攪拌摩擦焊技術(shù)在城市軌道車輛制造中的應(yīng)用

□江茂□李軍

重慶交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院重慶400047

攪拌摩擦焊技術(shù)在城市軌道車輛制造中的應(yīng)用

□江茂□李軍

重慶交通大學(xué)機(jī)電與車輛工程學(xué)院重慶400047

以鋁合金軌道車輛為研究對(duì)象，給出了攪拌摩擦焊技術(shù)的基本原理及特點(diǎn)。介紹了焊接材料種類和焊接使用設(shè)備，論述了焊接接頭性能和質(zhì)量，同時(shí)分析了攪拌摩擦焊技術(shù)在國(guó)內(nèi)外軌道車輛制造中的應(yīng)用前景。

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，我國(guó)城市軌道交通建設(shè)已步入繁榮發(fā)展期。為提高軌道車輛制造技術(shù)水平，眾多企業(yè)采用了一種先進(jìn)、綠色、環(huán)保的新興焊接技術(shù)——攪拌摩擦焊技術(shù)。

筆者以鋁合金軌道車輛為研究對(duì)象，介紹攪拌摩擦焊技術(shù)的基本原理和特點(diǎn)。對(duì)攪拌摩擦焊技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)焊接技術(shù)的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行詳細(xì)闡述，并歸納總結(jié)攪拌摩擦焊焊接材料的種類及使用設(shè)備，對(duì)攪拌摩擦焊在軌道車輛制造中的應(yīng)用進(jìn)行分析，重點(diǎn)包括焊接接頭性能和焊接質(zhì)量，同時(shí)指出在這一領(lǐng)域還需進(jìn)一步研究的課題。

1 攪拌摩擦焊基本原理和特性

1991年，英國(guó)焊接研究所發(fā)明了攪拌摩擦焊。如圖1所示，這是一種在旋轉(zhuǎn)情況下用耐磨工具將板材或型材連接在一起的機(jī)械工藝。在焊接過程中，旋轉(zhuǎn)工具自身不會(huì)損耗，使用一個(gè)帶特殊軸肩和針凸的柱形攪拌頭，攪拌頭在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)插入被焊工件，與被焊材料之間摩擦產(chǎn)生摩擦熱，將被焊材料熱塑化。當(dāng)攪拌頭沿著被焊界面向前移動(dòng)時(shí)，熱塑化的金屬由攪拌頭和軸肩共同牽引向后轉(zhuǎn)移，填充形成焊縫[1]。

圖1 攪拌摩擦焊原理

攪拌摩擦焊的攪拌頭由耐磨材料制成，攪拌焊針的直徑為工件厚度的90%～110%，能夠在高溫下?lián)碛辛己玫撵o態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，獲得較好的焊縫質(zhì)量。攪拌摩擦焊與熔焊相比，具有一些獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，包括焊接速度快、變形量小、形成的焊縫金屬力學(xué)性能好、缺陷小、氧化皮可以自動(dòng)去除等，此外，攪拌摩擦焊應(yīng)用范圍廣，成本低，能源消耗小。攪拌摩擦焊使用的設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊接和機(jī)器人焊接。目前，為使軌道車輛實(shí)現(xiàn)輕量化，制造企業(yè)紛紛應(yīng)用了攪拌摩擦焊技術(shù)[2]。

1.1 攪拌摩擦焊材料

軌道車輛制造中主要采用變形鋁合金和鑄造鋁合金兩種材料，可根據(jù)車輛零部件對(duì)材料性能的不同要求而選用不同的合金。軌道車輛車體和內(nèi)部裝飾件采用變形鋁合金中的5052鋁合金、5083鋁合金，車頂板、車體外部、地板、骨架采用加工性能好且耐腐蝕的5005鋁合金，6063鋁合金則用于車門窗與內(nèi)部設(shè)施。對(duì)于底架、枕梁等要求高的關(guān)鍵部件，必須采用鋁-鋅-鎂鋁合金，例如7003鋁合金、7N01鋁合金等[3]。攪拌摩擦焊幾乎能夠焊接所有鋁合金材料，包括鋁合金與銀、鋁合金與鎂、銅合金與銅或鋁基金屬復(fù)合材料，以及不同種類鋁合金之間的連接，此外對(duì)于鋅、鉛、鈦及鈦合金、不銹鋼和低碳鋼等同種或異種材料同樣適用[4]。

1.2 攪拌摩擦焊設(shè)備

攪拌摩擦焊屬于壓力焊，需要專用設(shè)備來進(jìn)行加工。因此，攪拌摩擦焊設(shè)備幾乎與攪拌摩擦焊技術(shù)同時(shí)誕生，共同發(fā)展。通過英國(guó)焊接研究所的授權(quán)，世界上已經(jīng)有很多廠家成為專業(yè)的攪拌摩擦焊設(shè)備制造商，如伊薩、捷姆科和北京賽福斯特技術(shù)有限公司等[5-6]。英國(guó)焊接研究所通過改裝和新建，已經(jīng)擁有不同結(jié)構(gòu)形式的攪拌摩擦焊設(shè)備11臺(tái)，其中FW22型攪拌摩擦焊設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)尺寸為3 m×4 m×5 m的縱縫和直徑為1.2 m的環(huán)縫的焊接，焊接速度可達(dá)到1.7 m/min。MTS公司則研發(fā)出液壓驅(qū)動(dòng)攪拌摩擦焊設(shè)備，焊接對(duì)象為非平面和變截面高強(qiáng)度合金材料，能夠?qū)缚p施加9 kN的焊接壓力，焊接厚度可達(dá)30 mm，即使使用普通攪拌頭，也可對(duì)焊縫施加13kN的頂鍛壓力。賽福斯特公司2003年自主開發(fā)了中國(guó)最大的攪拌摩擦焊設(shè)備，可以對(duì)焊縫施加10 kN的頂鍛壓力，焊接件的壁厚可達(dá)25 mm，焊縫長(zhǎng)為1.7m[6]。

適用于軌道車輛結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的攪拌摩擦焊設(shè)備較多，常用的是靜龍門式和動(dòng)龍門式攪拌摩擦焊設(shè)備。靜龍門式攪拌摩擦焊設(shè)備主要焊接軌道車輛上的短小零件，如側(cè)墻、端蓋、窗體框架和驅(qū)動(dòng)箱體，零件的有效焊接長(zhǎng)度不大于3 m，寬度不大于2.5 m。動(dòng)龍門式攪拌摩擦焊設(shè)備一般焊接軌道車輛車體的大型壁板類零件，零件尺寸過大時(shí)需要增大龍門立柱間的跨距。當(dāng)跨距大于2 500 m時(shí)，龍門兩側(cè)需要采用電動(dòng)機(jī)同步驅(qū)動(dòng)，以保證焊接平穩(wěn)，獲得較好的焊接質(zhì)量[7-8]。

2 攪拌摩擦焊的應(yīng)用

攪拌摩擦焊作為一種輕合金材料連接的優(yōu)選焊接技術(shù)，經(jīng)過前期大量工藝分析和試驗(yàn)，目前已經(jīng)從技術(shù)研究轉(zhuǎn)向高層次工業(yè)化應(yīng)用階段。攪拌摩擦焊技術(shù)首先應(yīng)用于船舶制造和海洋工業(yè)領(lǐng)域，主要用于焊接甲板、側(cè)板、船頭、防水壁板和地板等。在高精密度的宇航制造工業(yè)領(lǐng)域，攪拌摩擦焊技術(shù)被用于焊接火箭和航天飛機(jī)助推燃料筒體的縱向?qū)雍缚p和環(huán)向搭接接頭，使板材成形前的可使用尺寸增大，降低制造超尺寸板材零件的成本。在民用建筑工業(yè)和陸路交通工業(yè)中，攪拌摩擦焊的應(yīng)用也越來越廣泛[9-10]。

目前，攪拌摩擦焊技術(shù)在軌道車輛制造中應(yīng)用已經(jīng)取得成功，特別是在國(guó)外軌道車輛制造業(yè)中已有13年的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，且發(fā)展速度快。在我國(guó)，自2002年引進(jìn)攪拌摩擦焊技術(shù)以來，主要車輛制造企業(yè)紛紛開始了這一技術(shù)的工程化應(yīng)用研究工作，并取得了豐碩的應(yīng)用成果。

2.1 國(guó)外應(yīng)用情況

國(guó)際上眾多知名列車生產(chǎn)企業(yè)都在采用攪拌摩擦焊技術(shù)生產(chǎn)各種不同結(jié)構(gòu)和型號(hào)的軌道車輛，如龐巴迪、阿爾斯通、西門子、川崎重工、住友輕金屬等，焊接車型達(dá)數(shù)十種，焊接車輛達(dá)數(shù)千輛。

日本日立公司1995年引進(jìn)攪拌摩擦焊技術(shù)，之后開展了一系列基礎(chǔ)研究。自1998年起，日立公司應(yīng)用攪拌摩擦焊技術(shù)進(jìn)行批量生產(chǎn)[11]。

日本川崎重工對(duì)攪拌摩擦焊技術(shù)給予了很高評(píng)價(jià)，其自身也采用攪拌摩擦點(diǎn)焊焊接FAStech360Z列車頂部面板的加強(qiáng)筋。攪拌摩擦焊技術(shù)的低能量輸入大大改善了車體外表面的平整度和美觀性。

日本住友輕金屬公司已將攪拌摩擦焊技術(shù)應(yīng)用于日本新干線車輛的制造中，主要用于鋁合金擠壓型材的拼接。

日本車輛制造公司將攪拌摩擦焊技術(shù)用于車體的中空擠壓結(jié)構(gòu)側(cè)墻及地板的焊接，接頭形式有兩種，分別為厚度3.5 mm和4 mm的對(duì)接[12]。

在德國(guó)、法國(guó)、丹麥、英國(guó)等國(guó)家，攪拌摩擦焊技術(shù)已經(jīng)獲得授權(quán)并得到了廣泛應(yīng)用。攪拌摩擦焊在軌道車輛制造中有兩種應(yīng)用形式，一種是直接購買已經(jīng)焊接完成的型材，另一種是自主購買攪拌摩擦焊設(shè)備進(jìn)行列車零部件的生產(chǎn)。

龐巴迪公司應(yīng)用攪拌摩擦焊技術(shù)生產(chǎn)英國(guó)Electrostar系列列車，已經(jīng)與倫敦地鐵達(dá)成376輛該系列列車的購買協(xié)議，用于線路升級(jí)。

丹麥鋁合金沖壓生產(chǎn)商薩帕是歐洲最早引進(jìn)攪拌摩擦焊技術(shù)的企業(yè)，現(xiàn)今薩帕已經(jīng)擁有一臺(tái)16 m長(zhǎng)的攪拌摩擦焊設(shè)備。這臺(tái)設(shè)備有3個(gè)攪拌頭，不僅能夠雙面焊，而且能夠在同一面上從板材中心向兩側(cè)同時(shí)進(jìn)行焊接，此外還適用于大厚板的拼焊，焊縫長(zhǎng)度可達(dá)14.5 m，板材寬幅為3 m[13]。

2.2 國(guó)內(nèi)應(yīng)用情況

我國(guó)2002年引進(jìn)攪拌摩擦焊技術(shù)以來，中車四方股份、長(zhǎng)客股份、南京浦鎮(zhèn)及株洲電力機(jī)車等主機(jī)廠意識(shí)到攪拌摩擦焊技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，積極開展攪拌摩擦焊技術(shù)工程化應(yīng)用的論證工作，取得了一定的成果。2010年8月，四方股份采用攪拌摩擦焊技術(shù)完成了廣州軌道交通5號(hào)線一輛列車的車體及側(cè)墻單元焊接。2011年，南京浦鎮(zhèn)生產(chǎn)的上海軌道交通13號(hào)線列車側(cè)墻經(jīng)過攪拌摩擦焊技術(shù)焊接處理，車體表面平面度達(dá)到1 mm/m，極大提高了列車的外觀美感。2012年，長(zhǎng)客股份針對(duì)深圳軌道交通2、7、9號(hào)線鋁合金列車的側(cè)墻和車頂都采用了攪拌摩擦焊技術(shù)，進(jìn)一步推廣了攪拌摩擦焊技術(shù)在中國(guó)市場(chǎng)上的應(yīng)用。2014年，四方股份完成了中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組FSW技術(shù)樣車車體研制，實(shí)現(xiàn)了攪拌摩擦焊技術(shù)在高速動(dòng)車組上的推廣和應(yīng)用[14]。

3 焊接接頭性能

攪拌摩擦焊接頭形式有I形對(duì)接、對(duì)接和搭接復(fù)合接頭、雙片搭接、多片對(duì)接、3片T形對(duì)接、雙片T形對(duì)接、雙片角對(duì)接和雙片內(nèi)角對(duì)接等[4]。基于攪拌摩擦焊接頭的組織與力學(xué)性能，根據(jù)殘余應(yīng)力的變化情況可分析出焊接的接頭質(zhì)量，對(duì)于研究攪拌摩擦焊技術(shù)在軌道列車上的應(yīng)用可行性及揭示焊板厚度對(duì)焊接的影響規(guī)律具有重要意義。

羅傳孝等[15]通過對(duì)金相組織觀察、斷口掃描分析、拉伸試驗(yàn)和顯微硬度測(cè)試分別研究了6082-T6鋁合金和5083鋁合金攪拌摩擦焊接頭的微觀組織和力學(xué)性能，得出了接頭斷面組織可分為焊核區(qū)、熱機(jī)影響區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)等四個(gè)區(qū)域，其中熱影響區(qū)是接頭最薄弱的區(qū)域。

劉杰等[16-17]對(duì)35 mm厚板6005A-T6鋁合金型材采用攪拌摩擦焊雙面焊工藝進(jìn)行試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，確認(rèn)接頭焊核區(qū)組織為細(xì)小等軸晶，前進(jìn)側(cè)出現(xiàn)明顯螺旋紋及清晰接合線，熱機(jī)影響區(qū)晶粒被明顯拉長(zhǎng)呈條狀組織，熱影響區(qū)受熱晶粒相對(duì)粗大，后退側(cè)未見螺旋紋，晶粒比前進(jìn)側(cè)細(xì)小，過渡區(qū)較前進(jìn)側(cè)寬。以上試驗(yàn)為后續(xù)開展攪拌摩擦焊接頭性能進(jìn)一步研究試驗(yàn)提供了參考依據(jù)。

賀地求等[18-20]對(duì)6061-T6鋁合金板進(jìn)行了60 mm雙面攪拌摩擦對(duì)接焊試驗(yàn)，分析了對(duì)接焊接頭的微觀組織與力學(xué)性能。試驗(yàn)結(jié)果表明焊接區(qū)微觀組織沿厚度方向發(fā)生不同程度的改變，焊接接頭強(qiáng)度達(dá)到218 MPa，為母材強(qiáng)度的70%，而接頭力學(xué)性能卻下降。主要原因是焊接熱循環(huán)引發(fā)的金屬強(qiáng)化相重固溶和過時(shí)效，其中前進(jìn)側(cè)熱機(jī)影響區(qū)為焊縫薄弱環(huán)節(jié)。此次試驗(yàn)為30 mm以上厚板的攪拌摩擦焊研究提供了實(shí)測(cè)依據(jù)。

4 結(jié)論

隨著城市軌道交通的高速發(fā)展，軌道車輛焊接接頭強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)安全性要求越來越高。采用攪拌摩擦焊生產(chǎn)的產(chǎn)品性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)惰性氣體保護(hù)焊，攪拌摩擦焊已成為主流。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于攪拌摩擦焊工程化應(yīng)用和推廣做了大量研究，并取得了一定的研究成果。國(guó)外的軌道車輛制造業(yè)對(duì)于攪拌摩擦焊技術(shù)的應(yīng)用較為成熟，我國(guó)也自2002年起開展了大量研究和生產(chǎn)。基于目前的情況，攪拌摩擦焊技術(shù)還需在以下幾個(gè)方面繼續(xù)完善。

（1）建立完整的焊接參數(shù)數(shù)據(jù)庫。現(xiàn)在還未形成一套規(guī)范化的技術(shù)指標(biāo)，對(duì)于某些參數(shù)不能準(zhǔn)確把握，并且不能簡(jiǎn)化焊接參數(shù)、優(yōu)化步驟，所以急需一套完整的焊接參數(shù)數(shù)據(jù)庫來作為參考依據(jù)，這樣有助于進(jìn)一步制訂技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)新型設(shè)備。

（2）完善有限元模擬條件。在對(duì)攪拌摩擦焊接頭及焊接車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究時(shí)，有限元分析起著至關(guān)重要的作用。材料的結(jié)構(gòu)關(guān)系在數(shù)學(xué)推導(dǎo)得出的前提下，還需以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，這樣才能準(zhǔn)確把握材料的相關(guān)性能，并加以應(yīng)用。

（3）拓寬應(yīng)用范圍。攪拌摩擦焊在航空航天、軌道車輛、船舶制造等領(lǐng)域都取得了成功應(yīng)用，通過設(shè)計(jì)與兩側(cè)板面完全貼合的靜止軸肩等措施，可以角焊縫形式實(shí)現(xiàn)T形接頭焊接，從而拓寬攪拌摩擦焊技術(shù)的應(yīng)用范圍。因此，改進(jìn)結(jié)構(gòu)及完善設(shè)備來拓寬應(yīng)用領(lǐng)域是今后需要深入研究的方向。

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（編輯：?jiǎn)⒌拢?/p>

Took aluminum alloy rail vehicle as the research object to present the basic principle and characteristics of the friction stir welding technology.Introduced the types of welding materials and the equipment for welding and discussed the performance and quality of the welded joints with analyses on potential application of the friction stir welding technology in manufacturing of rail vehicles at home and abroad.

軌道交通；攪拌摩擦焊；應(yīng)用

RailTransit；Friction Stir Welding；Application

TH122；TG453

B

1672-0555（2017）02-012-04

2017年2月

江茂（1993—），女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槌鞘熊壍澜煌ㄔO(shè)備。