軌道車輛新型鋁合金枕梁焊接工藝

劉長和，薛 濤，魏 良，彭長偉，康麗齊，董 尋，劉 松，孫明雙

（中車長春軌道客車股份有限公司，吉林長春130062）

0 前言

在軌道車輛車體結構制造過程中，焊接已然成為一種重要的制造工藝，各種鋁合金的主要承力構件和部件大都采用焊接結構。目前，鋁及鋁合金的焊接技術已有長足的進步，除傳統氬弧焊等熔焊工藝外，攪拌摩擦焊等新型固相焊接方法已經從技術研究邁向高層次的工程化和工業化應用階段，現已成為鋁及鋁合金首選的連接工藝[1]。

在軌道交通行業，隨著列車速度的不斷提高，對列車減輕自重、提高接頭強度及結構安全性的要求越來越高[2]。由于攪拌摩擦焊焊接接頭強度優于MIG焊焊接接頭，且缺陷率低，成本低，目前軌道車輛的制造中采用攪拌摩擦焊技術已是主流趨勢。此外，與傳統的MIG焊及TIG焊接相比，因其熱變形引起的焊接變形小，故可省略板側焊道的精整工藝，減少焊接變形的校正工時。試驗證明，FSW焊接與MIG焊接相比，FSW焊金相組織致密，與母材組織更為接近，表現出優良的性能。但FSW焊接因設備原因而具有一定應用的局限性，因此采用弧焊和FSW焊接相結合的焊接工藝是一種創新性選擇。

1 制作難點

1.1 結構設計

枕梁結構示意如圖1所示。該結構主要由兩側枕梁、筋板和上下蓋板組成，筋板和枕梁、筋板與上蓋板間焊縫采用弧焊，上、下蓋板與枕梁間焊縫采用攪拌摩擦焊，最后通過整體加工成型，屬于一種全新的枕梁設計結構。

圖1 枕梁結構Fig.1 Pillow beam structure

1.2 尺寸精度控制

枕梁采用弧焊和攪拌摩擦焊兩種工藝相結合的方式。攪拌摩擦焊對工件的平度和間隙要求十分嚴格，為保證攪拌摩擦焊的焊接質量，要求弧焊后平面度控制在1.5mm以內，FSW焊縫處錯邊和間隙小于等于0.5 mm。邊梁型材高度尺寸1090+0.5mm，型材寬度方向的平面度控制在0.5 mm以內，長度方向的平面度控制在0.5 mm/m以內。

1.3 焊接變形控制

相對于傳統弧焊，攪拌摩擦焊對焊縫間隙、直線度要求較高，而枕梁在攪拌摩擦焊之前需完成中間筋板的焊接，弧焊量大（a10的角焊縫），因此對其焊接變形的控制提出了更高的要求，以及如何在非理想組對狀態下獲得優質的攪拌摩擦焊接頭。主要難點有：（1）如何選用合理的焊接工藝將焊接變形控制在最小的范圍內；（2）專用工裝設計及制造；（3）通過參數優化降低攪拌摩擦焊的組對要求。

2 工藝方案

針對上述難點，根據新型枕梁結構制造精度的要求，將枕梁的整個制作主要分成弧焊和攪拌摩擦焊兩道工序，然后整體機加工成型，從兩道工序分別制定工藝方案，保證枕梁的制作精度滿足圖紙要求。

2.1 材料選擇

大型鋁合金擠壓型材以其在減重性、耐蝕性、加工性等方面具有其他材料無法比擬的優點，在軌道車輛車體上得到廣泛應用[2]。大型中空擠壓型材6005A-T6鋁合金是一種中等強度鋁合金，主要用于城鐵客車、鐵路客車，尤其是高速動車組的車體制造，具有中等強度，良好的塑性、抗腐蝕性、焊接性及加工成形性，綜合性能優良。本研究選用A1-Mg-Si系6005A-T6的鋁合金擠壓型材和板材。

2.2 枕梁弧焊工藝

2.2.1 組對、焊接

采用工裝側面和端部定位裝置組對下蓋板和兩側邊梁型材，然后將工裝上的壓緊裝置進行預緊固，橫向一側利用頂緊裝置，同時輔以枕梁型材隨形塊對枕梁進行頂緊，保證兩枕梁與下蓋板間無間隙組對。采用樣板組對各筋板，然后點固各筋板，在保證筋板垂直焊接筋板，待工件冷卻后，松開上部卡具，組對上蓋板，在兩端內側部位進行段焊，焊接位置如圖2所示，工裝結構如圖3所示。

2.2.2 焊接變形控制

鋁合金的熱導率高和線膨脹系數較大的特點決定其焊接時易產生焊接變形[3]。該枕梁焊接位置主要集中在筋板位置，包括筋板與兩側枕梁型材、筋板與下蓋板之間，均為a10的角焊縫，焊接量大。通過工裝夾具束縛焊后變形，首先要保證筋板的垂直度，其次是保證兩枕梁型材間的寬度尺寸，才能保證上蓋板的安裝和安裝后的尺寸要求。筋板焊接采用合理的焊接參數和焊接順序，焊前預熱焊縫區域，預熱溫度100～120℃，焊絲選用ER5087，直徑1.2mm。采用多層多道焊，共2層3道，第1道選用大電流，保證熔深，焊接電流 230～240 A，焊接速度 35～40 cm/min，焊后打磨處理，去除黑灰和殘渣，當層間溫度達到80～100℃時，焊接第2道焊縫，焊接電流220～230A，焊接速度30～35 cm/min，第3道焊縫焊接參數與第2道相同，焊接順序為先進行筋板與兩枕梁型材間焊縫的打底焊，再進行筋板與下蓋板間焊縫的打底焊接，最后依次進行所有焊縫的蓋面焊接，鏡像焊縫采用交替焊接。在邊梁型材外側增加壓緊裝置，以及焊接筋板時在兩邊梁型材間使用千斤頂支撐，防止焊后邊梁收縮。

圖2 焊接位置Fig.2 Welding position

圖3 工裝結構Fig.3 Process equipment structure

2.3 攪拌摩擦焊工藝

2.3.1 工裝、設備準備

攪拌摩擦焊枕梁工裝示意如圖4所示，其技術條件為：①枕梁長度和寬度方向上均為一側定位，另一側頂緊；②壓緊點需布置在筋板位置，不能與攪拌焊主軸干涉；③側向壓緊要求具有足夠的壓緊力，盡量消除焊縫組對間隙；④工裝設計為可整體吊裝形式，要求其有足夠的強度，在吊裝過程中定位精度不發生變化。

圖4 攪拌摩擦焊工裝Fig.4 Process equipment of FSW

枕梁攪拌摩擦焊的設備如圖5所示，主要技術參數見表1。

圖5 攪拌摩擦焊設備Fig.5 Equipment of FSW

表1 攪拌摩擦焊設備主要技術參數Table 1 Main technical parameters of FSW equipment

2.3.2 攪拌摩擦焊工藝特點

攪拌摩擦焊焊接過程如圖6所示。最重要的參數是攪拌頭的尺寸、攪拌頭的圓周速度以及攪拌頭與工件的相對移動速度[4]。攪拌針伸進材料內部高速旋轉進行摩擦和攪拌，攪拌頭的肩部與工件表面摩擦生熱，并防止塑性狀態材料的溢出，同時可清除表面氧化膜。攪拌頭高速旋轉與工件間發生攪拌摩擦，利用摩擦所產生的熱使工件達到熱塑性狀態，此時，攪拌頭沿著焊板進行接縫運動，由此形成攪拌摩擦焊的焊縫[5]。

圖6 攪拌摩擦焊焊接示意Fig.6 Welding diagram of FSW

2.3.3 枕梁檢測、焊接、加工

枕梁攪拌摩擦焊完成后對焊縫進行100%超聲波相控陣檢測，并在兩端部預留位置取樣，進行力學性能檢測，經檢測合格后，完成上蓋板與筋板間環形焊縫的焊接，最后整體加工成型。

3 FSW接頭和MIG接頭的疲勞性能試驗對比

3.1 試驗方法

采用日本島津CONROLLER型疲勞試驗機，試驗參考GB/T3816標準——焊接接頭脈動拉伸疲勞試驗方法進行，選取應力比R＝0.1，加載方向與對接焊縫垂直，載荷為橫幅sin加載波，加載頻率f=10 Hz。先分別對FSW和MIG焊2組試樣進行靜載拉伸，FSW 靜載強度 σb=216 MPa，MIG靜載強度σb=276.8 MPa，取其平均值作為FSW和MIG焊接接頭的抗拉強度，疲勞載荷參照此值選取。通過實驗確定名義應力范圍Δσ-N曲線和在1×107次循環時不發生疲勞斷裂的Δσ為疲勞強度特征值。

3.2 試驗結果

根據實驗數據繪制FSW焊和MIG焊疲勞SN曲線如圖7所示。對于給定的循環疲勞次數，攪拌摩擦焊試樣的疲勞強度明顯高于MIG焊接接頭，FSW的S-N曲線比MIG焊的變換更為平緩，即在長壽命區（大于等于1×107）FSW的疲勞強度增加更顯著。另外，從FSW和MIG焊接頭在不同應力水平下的疲勞強度分布可看出，FSW接頭在相同的應力水平疲勞壽命值比較集中，而MIG焊分散度較大，這與接頭的形態及組織結構有關。攪拌摩擦焊接頭的幾何形狀與熔化焊接頭明顯不同，焊縫沒有填充金屬，不存在熔焊接頭那樣的具有明顯應力集中的焊趾和焊根部位，應力集中的影響顯著降低。另外，FSW焊縫為致密的鍛造組織，晶粒細小，沒有氣孔等缺陷，表現出較高的疲勞強度。圖8分別為枕梁上蓋板FSW和MIG焊接頭的低倍形貌，FSW為一遍焊透，而MIG為多層多道焊接完成。圖9分別為FSW和MIG焊接熱影響區的微觀組織形貌，FSW接頭HAZ區晶粒細小且無方向性，而MIG焊接頭的組織為樹枝晶且存在氣孔，樹枝狀晶及氣孔的存在均會影響試樣的疲勞壽命。

圖7 FSW和MIG焊接接頭S-N曲線Fig.7 S-N curve of FSW and MIG welded joint

4 結論

攪拌摩擦焊工藝在鋁合金車體上的成功試制，標志著攪拌摩擦焊新技術在國內軌道車輛的工程化應用。枕梁是軌道車輛底架受力的關鍵部件，其結構復雜，對焊接質量要求高，采用MIG弧焊預組裝、外側長直焊縫攪拌摩擦焊的焊接工藝，在改善車間作業環境的同時，提高了部件的整體質量。采用的工藝方案及工裝能為此類型的產品工藝設計提供參考。

參考文獻：

[1]高井英夫.摩擦攪拌焊接工藝在鐵道車輛上的應用[J].國外機車車輛工藝，2005（5）：24.

[2]陳文賓，丁叁叁.國產化CRH2型200 km/h動車組鋁合金車體及技術創新[J].機車電傳動，2008（2）：1-4.

[3]楊尚磊，孟立春，呂任遠，等.高速車輛用A6N01鋁合金的脈沖 MIG 焊[J].焊接，2008（9）：33-35.

圖8 FSW和MIG焊接接頭低倍形貌Fig.8 FSW and MIG welded joint macro-structures

圖9 FSW（AS側）和MIG（HAZ）金相組織Fig.9 FSW（AS side）and MIG（HAZ）welded joint micro-structures

[4]史耀武，唐偉.攪拌摩擦焊原理及應用[J].電焊機，2000，30（1）：6-9

[5]王炎金.鋁合金車體焊接工藝[M].北京：機械工業出版社，2009：53.