使得橋包端面與軸頭端面金屬熔接。在整個(gè)焊接過程中，控制器對(duì)壓力、時(shí)間、轉(zhuǎn)速、位移4個(gè)參數(shù)進(jìn)行精確控制以實(shí)現(xiàn)鍛壓，并最終實(shí)現(xiàn)車橋的焊接。在焊接的全部過程中，使用高精度壓力傳感器、旋轉(zhuǎn)光柵尺、直線編碼器和時(shí)間控制器進(jìn)行測(cè)量。具體步驟如下。

（1）橋包與軸頭的徑向與軸向定位：將軸頭安裝在主軸卡盤內(nèi)(此時(shí)軸頭徑向完全定位)，橋包安裝在床身夾具上。橋包的安裝固定方式：床身的夾具采用內(nèi)錐斜孔結(jié)構(gòu)，通過與橋包中心的上下內(nèi)孔配合，作為橋包軸向定位基準(zhǔn)；而后床身夾具兩端雙爪夾具，抓緊橋包兩端外殼做為橋包的徑向定位。液壓油缸驅(qū)動(dòng)床頭向橋包方向運(yùn)動(dòng)，軸頭端面與橋包端面在壓力下靠緊，軸頭頂端靠緊床頭內(nèi)部的定位行程塊。如圖2所示，此時(shí)壓力傳感器收到壓力感應(yīng)，且軸頭徑向與軸向定位唯一，同時(shí)控制器記錄下加工前的全長(zhǎng)尺寸。控制器將預(yù)設(shè)值與此時(shí)的尺寸進(jìn)行對(duì)比，如與預(yù)設(shè)值差異較大則表明焊接不合格，機(jī)床自動(dòng)向操作者報(bào)警則剔除不合格工件。

第一，相關(guān)法律規(guī)范過于分散，協(xié)調(diào)性、操作性較差。除《未成年人保護(hù)法》《預(yù)防未成年人犯罪法》之外，其他有關(guān)未成年人的法律分散在一些相關(guān)法律、法規(guī)之中。由于在這些法律中所占比例很小，其重要性常常被忽視（這些法律的具體實(shí)施部門并非專門的未成年人保護(hù)及犯罪預(yù)防部門）；有關(guān)法律規(guī)范剛性不足，違反這些規(guī)范時(shí)要么缺乏法律后果規(guī)定，要么法律規(guī)范中規(guī)定的法律責(zé)任難以具體落實(shí)，致使許多法條成為宣誓性條文；有些法律規(guī)范之間還存在著明顯的不協(xié)調(diào)之處。上述這些立法狀況嚴(yán)重影響了相關(guān)法律的有效實(shí)施。

（2）橋殼焊接過程：如圖2所示，床頭自動(dòng)后退一小端距離準(zhǔn)備進(jìn)行焊接加工，隨后，床頭主軸開始旋轉(zhuǎn)液壓油缸以一級(jí)壓力（較小壓力）推進(jìn)軸頭始向橋包靠近，兩端面接觸并開始摩擦生熱。在上述加工焊接的過程中，軸頭同時(shí)與橋包因生熱以一個(gè)小恒定速率沿軸向收縮（參考圖B段）。主軸繼續(xù)保持轉(zhuǎn)速不變，但液壓油缸改用二次壓（中壓）推進(jìn)軸頭，生熱量加大，軸頭與橋包以中恒定速率繼續(xù)收縮（參考圖2的C-D段）。在焊接端面進(jìn)入白熱狀態(tài)時(shí)，主軸立即停止旋轉(zhuǎn)，同時(shí)油缸以兩倍二次壓力推進(jìn)軸頭，對(duì)軸頭進(jìn)行熔接，軸頭與橋包以更大斜率收縮（參考圖2的E-F段）。隨后，機(jī)床測(cè)量獲得焊后尺寸，并于控制器內(nèi)的予設(shè)理論焊后尺寸進(jìn)行核對(duì)，如有誤差則機(jī)床自動(dòng)對(duì)用戶報(bào)警。如果焊后尺寸與控制器預(yù)設(shè)值一致，則表明焊接合格將零件自動(dòng)卸下。

圖2 車橋摩擦焊工藝參數(shù)圖

（3）在焊接的全過程中，控制器通過HEIDANHAIN光柵尺實(shí)時(shí)對(duì)位移進(jìn)行測(cè)量和控制；通過高精度壓力表實(shí)時(shí)對(duì)油缸壓力進(jìn)行測(cè)量和控制；通過旋轉(zhuǎn)光柵實(shí)時(shí)對(duì)床頭轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量和控制；通過控制器時(shí)鐘對(duì)焊接時(shí)間進(jìn)行測(cè)量和控制。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 金相檢驗(yàn)

金相組織檢驗(yàn)按照GB 9441－2009中的有關(guān)要求進(jìn)行評(píng)定，圖3(a)所示為按照前文摩擦焊接工藝參數(shù)焊接的橋殼，按照GB 9441－2009對(duì)其進(jìn)行隨機(jī)取樣進(jìn)行進(jìn)行組織檢驗(yàn)，以確定橋殼的焊接質(zhì)量。

圖3 車橋摩擦焊工藝參數(shù)圖

摩擦焊的焊縫如圖4所示，其微觀組織為焊縫細(xì)晶區(qū)、熱力影響區(qū)和母材區(qū)。在摩擦焊接過程中，工件高速旋轉(zhuǎn)摩擦生熱，并在擠壓作用下兩金屬迅速達(dá)到塑化狀態(tài)，且隨著兩工件的相對(duì)的運(yùn)動(dòng)，焊縫中心得到重結(jié)晶再細(xì)化。而熱影響區(qū)因在摩擦焊接過程中，距離焊接面熱區(qū)域的局域較遠(yuǎn)，受到的熱力作用也略低于焊縫中心。因此，此時(shí)的金屬組織并未發(fā)生粗化，只是在靠近焊縫中心部位的組織在有所變形。接頭組織整體均勻細(xì)小而致密。綜上，摩擦焊接的質(zhì)量符合要求。

圖4 車橋摩擦焊工藝參數(shù)圖（100X）

同前文方法，按照GB 9441－2009對(duì)橋殼母材的熱影響區(qū)進(jìn)行金相分析，結(jié)果如圖5所示。橋殼的熱影響區(qū)的組織主要為粒狀貝氏體、鐵素體，而橋殼的母材組織則主要為鐵素體+珠光體。軸管的熱影響區(qū)主要由托氏體、貝氏體、鐵素體和馬氏體組成，而軸管的母材區(qū)域則主要由回火索氏體組成。綜上，采用摩擦焊的方法焊接的橋殼滿足要求，焊接進(jìn)行組織合格。

圖5 橋殼熱影響區(qū)圖

3.2 抗拉強(qiáng)度

如圖6所示，利用電子萬能試驗(yàn)機(jī)GNT200，按照GB 2649－81焊接接頭機(jī)械性能試驗(yàn)取樣方法對(duì)試件進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測(cè)定?？估瓘?qiáng)度555.8 MPa，滿足抗拉強(qiáng)度≥550 MPa～720 MPa的強(qiáng)度要求。塑性延伸強(qiáng)度為482.2 MPa，滿足塑性延伸強(qiáng)度≥460 MPa的要求。斷后延長(zhǎng)率為19.48%，滿足要求塑性延長(zhǎng)率≥17%的要求。綜上，采用摩擦焊接的方法滿足其加工要求。

圖6 抗拉試樣

3.3 抗彎強(qiáng)度

對(duì)摩擦焊接后的包含有環(huán)焊縫的部件鋸成條料檢測(cè)焊縫的抗彎強(qiáng)度，如圖7所示，共制取試樣4個(gè)，并分別對(duì)其進(jìn)行抗彎強(qiáng)度測(cè)試。焊接接頭均具有良好的彎曲性能，正彎、背彎180°均未出現(xiàn)裂紋，滿足要求。

圖7 橋殼彎曲試樣

3.4 疲勞測(cè)試

后橋是貨車的主要傳力和承載部件，形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且由于貨車行駛工況復(fù)雜多變，其剛度和強(qiáng)度對(duì)動(dòng)力的傳動(dòng)效率、橋殼的疲勞壽命起到了決定性的作用。因此，本節(jié)對(duì)摩擦焊接接頭進(jìn)行疲勞測(cè)試，結(jié)果如表1所示。隨機(jī)取樣3組進(jìn)行疲勞測(cè)試，結(jié)果顯示其在垂直疲勞的測(cè)試條件下均超過100萬次未發(fā)生斷裂，因此，可證明摩擦焊接的橋殼滿足其疲勞損傷要求。

表1 疲勞測(cè)試結(jié)果

序號(hào)名稱試驗(yàn)?zāi)康脑囼?yàn)情況 111噸橋1#垂直疲勞110萬次未斷裂 211噸橋2#垂直疲勞105萬次未斷裂 311噸橋3#垂直疲勞102萬次未斷裂

4 結(jié)論

本文針對(duì)橋殼的摩擦焊接工藝及加工試樣進(jìn)行了研究，為摩擦焊在橋殼及同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)加工過程提供了重要參考，得到的主要結(jié)論如下。

（1）摩擦焊在焊接過程中產(chǎn)生的力學(xué)冶金效應(yīng)有益于提升車橋焊接接頭的強(qiáng)度，且具有的可靠性好、精度高、效率快等優(yōu)勢(shì)均適應(yīng)于汽車車橋的加工生產(chǎn)。

（2）為本文所焊接的車橋涉及的轉(zhuǎn)速、摩擦壓力、摩擦?xí)r間、變形量、頂鍛壓力、頂鍛變形量、頂鍛速度等關(guān)鍵工藝參數(shù)進(jìn)行了選取。

（3）對(duì)摩擦焊接后的金屬分別進(jìn)行了金相檢驗(yàn)、抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和疲勞測(cè)試，結(jié)果顯示均滿足設(shè)計(jì)要求。

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Feasibility Study on Friction Welding Process of Axle Housing

Friction welding has been widely used in aerospace, automobile, construction machinery and other fields due to its high quality, high efficiency, energy saving and non-polluting technical characteristics. Aiming at the friction welding of the automobile axle housing as the research object, this paper introduces the advantages of friction welding and its application in the welding of axle housing, determines the key process parameters used for the welding of axle housing, such as rotation speed, friction pressure, friction time, deformation, upsetting pressure, upsetting deformation and upsetting speed, and carries out metallographic examination, tensile strength, bending strength and fatigue test for the friction welded joints, and the results show that they all met the design requirements. The research in this paper can provide reference for the research of friction welding in axle housing and similar products.

automobile; axle housing; friction welding; metallographic inspection

U4613

A

1008-1151(2022)09-0070-04

2022-06-08

廣西創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展專項(xiàng)（桂科AA21077014）。

胡萬良（1967－），男，山西河津人，方盛車橋（柳州）有限公司高級(jí)工程師，從事車橋產(chǎn)品開發(fā)和管理工作。

方志剛（1984－），男，湖北黃石人，武漢理工工大學(xué)汽車工程學(xué)院講師，從事汽車底盤研究工作。