鋁合金車體非剛性支撐攪拌摩擦焊修復設備研制

王 穩 金濤濤 張 軍 馬 賀

北京建筑大學城市軌道交通車輛服役性能保障北京市重點實驗室，北京，100044

0 引言

我國重載鐵路以大秦、浩吉、朔黃等煤運鐵路為主，朔黃線等運行的25 t軸重C80重載貨車是我國首次將鋁合金材料使用在鐵路重載貨車車體上[1-2]。鋁合金車體貨車在采用吊車、叉車等重型機械化設備進行大宗貨物的裝卸時，很容易受到機械設備或貨物的意外撞擊，造成車體破損或變形；當接近使用年限時，車體會因沿線異物刮劃、雨水腐蝕或疲勞裂紋等出現損傷和變形，將嚴重影響運輸安全[3]。C80鋁合金貨車車體采用鉚接結構進行連接，在檢修車體端墻和側墻的破損故障時，必須將支柱與環槽部位連接的鉚釘割掉，采用整板更換或采用“打補丁”的修補方式，這使得車體破損檢修耗時長，增加了企業的運營成本[4]。

進行鋁合金車體破損的修復時，鋁合金材料具有熔點低、導熱率高、熱膨脹收縮率大等特點，但傳統電弧焊接方法焊接溫度過高，易使得鋁合金發生嚴重的氧化反應，影響焊接強度，造成安全隱患，故不適用于鋁合金車體損傷的修補[5-6]。攪拌摩擦焊(friction stir welding,FSW)技術經過近30年的發展，已經是一項成熟的工業技術[7]。攪拌摩擦焊作為一種環保的固相連接技術，以其較好的焊接效果被廣泛應用于鋁合金、銅合金甚至鋼材料的連接修復中[8]。

基于攪拌摩擦焊技術的設備研制也備受關注。國內外許多學者基于傳統鉆銑機床，通過改進焊接壓力控制、使用柔性化工裝設計、設計適用于常規銑床攪拌摩擦焊工藝的工裝夾具等，進行攪拌摩擦焊設備的設計研發[9-13]。攪拌摩擦焊技術由于其諸多優點已被廣泛應用于航空航天、船舶、軌道交通車輛等工業領域的生產制造中[14-16]。攪拌摩擦焊在軌道車輛領域主要用于鋁合金車體側墻、車體頂板、地板等部件的大長焊縫的焊接制造[17-19]。

現有攪拌摩擦焊設備大都為固定龍門式結構，均需要在背部有剛性支撐的條件下完成焊接。為了拓寬攪拌摩擦焊的應用范圍，崔凡等[20]針對某些焊縫難以實現靜態剛性支撐的問題，研制了環形焊縫剛性動支撐攪拌摩擦焊試驗裝置；余愛武等[21]將剛性動支撐攪拌摩擦焊技術應用于大口徑鋁合金螺旋管的焊接生產，并獲得了穩定可靠的焊接效果。但在一些特殊工業生產環境下，無法實現剛性支撐來完成焊接修補，例如鋁合金車體的在線焊接修補作業。本研究針對C80鋁合金貨車車體破損修復，設計研發了一套專用的可移動式非剛性支撐鋁合金攪拌摩擦焊修復設備。

1 非剛性支撐攪拌摩擦焊修復設備

C80鋁合金貨車車體如圖1所示。為了滿足鋁合金車體焊接的需求，該可移動式非剛性支撐鋁合金攪拌摩擦焊修復設備的主要設計參數如表1所示。

表1 設備主要設計參數

該非剛性支撐攪拌摩擦焊設備主體高約4 m，寬約1.6 m，使用加強過的鋁合金型材搭建，其結構示意圖見圖2，主要結構如下。

圖2 非剛性支撐攪拌摩擦焊設備Fig.2 Non-rigid support friction stir welding equipment

(1)移動升降平臺。整機搭載在麥克納姆輪移動升降平臺上，該移動升降平臺可實現整個設備的前行、橫向移動、旋轉及其組合等多種運動方式，可方便移動至所需焊接部位，實現移動修補作業，適用于車輛檢修等工作空間有限、通道狹窄的作業環境，提高了設備的工作效率。

(2)電器控制單元是由西門子SIMATIC系列PLC模塊式結構等組成的電氣控制系統。

(3)旋轉伸縮臂單元為焊接提供背部支撐。

(4)主體框架單元使用加強鋁合金型材搭建，為整個攪拌摩擦焊設備提供安裝基礎、承力和定位平臺。一方面由于主體框架使用鋁合金型材搭建從而實現了整個設備的輕量化，另一方面由于主體框架上安裝有滾珠絲杠和驅動電機，使得攪拌摩擦焊單元可實現沿Y軸的上下移動。

(5)上下夾鉗由鋼板焊接而成，其夾持部分分別根據貨車車廂頂部結構、貨車底部橫梁結構進行設計，工作時上下夾鉗的鉗口分別與車廂相應位置進行夾緊固定，從而保證整個設備與車體的固定夾緊。

(6)攪拌摩擦焊單元由鋁合金型材框架、環形轉動單元、焊接作業單元、半徑自動調整單元等組成。

2 非剛性支撐修補焊接關鍵結構

由于C80鋁合金貨車車廂的破損尺寸大小不一，且在線焊接修補時難以提供剛性支撐。為了實現不同大小破損的在線焊接修補，設計了銑焊半徑自動調整結構，解決了破損尺寸不一的焊接修復問題；綜合采用了旋轉伸縮臂支撐、花瓣式砧板等結構解決了非剛性支撐焊接過程中支撐力不足、大變形等問題，可滿足不同大小破損的在線焊接修復要求。

2.1 攪拌摩擦焊單元

攪拌摩擦焊單元是整個設備最核心的部分，如圖3所示，可實現沿X軸、Y軸、Z軸的移動和C軸(繞Z軸)的轉動。設備的主要運行參數如表2所示。

圖3 攪拌摩擦焊單元Fig.3 Friction stir welding unit

表2 設備主要運行參數

沿Y軸的移動由安裝在主體框架單元的驅動電機控制，攪拌摩擦焊單元通過滾珠絲杠與主體框架連接，驅動電機通過帶動安裝在主體框架上的滾珠絲杠運動，進而帶動攪拌摩擦焊單元沿導軌滑塊完成Y向移動。

Z軸的進給驅動單元包括Z軸進給驅動電機、進給減速器、滾珠絲杠、導軌滑塊等，如圖4所示。Z軸進給電機通過進給減速器帶動滾珠絲杠運動，使得焊接框架在導軌滑塊上移動，完成Z向移動。為了獲得更好的焊接效果，在焊接主軸上配有位移傳感器，對Z軸進行實時距離檢測，將檢測值與預設值進行比較，并將偏差值反饋給控制系統，控制系統可對Z軸進行實時位置補償控制。主軸上還配有壓力傳感器，對攪拌頭的壓力進行實時監測，以實現精準控制，保證焊接壓力恒定。將車體破損部位銑削成圓形再進行焊接，可以擁有平整的焊接效果。C軸轉動是由電機通過齒輪帶動焊接框架繞Z軸轉動，進而完成一整個圓周的銑焊。

圖4 Z軸進給單元Fig.4 Z-axis feed unit

為了自動調整焊接修復范圍，滿足不同尺寸破損的修復，設計了銑焊半徑自動調整結構，如圖5所示，主要由高精度伺服電機、減速器、滾珠絲杠和導軌滑塊等組成。伺服電機帶動滾珠絲杠轉動進而帶動主軸電機在導軌滑塊上進行移動，可實現110～300 mm的大范圍可調銑焊直徑，實現了半徑自動調整的銑削焊接。

圖5 半徑自動調整結構Fig.5 Radius automatic adjustment structure

2.2 旋轉伸縮臂單元

在進行非剛性支撐焊接時，主軸作用于攪拌頭及軸肩的壓力使得車廂待修補部位發生較大位移，由于背部支撐不足，導致焊縫軟化的金屬鼓出背板平面，在焊縫正面會形成隧道和裂紋缺陷。為了消除因背部支撐不足導致的焊接缺陷，設計了旋轉伸縮臂單元，為焊接提供背部支撐。旋轉伸縮臂單元主要由旋轉驅動電機、伸縮臂、伸縮撐桿、頂板和花瓣式砧板組成，如圖6所示。

圖6 旋轉伸縮臂單元Fig.6 Rotating telescopic arm unit

當定位到破損位置并放置好修復板之后，驅動電機帶動轉軸使伸縮臂和伸縮撐桿繞轉軸旋轉至需焊接的部位。利用伺服電機編碼器控制伸縮臂的旋轉角度，伸縮臂在液壓系統作用下可完成三級可調伸縮，采用拉伸傳感器檢測伸縮臂的伸展長度，實現伸縮臂的精準定位?；ò晔秸璋搴晚敯宸謩e頂住車廂內部兩側墻，為焊接提供頂鍛力，支撐示意圖見圖7。

圖7 支撐示意圖Fig.7 Support diagram

為了給焊接時的主軸壓力提供充足的背部反向支撐，采用球鉸花瓣式移動砧板，使砧板與焊縫背面的接觸方式為環面接觸。環面接觸能夠使頂鍛力集中作用在焊縫周圍，可改善焊接過程中的支撐效果，提高焊接質量。設計簡圖及現場支撐效果見圖8。

圖8 花瓣式砧板及現場圖Fig.8 Petal type anvil plate and site picture

為了使得花瓣式砧板在壓力作用下可以和鋁板充分接觸，減小頂撐時鋁板變形與砧板產生的接觸縫隙，增加環面接觸的面積，改善焊接支撐效果，對花瓣式砧板與鋁板接觸的平面設置一定的坡度。經現場試驗與仿真計算綜合分析，設置坡度約為5.24%，如圖9所示。

圖9 花瓣式砧板Fig.9 Petal type anvil plate

為了分析在載荷作用下花瓣式砧板與鋁板的接觸情況，建立花瓣式砧板與鋁板支撐的有限元模型。根據現場試驗使用的鋁板尺寸，建立的鋁板模型尺寸為2000 mm×500 mm×6 mm；砧板采用了36瓣的花瓣式結構，瓣間空隙約為2 mm,分別建立坡度為0和坡度為5.24%的花瓣式砧板與鋁板接觸有限元模型，如圖10所示。

圖10 砧板與鋁板支撐有限元模型Fig.10 Finite element model of anvil plate andaluminum plate support

根據現場試驗情況，分別對花瓣式砧板施加5 kN和10 kN的垂向壓力，進行接觸計算，并做對比分析，其接觸斑云圖見圖11。

(a)無坡度，載荷為5 kN (b)無坡度，載荷為10 kN

當花瓣式砧板與鋁板接觸的平面坡度為0、載荷為5 kN時，砧板與鋁板的接觸區域主要集中在花瓣邊緣，與鋁板的有效接觸面積較小。當載荷增大到10 kN時，鋁板受壓變形增大，鋁板與砧板之間由于頂撐壓力作用而產生的接觸縫隙增大，但接觸面積沒有明顯增加，頂鍛力不能有效集中在焊縫周圍，對焊接支撐效果改善較小。

當花瓣式砧板與鋁板接觸的平面坡度為5.24%、載荷為5 kN時，在砧板的垂向壓力作用下，鋁板受壓變形，由于花瓣式砧板與鋁板接觸面存在一定坡度，使得砧板接觸面可以有效減少因鋁板頂撐變形而產生的接觸縫隙，砧板上的接觸斑均勻分布在焊縫周圍。相比于不設置坡度的花瓣式砧板結構，接觸斑的分布更加均勻，頂撐效果更好，可有效消除因背部支撐不足導致的隧道、裂紋等焊接缺陷，提高焊接質量。當載荷增大到10 kN時，花瓣式砧板與鋁板的接觸斑面積也隨之增大，接觸斑分布更加均勻，但由于載荷過大使鋁板受壓變形過大，導致焊接后的鋁板平面產生凸起，影響焊接的平整度。

綜合考慮，采用具有5.24%坡度的花瓣式砧板平面，在頂鍛力為5 kN時既可獲得相對平整的焊接平面，又可以獲得良好的焊接效果。

2.3 電氣控制系統

本攪拌摩擦焊修復設備系統驅動軸由主軸、X軸、Y軸、Z軸和C軸五軸組成，均采用伺服電機驅動?？刂破鞑捎梦鏖T子SIMATIC系列PLC模塊式結構，用搭積木的方式組成系統，控制系統框架圖見圖12。針對實際焊接需求，對攪拌摩擦焊修復設備的電氣控制系統進行了優化配置。

圖12 控制系統結構框架圖Fig.12 Frame diagram of control system structure

3 現場試驗及焊接效果

設備現場作業時的工作狀態如圖13所示，移動升降平臺帶動整個設備移動至所需焊接部位，上下夾鉗固定夾緊在車廂上。

圖13 設備現場作業圖Fig.13 Equipment site work picture

C80鋁合金貨車的車廂側墻壁厚為6 mm，在進行焊接修補時，先將破損部位銑削成孔洞，如圖14所示，圓形修復板與銑削孔洞形成過盈配合。旋轉伸縮臂在車廂內部進行支撐，為焊接提供約5 kN的頂鍛力。使用圓形修復板與母材進行對接焊接修補時，先圍繞修復板四周進行點焊，防止在開始焊接時，修復板發生移動和翹起影響焊接結果，設備工作流程如圖15所示。

圖14 車體側墻銑孔作業Fig.14 Milling of car body side walls

圖15 設備工作流程圖Fig.15 Equipment work flow chart

采用此非剛性支撐攪拌摩擦焊修復的表面光滑無飛邊，內部無溝槽隧道缺陷，焊接效果如圖16所示。

圖16 焊接效果Fig.16 Welding effect

依據GB/T 228—2002和GB/T 2651—2008加工拉伸試樣，與母材進行拉伸對比試驗，焊縫拉伸試樣及其斷面效果如圖17所示。

圖17 拉伸試樣及斷面Fig.17 Tensile specimen and section

拉伸試驗結果如圖18所示，從試驗數據可以看出，母材抗拉強度約為350.8 MPa，拉伸試樣焊縫抗拉強度為251.3 MPa，約為母材的71.6%，焊縫抗拉性能較好。

圖18 母材與拉伸試樣應力-應變圖Fig.18 Stress-strain diagram of base metal and tensile specimen

4 結論

(1)針對C80鋁合金貨車車體的破損修復問題，設計研發了一套專用的可移動式非剛性支撐鋁合金攪拌摩擦焊修復設備，該設備能夠在不拆解車體板材的情況下完成鋁合金車體的焊接修復，且焊縫的抗拉性能可達到母材的71.6%左右。

(2)設計了旋轉伸縮臂、花瓣式砧板等結構，并對花瓣式砧板進行仿真優化設計，使頂鍛力有效集中在焊縫周圍，提高了焊接質量，實現了非剛性支撐攪拌摩擦焊修復焊接。

(3)采用具有麥克納姆輪及液壓舉升機構的移動升降平臺，可方便移動至所需焊接部位；設計了銑焊半徑自動調整結構，實現了對鋁合金貨車車體不同尺寸及不同破損部位的自動化焊接修復。