軌道車輛新型鋁合金枕梁焊接工藝

劉長和，薛 濤，魏 良，彭長偉，康麗齊，董 尋，劉 松，孫明雙

（中車長春軌道客車股份有限公司，吉林長春130062）

0 前言

在軌道車輛車體結(jié)構(gòu)制造過程中，焊接已然成為一種重要的制造工藝，各種鋁合金的主要承力構(gòu)件和部件大都采用焊接結(jié)構(gòu)。目前，鋁及鋁合金的焊接技術(shù)已有長足的進步，除傳統(tǒng)氬弧焊等熔焊工藝外，攪拌摩擦焊等新型固相焊接方法已經(jīng)從技術(shù)研究邁向高層次的工程化和工業(yè)化應用階段，現(xiàn)已成為鋁及鋁合金首選的連接工藝[1]。

在軌道交通行業(yè)，隨著列車速度的不斷提高，對列車減輕自重、提高接頭強度及結(jié)構(gòu)安全性的要求越來越高[2]。由于攪拌摩擦焊焊接接頭強度優(yōu)于MIG焊焊接接頭，且缺陷率低，成本低，目前軌道車輛的制造中采用攪拌摩擦焊技術(shù)已是主流趨勢。此外，與傳統(tǒng)的MIG焊及TIG焊接相比，因其熱變形引起的焊接變形小，故可省略板側(cè)焊道的精整工藝，減少焊接變形的校正工時。試驗證明，F(xiàn)SW焊接與MIG焊接相比，F(xiàn)SW焊金相組織致密，與母材組織更為接近，表現(xiàn)出優(yōu)良的性能。但FSW焊接因設(shè)備原因而具有一定應用的局限性，因此采用弧焊和FSW焊接相結(jié)合的焊接工藝是一種創(chuàng)新性選擇。

1 制作難點

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

枕梁結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。該結(jié)構(gòu)主要由兩側(cè)枕梁、筋板和上下蓋板組成，筋板和枕梁、筋板與上蓋板間焊縫采用弧焊，上、下蓋板與枕梁間焊縫采用攪拌摩擦焊，最后通過整體加工成型，屬于一種全新的枕梁設(shè)計結(jié)構(gòu)。

圖1 枕梁結(jié)構(gòu)Fig.1 Pillow beam structure

1.2 尺寸精度控制

枕梁采用弧焊和攪拌摩擦焊兩種工藝相結(jié)合的方式。攪拌摩擦焊對工件的平度和間隙要求十分嚴格，為保證攪拌摩擦焊的焊接質(zhì)量，要求弧焊后平面度控制在1.5mm以內(nèi)，F(xiàn)SW焊縫處錯邊和間隙小于等于0.5 mm。邊梁型材高度尺寸1090+0.5mm，型材寬度方向的平面度控制在0.5 mm以內(nèi)，長度方向的平面度控制在0.5 mm/m以內(nèi)。

1.3 焊接變形控制

相對于傳統(tǒng)弧焊，攪拌摩擦焊對焊縫間隙、直線度要求較高，而枕梁在攪拌摩擦焊之前需完成中間筋板的焊接，弧焊量大（a10的角焊縫），因此對其焊接變形的控制提出了更高的要求，以及如何在非理想組對狀態(tài)下獲得優(yōu)質(zhì)的攪拌摩擦焊接頭。主要難點有：（1）如何選用合理的焊接工藝將焊接變形控制在最小的范圍內(nèi)；（2）專用工裝設(shè)計及制造；（3）通過參數(shù)優(yōu)化降低攪拌摩擦焊的組對要求。

2 工藝方案

針對上述難點，根據(jù)新型枕梁結(jié)構(gòu)制造精度的要求，將枕梁的整個制作主要分成弧焊和攪拌摩擦焊兩道工序，然后整體機加工成型，從兩道工序分別制定工藝方案，保證枕梁的制作精度滿足圖紙要求。

2.1 材料選擇

大型鋁合金擠壓型材以其在減重性、耐蝕性、加工性等方面具有其他材料無法比擬的優(yōu)點，在軌道車輛車體上得到廣泛應用[2]。大型中空擠壓型材6005A-T6鋁合金是一種中等強度鋁合金，主要用于城鐵客車、鐵路客車，尤其是高速動車組的車體制造，具有中等強度，良好的塑性、抗腐蝕性、焊接性及加工成形性，綜合性能優(yōu)良。本研究選用A1-Mg-Si系6005A-T6的鋁合金擠壓型材和板材。

2.2 枕梁弧焊工藝

2.2.1 組對、焊接

采用工裝側(cè)面和端部定位裝置組對下蓋板和兩側(cè)邊梁型材，然后將工裝上的壓緊裝置進行預緊固，橫向一側(cè)利用頂緊裝置，同時輔以枕梁型材隨形塊對枕梁進行頂緊，保證兩枕梁與下蓋板間無間隙組對。采用樣板組對各筋板，然后點固各筋板，在保證筋板垂直焊接筋板，待工件冷卻后，松開上部卡具，組對上蓋板，在兩端內(nèi)側(cè)部位進行段焊，焊接位置如圖2所示，工裝結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2.2 焊接變形控制

鋁合金的熱導率高和線膨脹系數(shù)較大的特點決定其焊接時易產(chǎn)生焊接變形[3]。該枕梁焊接位置主要集中在筋板位置，包括筋板與兩側(cè)枕梁型材、筋板與下蓋板之間，均為a10的角焊縫，焊接量大。通過工裝夾具束縛焊后變形，首先要保證筋板的垂直度，其次是保證兩枕梁型材間的寬度尺寸，才能保證上蓋板的安裝和安裝后的尺寸要求。筋板焊接采用合理的焊接參數(shù)和焊接順序，焊前預熱焊縫區(qū)域，預熱溫度100～120℃，焊絲選用ER5087，直徑1.2mm。采用多層多道焊，共2層3道，第1道選用大電流，保證熔深，焊接電流 230～240 A，焊接速度 35～40 cm/min，焊后打磨處理，去除黑灰和殘渣，當層間溫度達到80～100℃時，焊接第2道焊縫，焊接電流220～230A，焊接速度30～35 cm/min，第3道焊縫焊接參數(shù)與第2道相同，焊接順序為先進行筋板與兩枕梁型材間焊縫的打底焊，再進行筋板與下蓋板間焊縫的打底焊接，最后依次進行所有焊縫的蓋面焊接，鏡像焊縫采用交替焊接。在邊梁型材外側(cè)增加壓緊裝置，以及焊接筋板時在兩邊梁型材間使用千斤頂支撐，防止焊后邊梁收縮。

圖2 焊接位置Fig.2 Welding position

圖3 工裝結(jié)構(gòu)Fig.3 Process equipment structure

2.3 攪拌摩擦焊工藝

2.3.1 工裝、設(shè)備準備

攪拌摩擦焊枕梁工裝示意如圖4所示，其技術(shù)條件為：①枕梁長度和寬度方向上均為一側(cè)定位，另一側(cè)頂緊；②壓緊點需布置在筋板位置，不能與攪拌焊主軸干涉；③側(cè)向壓緊要求具有足夠的壓緊力，盡量消除焊縫組對間隙；④工裝設(shè)計為可整體吊裝形式，要求其有足夠的強度，在吊裝過程中定位精度不發(fā)生變化。

圖4 攪拌摩擦焊工裝Fig.4 Process equipment of FSW

枕梁攪拌摩擦焊的設(shè)備如圖5所示，主要技術(shù)參數(shù)見表1。

圖5 攪拌摩擦焊設(shè)備Fig.5 Equipment of FSW

表1 攪拌摩擦焊設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of FSW equipment

2.3.2 攪拌摩擦焊工藝特點

攪拌摩擦焊焊接過程如圖6所示。最重要的參數(shù)是攪拌頭的尺寸、攪拌頭的圓周速度以及攪拌頭與工件的相對移動速度[4]。攪拌針伸進材料內(nèi)部高速旋轉(zhuǎn)進行摩擦和攪拌，攪拌頭的肩部與工件表面摩擦生熱，并防止塑性狀態(tài)材料的溢出，同時可清除表面氧化膜。攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)與工件間發(fā)生攪拌摩擦，利用摩擦所產(chǎn)生的熱使工件達到熱塑性狀態(tài)，此時，攪拌頭沿著焊板進行接縫運動，由此形成攪拌摩擦焊的焊縫[5]。

圖6 攪拌摩擦焊焊接示意Fig.6 Welding diagram of FSW

2.3.3 枕梁檢測、焊接、加工

枕梁攪拌摩擦焊完成后對焊縫進行100%超聲波相控陣檢測，并在兩端部預留位置取樣，進行力學性能檢測，經(jīng)檢測合格后，完成上蓋板與筋板間環(huán)形焊縫的焊接，最后整體加工成型。

3 FSW接頭和MIG接頭的疲勞性能試驗對比

3.1 試驗方法

采用日本島津CONROLLER型疲勞試驗機，試驗參考GB/T3816標準——焊接接頭脈動拉伸疲勞試驗方法進行，選取應力比R＝0.1，加載方向與對接焊縫垂直，載荷為橫幅sin加載波，加載頻率f=10 Hz。先分別對FSW和MIG焊2組試樣進行靜載拉伸，F(xiàn)SW 靜載強度 σb=216 MPa，MIG靜載強度σb=276.8 MPa，取其平均值作為FSW和MIG焊接接頭的抗拉強度，疲勞載荷參照此值選取。通過實驗確定名義應力范圍Δσ-N曲線和在1×107次循環(huán)時不發(fā)生疲勞斷裂的Δσ為疲勞強度特征值。

3.2 試驗結(jié)果

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪制FSW焊和MIG焊疲勞SN曲線如圖7所示。對于給定的循環(huán)疲勞次數(shù)，攪拌摩擦焊試樣的疲勞強度明顯高于MIG焊接接頭，F(xiàn)SW的S-N曲線比MIG焊的變換更為平緩，即在長壽命區(qū)（大于等于1×107）FSW的疲勞強度增加更顯著。另外，從FSW和MIG焊接頭在不同應力水平下的疲勞強度分布可看出，F(xiàn)SW接頭在相同的應力水平疲勞壽命值比較集中，而MIG焊分散度較大，這與接頭的形態(tài)及組織結(jié)構(gòu)有關(guān)。攪拌摩擦焊接頭的幾何形狀與熔化焊接頭明顯不同，焊縫沒有填充金屬，不存在熔焊接頭那樣的具有明顯應力集中的焊趾和焊根部位，應力集中的影響顯著降低。另外，F(xiàn)SW焊縫為致密的鍛造組織，晶粒細小，沒有氣孔等缺陷，表現(xiàn)出較高的疲勞強度。圖8分別為枕梁上蓋板FSW和MIG焊接頭的低倍形貌，F(xiàn)SW為一遍焊透，而MIG為多層多道焊接完成。圖9分別為FSW和MIG焊接熱影響區(qū)的微觀組織形貌，F(xiàn)SW接頭HAZ區(qū)晶粒細小且無方向性，而MIG焊接頭的組織為樹枝晶且存在氣孔，樹枝狀晶及氣孔的存在均會影響試樣的疲勞壽命。

圖7 FSW和MIG焊接接頭S-N曲線Fig.7 S-N curve of FSW and MIG welded joint

4 結(jié)論

攪拌摩擦焊工藝在鋁合金車體上的成功試制，標志著攪拌摩擦焊新技術(shù)在國內(nèi)軌道車輛的工程化應用。枕梁是軌道車輛底架受力的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)復雜，對焊接質(zhì)量要求高，采用MIG弧焊預組裝、外側(cè)長直焊縫攪拌摩擦焊的焊接工藝，在改善車間作業(yè)環(huán)境的同時，提高了部件的整體質(zhì)量。采用的工藝方案及工裝能為此類型的產(chǎn)品工藝設(shè)計提供參考。

參考文獻：

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[3]楊尚磊，孟立春，呂任遠，等.高速車輛用A6N01鋁合金的脈沖 MIG 焊[J].焊接，2008（9）：33-35.

圖8 FSW和MIG焊接接頭低倍形貌Fig.8 FSW and MIG welded joint macro-structures

圖9 FSW（AS側(cè)）和MIG（HAZ）金相組織Fig.9 FSW（AS side）and MIG（HAZ）welded joint micro-structures

[4]史耀武，唐偉.攪拌摩擦焊原理及應用[J].電焊機，2000，30（1）：6-9

[5]王炎金.鋁合金車體焊接工藝[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009：53.