鋁合金攪拌摩擦焊型材公差對(duì)其焊接性能的影響

孟騰逸 王彥鵬 彭章祝

摘要：攪拌摩擦焊焊接接頭尺寸對(duì)焊接接頭力學(xué)性能、焊接速度、焊接過(guò)程的穩(wěn)定性等均有非常重要的影響。研究軌道交通用3.5 mm鋁合金攪拌摩擦焊接頭在不同公差狀態(tài)下的焊縫組織結(jié)構(gòu)與性能，對(duì)公差大幅偏離標(biāo)準(zhǔn)值條件下的焊縫性能進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明：接頭上下搭接間隙大于0.4 mm時(shí)，焊縫極易出現(xiàn)焊接缺陷，焊縫工藝窗口較窄;在轉(zhuǎn)速為1 600 r/min、焊速為1 200 mm/min的焊接工藝參數(shù)下，隨著焊接間隙的增大，焊縫性能呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：摩擦焊型材接頭;尺寸公差;焊縫性能

中圖分類號(hào)：TG457.14? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2021）12-0080-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.12.16

0? ? 前言

攪拌摩擦焊作為一種新型的固相連接技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于軌道交通的鋁合金焊接[1-2]。與傳統(tǒng)熔焊相比，具有焊接變形小、殘余應(yīng)力小、無(wú)焊接熱裂紋等優(yōu)點(diǎn)[3-7]。在軌道車輛[8-9]的大批量側(cè)墻板工件焊接過(guò)程中，型材質(zhì)量問(wèn)題顯得尤為重要。當(dāng)型材尺寸超差時(shí)，焊接質(zhì)量難以得到保證。目前對(duì)型材尺寸超差對(duì)焊接性能的影響研究較少，文中旨在研究不同公差狀態(tài)下的焊縫性能，獲得窗口更為寬泛的焊接工藝參數(shù)，對(duì)推動(dòng)軌道交通車體制造質(zhì)量的提升具有重要意義[10-11]。

1 焊接參數(shù)試驗(yàn)

在軌道交通行業(yè)，批量應(yīng)用的常規(guī)薄板摩擦焊接頭通常要求型材的上下間隙控制在0.4 mm以內(nèi)，左右間隙不超過(guò)0.5 mm。搭接間隙尺寸控制既是型材制造的重難點(diǎn)，也是焊接質(zhì)量的重要保證。文中對(duì)偶發(fā)性的型材尺寸超差對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

試驗(yàn)材料為人為制造的上下錯(cuò)邊量精度較差的側(cè)墻型材，材質(zhì)為鋁合金6005A-T6，采用搭接接頭形式，如圖1所示，接頭熔深4 mm，設(shè)置0.4 mm焊接凸臺(tái)。

整塊材料拼接完成后，經(jīng)檢測(cè)接頭上下搭接間隙分布不均，尺寸范圍在0.24～0.8 mm，水平左右間隙固定控制在0.2 mm以內(nèi)。

試驗(yàn)設(shè)備為北京賽福斯特技術(shù)有限公司生產(chǎn)的二維攪拌摩擦焊設(shè)備，攪拌頭針長(zhǎng)4.9 mm，軸肩直徑15 mm。采用13組焊接參數(shù)，這些參數(shù)均可以在尺寸精度完全合格的型材上焊接合格的焊縫，如表1所示。

由表1可知，多組參數(shù)下的焊縫出現(xiàn)了不同程度的焊接缺陷，其中3組存在嚴(yán)重缺陷。這是由于型材接頭本身尺寸存在超差，公母接頭配合不佳，因此對(duì)焊接工藝參數(shù)的選擇提出了更高的要求。原本較大的焊接工藝窗口受接頭尺寸超差的影響，在常見(jiàn)工藝參數(shù)條件下出現(xiàn)隧道、溝槽等焊接缺陷，高轉(zhuǎn)速條件下會(huì)引起設(shè)備抖動(dòng)，不利于生產(chǎn)安全以及產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定，隧道缺陷如圖2所示。

由表1可知，轉(zhuǎn)速1 600 r/min，焊速1 200 mm/min時(shí)，焊接過(guò)程穩(wěn)定可靠，焊縫質(zhì)量受型材接頭的搭接間隙影響較小，焊縫整體性能較為優(yōu)異，工藝容忍度更佳。

2 搭接間隙對(duì)性能的影響

對(duì)型材拼接的具體尺寸進(jìn)行分別統(tǒng)計(jì)測(cè)量，確定不同搭接間隙的具體范圍。將焊接工藝參數(shù)設(shè)置為定量（轉(zhuǎn)速1 600 r/min，焊速1 200 mm/min，壓力9～10 kN），對(duì)不同間隙條件下的焊縫進(jìn)行檢測(cè)分析。

選取兩段長(zhǎng)度為2 500 mm的焊縫，每隔200 mm選取一段焊縫接頭進(jìn)行尺寸測(cè)量，將搭接間隙作為試樣編號(hào)，從0.24 mm、0.3 mm到0.8 mm。即通過(guò)對(duì)不同區(qū)域的上下錯(cuò)邊間隙進(jìn)行標(biāo)記并測(cè)量具體錯(cuò)邊尺寸，對(duì)測(cè)量點(diǎn)處的焊縫進(jìn)行取樣，然后對(duì)標(biāo)記點(diǎn)位間隙值條件下的焊縫力學(xué)性能進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。大間隙條件下的焊縫金相如圖3所示。

由于接頭形式為雙面插接，搭接間隙對(duì)正反兩面均造成影響，將正面焊縫命名為A面，反面焊縫命名為B面，雙面相同位置均采用相同參數(shù)焊接完成后分別取樣分析，發(fā)現(xiàn)所有彎曲試樣彎折180°后均無(wú)任何裂紋，金相組織完好無(wú)缺陷。

將所有抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖4所示。

采用轉(zhuǎn)速1 600 r/min、焊速1 200 mm/min的固定工藝參數(shù)焊接整條焊縫時(shí)，不同的焊接間隙處焊縫的抗拉強(qiáng)度有所不同，在型材搭接間隙小于0.4 mm時(shí)，所有焊縫抗拉強(qiáng)度均大于母材標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度（250 MPa）的80%以上，約為220 MPa，焊縫伸長(zhǎng)率在7%以上。

當(dāng)型材搭接間隙大于0.4 mm時(shí)，型材A、B面抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率均出現(xiàn)較大波動(dòng)，搭接間隙為0.6 mm的焊縫抗拉強(qiáng)度為192 MPa，間隙為0.7 mm的焊縫抗拉強(qiáng)度僅為183 MPa，間隙為0.8 mm的焊縫抗拉強(qiáng)度僅為185 MPa，低于母材標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度80%，且A面焊縫強(qiáng)度明顯大于B面。這反映出雙面焊接時(shí)，間隙在首面焊接過(guò)程中往另一側(cè)偏移。

此外，隨著間隙的增大，型材A、B面的焊縫伸長(zhǎng)率出現(xiàn)較大偏離，B面伸長(zhǎng)率全部低于6%。但總體看來(lái)所有位置的焊縫抗拉強(qiáng)度均在母材標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度的70% （175 MPa）以上。

3 結(jié)論

（1）型材搭接間隙達(dá)到0.4 mm以上時(shí)，常規(guī)的焊接工藝參數(shù)不再適用，焊縫極易出現(xiàn)缺陷，同時(shí)帶來(lái)設(shè)備抖動(dòng)、產(chǎn)品缺陷等風(fēng)險(xiǎn)。

（2）型材搭接間隙在0.4 mm以內(nèi)時(shí)，焊縫性能優(yōu)異，抗拉強(qiáng)度約為220 MPa達(dá)到母材標(biāo)準(zhǔn)抗拉的85.2%，焊縫伸長(zhǎng)率達(dá)7%以上。

（3）在轉(zhuǎn)速為1 600 r/min，焊速為1 200 mm/min的焊接工藝參數(shù)下，焊縫間隙容忍度較高，焊縫總體力學(xué)性能隨搭接間隙的增大逐步下降，但能夠滿足焊縫質(zhì)量要求，即便搭接間隙為0.8 mm，抗拉強(qiáng)度仍能達(dá)到母材標(biāo)準(zhǔn)抗拉的74%。

（4）為得到焊接質(zhì)量穩(wěn)定、優(yōu)異的焊縫，摩擦焊接頭型材上下搭接間隙應(yīng)控制在0.4 mm以內(nèi)。

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