車軸摩擦焊軸頭表面黏著磨損問題分析與改進

2025-11-18 00:00:00姜萌杰

汽車工藝師 2025年10期

摩擦焊是利用工件表面相互摩擦產生的熱量使界面及附近達到熱塑性狀態，在壓力的作用下界面的氧化膜破碎、擠出，界面元素通過擴散和再結晶形成接頭完成焊接的過程。摩擦焊接頭金屬為鍛造組織，不產生與熔化和凝固相關的缺陷，熱影響區小，可實現異種材料焊接以及過程參數可控、可查、可存等優點。相比于一體式鍛造工藝，摩擦焊車軸不需要大型模具，具有過程參數穩定、焊接質量可靠、換型快速便捷、易于實現生產線的自動化和柔性化等優勢。

瀚瑞森（中國）汽車懸掛系統有限公司在掛車軸摩擦焊過程中出現了軸頭表面局部灼傷問題并造成了大量產品報廢，本文分析了軸頭表面灼傷的原因，提出并驗證了相應的改進措施。

摩擦焊設備及工藝

1.摩擦焊機結構及主要參數

車軸焊接采用125t單頭連續驅動型摩擦焊機，機體結構如圖1所示。首端的軸頭和軸管焊接完成后，需將軸管反轉焊接另一端。旋轉夾頭采用外徑20in0 508mm ， _1in=25.4mm ）的楔形自含式彈簧動力卡盤（self-containedpowerchuck），卡盤內部裝有9組蝶形彈簧作為夾緊動力源，理論夾緊力為 120kN ；兩對軸管卡爪為液壓驅動。

圖1125t單頭連續驅動摩擦焊機結構

2.工件定位方式

軸頭采用 40MnB 材料鍛造后精加工制成，軸管采用材質為 27Mn2QT 的車軸用無縫鋼管，尺寸規格為?127mm×12mm 。焊接時，軸頭置于旋轉夾頭中心的定位套筒內依靠三爪卡盤夾緊，軸管置于移動滑臺上的兩對自定心卡爪內定位夾緊，軸管前端面伸出軸管前側夾緊卡爪約 40mm 。

軸頭依靠固定在機床主軸上的工裝套筒定位外側軸承位和軸肩，然后利用楔形卡盤上的三卡爪夾持懸臂部分，具體如圖2所示。軸頭的外側軸承安裝面與套筒后端為緊密的間隙配合，徑向配合間隙值為 0.12mm。

圖2軸頭定位夾緊示意

3.摩擦焊接工藝

由于軸管和軸頭的焊接面積較大，焊接采用兩級摩擦焊工藝。一級摩擦階段兩焊件接觸面的摩擦力較大并且界面金屬開始產生塑性變形，隨后摩擦壓力線性增大至二級摩擦壓力，進入穩定摩擦加熱階段，位移隨時間線性變化。焊接過程的扭矩峰值也往往出現在一級摩擦的壓力上升階段。圖3所示為完整的焊接過程參數曲線，紅色、白色、藍色和綠色曲線分別代表主軸轉速（Speed）、摩擦壓力（Load）、摩擦位移量（Displacement）和摩擦力矩（Torque）四個主要參數。

圖3完整摩擦焊接過程曲線

問題現象與分析

根據觀察，軸頭表面灼傷總是出現在焊接開始后3～7s的一級摩擦向二級摩擦的壓力爬升階段（圖3中的橙色虛線包絡區域），摩擦壓力從60kN線性升至220kN的過程中，常會伴隨一陣短促而尖銳的嘯叫聲。灼傷可能會出現在軸頭外側軸承安裝面（軸頭在工裝內的定位區域）的外側、中間和內側，典型的灼傷外觀如圖4所示。

c）套筒內壁灼傷

圖4軸頭表面和套筒內壁灼傷外觀

從外觀看，灼傷區域呈現近似橢圓形大小不一，橢圓的長軸總是平行于軸頭圓周方向，機加工表面損傷明顯，四周出現起皮現象，有金屬黏著燒傷的特征。進一步對套筒內壁進行觀察，與軸頭緊密配合區域也有相應的橢圓狀磨損凹坑（見圖4c），剝離下來的界面金屬有可能會黏附在軸頭上（見圖4b），也有可能附著在套筒內壁上。

對軸頭灼傷區域放大觀察，基本可分為圖5所示的三個同心圓環區，從內到外色澤逐漸變暗。區域A表面呈犁溝狀，溝槽方向大致平行于橢圓長軸，有明亮的金屬光澤，從對入射光線的反射結果看呈現明暗相間的條紋。區域B呈熔融的黏滯狀，黑暗區域為麻點狀的剝落坑。區域C為磨損邊緣翻起的軸頭金屬表皮，有明顯氧化彩色和離去狀條紋。這說明損傷區域經歷了嚴重的摩擦滑動—塑性變形—剪切撕裂一高溫氧化過程。

平行于軸頭方向對灼傷區域刨切進行截面硬度檢測，剖切面如圖6所示。結果顯示，損傷部位在材料內部形成了具有一定深度的“熱影響區”，該區域的硬度值基本在630HV左右，而此區域附近母材的硬度為345～547HV，這也表明灼傷區域經歷了“閃溫”而誘發了二次淬火。

圖6灼傷區域剖切圖

綜上分析，軸頭表面的局部灼傷符合黏著磨損的特征。軸頭在卡盤內夾緊焊接過程中外側軸承面與套筒內壁接觸，在一級摩擦階段，接觸面溫度較低，強烈的金屬挖掘會使軸頭焊接端面承受較大的力矩（圖3中橙色虛線區域內的綠色力矩曲線）。隨著摩擦壓力的增大，如果軸頭夾持剛度不足或者系統阻尼不足就會在軸頭與套筒間引發共振產生高頻振動摩擦，接觸界面產生微動滑移從而發生局部的“摩擦焊”，焊接完成后軸頭退出的過程中，軸頭和定位套筒間的焊合面脫離撕裂，形成了軸頭磨損斑塊。

改進措施與驗證

類似于數控機床的銑削加工過程，連續驅動摩擦焊的機床-夾具-工件同樣構成了一個質量-阻尼一彈簧（M-C-K）的動態振動系統。相比于銑削過程的周期性切削力帶來的再生型自激振動，摩擦焊過程振動的主要激勵源是相對穩定的軸向摩擦壓力所引起的焊接件接觸面摩擦塑性變形層的粘滯剪切力，其動力學方程可以表示為

式中 M 振動系統的質量；C 振動系統的阻尼；K 振動系統的剛度；X 時刻對應的振動位移量；F （t）時刻對應的外部激勵（如摩擦剪切力）。

在摩擦焊初期，剪切力（力矩）的劇烈變化會引起系統的自激振蕩，從而導致顫振產生噪聲并損壞工件和夾具。大量的文獻研究表明，增加系統阻尼、提高夾具剛度和控制質量是M-C-K系統減小顫振的重要路徑，解決軸頭的振動磨損問題也從這幾個方面展開。

（1）增加卡爪的表面硬度和夾持長度當前的卡爪表面硬度為 45～50HRC ，有效夾持長度為 37mm ，觀察發現爪齒存在磨損變形和壓潰現象，卡爪和軸頭的接觸不良會造成軸頭局部夾持不足降低接觸剛度。改進后的卡爪的爪齒部分采用激光表面淬火處理，硬度提高至58～62HRC，較之前提升約 25% ，在提高接觸剛度的同時也可以提升夾持精度和使用壽命；延長卡爪設計寬度，有效夾持長度增加 |3mm ，增加 8.1% ，如圖7所示。增加卡爪寬度既可以減小軸頭的懸臂長度，改善接觸面的能量耗散，提高工件的夾持穩定性，也可以通過質量的變化改變夾具-工件的固有頻率從而遠離共振頻帶。

（2）更換軸頭定位套筒材質將軸頭定位套筒的材質由當前的Cr12改為QT600-3球墨鑄鐵。首先，球墨鑄鐵內部夾雜分散的球狀石墨與基體金屬間形成了大量界面，當有振動傳遞到材料內部時，這些界面會產生摩擦、滑移、變形從而能夠有效吸收和耗散系統的振動能量，增大M-C-K系統的阻尼系數，起到減小振動幅值和抑制共振的作用。其次，QT600-3的彈性模量約為160～180GPa，略低于合金鋼的210GPa，這樣能夠保證定位套筒具有足夠的強度和剛度，避免摩擦焊過程中產生變形影響車軸兩軸頭間的同軸度。

（3）優化調整軸頭夾持跳動和軸頭-軸管同軸度通過測量和使用墊片調整三卡爪的相對位置，將軸頭夾持后的外圓跳動由之前的 0.25mm 左右調整至0.10mm 以內，提高軸頭和套筒的同軸度；利用三坐標設備測量并調整軸管夾持工裝，將軸管和軸頭的同軸度調整至 0.5mm 以內。對正精度的提升可以優化主軸旋轉系統的動平衡，減小由偏心質量帶來的附加激振力，從而降低系統的振動幅度。

上述改進措施實施后經過驗證，軸頭表面黏著磨損問題得到了明顯改善，不再因此產生廢品，并且軸頭卡爪的使用壽命也得到了延長，此方案可行。

結語

1）車軸摩擦焊軸頭表面灼傷是在一級摩擦焊階段較高摩擦力矩作用下，軸頭夾緊剛度和系統阻尼不足造成軸頭和定位套筒間顫振形成的黏著磨損。

2）摩擦焊過程的機床-夾具-工件構成了M-C-K動態振動系統，通過增加卡爪硬度和夾持長度，使用球墨鑄鐵定位套筒，優化軸頭-套筒-軸管的同軸精度等措施以提升系統剛度、增加系統阻尼以及減小附加激勵力，可以降低和抑制焊接系統的振動，消除軸頭表面黏著磨損問題。

圖7軸頭卡爪設計改進