□ 王培建 □ 宗位慶 □ 曹祝偉 □ 宋衛(wèi)嗣 □ 李秋旭

廣東鴻圖南通壓鑄有限公司 江蘇南通 226399

1 攪拌摩擦焊原理

攪拌摩擦焊是一種工件固相連接方式。在攪拌摩擦焊過程中,一個(gè)柱形帶特殊軸肩和針凸的攪拌頭旋轉(zhuǎn)著插入被焊工件,攪拌頭和被焊材料之間的摩擦產(chǎn)生摩擦熱,使材料熱塑化。當(dāng)攪拌工具沿著待焊界面向前移動(dòng)時(shí),熱塑化的材料由攪拌頭的前部向后部轉(zhuǎn)移,在攪拌工具機(jī)械鍛造的作用下,實(shí)現(xiàn)工件間的固相連接。攪拌摩擦焊原理如圖1所示。

圖1 攪拌摩擦焊原理

攪拌摩擦焊是自激光焊接問世以來最引人注目的焊接方法。用攪拌摩擦焊方法焊接鋁合金已經(jīng)取得了很好的效果,使鋁合金等有色金屬的連接技術(shù)發(fā)生了重大變革。攪拌摩擦焊已經(jīng)廣泛用于航空航天、國(guó)防科技、新能源汽車等領(lǐng)域。攪拌摩擦焊在新能源汽車領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中于三電系統(tǒng)、車身連接、輪轂焊接等,尤其是三電系統(tǒng),大量采用鋁合金進(jìn)行制造,是攪拌摩擦焊應(yīng)用的主要場(chǎng)景。由于攪拌摩擦焊出現(xiàn)的時(shí)間較短,目前尚存在一些不足,因此實(shí)際生產(chǎn)過程中應(yīng)該系統(tǒng)識(shí)別攪拌摩擦焊的潛在失效模式,并分析可能產(chǎn)生的后果,從而預(yù)先采取必要的工藝過程特性和產(chǎn)品特性管控措施來提高焊接質(zhì)量。

2 攪拌摩擦焊缺陷分析

新能源電機(jī)殼是一款水冷型三合一電機(jī)殼體,主要的生產(chǎn)工藝流程為內(nèi)外殼體單體機(jī)加工,內(nèi)外殼體單體清洗,內(nèi)外殼體熱套壓裝,攪拌摩擦焊,機(jī)加工等。通過對(duì)攪拌摩擦焊的缺陷進(jìn)行分析,針對(duì)焊接前、焊接中、焊接后工藝過程特性和產(chǎn)品特性進(jìn)行管控,以保證電機(jī)殼體攪拌摩擦焊的質(zhì)量穩(wěn)定性。電機(jī)殼體水道上下端面采用搭接攪拌摩擦焊,焊接形式如圖2所示。

圖2 搭接攪拌摩擦焊形式

攪拌摩擦焊常見的質(zhì)量缺陷包含兩大類:表面缺陷和內(nèi)部缺陷。本款水冷型三合一電機(jī)殼體搭接攪拌摩擦焊的質(zhì)量缺陷包括飛邊、毛刺、表面下凹、起皮等表面缺陷和隧道孔洞、弱連接、接合面氧化物等內(nèi)部缺陷。表面缺陷是一般用肉眼即可觀察到的宏觀缺陷,內(nèi)部缺陷需要通過X射線檢測(cè)、金相檢測(cè)或相控陣超聲波檢測(cè)等手段才能觀察到。

(1) 飛邊缺陷。攪拌摩擦焊后殘留在接頭正面沿焊縫一側(cè)或者兩側(cè)翻卷的金屬稱為飛邊,產(chǎn)生原因?yàn)楹附訒r(shí)壓入量過大,焊接速度過慢,焊縫錯(cuò)邊,工件表面高低不平,導(dǎo)致塑化材料溢出攪拌針軸肩外,固化在焊縫一側(cè)或者兩側(cè),形成飛邊。解決方法一方面要保證焊接板材的厚度基本一致,另一方面要確保攪拌針長(zhǎng)度和待焊工件厚度匹配,保證焊接過程中的下壓量。

(2) 毛刺缺陷。正常的焊接焊縫上表面形成均勻的魚鱗紋路,如果材料的黏度較高,或者焊接的熱輸入量較大,焊縫表面的紋路就會(huì)變得模糊和粗糙,有毛刺感,稱為毛刺。產(chǎn)生原因一般為材料自身性能。如果材料自身黏度較高,則容易產(chǎn)生毛刺現(xiàn)象。焊接參數(shù)選擇不當(dāng)也會(huì)產(chǎn)生毛刺現(xiàn)象。解決方法一般為更改焊接參數(shù),適當(dāng)減小熱輸入量。

(3) 表面下凹缺陷。焊接后焊縫正面低于原始母材表面的現(xiàn)象稱為表面下凹,少量的下凹并不會(huì)影響焊接接頭的性能。如果下凹量過大,會(huì)導(dǎo)致承載變?nèi)?。另一方?在焊縫和母材過渡處缺少圓潤(rùn)過渡,會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中,形成接頭性能減薄區(qū)。產(chǎn)生原因?yàn)閿嚢栳樀拈L(zhǎng)度不足,下壓量過大,或者焊縫處高低差較大,導(dǎo)致焊接減薄量過大。解決方法為選擇合適的攪拌針,焊接時(shí)嚴(yán)格控制攪拌針的下壓量,控制焊前工件工況。

(4) 起皮缺陷。焊接正面產(chǎn)生鼓起的麥麩狀薄金屬,稱為起皮。產(chǎn)生原因?yàn)闊彷斎肓窟^大。解決方法為選用合適的焊接參數(shù)。

(5) 隧道孔洞缺陷。在焊縫內(nèi)部存在孔洞狀或者蟲狀隧道狀缺陷,產(chǎn)生原因?yàn)閿嚢栳樛庑纬叽缭O(shè)計(jì)不合理,裝配間隙過大,參數(shù)不合適等。解決方法為設(shè)計(jì)合理的攪拌針,提高裝配質(zhì)量,采用合適的焊接參數(shù)。

(6) 弱連接缺陷。在焊縫根部塑性變形區(qū)產(chǎn)生的被連接材料間緊密接觸但未能形成有效接合,與未焊透的區(qū)別在于是否發(fā)生了塑性變形。產(chǎn)生原因?yàn)閿嚢栳橀L(zhǎng)度和焊接厚度不匹配,下壓量不足,焊接時(shí)未對(duì)中等。解決方法為選擇合適的攪拌針,采用合適的焊接參數(shù)對(duì)中焊接,盡可能保證待焊焊縫位于焊接后焊縫的中央位置。

(7) 接合面氧化物缺陷。沿著攪拌針旋轉(zhuǎn)方向在焊接面附近形成一條若隱若現(xiàn)的雜質(zhì)沉積帶,金相組織上表現(xiàn)為一條黑線,一般來說不影響焊接接頭的性能。產(chǎn)生原因?yàn)楹附用嫜趸锖碗s質(zhì)未清洗干凈。解決方法為對(duì)焊接面進(jìn)行機(jī)加工或者人工打磨、酸洗、清洗等處理。

3 攪拌摩擦焊管控

對(duì)于水冷型三合一電機(jī)殼體攪拌摩擦焊,需針對(duì)全工序進(jìn)行系統(tǒng)管控,主要分為焊接前鑄件來料管控、焊接過程中工藝管控、焊接后產(chǎn)品質(zhì)量管控。 鑄件來料管控包括鑄件內(nèi)部質(zhì)量,縫邊距、臺(tái)階寬度、深度、平面度等鑄件尺寸,以及鑄件清潔度。攪拌頭選型包括針長(zhǎng)、軸肩直徑、針直徑、干涉性等。裝配條件包括工裝壓緊、支撐、輔助預(yù)壓、焊接順序等。工藝參數(shù)包括旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度、焊接壓力、傾斜角度、起始預(yù)熱時(shí)間等。還需要管理操作技術(shù)、壓入量控制技術(shù)等。

3.1 焊接前管控

焊接前需針對(duì)焊接鑄件來料進(jìn)行管控,主要體現(xiàn)在三個(gè)方面。一是鑄件攪拌摩擦焊相關(guān)區(qū)域的內(nèi)部質(zhì)量,二是鑄件攪拌摩擦焊的關(guān)聯(lián)尺寸,三是鑄件的清潔度。

通過壓鑄工藝確保鑄件攪拌摩擦焊相關(guān)區(qū)域的內(nèi)部質(zhì)量滿足并優(yōu)于ASTM E505 2級(jí)要求,控制鑄件外殼體和內(nèi)殼體焊接面均為加工面,確保攪拌摩擦焊工件的縫邊距、臺(tái)階寬度、深度、平面度等關(guān)聯(lián)尺寸的一致性,保證攪拌摩擦焊過程中的穩(wěn)定性。外殼體和內(nèi)殼體熱套壓裝的鑄件需要有角度仿形防錯(cuò)措施,防止焊接過程中內(nèi)殼體和外殼體發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。

熱套前,產(chǎn)品需進(jìn)行清洗,去除攪拌摩擦焊面的表面油污,防止氣化產(chǎn)生氣孔。焊接前的產(chǎn)品清洗需要具備吹氣功能,將產(chǎn)品吹干燥。尤其是攪拌摩擦焊端面的盲孔,如盲孔內(nèi)殘留水分,在感應(yīng)加熱時(shí)氣化,孔內(nèi)雜質(zhì)爆出,殘留在攪拌摩擦焊端面,會(huì)影響攪拌摩擦焊的效果。焊接前,產(chǎn)品清洗需保證水槽干凈,必須是循環(huán)水,并有過濾系統(tǒng),防止清洗過程水質(zhì)被污染,污染產(chǎn)品水道內(nèi)表面。焊接前產(chǎn)品清洗后需保證熱套裝配區(qū)域無(wú)金屬顆粒。

水冷型三合一電機(jī)殼體熱套配合端面和攪拌摩擦焊端面均為加工面,熱套壓裝后,需控制焊接端面誤差不大于0.3 mm。攪拌摩擦焊前,鑄件進(jìn)行脫油脫脂清洗,需保證產(chǎn)品清洗后熱套裝配區(qū)域無(wú)金屬或非金屬顆粒。熱套壓裝前鑄件的清洗需保證產(chǎn)品表面張力不小于32號(hào)達(dá)因筆測(cè)試值。熱套壓裝時(shí),內(nèi)殼體抓取位置需加工,保證抓取一致性。內(nèi)殼體壓入殼體的過程中,需要每班進(jìn)行對(duì)中性驗(yàn)證,并在驗(yàn)證后確認(rèn)外殼體和內(nèi)殼體配合面無(wú)刮蹭鋁屑。內(nèi)殼體和外殼體入口需進(jìn)行圓滑過渡導(dǎo)向,防止導(dǎo)向初期鋁屑產(chǎn)生。熱套壓裝時(shí),需維護(hù)清潔加熱單元因加熱產(chǎn)生的表面附著異物,防止掉入產(chǎn)品內(nèi)。熱套過程中,需要對(duì)加熱殼體溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,推薦殼體過盈配合區(qū)域溫度不低于110 ℃,間隙配合區(qū)域溫度不低于70 ℃。產(chǎn)品熱套過程中不允許有刮擦及刮擦聲。內(nèi)殼體壓入外殼體后,推薦使用冷氣或壓縮空氣對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行冷卻,減小內(nèi)殼體在壓入后由轉(zhuǎn)動(dòng)引起的角度偏差。攪拌摩擦焊前,熱套鑄件需冷卻固持。熱套內(nèi)殼體、外殼體需有防止歪斜的防錯(cuò)措施,設(shè)備需具備壓力異常監(jiān)控報(bào)警功能,并每班進(jìn)行防錯(cuò)驗(yàn)證。熱套過程中,殼體需進(jìn)行定位夾緊,防止熱套過程中發(fā)生移位、竄動(dòng),導(dǎo)致不對(duì)中。

3.2 焊接中管控

攪拌摩擦焊為特殊工藝,需進(jìn)行產(chǎn)品及過程特性的精確追溯,要求至少對(duì)機(jī)臺(tái)號(hào)、生產(chǎn)時(shí)間、進(jìn)給量、轉(zhuǎn)速、換刀等信息進(jìn)行二維碼關(guān)聯(lián)記錄。攪拌摩擦焊工裝設(shè)計(jì)需保證產(chǎn)品重復(fù)定位精度,防止焊接變形。焊接零件背部需要有足夠剛性支撐,因?yàn)閿嚢枘Σ梁笗r(shí)焊接壓力基本在4 000 N以上,若焊縫下方支撐不足,塑化的焊縫金屬容易在焊接熱和攪拌針機(jī)械作用下出現(xiàn)下塌現(xiàn)象。焊接面需防止攪拌摩擦焊時(shí)塌邊,推薦焊接縫邊寬不低于焊接頭軸肩半徑加1.5 mm。焊接下扎點(diǎn)盡量選擇支撐剛性好的位置,因?yàn)橄略c(diǎn)要停留一段時(shí)間給工件預(yù)熱,如支撐不足,容易造成焊接缺陷。合理選擇焊接方向,針對(duì)總成反面焊接,攪拌針逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),有順時(shí)針和逆時(shí)針兩種焊接順序可選。若底板結(jié)構(gòu)薄弱,建議采用逆時(shí)針焊接。若邊梁型材結(jié)構(gòu)薄弱,支撐凸臺(tái)較窄,建議采用順時(shí)針焊接。此款三合一電機(jī)殼體采用逆時(shí)針焊接。攪拌摩擦焊時(shí),應(yīng)對(duì)焊接位置進(jìn)行確認(rèn),要求開班時(shí)使用焊頭進(jìn)行八分位的焊道位置對(duì)中驗(yàn)證。

攪拌摩擦焊關(guān)鍵過程特性參數(shù)包括主軸傾角、進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)速、焊頭壓入量等,每臺(tái)攪拌摩擦焊設(shè)備確認(rèn)后,需工藝固化,不允許隨意調(diào)整。攪拌摩擦焊更換攪拌頭,需對(duì)主軸傾角、刀頭跳動(dòng)、設(shè)備對(duì)中性進(jìn)行檢查,防止出現(xiàn)異常。攪拌摩擦焊若采用恒壓控制,則Z軸補(bǔ)償數(shù)據(jù)需監(jiān)控,超差應(yīng)報(bào)警防錯(cuò)。若采用恒定位置控制,則壓力值需監(jiān)控,超差應(yīng)報(bào)警防錯(cuò)。攪拌摩擦焊壓力和下壓量需要控制其中一個(gè),監(jiān)控另一個(gè)。此款三合一電機(jī)殼體經(jīng)過大批量試驗(yàn)驗(yàn)證,得出關(guān)鍵過程特性參數(shù)如下:進(jìn)給速度不大于250 mm/min,主軸轉(zhuǎn)速不小于800 r/min,主軸傾角2°～2.5°,壓入量不小于0.2 mm。此款三合一電機(jī)殼體焊接深度成品狀態(tài)為不小于4 mm,因此選擇焊頭規(guī)格為焊頭高度不小于5 mm,軸肩直徑12 mm,封邊距不小于7.5 mm,緊配合高度不小于7 mm。焊接工裝需設(shè)計(jì)自動(dòng)標(biāo)記,保證產(chǎn)品和焊接設(shè)備一一對(duì)應(yīng)。

3.3 焊接后管控

攪拌摩擦焊后,需要針對(duì)產(chǎn)品焊接質(zhì)量進(jìn)行管控。攪拌摩擦焊有效焊接深度指焊縫位置的有效深度,不是指焊接熔池的深度。有效焊接深度需要每班進(jìn)行監(jiān)控,推薦殼體類焊接深度檢測(cè)方法為焊接端面銑削加工至被要求的焊接深度后進(jìn)行密封檢測(cè),若無(wú)泄漏,可視為合格。此款三合一電機(jī)殼體焊接面機(jī)加工時(shí),向下銑削加工焊接有效深度4 mm后進(jìn)行水密測(cè)試。焊接位置解剖后打磨至鏡面,使用氫氧化鈉溶液腐蝕,在金相顯微鏡下觀察測(cè)量焊縫位置的實(shí)際焊接深度,檢測(cè)焊縫位置和熔池位置偏移量。攪拌摩擦焊應(yīng)對(duì)焊接強(qiáng)度進(jìn)行確認(rèn),要求對(duì)焊接薄弱區(qū)域進(jìn)行解剖試塊,并對(duì)焊接處撕開,檢查斷面,不允許斷面有黑斑、未熔融合狀態(tài)。攪拌摩擦焊存在熔池和產(chǎn)品本體分層風(fēng)險(xiǎn),需對(duì)焊接端面分別加工,向下銑削加工焊接存放深度2 mm、3 mm,對(duì)加工端面進(jìn)行著色顯影檢查,不允許有分層。攪拌摩擦焊應(yīng)對(duì)焊接內(nèi)部質(zhì)量進(jìn)行確認(rèn),推薦使用超聲波無(wú)損探傷,對(duì)焊道進(jìn)行檢查,不允許有隧道式氣孔,應(yīng)制訂標(biāo)準(zhǔn)缺陷樣件或圖譜。攪拌摩擦焊應(yīng)對(duì)退刀孔進(jìn)行檢查,退刀孔內(nèi)壁應(yīng)無(wú)氣孔,退刀孔應(yīng)無(wú)易掉落毛刺。

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者針對(duì)水冷型三合一電機(jī)殼體攪拌摩擦焊工藝進(jìn)行研究,總結(jié)如下:

(1) 在攪拌摩擦焊之前,需針對(duì)鑄件攪拌摩擦焊相關(guān)區(qū)域的內(nèi)部質(zhì)量、鑄件攪拌摩擦焊的關(guān)聯(lián)尺寸、鑄件焊接前清潔度進(jìn)行管控;

(2) 在攪拌摩擦焊過程中,需針對(duì)工裝設(shè)計(jì)、焊頭規(guī)格、焊接方向、關(guān)鍵過程特性參數(shù)等進(jìn)行管控,關(guān)鍵過程特性參數(shù)包括主軸傾角、進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)速、焊頭壓入量、設(shè)備對(duì)中性、恒壓或者恒定位置控制;

(3) 在攪拌摩擦焊后,需對(duì)產(chǎn)品焊接質(zhì)量進(jìn)行管控,主要包括焊接有效深度、熔池位置偏移量、焊接銑削加工區(qū)域焊接有效深度后工件氣密性、焊接斷口外觀、焊接內(nèi)部質(zhì)量、退刀孔內(nèi)外觀等。