桥壳摩擦焊接工艺可行性研究

胡万良 方志刚

桥壳摩擦焊接工艺可行性研究

胡万良1方志刚2

（1.方盛车桥（柳州）有限公司，广西 柳州 545006；2.武汉理工大学，湖北 武汉 430070）

摩擦焊接因其优质、高效、节能和无污染的技术特色，已在航空航天、汽车、工程机械等领域得到了广泛应用。本文针对汽车桥壳的摩擦焊接为研究对象，对摩擦焊接的优势以及在桥壳焊接上的应用优势进行了介绍，确定了用于桥壳焊接的转速、摩擦压力、摩擦时间、变形量、顶锻压力、顶锻变形量、顶锻速度等关键工艺参数，并对摩擦焊接的接头分别进行了金相检验、抗拉强度、抗弯强度和疲劳测试，结果显示均满足设计要求。文章研究可为摩擦焊在桥壳及同类产品焊接研究提供参考。

汽车；桥壳；摩擦焊接；金相检验

引言

桥壳作为汽车传动系的重要承载件，其为安装主减速器、差速器、半轴、轮毂和悬架的基础件，对主减速器、差速器和半轴起到重要的支撑保护作用[1-3]。后桥壳总成主要由上下桥壳、轮毂轴管、钢板弹簧导向座、加强环、后盖等零部件组成。同时，桥壳也是行驶系的主要组成部件之一，对车辆起到重要的支撑作用，使左右驱动轮的轴向位置相对固定[4]。在车辆行驶过程中，桥壳承受驱动轮传递的各种作用力和力矩，并通过悬架传给车架，对整车的承载和力的传递起到重要的支撑作用。

近年来，随着我国经济的持续、快速、健康发展，人们物质生活水平和精神文化生活水平不断提高，对出行工具的安全性、舒适性提出了更高要求。桥壳作为重要的整车安保件，其质量问题，特别是环缝焊开裂、断裂等问题，对车辆行驶的安全性造成严重影响。目前桥壳的焊接多采用CO2保护焊、电子束、摩擦焊三种焊接方式。其中，摩擦焊焊接工艺有强度高、有效提高承载能力、焊接过程不用填充任何辅助材料、不产生烟尘和弧光、有利于改善作业环境、减少污染等优势。

1 摩擦焊的特点与工艺

1.1 摩擦焊的特点

摩擦焊接工艺已在国内汽车行业尤其车桥制造业得到了广泛应用（如图1）。自20世纪80年代，国内的黄海汽车集团车桥公司率先使用摩擦焊接技术进行车桥生产。目前，车桥生产商的摩擦焊技术已成为评价其工艺水平、产品质量高低的重要指标。摩擦焊在国内车桥生产中能够快速发展得益于其优异的技术特点，因此，本文首先对其技术特点进行介绍。

图1 车桥摩擦焊

（1）摩擦焊接过程中，被焊材料通常不熔化，仍处于固相状态，轴向压力和扭矩共同作用于摩擦焊接表面及其近区，产生了一些力学冶金效应，如晶粒细化、组织致密、夹杂物弥散分布，以及摩擦焊接表面的“自清理”作用等。摩擦焊接时间短，热影响区窄，热影响区组织无明显粗化。消除CO2气体保护焊容易产生气孔、夹渣、裂纹等缺陷。

（2）焊接过程可靠性高，摩擦焊接过程完全由焊接设备控制，人为因素影响很小。焊接过程中所需控制的焊接参数较少，只有压力、时间、速度和位移。将计算机技术引入到摩擦焊接过程控制中，对焊接参数进行实时检测与闭环控制，可进一步提高摩擦焊接过程的控制精度与可靠性。摩擦压力控制精度可达±0.3 MPa，主轴转速控制精度可达±0.1%。

（3）焊件尺寸精度较高，由于摩擦焊接为固态连接，其加热过程具有能量密度高、热输入速度快以及沿整个摩擦焊接表面同步均匀加热等特点，故焊接变形较小。在保证焊接设备具有足够大的刚性、焊件装配定位精确以及严格控制焊接参数的条件下，焊件尺寸精度较高。焊接接头的长度公差和同轴度可控制在±0.25 mm左右。这可以有效减小焊接桥壳两头轴管的跳动，进而减少桥壳变形。

1.2 摩擦焊的工艺要求

为高效进行桥壳的焊接，首先应根据摩擦焊的加工工艺要求对零部件进行处理。本节对摩擦焊的加工工艺进行介绍。摩擦焊的焊接工艺应满足接头设计原则；（1）旋转式摩擦焊应保证至少有一个面是圆形截面；（2）为保证卡壳在焊接过程中不失稳，在零件设计时应避免设计成薄管、薄板等连接类型；（3）零件的连接接头应与中心线成30°～45°的斜面；（4）为保证摩擦加热时的扭矩和功率峰值满足要求，应采用端面侧角的办法增大焊接接触面积。

1.3 桥壳摩擦焊的工艺参数

摩擦焊的摩擦时间对焊接接头处的温度、焊缝质量等具有显著影响，如加热时间过短会造成焊接截面的加热不充分，焊接处的温度场无法满足摩擦焊接要求，造成焊接不合格。当摩擦焊接时间过长时，会造成摩擦焊接消耗能量多、热影响区大、高温区金属过热、变形大、飞边大、耗材增大等问题，根据前期试验，在本文桥壳的摩擦焊接上，摩擦时间根据焊接位置选择为1 s～40 s。

摩擦焊接的变形量与转速、摩擦时间、摩擦压力、材质状态、材质变形抗力等均密切相关。为保证焊接的接头强度满足要求，需确定其具有一定的摩擦焊接量，因此摩擦焊接的变形量一般选择为1 mm～10 mm。此外，停车时间对接头的变形层厚度和焊接质量具有显著影响。停车时间的选择要按照以下依据，当变形层较厚时，停车时间要短以保证其焊接质量，反之，当变形层较薄时，且希望在停车阶段增加变形层厚度，可适当增加停车时间。一般的停车时间的选择范围为0.1 s～1 s。

顶锻压力是摩擦塑性变形层中的氧化物和其他有害物质挤出的关键步骤，可使焊缝得到有效锻压、接头牢固、晶粒细化。顶锻压力的选择与材质、接头温度、变形层厚度以及摩擦力有关。当材料的高温强度高时，顶锻压力要大；温度高，变形层厚度小时，顶锻压力要小；摩擦压力大时，顶锻压力要选择较小值。顶锻压力一般选取摩擦压力的2～3倍，对于中、高碳钢，可选取100 MPa～400 MPa。

顶锻变形量与顶锻压力相关，其为顶锻压力的具体的反映，当顶锻压力较大时，顶锻变形量也随之增大，反之，当顶锻压力较小时，顶锻变形量也相应较小，因为顶锻变形的量的选择一定程度上取决于顶锻压力。目前，顶锻变形量的选择一般为1 mm～6 mm。

顶锻速度对接头的焊接质量具有显著影响，指的是趁热顶锻的响应。如顶锻速度较慢，则无法满足顶锻变形量的要求，当顶锻速度较大，也无法最大程度发挥摩擦焊的优势。因此，顶锻速度的选择一般为10 mm/s～40 mm/s。

2 试验材料与方法

2.1 试验材料

桥壳的焊接形式为管-管的焊接，材料为：壳体总成（16Mn R-GB 6654-96）、轮毂轴管（40Mn BH-GB/T 5216），外径尺寸为170 mm，壁厚为16 mm，截面积为7740.88 mm2。生产节拍：≤3 min（含上下件）。顶锻力= (82.9 -165.7 MPa)×截面积=64.17 - 128.27 t；焊接压力= (41.7 - 82.9 MPa) ×截面积=32.28 - 64.17 t。

2.2 焊接方法

在车桥进行摩擦焊时，将轴头装卡在床头卡盘上，桥包安装在床身夹具上，轴头旋转接触桥包端面，摩擦生热使得桥包端面与轴头端面金属熔接。在整个焊接过程中，控制器对压力、时间、转速、位移4个参数进行精确控制以实现锻压，并最终实现车桥的焊接。在焊接的全部过程中，使用高精度压力传感器、旋转光栅尺、直线编码器和时间控制器进行测量。具体步骤如下。

（1）桥包与轴头的径向与轴向定位：将轴头安装在主轴卡盘内(此时轴头径向完全定位)，桥包安装在床身夹具上。桥包的安装固定方式：床身的夹具采用内锥斜孔结构，通过与桥包中心的上下内孔配合，作为桥包轴向定位基准；而后床身夹具两端双爪夹具，抓紧桥包两端外壳做为桥包的径向定位。液压油缸驱动床头向桥包方向运动，轴头端面与桥包端面在压力下靠紧，轴头顶端靠紧床头内部的定位行程块。如图2所示，此时压力传感器收到压力感应，且轴头径向与轴向定位唯一，同时控制器记录下加工前的全长尺寸。控制器将预设值与此时的尺寸进行对比，如与预设值差异较大则表明焊接不合格，机床自动向操作者报警则剔除不合格工件。

第一，相关法律规范过于分散，协调性、操作性较差。除《未成年人保护法》《预防未成年人犯罪法》之外，其他有关未成年人的法律分散在一些相关法律、法规之中。由于在这些法律中所占比例很小，其重要性常常被忽视（这些法律的具体实施部门并非专门的未成年人保护及犯罪预防部门）；有关法律规范刚性不足，违反这些规范时要么缺乏法律后果规定，要么法律规范中规定的法律责任难以具体落实，致使许多法条成为宣誓性条文；有些法律规范之间还存在着明显的不协调之处。上述这些立法状况严重影响了相关法律的有效实施。

（2）桥壳焊接过程：如图2所示，床头自动后退一小端距离准备进行焊接加工，随后，床头主轴开始旋转液压油缸以一级压力（较小压力）推进轴头始向桥包靠近，两端面接触并开始摩擦生热。在上述加工焊接的过程中，轴头同时与桥包因生热以一个小恒定速率沿轴向收缩（参考图B段）。主轴继续保持转速不变，但液压油缸改用二次压（中压）推进轴头，生热量加大，轴头与桥包以中恒定速率继续收缩（参考图2的C-D段）。在焊接端面进入白热状态时，主轴立即停止旋转，同时油缸以两倍二次压力推进轴头，对轴头进行熔接，轴头与桥包以更大斜率收缩（参考图2的E-F段）。随后，机床测量获得焊后尺寸，并于控制器内的予设理论焊后尺寸进行核对，如有误差则机床自动对用户报警。如果焊后尺寸与控制器预设值一致，则表明焊接合格将零件自动卸下。

图2 车桥摩擦焊工艺参数图

（3）在焊接的全过程中，控制器通过HEIDANHAIN光栅尺实时对位移进行测量和控制；通过高精度压力表实时对油缸压力进行测量和控制；通过旋转光栅实时对床头转速进行测量和控制；通过控制器时钟对焊接时间进行测量和控制。

3 试验结果及分析

3.1 金相检验

金相组织检验按照GB 9441－2009中的有关要求进行评定，图3(a)所示为按照前文摩擦焊接工艺参数焊接的桥壳，按照GB 9441－2009对其进行随机取样进行进行组织检验，以确定桥壳的焊接质量。

图3 车桥摩擦焊工艺参数图

摩擦焊的焊缝如图4所示，其微观组织为焊缝细晶区、热力影响区和母材区。在摩擦焊接过程中，工件高速旋转摩擦生热，并在挤压作用下两金属迅速达到塑化状态，且随着两工件的相对的运动，焊缝中心得到重结晶再细化。而热影响区因在摩擦焊接过程中，距离焊接面热区域的局域较远，受到的热力作用也略低于焊缝中心。因此，此时的金属组织并未发生粗化，只是在靠近焊缝中心部位的组织在有所变形。接头组织整体均匀细小而致密。综上，摩擦焊接的质量符合要求。

图4 车桥摩擦焊工艺参数图（100X）

同前文方法，按照GB 9441－2009对桥壳母材的热影响区进行金相分析，结果如图5所示。桥壳的热影响区的组织主要为粒状贝氏体、铁素体，而桥壳的母材组织则主要为铁素体+珠光体。轴管的热影响区主要由托氏体、贝氏体、铁素体和马氏体组成，而轴管的母材区域则主要由回火索氏体组成。综上，采用摩擦焊的方法焊接的桥壳满足要求，焊接进行组织合格。

图5 桥壳热影响区图

3.2 抗拉强度

如图6所示，利用电子万能试验机GNT200，按照GB 2649－81焊接接头机械性能试验取样方法对试件进行抗拉强度测定。抗拉强度555.8 MPa，满足抗拉强度≥550 MPa～720 MPa的强度要求。塑性延伸强度为482.2 MPa，满足塑性延伸强度≥460 MPa的要求。断后延长率为19.48%，满足要求塑性延长率≥17%的要求。综上，采用摩擦焊接的方法满足其加工要求。

图6 抗拉试样

3.3 抗弯强度

对摩擦焊接后的包含有环焊缝的部件锯成条料检测焊缝的抗弯强度，如图7所示，共制取试样4个，并分别对其进行抗弯强度测试。焊接接头均具有良好的弯曲性能，正弯、背弯180°均未出现裂纹，满足要求。

图7 桥壳弯曲试样

3.4 疲劳测试

后桥是货车的主要传力和承载部件，形状结构复杂，且由于货车行驶工况复杂多变，其刚度和强度对动力的传动效率、桥壳的疲劳寿命起到了决定性的作用。因此，本节对摩擦焊接接头进行疲劳测试，结果如表1所示。随机取样3组进行疲劳测试，结果显示其在垂直疲劳的测试条件下均超过100万次未发生断裂，因此，可证明摩擦焊接的桥壳满足其疲劳损伤要求。

表1 疲劳测试结果

序号名称试验目的试验情况 111吨桥1#垂直疲劳110万次未断裂 211吨桥2#垂直疲劳105万次未断裂 311吨桥3#垂直疲劳102万次未断裂

4 结论

本文针对桥壳的摩擦焊接工艺及加工试样进行了研究，为摩擦焊在桥壳及同类产品的设计加工过程提供了重要参考，得到的主要结论如下。

（1）摩擦焊在焊接过程中产生的力学冶金效应有益于提升车桥焊接接头的强度，且具有的可靠性好、精度高、效率快等优势均适应于汽车车桥的加工生产。

（2）为本文所焊接的车桥涉及的转速、摩擦压力、摩擦时间、变形量、顶锻压力、顶锻变形量、顶锻速度等关键工艺参数进行了选取。

（3）对摩擦焊接后的金属分别进行了金相检验、抗拉强度、抗弯强度和疲劳测试，结果显示均满足设计要求。

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Feasibility Study on Friction Welding Process of Axle Housing

Friction welding has been widely used in aerospace, automobile, construction machinery and other fields due to its high quality, high efficiency, energy saving and non-polluting technical characteristics. Aiming at the friction welding of the automobile axle housing as the research object, this paper introduces the advantages of friction welding and its application in the welding of axle housing, determines the key process parameters used for the welding of axle housing, such as rotation speed, friction pressure, friction time, deformation, upsetting pressure, upsetting deformation and upsetting speed, and carries out metallographic examination, tensile strength, bending strength and fatigue test for the friction welded joints, and the results show that they all met the design requirements. The research in this paper can provide reference for the research of friction welding in axle housing and similar products.

automobile; axle housing; friction welding; metallographic inspection

U4613

A

1008-1151(2022)09-0070-04

2022-06-08

广西创新驱动发展专项（桂科AA21077014）。

胡万良（1967－），男，山西河津人，方盛车桥（柳州）有限公司高级工程师，从事车桥产品开发和管理工作。

方志刚（1984－），男，湖北黄石人，武汉理工工大学汽车工程学院讲师，从事汽车底盘研究工作。