橋殼摩擦焊接工藝可行性研究

胡萬良 方志剛

橋殼摩擦焊接工藝可行性研究

胡萬良1方志剛2

（1.方盛車橋（柳州）有限公司，廣西 柳州 545006；2.武漢理工大學，湖北 武漢 430070）

摩擦焊接因其優質、高效、節能和無污染的技術特色，已在航空航天、汽車、工程機械等領域得到了廣泛應用。本文針對汽車橋殼的摩擦焊接為研究對象，對摩擦焊接的優勢以及在橋殼焊接上的應用優勢進行了介紹，確定了用于橋殼焊接的轉速、摩擦壓力、摩擦時間、變形量、頂鍛壓力、頂鍛變形量、頂鍛速度等關鍵工藝參數，并對摩擦焊接的接頭分別進行了金相檢驗、抗拉強度、抗彎強度和疲勞測試，結果顯示均滿足設計要求。文章研究可為摩擦焊在橋殼及同類產品焊接研究提供參考。

汽車；橋殼；摩擦焊接；金相檢驗

引言

橋殼作為汽車傳動系的重要承載件，其為安裝主減速器、差速器、半軸、輪轂和懸架的基礎件，對主減速器、差速器和半軸起到重要的支撐保護作用[1-3]。后橋殼總成主要由上下橋殼、輪轂軸管、鋼板彈簧導向座、加強環、后蓋等零部件組成。同時，橋殼也是行駛系的主要組成部件之一，對車輛起到重要的支撐作用，使左右驅動輪的軸向位置相對固定[4]。在車輛行駛過程中，橋殼承受驅動輪傳遞的各種作用力和力矩，并通過懸架傳給車架，對整車的承載和力的傳遞起到重要的支撐作用。

近年來，隨著我國經濟的持續、快速、健康發展，人們物質生活水平和精神文化生活水平不斷提高，對出行工具的安全性、舒適性提出了更高要求。橋殼作為重要的整車安保件，其質量問題，特別是環縫焊開裂、斷裂等問題，對車輛行駛的安全性造成嚴重影響。目前橋殼的焊接多采用CO2保護焊、電子束、摩擦焊三種焊接方式。其中，摩擦焊焊接工藝有強度高、有效提高承載能力、焊接過程不用填充任何輔助材料、不產生煙塵和弧光、有利于改善作業環境、減少污染等優勢。

1 摩擦焊的特點與工藝

1.1 摩擦焊的特點

摩擦焊接工藝已在國內汽車行業尤其車橋制造業得到了廣泛應用（如圖1）。自20世紀80年代，國內的黃海汽車集團車橋公司率先使用摩擦焊接技術進行車橋生產。目前，車橋生產商的摩擦焊技術已成為評價其工藝水平、產品質量高低的重要指標。摩擦焊在國內車橋生產中能夠快速發展得益于其優異的技術特點，因此，本文首先對其技術特點進行介紹。

圖1 車橋摩擦焊

（1）摩擦焊接過程中，被焊材料通常不熔化，仍處于固相狀態，軸向壓力和扭矩共同作用于摩擦焊接表面及其近區，產生了一些力學冶金效應，如晶粒細化、組織致密、夾雜物彌散分布，以及摩擦焊接表面的“自清理”作用等。摩擦焊接時間短，熱影響區窄，熱影響區組織無明顯粗化。消除CO2氣體保護焊容易產生氣孔、夾渣、裂紋等缺陷。

（2）焊接過程可靠性高，摩擦焊接過程完全由焊接設備控制，人為因素影響很小。焊接過程中所需控制的焊接參數較少，只有壓力、時間、速度和位移。將計算機技術引入到摩擦焊接過程控制中，對焊接參數進行實時檢測與閉環控制，可進一步提高摩擦焊接過程的控制精度與可靠性。摩擦壓力控制精度可達±0.3 MPa，主軸轉速控制精度可達±0.1%。

（3）焊件尺寸精度較高，由于摩擦焊接為固態連接，其加熱過程具有能量密度高、熱輸入速度快以及沿整個摩擦焊接表面同步均勻加熱等特點，故焊接變形較小。在保證焊接設備具有足夠大的剛性、焊件裝配定位精確以及嚴格控制焊接參數的條件下，焊件尺寸精度較高。焊接接頭的長度公差和同軸度可控制在±0.25 mm左右。這可以有效減小焊接橋殼兩頭軸管的跳動，進而減少橋殼變形。

1.2 摩擦焊的工藝要求

為高效進行橋殼的焊接，首先應根據摩擦焊的加工工藝要求對零部件進行處理。本節對摩擦焊的加工工藝進行介紹。摩擦焊的焊接工藝應滿足接頭設計原則；（1）旋轉式摩擦焊應保證至少有一個面是圓形截面；（2）為保證卡殼在焊接過程中不失穩，在零件設計時應避免設計成薄管、薄板等連接類型；（3）零件的連接接頭應與中心線成30°～45°的斜面；（4）為保證摩擦加熱時的扭矩和功率峰值滿足要求，應采用端面側角的辦法增大焊接接觸面積。

1.3 橋殼摩擦焊的工藝參數

摩擦焊的摩擦時間對焊接接頭處的溫度、焊縫質量等具有顯著影響，如加熱時間過短會造成焊接截面的加熱不充分，焊接處的溫度場無法滿足摩擦焊接要求，造成焊接不合格。當摩擦焊接時間過長時，會造成摩擦焊接消耗能量多、熱影響區大、高溫區金屬過熱、變形大、飛邊大、耗材增大等問題，根據前期試驗，在本文橋殼的摩擦焊接上，摩擦時間根據焊接位置選擇為1 s～40 s。

摩擦焊接的變形量與轉速、摩擦時間、摩擦壓力、材質狀態、材質變形抗力等均密切相關。為保證焊接的接頭強度滿足要求，需確定其具有一定的摩擦焊接量，因此摩擦焊接的變形量一般選擇為1 mm～10 mm。此外，停車時間對接頭的變形層厚度和焊接質量具有顯著影響。停車時間的選擇要按照以下依據，當變形層較厚時，停車時間要短以保證其焊接質量，反之，當變形層較薄時，且希望在停車階段增加變形層厚度，可適當增加停車時間。一般的停車時間的選擇范圍為0.1 s～1 s。

頂鍛壓力是摩擦塑性變形層中的氧化物和其他有害物質擠出的關鍵步驟，可使焊縫得到有效鍛壓、接頭牢固、晶粒細化。頂鍛壓力的選擇與材質、接頭溫度、變形層厚度以及摩擦力有關。當材料的高溫強度高時，頂鍛壓力要大；溫度高，變形層厚度小時，頂鍛壓力要小；摩擦壓力大時，頂鍛壓力要選擇較小值。頂鍛壓力一般選取摩擦壓力的2～3倍，對于中、高碳鋼，可選取100 MPa～400 MPa。

頂鍛變形量與頂鍛壓力相關，其為頂鍛壓力的具體的反映，當頂鍛壓力較大時，頂鍛變形量也隨之增大，反之，當頂鍛壓力較小時，頂鍛變形量也相應較小，因為頂鍛變形的量的選擇一定程度上取決于頂鍛壓力。目前，頂鍛變形量的選擇一般為1 mm～6 mm。

頂鍛速度對接頭的焊接質量具有顯著影響，指的是趁熱頂鍛的響應。如頂鍛速度較慢，則無法滿足頂鍛變形量的要求，當頂鍛速度較大，也無法最大程度發揮摩擦焊的優勢。因此，頂鍛速度的選擇一般為10 mm/s～40 mm/s。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

橋殼的焊接形式為管-管的焊接，材料為：殼體總成（16Mn R-GB 6654-96）、輪轂軸管（40Mn BH-GB/T 5216），外徑尺寸為170 mm，壁厚為16 mm，截面積為7740.88 mm2。生產節拍：≤3 min（含上下件）。頂鍛力= (82.9 -165.7 MPa)×截面積=64.17 - 128.27 t；焊接壓力= (41.7 - 82.9 MPa) ×截面積=32.28 - 64.17 t。

2.2 焊接方法

在車橋進行摩擦焊時，將軸頭裝卡在床頭卡盤上，橋包安裝在床身夾具上，軸頭旋轉接觸橋包端面，摩擦生熱使得橋包端面與軸頭端面金屬熔接。在整個焊接過程中，控制器對壓力、時間、轉速、位移4個參數進行精確控制以實現鍛壓，并最終實現車橋的焊接。在焊接的全部過程中，使用高精度壓力傳感器、旋轉光柵尺、直線編碼器和時間控制器進行測量。具體步驟如下。

（1）橋包與軸頭的徑向與軸向定位：將軸頭安裝在主軸卡盤內(此時軸頭徑向完全定位)，橋包安裝在床身夾具上。橋包的安裝固定方式：床身的夾具采用內錐斜孔結構，通過與橋包中心的上下內孔配合，作為橋包軸向定位基準；而后床身夾具兩端雙爪夾具，抓緊橋包兩端外殼做為橋包的徑向定位。液壓油缸驅動床頭向橋包方向運動，軸頭端面與橋包端面在壓力下靠緊，軸頭頂端靠緊床頭內部的定位行程塊。如圖2所示，此時壓力傳感器收到壓力感應，且軸頭徑向與軸向定位唯一，同時控制器記錄下加工前的全長尺寸。控制器將預設值與此時的尺寸進行對比，如與預設值差異較大則表明焊接不合格，機床自動向操作者報警則剔除不合格工件。

第一，相關法律規范過于分散，協調性、操作性較差。除《未成年人保護法》《預防未成年人犯罪法》之外，其他有關未成年人的法律分散在一些相關法律、法規之中。由于在這些法律中所占比例很小，其重要性常常被忽視（這些法律的具體實施部門并非專門的未成年人保護及犯罪預防部門）；有關法律規范剛性不足，違反這些規范時要么缺乏法律后果規定，要么法律規范中規定的法律責任難以具體落實，致使許多法條成為宣誓性條文；有些法律規范之間還存在著明顯的不協調之處。上述這些立法狀況嚴重影響了相關法律的有效實施。

（2）橋殼焊接過程：如圖2所示，床頭自動后退一小端距離準備進行焊接加工，隨后，床頭主軸開始旋轉液壓油缸以一級壓力（較小壓力）推進軸頭始向橋包靠近，兩端面接觸并開始摩擦生熱。在上述加工焊接的過程中，軸頭同時與橋包因生熱以一個小恒定速率沿軸向收縮（參考圖B段）。主軸繼續保持轉速不變，但液壓油缸改用二次壓（中壓）推進軸頭，生熱量加大，軸頭與橋包以中恒定速率繼續收縮（參考圖2的C-D段）。在焊接端面進入白熱狀態時，主軸立即停止旋轉，同時油缸以兩倍二次壓力推進軸頭，對軸頭進行熔接，軸頭與橋包以更大斜率收縮（參考圖2的E-F段）。隨后，機床測量獲得焊后尺寸，并于控制器內的予設理論焊后尺寸進行核對，如有誤差則機床自動對用戶報警。如果焊后尺寸與控制器預設值一致，則表明焊接合格將零件自動卸下。

圖2 車橋摩擦焊工藝參數圖

（3）在焊接的全過程中，控制器通過HEIDANHAIN光柵尺實時對位移進行測量和控制；通過高精度壓力表實時對油缸壓力進行測量和控制；通過旋轉光柵實時對床頭轉速進行測量和控制；通過控制器時鐘對焊接時間進行測量和控制。

3 試驗結果及分析

3.1 金相檢驗

金相組織檢驗按照GB 9441－2009中的有關要求進行評定，圖3(a)所示為按照前文摩擦焊接工藝參數焊接的橋殼，按照GB 9441－2009對其進行隨機取樣進行進行組織檢驗，以確定橋殼的焊接質量。

圖3 車橋摩擦焊工藝參數圖

摩擦焊的焊縫如圖4所示，其微觀組織為焊縫細晶區、熱力影響區和母材區。在摩擦焊接過程中，工件高速旋轉摩擦生熱，并在擠壓作用下兩金屬迅速達到塑化狀態，且隨著兩工件的相對的運動，焊縫中心得到重結晶再細化。而熱影響區因在摩擦焊接過程中，距離焊接面熱區域的局域較遠，受到的熱力作用也略低于焊縫中心。因此，此時的金屬組織并未發生粗化，只是在靠近焊縫中心部位的組織在有所變形。接頭組織整體均勻細小而致密。綜上，摩擦焊接的質量符合要求。

圖4 車橋摩擦焊工藝參數圖（100X）

同前文方法，按照GB 9441－2009對橋殼母材的熱影響區進行金相分析，結果如圖5所示。橋殼的熱影響區的組織主要為粒狀貝氏體、鐵素體，而橋殼的母材組織則主要為鐵素體+珠光體。軸管的熱影響區主要由托氏體、貝氏體、鐵素體和馬氏體組成，而軸管的母材區域則主要由回火索氏體組成。綜上，采用摩擦焊的方法焊接的橋殼滿足要求，焊接進行組織合格。

圖5 橋殼熱影響區圖

3.2 抗拉強度

如圖6所示，利用電子萬能試驗機GNT200，按照GB 2649－81焊接接頭機械性能試驗取樣方法對試件進行抗拉強度測定。抗拉強度555.8 MPa，滿足抗拉強度≥550 MPa～720 MPa的強度要求。塑性延伸強度為482.2 MPa，滿足塑性延伸強度≥460 MPa的要求。斷后延長率為19.48%，滿足要求塑性延長率≥17%的要求。綜上，采用摩擦焊接的方法滿足其加工要求。

圖6 抗拉試樣

3.3 抗彎強度

對摩擦焊接后的包含有環焊縫的部件鋸成條料檢測焊縫的抗彎強度，如圖7所示，共制取試樣4個，并分別對其進行抗彎強度測試。焊接接頭均具有良好的彎曲性能，正彎、背彎180°均未出現裂紋，滿足要求。

圖7 橋殼彎曲試樣

3.4 疲勞測試

后橋是貨車的主要傳力和承載部件，形狀結構復雜，且由于貨車行駛工況復雜多變，其剛度和強度對動力的傳動效率、橋殼的疲勞壽命起到了決定性的作用。因此，本節對摩擦焊接接頭進行疲勞測試，結果如表1所示。隨機取樣3組進行疲勞測試，結果顯示其在垂直疲勞的測試條件下均超過100萬次未發生斷裂，因此，可證明摩擦焊接的橋殼滿足其疲勞損傷要求。

表1 疲勞測試結果

序號名稱試驗目的試驗情況 111噸橋1#垂直疲勞110萬次未斷裂 211噸橋2#垂直疲勞105萬次未斷裂 311噸橋3#垂直疲勞102萬次未斷裂

4 結論

本文針對橋殼的摩擦焊接工藝及加工試樣進行了研究，為摩擦焊在橋殼及同類產品的設計加工過程提供了重要參考，得到的主要結論如下。

（1）摩擦焊在焊接過程中產生的力學冶金效應有益于提升車橋焊接接頭的強度，且具有的可靠性好、精度高、效率快等優勢均適應于汽車車橋的加工生產。

（2）為本文所焊接的車橋涉及的轉速、摩擦壓力、摩擦時間、變形量、頂鍛壓力、頂鍛變形量、頂鍛速度等關鍵工藝參數進行了選取。

（3）對摩擦焊接后的金屬分別進行了金相檢驗、抗拉強度、抗彎強度和疲勞測試，結果顯示均滿足設計要求。

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Feasibility Study on Friction Welding Process of Axle Housing

Friction welding has been widely used in aerospace, automobile, construction machinery and other fields due to its high quality, high efficiency, energy saving and non-polluting technical characteristics. Aiming at the friction welding of the automobile axle housing as the research object, this paper introduces the advantages of friction welding and its application in the welding of axle housing, determines the key process parameters used for the welding of axle housing, such as rotation speed, friction pressure, friction time, deformation, upsetting pressure, upsetting deformation and upsetting speed, and carries out metallographic examination, tensile strength, bending strength and fatigue test for the friction welded joints, and the results show that they all met the design requirements. The research in this paper can provide reference for the research of friction welding in axle housing and similar products.

automobile; axle housing; friction welding; metallographic inspection

U4613

A

1008-1151(2022)09-0070-04

2022-06-08

廣西創新驅動發展專項（桂科AA21077014）。

胡萬良（1967－），男，山西河津人，方盛車橋（柳州）有限公司高級工程師，從事車橋產品開發和管理工作。

方志剛（1984－），男，湖北黃石人，武漢理工工大學汽車工程學院講師，從事汽車底盤研究工作。