新型分體式攪拌頭在底架長地板上的應(yīng)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(yīng)用，提升焊縫質(zhì)量的同時有效降低生產(chǎn)成本。基于現(xiàn)有的直圓柱體攪拌頭，設(shè)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(zhuǎn)速、焊接速度等參數(shù)對長地板焊接接頭的影響，獲得最佳的焊接參數(shù)，為后續(xù)批量化生產(chǎn)提供理論參考。

關(guān)鍵詞：長地板;攪拌摩擦焊;焊接參數(shù)

0 引言

攪拌摩擦焊相對于傳統(tǒng)熔化焊來說，具有焊接接頭外觀平整、性能優(yōu)良，焊后殘余應(yīng)力和變形小，無煙塵、無輻射、無飛濺、無需焊絲與保護氣體，節(jié)能等優(yōu)點[1]，被廣泛應(yīng)用于船舶制造、航空航天和軌道交通等領(lǐng)域[2]。攪拌摩擦焊攪拌頭與設(shè)備是進行攪拌摩擦焊接的基礎(chǔ)，其中攪拌頭更是決定攪拌摩擦焊焊縫質(zhì)量的關(guān)鍵因素[3]。

1 長地板結(jié)構(gòu)

為摸索新結(jié)構(gòu)新工藝在長地板焊接過程中的應(yīng)用狀態(tài)，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(shè)計，接頭熔深由3.5 mm更新為4 mm，型材的來料力學(xué)性能檢測數(shù)據(jù)如下表所示，相較于以往側(cè)墻型材290 MPa左右的抗拉強度，有明顯下降，會對焊縫力學(xué)性能有一定影響：

2 實驗材料與設(shè)備

實驗選用長地板整體型材，材質(zhì)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(yōu)化設(shè)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(shù)進行焊接，下壓力根據(jù)現(xiàn)場焊接的實際情況填寫記錄，取樣編號為以1到8進行區(qū)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(chǎn)品實物工程化應(yīng)用需考慮更多切合實際生產(chǎn)過程的措施，如產(chǎn)品實物的焊接裝夾狀態(tài)、工程化應(yīng)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(shù)進行焊接，并制備拉伸、彎曲、金相試樣進行檢測，取樣區(qū)域如下圖所示，從左至右分別命名為區(qū)域1、2、3、4。

每塊區(qū)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(shù)不一，均需要進行取樣檢測）。

3 結(jié)果分析

3.1 力學(xué)性能分析

具體力學(xué)性能結(jié)果及對應(yīng)的焊縫參數(shù)如下表所示，由于長地板焊縫達17 m，現(xiàn)有長地板摩擦焊設(shè)備不具備激光跟蹤系統(tǒng)保證焊接過程實時對中，長焊縫容易出現(xiàn)焊縫偏移的問題，對各取樣區(qū)域的金相進行觀測，發(fā)現(xiàn)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(yīng)焊縫的力學(xué)性能參數(shù)看，偏移量對焊縫力學(xué)性能影響不大，當采用1 500 rpm的轉(zhuǎn)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(qū)域位置的力學(xué)性能。其他區(qū)域焊縫性能也未能看出由于焊縫偏移量的變化導(dǎo)致焊縫性能或金相出現(xiàn)明顯變化的特征。

根據(jù)ISO25239要求，厚度在5 mm以下的摩擦焊接頭，焊縫強度應(yīng)達到母材標準抗拉強度（270 MPa）的70%以上，即應(yīng)大于189 MPa[4]。由上述試驗結(jié)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(wěn)定性要求更高，隨著焊接參數(shù)的變化，焊縫性能變化較大。多組焊接參數(shù)下焊縫性能出現(xiàn)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(shù)，力學(xué)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)論

試驗得到了適用于現(xiàn)場實際情況的長地板攪拌摩擦焊焊接工藝參數(shù)，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(yīng)用于大批量生產(chǎn)，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(zhuǎn)速，1 200 mm/min焊接速度進行生產(chǎn)，焊縫整體抗拉強度較高且最低抗拉強度也穩(wěn)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(xiàn)狀及應(yīng)用[J].材料導(dǎo)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(shù)的研究現(xiàn)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(shù)在高速列車制造中的應(yīng)用[J].電焊機，2018，48（3）：32-36.