軌道車(chē)輛鋁合金車(chē)體焊接工藝探究

張占嶺

（南車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司，青島 266000）

為實(shí)現(xiàn)軌道車(chē)輛的高速運(yùn)行，軌道車(chē)輛車(chē)體采用輕量化設(shè)計(jì)，車(chē)體采用鋁合金結(jié)構(gòu)，以降低軸重，節(jié)約能源，減少輪軌沖擊。但在鋁合金車(chē)體制造過(guò)程中，鋁合金型材及板材的焊接通常采用MIG焊接工藝，鋁合金的線膨脹系數(shù)約為鋼的2倍，凝固時(shí)體積收縮率達(dá)6.5%-6.6%，因此易產(chǎn)生焊接變形。對(duì)于薄壁鋁合金型材（最薄處2.3mm）的焊接，焊接變形大，并常常產(chǎn)生氣孔、裂紋等焊接缺陷，焊接難度大，生產(chǎn)的過(guò)程中會(huì)遇到很多的問(wèn)題，因此鋁合金車(chē)體進(jìn)行焊接時(shí)，必須掌握鋁合金車(chē)體焊接工藝，從而減小焊縫缺陷和焊接變形，提高焊接的質(zhì)量，保證車(chē)體的幾何尺寸及強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

1 鋁合金車(chē)體焊接工藝要求

軌道車(chē)輛鋁合金車(chē)體主要使用5000系、6000系、7000系三種鋁合金。其中5000系為鋁鎂合金，焊接性好；6000系為鋁鎂硅合金，焊接性好，焊接強(qiáng)度較高；7000系為鋁鋅合金，由于鋅的加入，焊接性變壞，焊接強(qiáng)度也降低。由于鋁合金熔點(diǎn)低、導(dǎo)熱系數(shù)及熱膨脹系數(shù)較大，因此在焊接時(shí)容易產(chǎn)生裂紋、融合不良、氣孔等缺陷。軌道車(chē)輛鋁合金車(chē)體焊接一般采用MIG/TIG焊接工藝，焊接時(shí)，應(yīng)該注意環(huán)境、焊絲以及焊接方法等，從而可以保證焊接的質(zhì)量。

1.1 環(huán)境要求

因?yàn)殇X和鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)比較大，在相同的焊接工藝條件下，鋁合金的冷卻速度是鋼冷卻速度的(4～7)倍，鋁合金在快速冷卻的過(guò)程中，導(dǎo)致氫的溶解度下降，釋放出大量的氣體，這些氣體在快速冷卻的條件下來(lái)不及排除而形成大量的氣孔。

1.2 焊絲、保護(hù)氣體選擇

軌道車(chē)輛鋁合金車(chē)體焊接用焊絲牌號(hào)一般采用SAF ER5356，屬于 Al-5%Mg焊絲，規(guī)格為 φ1.2、φ1.6兩種。這種焊絲中添加了微量元素鎘和鈦，不僅有利于使焊縫金屬的晶粒細(xì)化，而且可以有效改善力學(xué)的性能，具有較好的耐腐蝕性和力學(xué)性能。A5356焊絲在母材為5000系、6000系、7000系均可使用。其中進(jìn)口ER5356焊絲直徑為1.2mm,化學(xué)成分為：

材料牌號(hào)ER5356 Si 0.25 Fe 0.40 Cu 0.1 Mn 0.05~0.2 Mg 4.5~5.5 Cr 0.05~0.20 Zn 0.1 Ti 0.06~0.20 Al余量

焊接保護(hù)氣體采用高純氬氣，要符合GB/T10624-95規(guī)定，純度達(dá)到99.999%以上方可使用。

1.3 焊接方法的選擇

鋁合金的焊接方法有很多種，鋁合金車(chē)體焊接共采用了熔化極惰性氣體的保護(hù)焊（MIG）、鎢極惰性氣體的保護(hù)焊（TIG）和電阻點(diǎn)焊三種焊接方法。

1.4 焊接速度的選擇

在焊接時(shí)候，對(duì)于厚板的焊縫，為了能夠保證焊接的質(zhì)量在焊接的過(guò)程中使焊縫充分的融合，并且使焊縫內(nèi)的氣體充分的溢出，在進(jìn)行焊接的過(guò)程中一般采用較慢的焊接速度和較大的電流進(jìn)行焊接，對(duì)于薄板焊縫，為了避免焊縫過(guò)熱，在焊接的過(guò)程中一般采用較快的焊接速度和較小的焊接電流，從而保證焊接的質(zhì)量。

2 鋁合金車(chē)體焊接工藝

根據(jù)鋁合金焊接技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)及鋁合金車(chē)體焊接變形規(guī)律，對(duì)車(chē)體總組裝焊接制定了焊接工藝流程：車(chē)體預(yù)組→焊前尺寸調(diào)整→焊前清理→自動(dòng)焊接→焊后打磨。

通過(guò)上述的焊接工藝流程可以看出，要控制鋁合金車(chē)體焊接質(zhì)量及整體幾何吃尺寸滿(mǎn)足技術(shù)要求，減小車(chē)體的焊后調(diào)修量；必須加強(qiáng)過(guò)程控制，通過(guò)在預(yù)組及焊前尺寸調(diào)整過(guò)程中對(duì)鋁合金車(chē)體幾何尺寸進(jìn)行預(yù)變形控制，減小車(chē)體焊接變形，提高焊接質(zhì)量。

2.1 車(chē)體焊接幾何尺寸控制

鋁合金車(chē)體焊接過(guò)程中，由于焊縫的中心線與結(jié)構(gòu)截面的中性軸（通過(guò)重心的軸）不重合或不對(duì)稱(chēng)，導(dǎo)致了車(chē)體焊接完成后側(cè)墻發(fā)生彎曲變形。這種變形在車(chē)體焊接中主要表現(xiàn)在車(chē)體焊接后側(cè)墻直線度、寬度、高度及對(duì)角線發(fā)生變化，不能滿(mǎn)足技術(shù)要求；通過(guò)實(shí)踐從焊接順序、預(yù)變形控制等方面制定了相應(yīng)的工藝措施，主要措施如下：

（1）在車(chē)體焊接順序方面，為盡量減小焊接不對(duì)稱(chēng)引起的變形，制定在焊接時(shí)，焊接方向一致從一端向另一端焊接；焊接時(shí)要對(duì)稱(chēng)焊接，一二位側(cè)同時(shí)焊接。

（2）在預(yù)變形控制方面主要是在焊接前通過(guò)專(zhuān)用工藝裝備及測(cè)量設(shè)備測(cè)量出車(chē)體側(cè)墻直線度、車(chē)體寬度、高度及斷面對(duì)角線，根據(jù)記錄數(shù)據(jù)分析，通過(guò)手拉葫蘆、工藝頂桿等工具對(duì)車(chē)體進(jìn)行預(yù)制變形。

（3）現(xiàn)從車(chē)體長(zhǎng)度方向上均勻的選取5個(gè)測(cè)量點(diǎn)，下表為車(chē)體5個(gè)測(cè)量點(diǎn)尺寸在各個(gè)工藝流程中變化情況。

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從上表可以看出，焊接后車(chē)體的車(chē)寬與車(chē)高都會(huì)變小，因此車(chē)體的車(chē)高與車(chē)寬在焊接前應(yīng)該根據(jù)現(xiàn)車(chē)的情況進(jìn)行調(diào)整，適當(dāng)?shù)脑黾榆?chē)高與車(chē)寬的幾何尺寸，即用焊接的預(yù)變形法實(shí)現(xiàn)鋁合金車(chē)體焊后尺寸的控制。

2.2 焊接工藝參數(shù)的選取

在進(jìn)行焊接時(shí)，自動(dòng)焊焊接參數(shù)應(yīng)該根據(jù)焊接工藝的要求進(jìn)行選擇，其中焊接參數(shù)主要有

焊接速度（m·min-1）焊接電流（A）260 265電弧電壓（V）26.5 27.4送絲速度（m·min-1）熱輸入（J·min-1）氣體流量（L·min-1）F1 F2 8.3 8.4 480 500 8580 8745 24 24

3 鋁合金材料焊接易產(chǎn)生的缺陷及防止對(duì)策

由于鋁合金熔點(diǎn)低、導(dǎo)熱系數(shù)及熱膨脹系數(shù)較大，因此在焊接時(shí)容易產(chǎn)生裂紋、融合不良、氣孔等缺陷。

3.1 裂紋

鋁合金焊接時(shí)產(chǎn)生的裂紋主要有兩種：凝固裂紋和晶界液化裂紋。焊接裂紋易于產(chǎn)生的部位：焊縫開(kāi)頭和焊縫結(jié)尾。

3.2 氣孔

鋁合金焊接中氫氣是產(chǎn)生氣孔的主要原因，氫氣的侵入源（保護(hù)氣體約占12%，電極焊絲的附著約占24%，母材附著約占7%，從空氣中浸入約占57%）中尤為空氣中侵入的氫氣所占比列最大，氣孔的防止對(duì)策如下：（1）母材及焊絲表面的油污、水分應(yīng)去除。（2）焊絲拆包裝后，應(yīng)盡快用完，當(dāng)天如沒(méi)使用完的焊絲，應(yīng)拆下，送到保溫箱中保存。

3.3 焊接變形

鋁合金焊接易出現(xiàn)縱向收縮變形、彎曲和翹曲、波浪變形、角變形等各種焊接變形及焊接殘余應(yīng)力。防止焊接變形的措施：（1）合理的焊接順序，必要時(shí)制定焊接順序方案。（2）機(jī)械固定，根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)和制作合適的工裝夾具。

4 總結(jié)

軌道車(chē)輛車(chē)體采用鋁合金進(jìn)行焊接制造，在車(chē)體制造技術(shù)條件中要求極為嚴(yán)格，鋁合金熔點(diǎn)低、導(dǎo)熱系數(shù)及熱膨脹系數(shù)較大，在焊接過(guò)程中需要進(jìn)行大電流快速焊接的特點(diǎn)，加大了難度；通過(guò)在車(chē)體生產(chǎn)制造過(guò)程中不斷探索、改進(jìn)，逐步提高鋁合金車(chē)體制造技術(shù)；減少焊接中出現(xiàn)的缺陷，從而提高焊接質(zhì)量和工作效率。

[1]佟維,劉曉雪.《高速動(dòng)車(chē)組鋁合金車(chē)體結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略》.計(jì)算機(jī)力學(xué)學(xué)報(bào)；2009,03(9)：83—88.

[2]李永軍,孫丙河.《CRH3型動(dòng)車(chē)組鋁合金車(chē)體總組成焊接系統(tǒng)》.大連交通大學(xué)學(xué)報(bào)；2009,02(7)：25—27.