新型分體式攪拌頭在底架長地板上的應用研究

龍維峰 李莎

摘 要：目前城軌地鐵鋁合金底架長地板組焊多采用弧焊焊接，為推進攪拌摩擦焊工藝的應用，提升焊縫質量的同時有效降低生產成本。基于現有的直圓柱體攪拌頭，設計了一種新型的分體式攪拌摩擦焊攪拌頭，研究不同的攪拌頭轉速、焊接速度等參數對長地板焊接接頭的影響，獲得最佳的焊接參數，為后續批量化生產提供理論參考。

關鍵詞：長地板;攪拌摩擦焊;焊接參數

0 引言

攪拌摩擦焊相對于傳統熔化焊來說，具有焊接接頭外觀平整、性能優良，焊后殘余應力和變形小，無煙塵、無輻射、無飛濺、無需焊絲與保護氣體，節能等優點[1]，被廣泛應用于船舶制造、航空航天和軌道交通等領域[2]。攪拌摩擦焊攪拌頭與設備是進行攪拌摩擦焊接的基礎，其中攪拌頭更是決定攪拌摩擦焊焊縫質量的關鍵因素[3]。

1 長地板結構

為摸索新結構新工藝在長地板焊接過程中的應用狀態，確定合適的長地板焊接工藝，以目前城軌B型地鐵項目車體長地板作為攪拌摩擦焊焊接工藝研究對象。B型地鐵項目長地板截面如下圖所示：

長地板摩擦焊接頭為全新設計，接頭熔深由3.5 mm更新為4 mm，型材的來料力學性能檢測數據如下表所示，相較于以往側墻型材290 MPa左右的抗拉強度，有明顯下降，會對焊縫力學性能有一定影響：

2 實驗材料與設備

實驗選用長地板整體型材，材質6005A-T6鋁合金，攪拌摩擦焊焊機為賽福斯特攪拌摩擦焊焊機，實驗所用攪拌摩擦焊攪拌頭為自行優化設計的帶止擋臺的新型分體式攪拌頭，其外形如圖2所示。

長地板型材拼接完成后，參照表2所示不同參數進行焊接，下壓力根據現場焊接的實際情況填寫記錄，取樣編號為以1到8進行區分，并在各條焊縫旁做好標記。焊接完成后在焊縫中心用記號筆進行標記，并測量實際偏移量。

產品實物工程化應用需考慮更多切合實際生產過程的措施，如產品實物的焊接裝夾狀態、工程化應用中的便于操作性等，本次試驗將分別進行驗證。對各條焊縫采用多組焊接參數進行焊接，并制備拉伸、彎曲、金相試樣進行檢測，取樣區域如下圖所示，從左至右分別命名為區域1、2、3、4。

每塊區域取2個拉伸，2個彎曲和1個金相試樣進行檢測（正反兩面參數不一，均需要進行取樣檢測）。

3 結果分析

3.1 力學性能分析

具體力學性能結果及對應的焊縫參數如下表所示，由于長地板焊縫達17 m，現有長地板摩擦焊設備不具備激光跟蹤系統保證焊接過程實時對中，長焊縫容易出現焊縫偏移的問題，對各取樣區域的金相進行觀測，發現多處焊縫偏移量達0.5 mm以上，對大于0.5 mm的焊縫偏移進行記錄。

從焊縫偏移量對應焊縫的力學性能參數看，偏移量對焊縫力學性能影響不大，當采用1 500 rpm的轉速，1 400 mm/min焊接速度時，最大偏移量為2 mm，焊縫抗拉強度也可以達到205 MPa和209 MPa，甚至強于該條焊縫偏移量較小的三號區域位置的力學性能。其他區域焊縫性能也未能看出由于焊縫偏移量的變化導致焊縫性能或金相出現明顯變化的特征。

根據ISO25239要求，厚度在5 mm以下的摩擦焊接頭，焊縫強度應達到母材標準抗拉強度（270 MPa）的70%以上，即應大于189 MPa[4]。由上述試驗結果看出，由于本次焊接驗證為整長17 m的焊接，對焊接過程穩定性要求更高，隨著焊接參數的變化，焊縫性能變化較大。多組焊接參數下焊縫性能出現抗拉強度不達標或者彎曲開裂等問題。篩選后得到以下四組合格焊接參數，力學性能達到標準要求，金相也不存在缺陷問題：

（1）在采用1 500 rpm的轉速，1 000 mm/min焊接速度時，焊縫平均抗拉約為203 MPa，達到母材最低抗拉強度（270 MPa）的75.2%，焊縫最低抗拉強度為195 MPa;

（2）在采用1 500 rpm的轉速，1 400 mm/min焊接速度時，焊縫平均抗拉為202 MPa，達到母材最低抗拉強度（270 MPa）的74.8%，焊縫最低抗拉強度為196 MPa;

（3）在采用1 600 rpm的轉速，1 200 mm/min焊接速度時，焊縫平均抗拉為206 MPa，達到母材最低抗拉強度（270 MPa）的76.2%，焊縫最低抗拉強度為204 MPa;

（4）在采用1 600 rpm的轉速，

1 600 mm/min焊接速度時，焊縫平均抗拉為207 MPa，達到母材最低抗拉強度（270 MPa）的76.7%，焊縫最低抗拉強度為205 MPa。

4 結論

試驗得到了適用于現場實際情況的長地板攪拌摩擦焊焊接工藝參數，長地板攪拌摩擦焊焊縫強度均在母材最低抗拉強度的75%左右，其中1 600 mm/min的高速焊接控制難度更大，且長焊縫控制難度更大，焊縫表面外觀不如低速焊接，雖然焊縫性能最佳，但不建議直接應用于大批量生產，可進行更多試驗后逐步提升。B型地鐵項目長地板攪拌摩擦焊建議采用1 600 rpm的轉速，1 200 mm/min焊接速度進行生產，焊縫整體抗拉強度較高且最低抗拉強度也穩定在200 MPa左右。

參考文獻：

[1]姜瀾，魏緒鈞，姚廣春，等.鋁合金攪拌摩擦焊研究現狀及應用[J].材料導報，2003，17（6）：70-72.

[2]陳杰，張海偉，劉德佳，等.我國攪拌摩擦焊技術的研究現狀與熱點分析[J].電焊機，2011，41（10）：92-97.

[3]何建軍，劉明宇，楊宗輝.攪拌頭-攪拌摩擦焊的心臟[J].電焊機，2004，34（1）：24-26.

[4]侯振國，鈕旭晶，李充.攪拌摩擦焊技術在高速列車制造中的應用[J].電焊機，2018，48（3）：32-36.