攪拌摩擦焊技術(shù)在高速列車制造中的應(yīng)用

侯振國，鈕旭晶，李 充，郁志凱，張艷輝

（中車唐山機(jī)車車輛有限公司，河北 唐山 063035）

0 前言

自攪拌摩擦焊技術(shù)發(fā)明以來[1]，軌道車輛制造商就不斷地深入探索其在軌道客車上的應(yīng)用，經(jīng)過10多年的發(fā)展，該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于輕軌、地鐵、城際列車以及高速列車車體制造中[2]。在軌道車輛車體領(lǐng)域已實(shí)現(xiàn)2～100 mm的鋁合金材料的攪拌摩擦焊，焊接速度提高到3 m/min[3]。

1 攪拌摩擦焊技術(shù)簡(jiǎn)介

攪拌摩擦焊在軌道車輛上主要應(yīng)用單軸肩攪拌焊和雙軸肩攪拌摩擦焊。

單軸肩攪拌摩擦焊的基本原理是利用旋轉(zhuǎn)的攪拌頭插入待焊工件并沿焊縫方向移動(dòng)，金屬材料依靠攪拌頭與母材之間的摩擦產(chǎn)熱達(dá)到熱塑性狀態(tài)[4]，然后依靠攪拌頭的攪動(dòng)、碾壓和鍛造等作用，完成整個(gè)焊接過程，如圖1所示。

雙軸肩攪拌摩擦焊技術(shù)是在單軸肩攪拌摩擦焊基礎(chǔ)上研發(fā)出的先進(jìn)焊接技術(shù)，如圖2所示，攪拌頭工作部分由上、下兩個(gè)軸肩以及攪拌針組成，焊接時(shí)上、下兩個(gè)軸肩以及攪拌針均與母材產(chǎn)生摩擦熱，同時(shí)驅(qū)使焊縫金屬流動(dòng)[5]。

2 國內(nèi)外攪拌摩擦焊技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

在國外，攪拌摩擦焊技術(shù)早已應(yīng)用到軌道車輛中[3]，涉及部位包括車體前端、側(cè)墻、車頂板等，車型達(dá)到數(shù)十種，數(shù)量達(dá)到數(shù)千輛。日本日立和川崎重工將攪拌摩擦焊技術(shù)應(yīng)用于包括新干線列車在內(nèi)的新型高速列車車體的制造，如圖3所示。在歐洲，英國和法國鐵路車輛供應(yīng)商也在高速列車中廣泛采用攪拌摩擦焊，西門子和龐巴迪也研究并采用了攪拌摩擦焊技術(shù)和部件。

在國內(nèi)，中車株洲、四方、長(zhǎng)客、浦鎮(zhèn)以及唐山公司均開展了攪拌摩擦焊焊接技術(shù)研究工作，并廣泛應(yīng)用在城軌、地鐵以及高速動(dòng)車組等數(shù)千輛車體制造中。在新一代的中國標(biāo)準(zhǔn)化動(dòng)車組“復(fù)興號(hào)”高速列車中也采用了攪拌摩擦焊技術(shù)，如圖4所示。

圖1 單軸肩攪拌摩擦焊過程示意

圖2 雙軸肩攪拌摩擦焊過程示意

圖3 采用攪拌摩擦焊的日本車體

圖4 復(fù)興號(hào)

3 高速列車典型攪拌摩擦焊產(chǎn)品制造技術(shù)及性能研究

攪拌摩擦焊技術(shù)在高速列車制造中的應(yīng)用越來越廣泛。目前，“復(fù)興號(hào)”動(dòng)車組中涉及攪拌摩擦焊的部件有車鉤座板、連接板、高壓箱底板、隔墻、平頂、底板以及裙板。在此，選取車鉤座板及平頂?shù)闹圃焐a(chǎn)工藝進(jìn)行分析。

3.1 車鉤座板

車鉤座板位于“復(fù)興號(hào)”高速列車車體前端，是車廂之間連接的重要承載結(jié)構(gòu)件。車鉤座板由2塊80 mm厚6005A-T4鋁合金型材焊接而成，經(jīng)焊后熱處理形成6005A-T6鋁合金結(jié)構(gòu)件，其接頭形式如圖5所示。

圖5 車鉤座板焊接接頭

車鉤座板采用單軸肩攪拌摩擦焊進(jìn)行雙面焊，焊接工藝流程如圖6所示。其中，點(diǎn)固采用的攪拌頭規(guī)格為：軸肩直徑25 mm，針長(zhǎng)10 mm，攪拌針根部直徑10.5 mm，端部直徑4.6 mm。焊接采用的攪拌頭規(guī)格為：軸肩直徑60 mm，針長(zhǎng)43 mm，攪拌針根部直徑24 mm，端部直徑7.2 mm。

圖6 車鉤座板焊接工藝流程

標(biāo)準(zhǔn)要求：抗拉強(qiáng)度達(dá)到母材的70%以上，彎曲性能180°不能出現(xiàn)裂紋，在應(yīng)力循環(huán)比0.1、循環(huán)次數(shù)1×107的條件下疲勞強(qiáng)度不小于55 MPa，且優(yōu)于同等試驗(yàn)條件下熔化焊的疲勞強(qiáng)度。經(jīng)焊后熱處理，車鉤座板的相關(guān)性能如表1所示。由表1可知，車鉤座板焊縫的各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。同時(shí)，為更好地研究車鉤座板焊接接頭熔合及組織情況，對(duì)其進(jìn)行宏觀和微觀金相分析，如圖7所示。

表1 車鉤座板力學(xué)性能

由圖7可知，焊縫熔合良好，無孔洞、隧道等焊接缺陷存在。金相組織分布均勻，焊核區(qū)顯微組織主要為α（Al）相基體和其上分布著的部分析出的β（Mg2Si）相，熱影響區(qū)晶粒無明顯的扭曲變形，這是因?yàn)楹附雍癜鍟r(shí)攪拌頭焊接速度和旋轉(zhuǎn)速度均較低，塑性金屬成型比較緩和。

3.2 平頂

平頂結(jié)構(gòu)如圖8所示，由3塊6005A-T6中空鋁型材組成，正反兩面共涉及4條5 mm厚焊縫。

平頂焊接采用動(dòng)龍門攪拌摩擦焊設(shè)備，采用恒位移控制方式控制攪拌頭位置。攪拌頭規(guī)格為：軸間距4.8 mm，上軸肩直徑23 mm，下軸肩直徑20 mm，上下軸肩均有螺旋狀溝槽。整個(gè)焊接過程在動(dòng)龍門攪拌摩擦設(shè)備上進(jìn)行，施焊時(shí)攪拌頭逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。焊接設(shè)備及焊接工裝如圖9所示。攪拌頭形貌如圖10所示。平頂采用雙軸肩攪拌摩擦焊工藝，焊接工藝流程如圖11所示。

焊縫外觀良好，部件變形極小，如圖12所示。

圖7 車鉤座板焊接接頭金相、焊縫微觀

圖8 “復(fù)興號(hào)”平頂結(jié)構(gòu)

平頂焊縫及附近區(qū)域的抗拉強(qiáng)度需達(dá)到母材的70%以上，彎曲180°不能出現(xiàn)裂紋。為評(píng)定焊后不同打磨狀態(tài)（焊縫表面是否磨平）下雙軸肩攪拌摩擦焊接頭的疲勞性能，測(cè)試應(yīng)力循環(huán)比0.1、循環(huán)次數(shù)1×107條件下接頭的疲勞強(qiáng)度。平頂焊縫的相關(guān)力學(xué)性能如表2所示。

圖9 攪拌摩擦焊設(shè)備及工裝

圖10 攪拌頭形貌

圖11 平頂焊接工藝流程

圖12 平頂產(chǎn)品及焊縫外觀

表2 平頂焊縫力學(xué)性能

由表2可知，平頂焊縫的各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。就疲勞性能而言，焊后打磨焊縫表面可以消除焊接接頭應(yīng)力集中，有效提高抗疲勞性能。為更好地研究其熔合及組織情況，對(duì)其進(jìn)行宏觀和微觀金相分析，如圖13所示。

由圖13可知，焊縫熔合良好，無孔洞、隧道等焊接缺陷。金相組織分布均勻，但在焊縫中間存在著一條“S”線，這可能是由于焊前打磨不充分導(dǎo)致焊接過程中有氧化物所形成的。該缺陷可大可小，但一般無法完全消除。從微觀金相可以看出，未出現(xiàn)任何異常，為典型的攪拌摩擦焊組織形態(tài)。

圖13 平頂焊接接頭金相、焊縫微觀

4 結(jié)論

攪拌摩擦焊在“復(fù)興號(hào)”高速列車中的廣泛使用極大地推動(dòng)了攪拌摩擦焊技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，使這種“綠色”的固相連接工藝成為高速列車車體制造的首選。然而，國內(nèi)的攪拌摩擦焊技術(shù)起步相對(duì)較晚，核心技術(shù)的掌握與國外相比還存在不小差距，尤其是雙軸肩攪拌摩擦焊工藝，在標(biāo)準(zhǔn)制訂、工藝實(shí)施方面還存在諸多問題。科技人員需要繼續(xù)深入研究該技術(shù)，對(duì)提高國內(nèi)高速列車的綜合制造水平、占領(lǐng)攪拌摩擦焊技術(shù)領(lǐng)域的制高點(diǎn)有十分重要的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]符道，閆大海.攪拌摩擦焊在我國船舶建造中的應(yīng)用展望[J].熱加工工藝，2005（11）：77-78.

[2]宋東福，王海艷，戚文軍，等.鋁合金攪拌摩擦焊的研究現(xiàn)狀與展望[J].電焊機(jī)，2011，41（3）：50-54.

[3]蔣百威，吳志明，喬紅云，等.軌道車輛鋁合金6005A攪拌摩擦焊制造工藝[J].金屬加工，2013（20）：53-54.

[4]丁文兵，童彥剛，朱飛，等.攪拌摩擦焊攪拌頭的研究現(xiàn)狀[J].激光雜志，2013（6）：5-7.

[5]周利，劉朝磊，王計(jì)，等.雙軸肩攪拌摩擦焊技術(shù)研究現(xiàn)狀[J].焊接，2015（6）：14-18.