攪拌摩擦焊的在軌道客車上的應用及工藝特點

孫權智

中車長春軌道客車股份有限公司

攪拌摩擦焊的在軌道客車上的應用及工藝特點

孫權智

中車長春軌道客車股份有限公司

隨著現(xiàn)代工業(yè)的蓬勃發(fā)展，能源緊缺、環(huán)境污染等問題日益嚴峻。軌道客車行業(yè)已經(jīng)大量采用鋁合金車體結構，有效解決輕量化及污染問題。傳統(tǒng)的鋁合金焊接方法主要是TIG和MAG焊，其接頭強度低，還具有放射性。攪拌摩擦焊焊接溫度較低、缺陷少、無其他焊接耗材、污染小、更利于實現(xiàn)自動化焊接。攪拌摩擦焊以其優(yōu)異的環(huán)保及焊接能力，正在逐漸普及在鋁合金結構的軌道客車焊接生產(chǎn)中。

攪拌摩擦焊；軌道客車；鋁合金材料

1 概述

1.1 鋁合金材料在軌道客車領域的應用及其焊接性問題

隨著現(xiàn)代軌道交通運輸業(yè)的蓬勃發(fā)展以及能源緊缺、環(huán)境污染等問題的日益加劇。高速動車組的迅速發(fā)展，更加顯現(xiàn)出以鋼鐵為主要材料的軌道客車已經(jīng)遠遠滿足不了社會及工業(yè)的要求，快速安全、節(jié)能環(huán)保是高速軌道客車行業(yè)追求的目標。

鋁合金因其密度小、強度高、耐腐蝕、成型性能優(yōu)良、價格適中以及可實現(xiàn)型材的大型寬體化等特點，可以滿足列車車體的輕量化、密封性及可靠性等要求。而鋁合金要實現(xiàn)生產(chǎn)制造中的廣泛應用，首先要解決的就是焊接性問題。鋁合金的焊接性問題主要包括：氣孔、熱裂紋及接頭強度降低。此外，由于鋁的活性特點，極易在空氣中氧化，在表面形成氧化膜，氧化膜的熔點高于鋁材本身，因此鋁合金的焊接比較困難。

1.2 攪拌摩擦焊在鋁合金焊接中得到應用

1991年，攪拌摩擦焊也稱FSW(Friction Stir Welding)在美國焊接研究所研究成功，并迅速以其出色的環(huán)保及焊接能力，引起各工業(yè)領域的關注。由于FSW全過程都是在焊件的熔點以下完成的固相焊接，所以金屬材料沒有熔化，因焊接時焊接接頭收縮變形小、力學性能損失也明顯降低，因而與其他鋁合金焊接方法相比，F(xiàn)SW更適合鋁合金的焊接。攪拌頭對工件的機械攪拌以及軸肩的鍛壓作用，接頭會形成比母材更細小的動態(tài)再結晶組織，從而使焊縫的強度超過了母材的強度，此外它克服了以往熔焊中的諸如氣孔、裂紋、變形等缺點。

2 攪拌摩擦焊的焊接原理

攪拌摩擦焊通過攪拌頭軸肩和攪拌針與工件之間的摩擦、擠壓作用，產(chǎn)生足夠的摩擦熱以及塑性變形熱加上機械力將兩部分待焊工件連接起來的過程。通常分為四步：旋轉、插入、預熱以及移動。FSW具有傳統(tǒng)的熔化焊無法相比的優(yōu)點，其具有焊縫晶粒組織細小，接頭強度優(yōu)良，焊接過程環(huán)保、節(jié)能、無弧光煙塵等污染、對操作工人身體無害，焊后工件殘余應力小、板材變形小等優(yōu)點[1]。經(jīng)過二十多年的研究發(fā)展，攪拌摩擦焊已經(jīng)在飛機制造業(yè)、造船行業(yè)、汽車工業(yè)和軍事工業(yè)等領域得到廣泛應用。(圖1)

圖(1)

3 攪拌摩擦焊的優(yōu)勢及特點

3.1 攪拌摩擦焊的優(yōu)勢

目前，TIG和MAG焊是鋁合金焊接的主要方法，均采用氬氣作為保護氣體，通過陰極霧化作用破壞氧化膜從而完成焊接。弊端在于耗氬量大，并且具有放射性，對焊工身體會造成影響，接頭的強度也難以達到要求。

(1)攪拌摩擦焊是一種新型的固態(tài)塑化連接方法，比傳統(tǒng)焊接方法有明顯的技術優(yōu)勢。由于產(chǎn)生的最高溫度較低，因此攪拌摩擦焊接避免了溶化焊接所帶來的缺陷；焊接后具有細化的鍛造組織， 接頭組織的晶粒細小、焊接性能良好。

(2)焊接后結構的殘余應力或變形很小，而且焊接過程中也不需要其它焊接消耗材料，對環(huán)境的污染極小，無煙塵和飛濺，噪音很低；

(3)適合于實現(xiàn)自動化焊接。在對接接頭中，由于焊接方法的優(yōu)越性，攪拌摩擦焊對焊接接頭形狀、清潔度以及接頭裝配間隙均要求不太高；

(4)攪拌摩擦焊適于連接同質或異質的多種結構材料，如：鋁、鎂、銅、鐵、鈦等多種合金材料和熱塑材料，尤其適于連接常規(guī)焊接工藝難以焊接的高強鋁合金、鋁鋰合金、 鈦合金等航宇材料的焊接。

3.2 攪拌摩擦焊的工藝特點

攪拌摩擦焊作為一種新型的焊接方式，其在工業(yè)中的應用日趨普及，對其工藝特點及工藝參數(shù)的影響也有大量研究。如在攪拌摩擦焊時，焊接速度與熱輸入不呈線性關系，而是呈現(xiàn)復雜的形態(tài).當焊接速度較小，塑性變形產(chǎn)熱可以忽略時，摩擦熱主要地位.這時隨焊接速度的增加，熱輸入減小，接頭性能下降.當焊接速度較大，塑性變形產(chǎn)熱占主要地位時，隨焊接速度的增加，熱輸入增加，接頭性能上升.當進一步增加焊接速度，由塑性變形引起的產(chǎn)熱小于焊接速度增加造成的熱輸入減小，總的熱輸入減小，性能下降。當旋轉速度與焊接速度比值為定值時，接頭力學性能是變化的，并且不是線性的。由摩擦熱、塑性變形產(chǎn)熱綜合影響接頭的性能.摩擦熱是隨旋轉速度和焊接速度的絕對值的增加而增加，塑性變形熱是先下降后上升，總的趨勢是先下降，后上升。

4 攪拌摩擦焊在軌道客車領域的應用

1998年，日本日立公司最早將FSW技術應用于地鐵車體側墻，隨后該公司在地鐵、城軌動車組及高鐵的車體上大量采用FSE技術，其使用部件從最初的側墻擴展到車頂，接頭形式從單層單面到雙層雙面。目前日本企業(yè)已在車體總組焊工序中采用了FSW工藝，將側墻與車底焊為一體，保證了車體的美觀性，為鋁合金車體免涂裝打下了基礎。在歐洲，瑞典SAPA公司從1997年開始向所有主要列車生產(chǎn)商提供FSW工藝的鋁合金擠壓型材焊接部件。

在國內，2010年，株洲電力機車公司將代工的攪拌摩擦焊側墻板用于廣州地鐵3號線車體；青島四方股份公司將攪拌摩擦焊側墻板小范圍用于廣州地鐵5號線車體。2011年長春軌道客車股份有限公司制造出高速列車攪拌摩擦焊車體。以A型地鐵車體為例，地板、側墻、車頂、枕粱、端墻部件的長直焊縫均為攪拌摩擦焊，站焊縫總長度的60%以上。目前攪拌摩擦焊車體總組裝的焊縫，小件焊縫、曲面焊縫依然采用了電弧焊。如何在車體總組裝應用攪拌摩擦焊尚屬世界難點，也是未來以中車長春軌道客車股份有限公司為代表的軌道客車制造企業(yè)的努力方向。

[1]李東輝. 高強鋁合金超聲輔助攪拌摩擦焊工藝與機理研究[D]. 長沙院中南大學袁2008.