復(fù)興號(hào)樣車研制項(xiàng)目裙板焊接工藝研究

楊仲林，王陸釗，徐艷麗，馬永志，王靜宇

（中車唐山機(jī)車車輛有限公司，河北唐山063035）

0 前言

“復(fù)興號(hào)”動(dòng)車組列車是由中國(guó)鐵路總公司牽頭組織研制，具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，達(dá)到世界先進(jìn)水平的動(dòng)車組列車。該列車采用鋁合金車體。鋁合金車體相對(duì)于碳鋼車體的成型性差、耐腐蝕性差、質(zhì)量大、壽命低和降噪效果不理想，以及不銹鋼車體的工藝性差、焊接性差和車體密封性差等特點(diǎn)，鋁合金車體的優(yōu)勢(shì)顯著，更適用于高速列車車體的制造[1]。高速列車車體采用蜂巢狀鋁合金型材，既節(jié)省材料，降輕質(zhì)量，又具有較高的強(qiáng)度[2]。此外，鋁合金車體更具有耐腐蝕、抗高寒、外觀平整度好和易于加工制造復(fù)雜、美觀的曲面車體的優(yōu)點(diǎn)[3]。復(fù)興號(hào)”動(dòng)車組列車研制項(xiàng)目是唐車公司重點(diǎn)項(xiàng)目之一，對(duì)公司的今后發(fā)展具有重要意義。車體是否具有合理的結(jié)構(gòu)，車體的承載能力是否滿足使用要求，關(guān)系到車輛的運(yùn)營(yíng)安全。

在“復(fù)興號(hào)”動(dòng)車組列車車體研制過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，底架側(cè)裙板封板焊縫在側(cè)裙板單件焊接完成并檢驗(yàn)合格后，在底架組成工序安裝時(shí)發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象，嚴(yán)重影響行車安全[4]。雖然對(duì)開(kāi)裂位置進(jìn)行了修補(bǔ)焊接，但以上問(wèn)題暴露出該焊縫的承載能力有限，其余位置仍存在嚴(yán)重的質(zhì)量隱患?？紤]到以上焊縫為外露焊縫，一旦在今后的運(yùn)營(yíng)過(guò)程中開(kāi)裂將嚴(yán)重影響行車安全和公司的形象。因此本研究力圖通過(guò)原因分析從源頭上徹底解決該問(wèn)題。

在車體減重要求日益強(qiáng)烈的情況下，車體設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)了大量的薄壁結(jié)構(gòu)，給鋁合金車體制造過(guò)程中傳統(tǒng)采用的MIG焊接工藝帶來(lái)了一定的挑戰(zhàn)[5-6]。本研究問(wèn)題的解決過(guò)程對(duì)車體焊接過(guò)程中類似的薄板焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和焊接工藝制定也具有一定的指導(dǎo)意義。

1 現(xiàn)狀分析

1.1 側(cè)裙板結(jié)構(gòu)

“復(fù)興號(hào)”動(dòng)車組樣車研制項(xiàng)目側(cè)裙板為鋁合金車體大部件底架的組成部分，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。側(cè)裙板由裙板型材及兩塊封板組成（見(jiàn)圖1a）。側(cè)裙板型材為壁厚3 mm的中空蜂窩結(jié)構(gòu)，封板則由壁厚4 mm的鋁板折彎而成。封板安裝在側(cè)裙板的端部，起到封閉側(cè)裙板型材型腔的作用，兩者之間通過(guò)焊縫連接。圖1b為圖1a中A-A剖位置的剖視圖，裙板型材和封板之間的接頭類型是T型對(duì)接接頭，坡口深度2 mm。設(shè)計(jì)圖紙標(biāo)注的焊縫為2HY。

圖1 側(cè)裙板結(jié)構(gòu)及接頭形式示意

1.2 焊接工藝

側(cè)封板型材材質(zhì)為符合TB/T 3260.1標(biāo)準(zhǔn)要求的6005A牌號(hào)的鋁合金型材，封板為符合TB/T3260.1標(biāo)準(zhǔn)要求的5083-H111牌號(hào)的鋁合金板材。焊材牌號(hào)ISO18273-S AL 5087，母材及焊絲的化學(xué)成分如表1所示。項(xiàng)目初期擬定采用MIG焊，單層單道工藝。焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表2，采用福尼斯TPS 5000型焊機(jī)。

表1 母材及焊絲的化學(xué)成分 %

表2 焊接工藝參數(shù)

1.3 側(cè)裙板焊縫裂紋發(fā)現(xiàn)的工序和位置

側(cè)裙板型材與封板焊接完成后需要磨平2HY焊縫余高，再進(jìn)行滲透檢測(cè)，檢測(cè)合格后方可放行。然而側(cè)裙板在底架組成工序裝配過(guò)程中發(fā)現(xiàn)側(cè)裙板與封板的焊縫存在開(kāi)裂現(xiàn)象，滲透檢測(cè)結(jié)果呈線性顯示。開(kāi)裂位置及滲透檢測(cè)結(jié)果如圖2所示，側(cè)裙板焊縫開(kāi)裂位置為側(cè)裙板型材與封板2之間的焊縫，主要發(fā)生在應(yīng)力集中的拐角處。

2 原因分析

2.1 母材及焊材問(wèn)題

側(cè)裙板組成母材分別為TB/T 3260-1 6005AT6型材和TB/T 3260-1 5083-H111板材，是鋁合金車體的常用材質(zhì)，供應(yīng)商提供了材質(zhì)單和ISO 10204 3.1證書(shū)，公司相關(guān)部門也對(duì)母材進(jìn)行了入廠審核和復(fù)驗(yàn)。焊接過(guò)程中采用的ISO18273-SAL 5087焊絲是鋁合金車體制造時(shí)的常用焊絲，焊絲供應(yīng)商提供了焊絲材質(zhì)單、CE及DB證書(shū)，公司相關(guān)部門同樣對(duì)焊絲入廠進(jìn)行了復(fù)查和復(fù)驗(yàn)，且同批次焊絲在其他位置使用均未發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。因此該項(xiàng)原因被排除。

圖2 側(cè)裙板開(kāi)裂位置示意及PT檢測(cè)結(jié)果

2.2 焊接工藝

側(cè)裙板組成2HY焊縫焊接工藝經(jīng)過(guò)了工藝評(píng)定，手工焊焊工具有ISO9606-2焊工證書(shū)資質(zhì)，且在生產(chǎn)前進(jìn)行了驗(yàn)證焊工技能的工作試件考核，裙板焊縫焊接完成后焊縫通過(guò)了具備ISO 9712 VT2和PT2資質(zhì)人員的外觀和滲透檢測(cè)，均未發(fā)現(xiàn)焊縫有裂紋存在。使得該項(xiàng)原因被排除。

2.3 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)問(wèn)題

裙板型材與封板的接頭形式為T型對(duì)接接頭，焊縫熔深僅2 mm，為非完全熔透焊縫。且封板焊接完成后形成了密封結(jié)構(gòu)，難以從焊縫的另一側(cè)檢查焊縫的背部成形情況。同時(shí)，在側(cè)裙板中存在應(yīng)力集中的直角結(jié)構(gòu)，該位置的承載能力較差。因此側(cè)裙板的結(jié)構(gòu)問(wèn)題是其在底架組裝過(guò)程中開(kāi)裂的主要原因。

2.4 側(cè)裙板在底架組焊過(guò)程中的工藝問(wèn)題

側(cè)裙板在底架工序裝配及焊接過(guò)程中需要對(duì)側(cè)裙板進(jìn)行敲擊和壓卡，同時(shí)裙板與底架焊接過(guò)程中產(chǎn)生焊接應(yīng)力。因此側(cè)裙板在底架組焊過(guò)程中的工藝問(wèn)題是側(cè)裙板組成開(kāi)裂的誘因。

3 工藝方案與結(jié)果對(duì)比

3.1 工藝方案

針對(duì)側(cè)裙板開(kāi)裂原因，提出了更改焊縫形式的解決措施。主要內(nèi)容為在焊縫的型腔中裝配焊接墊板，將側(cè)裙板原2HY非全熔透焊縫改為全熔透焊縫形式為3HV。采用MIG多層多道焊技術(shù)保證焊縫完全焊透。工藝過(guò)程如圖3所示。

具體焊接工藝流程為：（1）在側(cè)裙板型材內(nèi)裝配焊接墊板，保證焊縫熔透的情況下有較好的背部焊接質(zhì)量。（2）裝配封板并進(jìn)行打底焊，保證焊縫熔透。（3）清理修磨打底焊縫，保證焊縫的層間質(zhì)量。（4）蓋面焊接。更改后的焊接工藝參數(shù)如表3所示。由于薄板焊接過(guò)程中容易產(chǎn)生過(guò)熱甚至焊瘤現(xiàn)象，因此更改打底焊焊接電流為120A、蓋面焊電流130A，這樣使焊接過(guò)程更加容易把控，從而保證焊接質(zhì)量。

表3 更改后焊接參數(shù)

同時(shí)規(guī)范側(cè)裙板在底架工序的安裝工藝，避免在側(cè)裙板易開(kāi)裂位置進(jìn)行壓卡和敲擊。

3.2 結(jié)果分析和對(duì)比

側(cè)裙板封板焊縫焊接工藝優(yōu)化前的焊縫簡(jiǎn)圖如圖4a所示，側(cè)裙板封板焊縫為2HY焊縫，有效熔深2 mm；優(yōu)化后如圖4b所示，焊縫改為全熔透背部加墊板焊縫，有效熔深3 mm，即兩種母材連接處的厚度由2 mm變成了3 mm，因此理論上焊縫的承載能力提升了50%。同時(shí)由于優(yōu)化前焊縫為非完全熔透焊縫，在焊縫背面有未熔合的開(kāi)口如圖4c所示，該位置極可能成為焊縫的裂紋源，使裂紋從焊縫根部向焊縫內(nèi)擴(kuò)展。優(yōu)化后，不僅熔深增加，同時(shí)焊接墊板可以保證焊縫的背部成形，避免了裂紋源的產(chǎn)生，增加了焊縫強(qiáng)度。本工藝優(yōu)化方案在“復(fù)興號(hào)”動(dòng)車組樣車研制項(xiàng)目中得到了驗(yàn)證，在后續(xù)7輛的 20余塊側(cè)裙板的裝配過(guò)程中均未發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象。

圖3 側(cè)裙板封板焊接工藝流程

圖4 側(cè)裙板封板焊縫工藝優(yōu)化前后示意

4 結(jié)論

（1）通過(guò)排查側(cè)裙板組成在底架組焊工序裝配過(guò)程中的開(kāi)裂原因，確認(rèn)了側(cè)裙板組成開(kāi)裂產(chǎn)生的主要原因是設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)問(wèn)題，側(cè)裙板在底架組成工序裝配過(guò)程中的不當(dāng)操作為誘因。

（2）通過(guò)改變側(cè)裙板焊縫形式和焊接工藝，使焊縫的承載能力和焊縫質(zhì)量得到了提升，其中焊縫的承載能力理論上提升了50%。

（3）本工藝優(yōu)化方案在“復(fù)興號(hào)”動(dòng)車組樣車研制項(xiàng)目中得到了驗(yàn)證，在后續(xù)7輛的20余塊側(cè)裙板的裝配過(guò)程中均未發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象。

（4）在鋁合金薄板焊接結(jié)構(gòu)中，焊縫的有效熔深不宜小于3 mm，應(yīng)盡量采用全熔透焊縫，以保證焊縫的承載能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]員華，鄒鵬.不銹鋼車體與鋁合金車體現(xiàn)狀及發(fā)展[J].都市快軌交通，2008，21（3）：89-91.

[2]劉巖.我國(guó)高速鐵路客車輕量化車體最優(yōu)結(jié)構(gòu)研究[J].輕合金加工技術(shù)，2000，28（5）：41-43.

[3]劉文斌.高速鐵路客車鋁合金車體制造工藝[J].車輛，2006（8）：87-88.

[4]李會(huì)，郭繼祥，何小波，等.鋁合金MIG焊常見(jiàn)焊接缺陷分析及預(yù)防措施[J].電焊機(jī)，2013，43（4）：72-76.

[5]陳永紅.高速列車鋁合金車體側(cè)墻殘余應(yīng)力與變形數(shù)值模擬[D].四川：西南交通大學(xué)，2012.

[6]王元良，陳輝.高速列車鋁合金焊接的發(fā)展趨勢(shì)[J].電焊機(jī)，2010，40（10）：9-16.