鋁合金側墻攪拌摩擦焊的隧道缺陷改進技術研究

■ 吳興歡，彭勇軍

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攪拌摩擦焊是利用攪拌摩擦熱作為焊接熱源，它是由一個帶有攪拌針和軸肩的特殊形式的攪拌頭通過摩擦迅速升溫將母材軟化變成熱塑性金屬層，當攪拌頭沿著接合焊縫運行時使其前方的熱塑性金屬不斷流向其后方，并通過相互擴散與再結晶使接合材料以固相形式進行永久接合的一種焊接方法。國內在航空航天、造船以及軌道交通等行業，攪拌摩擦焊技術已得到一定的應用，但在軌道交通領域，鋁合金攪拌摩擦焊技術尚處于研究起步階段。

攪拌摩擦焊是公司近年引進的一種新型焊接方法，由于技術及工藝的不成熟，在前期的試制過程中，出現較多的質量問題，導致產品不合格主要原因為焊縫起、收弧端存在隧道缺陷，如圖1所示。根據質量體系要求該缺陷在焊接產品中不允許出現，同時嚴重影響生產進程。

1. 隧道缺陷產生原因

（1）型材來料 型材裝配后，凹凸配合存在高低差、直線度超差，裝配間隙允許最大值為0.4mm。由于側墻板正面攪拌頭加壓焊接時造成焊縫間隙不斷增大，當間隙＞0.4mm，造成焊縫沒有充足母材填充，易導致焊縫起、收弧端產生隧道缺陷。

（2）裝配或焊接間隙過大 側墻板焊接裝配直接在工裝上進行，且裝配要求很高，工藝要求其裝配間隙控制在0.4mm（正反面之和）以內。當裝配間隙過大，攪拌頭在進行攪拌時無法將母材填充到攪拌頭直徑兩側，易產生不同程度的隧道缺陷。

（3）工裝原因 側墻板焊接正反采用手動壓臂工裝壓緊，反面剛性支撐，保證焊接過程中工件受壓變形。由于側墻板裝配在工裝上后，背面條形工裝剛性不足，同時手動壓臂壓緊力不夠，致使工件無法工裝貼緊，焊接后焊縫易產生隧道缺陷。

（4）攪拌頭選擇不當 焊接過程中，若選擇的攪拌頭直徑過大，造成焊縫斷面增大，焊縫熱影響區變寬，焊接時向前推進的阻力增加；攪拌頭直徑過小，摩擦時產生的熱量不足，焊接時流動性變差，向前移動時對側邊的擠壓力減小。選擇的攪拌針的長度過長或過短，同樣易造成焊縫產生隧道等缺陷。

圖1 側墻板焊接時出現的焊道缺陷

2. 隧道缺陷改進措施

（1）型材裝配點焊 采用裝配工裝及工作平臺對側墻板進行裝配，同時采用拉緊帶對側墻型材進行緊固，保證正反兩個面凹凸配合后內間隙控制在最低值，再對焊縫起收弧端進行點焊固定。側墻板點焊后，由于兩端面被定位焊固定，當攪拌頭扎入型材焊接時焊縫間隙不易張開，有效確保所有母料全部填入焊縫內，不會因產生飛邊的原因而造成母料流失，從而可解決焊縫隧道缺陷的產生。

（2）側墻吊裝緊固 檢查各工裝能否正常工作后，在側墻板吊入工裝前，檢查工裝表面是否有焊渣、飛邊等雜物。使用手動壓臂將側墻板壓緊與工裝貼緊，檢查側墻板反面與背面工裝必須貼緊，無間隙。

（3）選擇合理的攪拌頭規格 根據焊接材質選擇適用于10mm以下厚度的6XXX系列中空擠壓型材的攪拌頭。經試驗研究表明，對接板焊接攪拌頭、針長度的選擇一般為板厚的0.9～1.1倍，能獲得良好的焊縫接頭，攪拌頭肩部的直徑與攪拌針直徑之比為3:1，在適當的工藝條件下能夠獲得高質量的焊縫。當攪拌針磨損量達到0.2mm，或焊接焊縫長度達到1500000mm，當攪拌針螺紋出現磨損以及軸肩紋路出現缺口的情況下，攪拌頭應報廢。

（4）選擇合理焊接參數 攪拌摩擦焊參數主要有攪拌頭的傾角、轉速、焊接深度、焊接速度以及焊接壓力。攪拌摩擦焊的工藝參數選擇與被焊接材料、厚度及攪拌頭的形狀密切相關。優化后的參數如附表所示。

3. 實施效果

雖然增加一道裝配定位焊工序，但是通過此工藝改進措施的實施，在起弧端和收弧端，焊縫隧道缺陷都得到明顯的改善，如圖3所示，合格率達98%以上，產品質量穩步提升。型材采購時可減少原有加長余量250mm，從而降低采購成本，減少材料的浪費，同時減少下道工序機加工工作量。經計算每節車可降低原材料成本約1萬余元。此工藝方法在其他項目實施中得到廣泛應用，實施效果良好，并大幅提高生產效率。

圖2 型材裝配工裝及工藝的改進

攪拌摩擦焊參數

圖3 焊縫隧道缺陷的改善效果

4. 結語

通過對現場生產工藝條件的分析，找出了鋁合金側墻在攪拌摩擦焊接過程中出現隧道缺陷的可能原因，在此基礎上對型材的裝配點焊工藝、吊裝緊固工藝進行了優化調整，同時設計了合理的攪拌頭規格以及焊接參數。通過工藝改進措施實施之后，焊縫隧道缺陷都得到明顯的改善，可有效降低生產成本并提高了生產效率。