廖文潔,張璟瑜,賴鷗,劉永強
1.大功率交流傳動電力機車系統(tǒng)集成國家重點實驗室 湖南株洲 412001
2.中車株洲電力機車有限公司 湖南株洲 412001
隨著高速動車組和城市軌道車輛的快速發(fā)展,由大斷面鋁合金雙層型材組焊而成的整體承載筒形結(jié)構(gòu)已然成為最新一代車體結(jié)構(gòu),在軌道交通領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用[1]。1991年由英國焊接研究所(TWI)發(fā)明的攪拌摩擦焊(簡稱FSW)作為一種綠色、革命性的固相連接技術(shù),經(jīng)過技術(shù)迭代率先在歐洲和日本應(yīng)用于軌道車輛鋁合金車體上[2-4]。近10年間,國內(nèi)將FSW技術(shù)替代電弧熔化焊應(yīng)用在一部分車體部件上,主要采用傳統(tǒng)的單軸肩FSW[5],通常稱為常規(guī)FSW。常規(guī)FSW主要產(chǎn)熱來自旋轉(zhuǎn)軸肩與焊件之間的摩擦[6],導(dǎo)致局部發(fā)生強烈的熱-力循環(huán)作用,焊接載荷大,焊接接頭的應(yīng)變狀態(tài)相對不均勻。實際工程應(yīng)用中,可以觀察到明顯的飛邊和表面弧紋,焊縫有效厚度減薄,焊后有一定變形仍需要調(diào)校。靜軸肩攪拌摩擦焊(簡稱SSFSW)是由TWI在2004年提出的一種FSW新型改良技術(shù),與常規(guī)FSW工作原理主要區(qū)別是增加一個分離的外部軸肩,焊接時相對靜止,不與攪拌針一起旋轉(zhuǎn)。試驗觀察到SSFSW焊縫表面平整光滑,沒有飛邊的產(chǎn)生而導(dǎo)致的材料損失,焊縫厚度幾乎與工件等厚[7]。
如果將SSFSW實現(xiàn)工程應(yīng)用,首先,根據(jù)其優(yōu)勢,分析可以在車體中哪些結(jié)構(gòu)上應(yīng)用,這將直接影響到生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)能分配、工藝布局和設(shè)備投入。其次,與常規(guī)FSW一樣,SSFSW攪拌工具與工件剛性接觸,無填充金屬,相對于電弧與工件的柔性接觸,對工件裝配精度十分敏感,是制約其工程化應(yīng)用的瓶頸問題,因此探明SSFSW工件裝配容限十分重要。
軌道車輛鋁合金車體結(jié)構(gòu)一般是由側(cè)墻、端墻、車頂和底架組成的雙層薄壁筒形整體承載結(jié)構(gòu)。某車型的車體由大量雙層型材拼焊而成,結(jié)構(gòu)上焊縫特征為長、直、多,焊縫厚度一般在4mm左右,接頭形式可設(shè)計為對搭,接如圖1、圖2所示。這種雙層中空型材拼焊結(jié)構(gòu)在軌道車輛車體上廣泛應(yīng)用,單節(jié)車焊接量占比可達(dá)70%以上,且有一半處于車體的外表面。
對于這類車體焊接結(jié)構(gòu)采用SSFSW具有以下優(yōu)勢。
1)圖3是兩種焊接方式焊縫表面成形對比。SSFSW焊縫表面光滑平整,無明顯飛邊和弧紋,幾乎無焊縫減薄,可以有效地防止焊縫減薄導(dǎo)致接頭性能的降低,降低表面腐蝕敏感性和焊腳應(yīng)力集中。對于制造過程來說,可最大程度地免除焊縫修整打磨工作。另外,一般采用千葉片打磨焊縫作為車體噴涂油漆前的整形,打磨面積大,會在鋁合金表面造成不規(guī)整的斑紋,因此若引進(jìn)SSFSW,則可以免除打磨工序,給車體白車身免涂裝帶來可能。
2)減少缺陷,提高接頭質(zhì)量。靜止軸肩對工件表面施加頂鍛力能有效地抑制塑化材料從轉(zhuǎn)動的攪拌針兩側(cè)擠出,防止孔洞、疏松等缺陷的形成,強化攪拌區(qū)的內(nèi)部金屬流動,接頭對稱性好,熱機影響區(qū)和熱影響區(qū)范圍顯著減小[8]。另外,對于搭接接頭,由于約束了材料向上流動趨勢,可減弱Hook缺陷(鉤狀缺陷)的產(chǎn)生。
3)由于SSFSW僅內(nèi)部攪拌針轉(zhuǎn)動,熱輸入主要來自攪拌針主導(dǎo)的材料流動,過程峰值溫度低,熱輸入可控制得均勻,引起變形相對小,一定程度上減少矯形調(diào)平時間。
4)焊接載荷小,可允許更高的旋轉(zhuǎn)速度來提高熱輸入,間接可提高焊接速度,提速空間相對常規(guī)FSW更大,從而提高生產(chǎn)效率。
此外,車體結(jié)構(gòu)上存在一些結(jié)構(gòu)采用常規(guī)FSW是無法實現(xiàn)的。
首先是曲面結(jié)構(gòu),如動車組車頭的鋁合金曲面板焊接。常規(guī)FSW需要工件表面為平面來與旋轉(zhuǎn)軸肩接觸,無法應(yīng)用于非平面或曲率過大的曲面。SSFSW由于外部軸肩不旋轉(zhuǎn),攪拌頭軸肩直徑小可以相對適應(yīng)曲率較大的曲面。
其次是車體結(jié)構(gòu)中廣泛存在T形接頭或角接結(jié)構(gòu),常規(guī)FSW難以實現(xiàn),而SSFSW通過改變靜止軸肩的形狀是可以實現(xiàn)的[9]。
總之,采用SSFSW可突破常規(guī)FSW的應(yīng)用范圍,給車體結(jié)構(gòu)應(yīng)用帶來更多可能。
要實現(xiàn)以上車體部件的SSFSW,不同于實驗室小試件研究,實際車體部件在制造和裝配上都存在誤差。尤其對于車體雙層中空型材,由于其采用鋁合金擠壓工藝,除了本身斷面上的制造誤差,長度方向上的扭擰等都會影響裝配精度,結(jié)構(gòu)上也難以通過留足裕量再加工的方法來彌補,因此探明其工件裝配容限是實現(xiàn)車體結(jié)構(gòu)SSFSW工程應(yīng)用的重要方向。
圖1 某車型雙層型材結(jié)構(gòu)
圖2 雙層型材結(jié)構(gòu)焊后橫斷面
圖3 SSFSW與常規(guī)FSW焊縫表面成形對比
試驗采用母材為6005A-T6雙層中空擠壓型材,試驗型材接頭橫截面如圖4所示,由接頭1和接頭2組成對搭接形式,焊縫厚度為4mm,型材長度約600mm。焊接設(shè)備包括動龍門攪拌摩擦焊設(shè)備、專用靜軸肩刀柄、專用攪拌頭(錐形螺紋)以及型材焊接工裝夾具等。試驗之前對母材進(jìn)行拉伸性能測試,抗拉強度均值為305MPa,屈服強度均值為277MPa。通過正交試驗法選定優(yōu)化的焊接參數(shù)與攪拌頭,焊接過程如圖5所示,主要焊接參數(shù)見表1。
圖4 試驗型材接頭橫截面
圖5 焊接過程
表1 SSFSW焊接參數(shù)
在兩個型材裝配末端插入間隙楔塊,人為制造焊縫裝配間隙,利用千分尺測量焊縫中特定數(shù)值間隙的位置并進(jìn)行標(biāo)識,如圖6所示。利用試驗優(yōu)化的焊接參數(shù)與攪拌頭進(jìn)行焊接。
通過外觀檢查、射線檢測接頭宏觀形貌方式評判焊接質(zhì)量,選取焊接質(zhì)量較好的區(qū)域,采用拉伸試驗機及彎曲試驗機分別測試其拉伸及彎曲性能,進(jìn)一步評定。主要參考ISO 25239-4:2020《攪拌摩擦焊-鋁合金:焊接工藝規(guī)程及評定》和ISO 25239-5:2020《攪拌摩擦焊-鋁合金:質(zhì)量檢驗要求》,結(jié)合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn),通過綜合評測,探明采用SSFSW時工件裝配的間隙容限。
(1)外觀檢查 從左到右,焊縫裝配間隙從0~1.1mm越來越大,在0.8~0.9mm間隙位置焊縫表面開始出現(xiàn)明顯痕跡,焊縫表面不平滑(見圖7),在這之后,越來越明顯,焊縫表面有未焊合趨勢。在此區(qū)域之前對焊件進(jìn)行進(jìn)一步檢測。
圖6 裝配間隙容限試驗
圖7 外觀檢查結(jié)果
(2)X射線檢測 為了便于觀察,根據(jù)I S O 17636:2013要求,去掉型材內(nèi)部筋條,將型材加工成試板,對焊縫位置進(jìn)行X射線檢測,以檢查焊縫內(nèi)部質(zhì)量。參考ISO 10675-2:2017,X射線檢測結(jié)果顯示(見圖8),焊縫內(nèi)部從間隙0.7mm附近開始出現(xiàn)焊縫不連續(xù),可能含有疏松、隧道等缺陷。
圖8 X射線檢測結(jié)果
(3)金相檢驗 觀察焊縫內(nèi)部的成形質(zhì)量,檢測是否存在未焊透、弱連接等X射線不易檢測到缺陷。金相檢驗結(jié)果顯示(見圖9a),一個典型的FSW焊縫接頭形貌,焊縫區(qū)上寬下窄,呈“浴盆”形,并在焊縫中心形成同心圓環(huán)狀結(jié)構(gòu),右側(cè)為后退側(cè)(RS),左側(cè)為前進(jìn)側(cè)(AS),分為焊核區(qū)(Weld Nugget)、熱機影響區(qū)(TMAZ)、熱影響區(qū)(HAZ)和軸肩影響區(qū)(SAZ),RS和AS區(qū)域比較對稱,TMAZ和HAZ相對常規(guī)FSW中范圍較窄。焊縫中部形成了S形曲線,這在常規(guī)FSW也存在,其機理尚無明確定斷,可能為斷續(xù)的氧化物組成。焊縫底部AS側(cè)可以觀察到工件搭接位置,但搭接接頭典型Hook缺欠并不明顯,比常規(guī)FSW好。隨著裝配間隙的增大,S形曲線更為明顯;在裝配間隙為0.6mm以后,攪拌頭主導(dǎo)的材料流動補給不足,首先在焊縫底部產(chǎn)生局部疏松(紅圈標(biāo)記),裝配間隙越大底部組織混濁區(qū)域也越大;在間隙為0.9mm時,可以明顯觀察到焊縫表面出現(xiàn)不連續(xù),沒有SSFSW焊縫表面特有的“鏡面”效果,并出現(xiàn)了一定減?。ㄒ妶D9)。
圖9 不同裝配間隙焊縫橫截面組織
(4)拉伸性能測試 按照ISO 4136:2012,從0.1~0.8mm各個裝配間隙位置對焊接接頭橫向拉伸取樣,測試母材的抗拉強度、屈服強度及伸長率,抗拉強度-裝配間隙曲線如圖10所示??估瓘姸茸畲蟪霈F(xiàn)在間隙0.5mm處,為258.09MPa,對比母材接頭強度系數(shù)達(dá)84.6%。到裝配間隙0.6mm以后接頭抗拉強度出現(xiàn)大幅度下降,為194.98MPa,接頭強度系數(shù)63.9%。0.1~0.6mm裝配間隙強度浮動不大,其中裝配間隙0.2mm時抗拉強度下降為228.10MPa,接頭強度系數(shù)為74.8%。由于試驗材料有限,取樣較少,但能反映出裝配間隙越大,對接頭強度越不利,隨著焊縫疏松、弱連接、未焊合缺陷增多,會導(dǎo)致接頭強度大幅降低。
圖10 抗拉強度-裝配間隙曲線
(5)彎曲性能測試 按照ISO 5173:2009從0.1~0.8mm各個裝配間隙試驗取樣進(jìn)行彎曲試驗,彎曲速率為2mm/min,壓輪直徑為10mm。試驗結(jié)果顯示,180°正彎和背彎均無裂紋。
裝配間隙容限對SSFSW接頭質(zhì)量影響測試結(jié)果見表2。
表2 裝配間隙容限對SSFSW接頭質(zhì)量影響
與裝配間隙容限試驗一樣,人為干預(yù)使工件表面接頭位置產(chǎn)生錯邊,利用同一試驗優(yōu)化的焊接參數(shù)與攪拌頭進(jìn)行焊接(見圖11)。對型材焊縫一側(cè)表面進(jìn)行機械加工,加工面厚度從0~1mm過渡加工成緩坡,寬度大于靜軸肩半徑即可。在這里定義,前進(jìn)側(cè)錯邊x即為前進(jìn)側(cè)表面比后退側(cè)低x,后退側(cè)錯邊x即為后退側(cè)表面比前進(jìn)側(cè)低x。
對試件進(jìn)行外觀檢查、射線檢測、接頭金相、拉伸試驗和彎曲試驗綜合評價。焊縫表面在前進(jìn)側(cè)錯邊0.3~0.4mm、后退側(cè)錯邊0.5~0.6mm之間出現(xiàn)明顯缺陷;X射線檢測結(jié)果顯示,焊縫內(nèi)部缺陷出現(xiàn)位置與表面成形情況相似;金相檢測結(jié)果顯示,從前進(jìn)側(cè)錯邊為0.6mm開始出現(xiàn)明顯缺陷,隨著錯邊量增加,焊縫表面的孔洞、隧道缺陷越發(fā)明顯,而當(dāng)錯邊量在后退側(cè)時,組織沒有出現(xiàn)明顯缺陷,S形曲線比前進(jìn)側(cè)錯邊更加明顯。分別對0.1~0.6mm錯邊量取樣進(jìn)行力學(xué)性能檢測,在拉伸性能方面,抗拉強度和屈服強度兩條曲線(見圖12)趨勢相同,抗拉強度最大值均出現(xiàn)在錯邊量0.4mm,即在后退側(cè)錯邊0.4mm,抗拉強度為264.20MPa,接頭強度系數(shù)為86.6%。在錯邊量<0.5mm時均沒有出現(xiàn)大幅度變動,當(dāng)錯邊量>0.5mm后,有下降趨勢,前進(jìn)側(cè)錯邊0.6mm時抗拉強度為213.92MPa,接頭強度系數(shù)為70.1%,另外后退側(cè)錯邊0.6mm的拉伸性能有明顯下降,可能和試樣制備有關(guān)。180°彎曲測試正彎和背彎均無裂紋。
圖11 錯邊容限試驗
圖12 抗拉強度-錯邊間隙曲線
錯邊容限各項結(jié)果見表3和表4。
表3 前進(jìn)側(cè)錯邊對SSFSW接頭質(zhì)量的影響
表4 后退側(cè)錯邊對SSFSW接頭質(zhì)量的影響
1)S S F S W具有焊縫表面平齊光滑等技術(shù)優(yōu)勢,在軌道車輛鋁合金車體的雙層型材結(jié)構(gòu)焊接,以及曲面結(jié)構(gòu)、T形和角接結(jié)構(gòu)焊接中具有一定的市場應(yīng)用前景。
2)作為一種無填充金屬、攪拌頭與工件剛性接觸的固相連接技術(shù),對工件裝配精度要求苛刻。針對雙層型材結(jié)構(gòu),為保證焊縫質(zhì)量,根據(jù)試驗驗證結(jié)果,在工程應(yīng)用中建議將裝配間隙控制在0.5mm以下,前進(jìn)側(cè)錯邊控制在0.3mm以下,后退側(cè)錯邊控制在0.4mm以下。
此次試驗初次嘗試全新的SSFSW技術(shù)應(yīng)用于雙層型材上,在攪拌頭選型、焊接參數(shù)、型材取樣存在一些不足,還具有較大的提升空間。SSFSW作為綠色環(huán)保、自動化程度高、表面成形效果顯著的固相連接技術(shù),其經(jīng)濟性和環(huán)保性受到企業(yè)青睞。由于應(yīng)用經(jīng)驗不足,缺乏統(tǒng)計數(shù)據(jù)支撐;基礎(chǔ)試驗不充分,未能系統(tǒng)掌握缺陷與性能的關(guān)系;材料加工制造水平不足等問題,是實現(xiàn)工程化應(yīng)用要努力研究的方向。