靜軸肩攪拌摩擦焊在軌道車輛車體上的工程應(yīng)用研究

廖文潔，張璟瑜，賴鷗，劉永強(qiáng)

1.大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車系統(tǒng)集成國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湖南株洲 412001

2.中車株洲電力機(jī)車有限公司 湖南株洲 412001

1 序言

隨著高速動(dòng)車組和城市軌道車輛的快速發(fā)展，由大斷面鋁合金雙層型材組焊而成的整體承載筒形結(jié)構(gòu)已然成為最新一代車體結(jié)構(gòu)，在軌道交通領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用[1]。1991年由英國焊接研究所（TWI）發(fā)明的攪拌摩擦焊（簡(jiǎn)稱FSW）作為一種綠色、革命性的固相連接技術(shù)，經(jīng)過技術(shù)迭代率先在歐洲和日本應(yīng)用于軌道車輛鋁合金車體上[2-4]。近10年間，國內(nèi)將FSW技術(shù)替代電弧熔化焊應(yīng)用在一部分車體部件上，主要采用傳統(tǒng)的單軸肩FSW[5]，通常稱為常規(guī)FSW。常規(guī)FSW主要產(chǎn)熱來自旋轉(zhuǎn)軸肩與焊件之間的摩擦[6]，導(dǎo)致局部發(fā)生強(qiáng)烈的熱-力循環(huán)作用，焊接載荷大，焊接接頭的應(yīng)變狀態(tài)相對(duì)不均勻。實(shí)際工程應(yīng)用中，可以觀察到明顯的飛邊和表面弧紋，焊縫有效厚度減薄，焊后有一定變形仍需要調(diào)校。靜軸肩攪拌摩擦焊（簡(jiǎn)稱SSFSW）是由TWI在2004年提出的一種FSW新型改良技術(shù)，與常規(guī)FSW工作原理主要區(qū)別是增加一個(gè)分離的外部軸肩，焊接時(shí)相對(duì)靜止，不與攪拌針一起旋轉(zhuǎn)。試驗(yàn)觀察到SSFSW焊縫表面平整光滑，沒有飛邊的產(chǎn)生而導(dǎo)致的材料損失，焊縫厚度幾乎與工件等厚[7]。

如果將SSFSW實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用，首先，根據(jù)其優(yōu)勢(shì)，分析可以在車體中哪些結(jié)構(gòu)上應(yīng)用，這將直接影響到生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)能分配、工藝布局和設(shè)備投入。其次，與常規(guī)FSW一樣，SSFSW攪拌工具與工件剛性接觸，無填充金屬，相對(duì)于電弧與工件的柔性接觸，對(duì)工件裝配精度十分敏感，是制約其工程化應(yīng)用的瓶頸問題，因此探明SSFSW工件裝配容限十分重要。

2 車體結(jié)構(gòu)應(yīng)用分析

軌道車輛鋁合金車體結(jié)構(gòu)一般是由側(cè)墻、端墻、車頂和底架組成的雙層薄壁筒形整體承載結(jié)構(gòu)。某車型的車體由大量雙層型材拼焊而成，結(jié)構(gòu)上焊縫特征為長(zhǎng)、直、多，焊縫厚度一般在4mm左右，接頭形式可設(shè)計(jì)為對(duì)搭，接如圖1、圖2所示。這種雙層中空型材拼焊結(jié)構(gòu)在軌道車輛車體上廣泛應(yīng)用，單節(jié)車焊接量占比可達(dá)70%以上，且有一半處于車體的外表面。

對(duì)于這類車體焊接結(jié)構(gòu)采用SSFSW具有以下優(yōu)勢(shì)。

1）圖3是兩種焊接方式焊縫表面成形對(duì)比。SSFSW焊縫表面光滑平整，無明顯飛邊和弧紋，幾乎無焊縫減薄，可以有效地防止焊縫減薄導(dǎo)致接頭性能的降低，降低表面腐蝕敏感性和焊腳應(yīng)力集中。對(duì)于制造過程來說，可最大程度地免除焊縫修整打磨工作。另外，一般采用千葉片打磨焊縫作為車體噴涂油漆前的整形，打磨面積大，會(huì)在鋁合金表面造成不規(guī)整的斑紋，因此若引進(jìn)SSFSW，則可以免除打磨工序，給車體白車身免涂裝帶來可能。

2）減少缺陷，提高接頭質(zhì)量。靜止軸肩對(duì)工件表面施加頂鍛力能有效地抑制塑化材料從轉(zhuǎn)動(dòng)的攪拌針兩側(cè)擠出，防止孔洞、疏松等缺陷的形成，強(qiáng)化攪拌區(qū)的內(nèi)部金屬流動(dòng)，接頭對(duì)稱性好，熱機(jī)影響區(qū)和熱影響區(qū)范圍顯著減小[8]。另外，對(duì)于搭接接頭，由于約束了材料向上流動(dòng)趨勢(shì)，可減弱Hook缺陷（鉤狀缺陷）的產(chǎn)生。

3）由于SSFSW僅內(nèi)部攪拌針轉(zhuǎn)動(dòng)，熱輸入主要來自攪拌針主導(dǎo)的材料流動(dòng)，過程峰值溫度低，熱輸入可控制得均勻，引起變形相對(duì)小，一定程度上減少矯形調(diào)平時(shí)間。

4）焊接載荷小，可允許更高的旋轉(zhuǎn)速度來提高熱輸入，間接可提高焊接速度，提速空間相對(duì)常規(guī)FSW更大，從而提高生產(chǎn)效率。

此外，車體結(jié)構(gòu)上存在一些結(jié)構(gòu)采用常規(guī)FSW是無法實(shí)現(xiàn)的。

首先是曲面結(jié)構(gòu)，如動(dòng)車組車頭的鋁合金曲面板焊接。常規(guī)FSW需要工件表面為平面來與旋轉(zhuǎn)軸肩接觸，無法應(yīng)用于非平面或曲率過大的曲面。SSFSW由于外部軸肩不旋轉(zhuǎn)，攪拌頭軸肩直徑小可以相對(duì)適應(yīng)曲率較大的曲面。

其次是車體結(jié)構(gòu)中廣泛存在T形接頭或角接結(jié)構(gòu)，常規(guī)FSW難以實(shí)現(xiàn)，而SSFSW通過改變靜止軸肩的形狀是可以實(shí)現(xiàn)的[9]。

總之，采用SSFSW可突破常規(guī)FSW的應(yīng)用范圍，給車體結(jié)構(gòu)應(yīng)用帶來更多可能。

要實(shí)現(xiàn)以上車體部件的SSFSW，不同于實(shí)驗(yàn)室小試件研究，實(shí)際車體部件在制造和裝配上都存在誤差。尤其對(duì)于車體雙層中空型材，由于其采用鋁合金擠壓工藝，除了本身斷面上的制造誤差，長(zhǎng)度方向上的扭擰等都會(huì)影響裝配精度，結(jié)構(gòu)上也難以通過留足裕量再加工的方法來彌補(bǔ)，因此探明其工件裝配容限是實(shí)現(xiàn)車體結(jié)構(gòu)SSFSW工程應(yīng)用的重要方向。

圖1 某車型雙層型材結(jié)構(gòu)

圖2 雙層型材結(jié)構(gòu)焊后橫斷面

圖3 SSFSW與常規(guī)FSW焊縫表面成形對(duì)比

3 工件裝配影響分析

3.1 試驗(yàn)材料及焊接參數(shù)

試驗(yàn)采用母材為6005A-T6雙層中空擠壓型材，試驗(yàn)型材接頭橫截面如圖4所示，由接頭1和接頭2組成對(duì)搭接形式，焊縫厚度為4mm，型材長(zhǎng)度約600mm。焊接設(shè)備包括動(dòng)龍門攪拌摩擦焊設(shè)備、專用靜軸肩刀柄、專用攪拌頭（錐形螺紋）以及型材焊接工裝夾具等。試驗(yàn)之前對(duì)母材進(jìn)行拉伸性能測(cè)試，抗拉強(qiáng)度均值為305MPa，屈服強(qiáng)度均值為277MPa。通過正交試驗(yàn)法選定優(yōu)化的焊接參數(shù)與攪拌頭，焊接過程如圖5所示，主要焊接參數(shù)見表1。

圖4 試驗(yàn)型材接頭橫截面

圖5 焊接過程

表1 SSFSW焊接參數(shù)

3.2 裝配間隙容限試驗(yàn)研究

在兩個(gè)型材裝配末端插入間隙楔塊，人為制造焊縫裝配間隙，利用千分尺測(cè)量焊縫中特定數(shù)值間隙的位置并進(jìn)行標(biāo)識(shí)，如圖6所示。利用試驗(yàn)優(yōu)化的焊接參數(shù)與攪拌頭進(jìn)行焊接。

通過外觀檢查、射線檢測(cè)接頭宏觀形貌方式評(píng)判焊接質(zhì)量，選取焊接質(zhì)量較好的區(qū)域，采用拉伸試驗(yàn)機(jī)及彎曲試驗(yàn)機(jī)分別測(cè)試其拉伸及彎曲性能，進(jìn)一步評(píng)定。主要參考ISO 25239-4：2020《攪拌摩擦焊-鋁合金：焊接工藝規(guī)程及評(píng)定》和ISO 25239-5：2020《攪拌摩擦焊-鋁合金：質(zhì)量檢驗(yàn)要求》，結(jié)合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，通過綜合評(píng)測(cè)，探明采用SSFSW時(shí)工件裝配的間隙容限。

（1）外觀檢查 從左到右，焊縫裝配間隙從0~1.1mm越來越大，在0.8~0.9mm間隙位置焊縫表面開始出現(xiàn)明顯痕跡，焊縫表面不平滑（見圖7），在這之后，越來越明顯，焊縫表面有未焊合趨勢(shì)。在此區(qū)域之前對(duì)焊件進(jìn)行進(jìn)一步檢測(cè)。

圖6 裝配間隙容限試驗(yàn)

圖7 外觀檢查結(jié)果

（2）X射線檢測(cè) 為了便于觀察，根據(jù)I S O 17636：2013要求，去掉型材內(nèi)部筋條，將型材加工成試板，對(duì)焊縫位置進(jìn)行X射線檢測(cè)，以檢查焊縫內(nèi)部質(zhì)量。參考ISO 10675-2：2017，X射線檢測(cè)結(jié)果顯示（見圖8），焊縫內(nèi)部從間隙0.7mm附近開始出現(xiàn)焊縫不連續(xù)，可能含有疏松、隧道等缺陷。

圖8 X射線檢測(cè)結(jié)果

（3）金相檢驗(yàn) 觀察焊縫內(nèi)部的成形質(zhì)量，檢測(cè)是否存在未焊透、弱連接等X射線不易檢測(cè)到缺陷。金相檢驗(yàn)結(jié)果顯示（見圖9a），一個(gè)典型的FSW焊縫接頭形貌，焊縫區(qū)上寬下窄，呈“浴盆”形，并在焊縫中心形成同心圓環(huán)狀結(jié)構(gòu)，右側(cè)為后退側(cè)（RS），左側(cè)為前進(jìn)側(cè)（AS），分為焊核區(qū)（Weld Nugget）、熱機(jī)影響區(qū)（TMAZ）、熱影響區(qū)（HAZ）和軸肩影響區(qū)（SAZ），RS和AS區(qū)域比較對(duì)稱，TMAZ和HAZ相對(duì)常規(guī)FSW中范圍較窄。焊縫中部形成了S形曲線，這在常規(guī)FSW也存在，其機(jī)理尚無明確定斷，可能為斷續(xù)的氧化物組成。焊縫底部AS側(cè)可以觀察到工件搭接位置，但搭接接頭典型Hook缺欠并不明顯，比常規(guī)FSW好。隨著裝配間隙的增大，S形曲線更為明顯；在裝配間隙為0.6mm以后，攪拌頭主導(dǎo)的材料流動(dòng)補(bǔ)給不足，首先在焊縫底部產(chǎn)生局部疏松（紅圈標(biāo)記），裝配間隙越大底部組織混濁區(qū)域也越大；在間隙為0.9mm時(shí)，可以明顯觀察到焊縫表面出現(xiàn)不連續(xù)，沒有SSFSW焊縫表面特有的“鏡面”效果，并出現(xiàn)了一定減薄（見圖9）。

圖9 不同裝配間隙焊縫橫截面組織

（4）拉伸性能測(cè)試 按照ISO 4136：2012，從0.1~0.8mm各個(gè)裝配間隙位置對(duì)焊接接頭橫向拉伸取樣，測(cè)試母材的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率，抗拉強(qiáng)度-裝配間隙曲線如圖10所示。抗拉強(qiáng)度最大出現(xiàn)在間隙0.5mm處，為258.09MPa，對(duì)比母材接頭強(qiáng)度系數(shù)達(dá)84.6%。到裝配間隙0.6mm以后接頭抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)大幅度下降，為194.98MPa，接頭強(qiáng)度系數(shù)63.9%。0.1~0.6mm裝配間隙強(qiáng)度浮動(dòng)不大，其中裝配間隙0.2mm時(shí)抗拉強(qiáng)度下降為228.10MPa，接頭強(qiáng)度系數(shù)為74.8%。由于試驗(yàn)材料有限，取樣較少，但能反映出裝配間隙越大，對(duì)接頭強(qiáng)度越不利，隨著焊縫疏松、弱連接、未焊合缺陷增多，會(huì)導(dǎo)致接頭強(qiáng)度大幅降低。

圖10 抗拉強(qiáng)度-裝配間隙曲線

（5）彎曲性能測(cè)試 按照ISO 5173：2009從0.1~0.8mm各個(gè)裝配間隙試驗(yàn)取樣進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，彎曲速率為2mm/min，壓輪直徑為10mm。試驗(yàn)結(jié)果顯示，180°正彎和背彎均無裂紋。

裝配間隙容限對(duì)SSFSW接頭質(zhì)量影響測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 裝配間隙容限對(duì)SSFSW接頭質(zhì)量影響

3.3 錯(cuò)邊容限試驗(yàn)研究

與裝配間隙容限試驗(yàn)一樣，人為干預(yù)使工件表面接頭位置產(chǎn)生錯(cuò)邊，利用同一試驗(yàn)優(yōu)化的焊接參數(shù)與攪拌頭進(jìn)行焊接（見圖11）。對(duì)型材焊縫一側(cè)表面進(jìn)行機(jī)械加工，加工面厚度從0~1mm過渡加工成緩坡，寬度大于靜軸肩半徑即可。在這里定義，前進(jìn)側(cè)錯(cuò)邊x即為前進(jìn)側(cè)表面比后退側(cè)低x，后退側(cè)錯(cuò)邊x即為后退側(cè)表面比前進(jìn)側(cè)低x。

對(duì)試件進(jìn)行外觀檢查、射線檢測(cè)、接頭金相、拉伸試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)綜合評(píng)價(jià)。焊縫表面在前進(jìn)側(cè)錯(cuò)邊0.3~0.4mm、后退側(cè)錯(cuò)邊0.5~0.6mm之間出現(xiàn)明顯缺陷；X射線檢測(cè)結(jié)果顯示，焊縫內(nèi)部缺陷出現(xiàn)位置與表面成形情況相似；金相檢測(cè)結(jié)果顯示，從前進(jìn)側(cè)錯(cuò)邊為0.6mm開始出現(xiàn)明顯缺陷，隨著錯(cuò)邊量增加，焊縫表面的孔洞、隧道缺陷越發(fā)明顯，而當(dāng)錯(cuò)邊量在后退側(cè)時(shí)，組織沒有出現(xiàn)明顯缺陷，S形曲線比前進(jìn)側(cè)錯(cuò)邊更加明顯。分別對(duì)0.1~0.6mm錯(cuò)邊量取樣進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)，在拉伸性能方面，抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度兩條曲線（見圖12）趨勢(shì)相同，抗拉強(qiáng)度最大值均出現(xiàn)在錯(cuò)邊量0.4mm，即在后退側(cè)錯(cuò)邊0.4mm，抗拉強(qiáng)度為264.20MPa，接頭強(qiáng)度系數(shù)為86.6%。在錯(cuò)邊量＜0.5mm時(shí)均沒有出現(xiàn)大幅度變動(dòng)，當(dāng)錯(cuò)邊量＞0.5mm后，有下降趨勢(shì)，前進(jìn)側(cè)錯(cuò)邊0.6mm時(shí)抗拉強(qiáng)度為213.92MPa，接頭強(qiáng)度系數(shù)為70.1%，另外后退側(cè)錯(cuò)邊0.6mm的拉伸性能有明顯下降，可能和試樣制備有關(guān)。180°彎曲測(cè)試正彎和背彎均無裂紋。

圖11 錯(cuò)邊容限試驗(yàn)

圖12 抗拉強(qiáng)度-錯(cuò)邊間隙曲線

錯(cuò)邊容限各項(xiàng)結(jié)果見表3和表4。

表3 前進(jìn)側(cè)錯(cuò)邊對(duì)SSFSW接頭質(zhì)量的影響

表4 后退側(cè)錯(cuò)邊對(duì)SSFSW接頭質(zhì)量的影響

4 小結(jié)及建議

1）S S F S W具有焊縫表面平齊光滑等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在軌道車輛鋁合金車體的雙層型材結(jié)構(gòu)焊接，以及曲面結(jié)構(gòu)、T形和角接結(jié)構(gòu)焊接中具有一定的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

2）作為一種無填充金屬、攪拌頭與工件剛性接觸的固相連接技術(shù)，對(duì)工件裝配精度要求苛刻。針對(duì)雙層型材結(jié)構(gòu)，為保證焊縫質(zhì)量，根據(jù)試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果，在工程應(yīng)用中建議將裝配間隙控制在0.5mm以下，前進(jìn)側(cè)錯(cuò)邊控制在0.3mm以下，后退側(cè)錯(cuò)邊控制在0.4mm以下。

5 結(jié)束語

此次試驗(yàn)初次嘗試全新的SSFSW技術(shù)應(yīng)用于雙層型材上，在攪拌頭選型、焊接參數(shù)、型材取樣存在一些不足，還具有較大的提升空間。SSFSW作為綠色環(huán)保、自動(dòng)化程度高、表面成形效果顯著的固相連接技術(shù)，其經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性受到企業(yè)青睞。由于應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)不足，缺乏統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)支撐；基礎(chǔ)試驗(yàn)不充分，未能系統(tǒng)掌握缺陷與性能的關(guān)系；材料加工制造水平不足等問題，是實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用要努力研究的方向。