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轨道交通铝合金搅拌摩擦焊工艺

焊接切割联盟2022-05-06 13:07:46

1. 概述

目前,国内在航空航天、造船等行业,搅拌摩擦焊技术已得到一定的应用,但在轨道交通领域,铝合金搅拌摩擦焊技术尚处于研究起步阶段。2010年由我公司研制的广州地铁3号线城轨车辆车体,国内首次采用了搅拌摩擦焊工艺,极大拓宽了轨道车辆的焊接技术(见图1)。


图1 首个应用FSW的轨道交通车体

在轨道车辆领域,铝合金挤压型材的电弧焊接连接方式,成为制约列车轻量化发展的重要因素。而搅拌摩擦焊焊接接头强度优于MIG焊焊接接头,并且缺陷率低,制造成本低,在轨道车辆的制造中采用FSW技术,将成为主流趋势。FSW技术推广较快,但工程化应用时间不长,因此提升FSW制造工艺水平有着极其重要的作用。本文以轨道车辆中空铝型材6005A焊接为例,对FSW制造工艺进行分析。


2. 6005A铝型材FSW工艺特点

FSW是一种新的焊接工艺,与普通熔化焊相比,这是一种固态塑性连接工艺,其高速旋转的搅拌头产生摩擦热,使金属达到塑性熔融状态形成焊缝的连接过程。FSW焊接原理如图2所示。


图2 FSW焊接原理

FSW工艺在轨道车辆工程应用过程中,产品多为平板式结构,我公司6005A铝型材焊接过程采用北京赛福斯特公司提供的压力感应式FSW设备(见图3)。


图3 FSW焊接设备

6005A铝合金接头设计特点为中空闭式铝合金挤压型材拼接,对搭接结构设计,如图4所示。在轨道车辆平板部件中应用FSW工艺,多数采用此结构方案。首先,该种铝合金中空型材结构,平面对接式,便于FSW工艺实施,对设备要求程度小。其次,FSW也是一种带压力焊接的工艺,因此其中空型材支撑稳定,设计简单的搅拌头就可以实现高质量的焊接,避免产生内部缺陷。


图4 中空铝型材拼接

3. 6005A铝型材FSW制造中的影响因素

(1)铝型材母材力学性能 6005A铝型材在FSW制造中会受母材本身的强度影响,尽管材料公差尺寸、合金成分、抗拉强度、硬度符合相关标准要求,但不同厂家提供型材的抗拉强度、硬度上存在偏差,在相同焊接参数条件下,会有如下表现:①偏软中空铝型材导致FSW焊接过程中产生严重飞边。②焊接过程中设备设定的波动的参数变化异常。③焊缝内部易产生缺陷。因此,母材本身良好的力学性能是FSW工艺制造批量化的前提。


(2)焊接参数 FSW在实现焊接过程中,形成热输入量,使金属熔化。热输入量受到搅拌头转速,焊接速度(机床进给速度)影响,加大转速或降低焊接速度可加大热输入量,反之则减少。在兼顾生产效率和机床主轴承受能力的情况下,采用不同参数组合进行对比试验,从试验结果中得出最优焊接参数。


(3)搅拌针 FSW制造过程中,扎入工件的部分,既为搅拌针。焊接过程中,使用的焊接搅拌头对焊接质量也有较大影响。在某次工艺验证过程中,共采用了两种搅拌针长度的搅拌头对产品进行验证,在其他焊接条件相同下装配针长度4.1mm和3.8mm,得出两种不同焊接截面宏观质量。另外,搅拌针外形同样影响产品质量,搅拌针在使用过程中,存在磨损现象,磨损一定程度也会对焊接质量存在影响。


(4)轴向压力 6005A铝型材在FSW制造中,轴向压力是一个动态参数,实际操作过程中,会跟压入量的深浅与飞边的状况进行实时调整,实际的参数值与初始设定值会有很大出入。在试验过程中,设定值一般为4.5~5kN之间,但实际操作这一参数主要还是受到压入深度的影响,只能推荐最适合值,不能确定准确值。


4. 6005A铝合金FSW焊接与返修措施

(1) 6005A铝合金FSW焊接 在我公司轨道车辆铝合金6005A挤压中空型材采用FSW工艺,板厚可涉及2.5~20mm,其中在薄板2.5~4.5mm型材拼接制造中,其工艺控制措施已很成熟。图5为我公司在型材板厚为3.0mm的FSW焊接。


图5 侧墙部件FSW

针对2.5~4.5mm壁厚中空挤压型材,其工艺重点控制措施:①严格控制型材来料,拼装时保证型材与型材搭接以及对接部分贴紧。实际6005A铝型材产品拼装时容易产生间隙,易导致焊接过程中形成缺陷,焊接前间隙总量推荐不超过0.4mm。②6005A铝型材在生产前,采用了多种焊接参数进行试验,例如对焊接转速、焊接速度的调整,产品在批量化生产前工艺参数应是最稳定的。③工装的夹紧要好,焊接时焊缝两侧形成固定压紧,如图5中焊缝两侧存在压紧装置。实际生产过程中,由于FSW焊接过程中存在轴向力,工装夹紧会减少焊缝两侧的变形量,产品试验证明,工装夹持效果越好,对FSW焊接质量稳定性越好。因此,良好的工艺控制措施是保证FSW质量的基础。


(2)6005A铝合金FSW焊缝返修 目前国内轨道车辆领域,对6005A铝合金FSW焊缝返修技术研究很少,现阶段在返修技术上可以有两种工艺实现措施:①采用合理的焊接参数进行FSW再次搅拌。②针对铝合金材料特征,采用成熟的弧焊工艺进行补焊。采用FSW对问题FSW焊缝进行返修,需要针对产品的特征以及应用状态进行测试,而采用弧焊工艺补焊在相关试验中证明是可行的,因此FSW技术在6005A铝型材工程化中,相应返修技术还有待完善。


5. 结语

在轨道车辆领域,铝合金6005A中空挤压型材应用FSW技术还是起步阶段,要确保轨道车辆铝合金FSW制造质量,还需要进步完善产品制造过程中的工艺,加强过程控制研究,比如铝合金部件的焊前装配、焊接参数验证、工装调整、焊后矫形以及缺陷的处理等。本本文来自《金属加工(热加工)》杂志,作者来自:株洲电力机车有限公司