蘇州地鐵一號(hào)線車(chē)體總成門(mén)角焊接工藝

史曉東

1. 概述

蘇州地鐵一號(hào)線是我公司生產(chǎn)的第一個(gè)全焊接鋁合金B(yǎng)型車(chē)項(xiàng)目，車(chē)體主結(jié)構(gòu)為整體承載的鋁合金型材輕量化焊接結(jié)構(gòu)，各模塊之間都采用焊接形式連接，在車(chē)體制造過(guò)程中遇到很多焊接難題。門(mén)角是車(chē)體結(jié)構(gòu)中的重要組成部件，焊縫設(shè)計(jì)性能等級(jí)要求高，但是門(mén)角結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊縫集中，焊接應(yīng)力大，容易出現(xiàn)焊接缺陷，而且焊接接頭形式又給焊接操作增加了很大困難，導(dǎo)致焊接質(zhì)量很難保證。

通過(guò)試制車(chē)的生產(chǎn)，對(duì)門(mén)角焊接過(guò)程進(jìn)行了一系列的跟蹤，采用不同的焊接方案進(jìn)行探索，并采取有效的工藝措施，基本上解決了門(mén)角焊接過(guò)程中遇到的焊接難題。

2. 門(mén)角焊接過(guò)程中存在的問(wèn)題

車(chē)體材料大量采用6000系列鋁合金，底架、車(chē)頂、側(cè)墻、端墻及司機(jī)室等重要焊接結(jié)構(gòu)多采用擠壓中空型材或較厚板材。門(mén)角為復(fù)雜的中空型材結(jié)構(gòu)，可以很好的滿(mǎn)足鋁合金車(chē)體輕量化和高強(qiáng)度的要求，如圖1所示。

整車(chē)共有32個(gè)門(mén)角，其中16個(gè)上門(mén)角和16個(gè)下門(mén)角。門(mén)角焊縫在車(chē)體結(jié)構(gòu)中非常重要，焊接過(guò)程中會(huì)遇到以下焊接工藝難題。

第一，門(mén)角焊縫的設(shè)計(jì)性能等級(jí)高，但是其結(jié)構(gòu)形式不僅使得門(mén)角焊縫處應(yīng)力集中，而且存在交叉焊縫，焊接過(guò)程中由于過(guò)大的應(yīng)力集中，容易出現(xiàn)焊接裂紋，嚴(yán)重降低焊縫質(zhì)量。

第二，門(mén)角焊縫為HV坡口形式，55°的坡口，坡口清理工作困難，打底焊時(shí)如果清理不干凈，很容易產(chǎn)生未焊透和未熔合缺陷。上門(mén)角與車(chē)頂邊梁的焊縫為PD（仰角焊）焊接位置，焊工操作難度大，焊接質(zhì)量難以保證；下門(mén)角與底架邊梁內(nèi)側(cè)焊縫焊接時(shí)，焊縫在地板平面上，焊工蹲在地板上焊接，難以觀察焊接熔池，這些因素都增加了焊縫缺陷的產(chǎn)生。

第三，門(mén)角設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊縫存在90°拐角，由于坡口深度較大，導(dǎo)致焊縫金屬在拐角處難以填滿(mǎn)，需要點(diǎn)焊添加焊縫金屬，使得焊縫表面成形不美觀，同時(shí)容易產(chǎn)生焊瘤、裂紋等缺陷。

圖1 門(mén)角結(jié)構(gòu)

3. 門(mén)角焊接工藝制定

（1）門(mén)角焊接環(huán)境要求 鋁合金材料焊接過(guò)程中，要求環(huán)境溫度≥10℃，相對(duì)濕度≤60%，而且應(yīng)在防風(fēng)、防雨的室內(nèi)進(jìn)行焊接。門(mén)角是車(chē)體結(jié)構(gòu)中的重要組成部分，它的焊接質(zhì)量關(guān)系到整車(chē)的焊接性能，應(yīng)盡量在滿(mǎn)足條件的環(huán)境中焊接。在門(mén)角焊接時(shí)，應(yīng)特別注意濕度的影響，每次焊接前測(cè)量環(huán)境的相對(duì)濕度，如果濕度值超出焊接要求，應(yīng)進(jìn)行焊前的工作試件試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)檢測(cè)合格，確定濕度對(duì)焊縫質(zhì)量的影響在可以接受的范圍內(nèi)時(shí)，再進(jìn)行門(mén)角的焊接。

（2）門(mén)角焊縫坡口準(zhǔn)備及清理 門(mén)角焊縫為（10+8）mm的HV坡口形式，10mm厚的板上開(kāi)55°坡口，焊接間隙2~3mm，即墊板伸出長(zhǎng)度2~3mm。裝配時(shí)保證焊縫間隙，可以提高焊槍的可達(dá)性，減少焊接裂紋和根部焊縫未熔合等缺陷。焊縫裝配好后，應(yīng)使用丙酮清理焊縫坡口及其周邊20mm范圍內(nèi)區(qū)域，去除鋁合金表面的油污、灰塵等雜質(zhì)，避免焊接缺陷的產(chǎn)生。鋁合金表面有一層致密的氧化膜，它可以吸收水分，焊接時(shí)容易產(chǎn)生氫氣孔，需要去除。氧化膜去除時(shí)，為避免工具被油污污染，先使用丙酮擦拭鋁合金表面，然后用鋼絲刷打磨，嚴(yán)禁使用砂輪片打磨。因?yàn)槭褂蒙拜喥蚰ゲ粌H不能去除氧化膜，反而會(huì)將氧化膜帶進(jìn)母材金屬，增加了焊接時(shí)氣孔、夾渣等缺陷產(chǎn)生的幾率。如果使用硬砂輪片打磨，還會(huì)讓其他雜質(zhì)如硫元素進(jìn)入焊縫，從而導(dǎo)致焊接熱裂紋。另外，鋁合金表面氧化膜形成的速度很快，焊縫坡口清理完成后，應(yīng)立即進(jìn)行焊接，防止打磨過(guò)的焊縫再次氧化。

（3）門(mén)角焊縫組裝要求 門(mén)角在總成焊接時(shí)，已經(jīng)和側(cè)墻立柱焊在一起，與側(cè)墻模塊以整體的形式到總成臺(tái)位上進(jìn)行焊接。門(mén)角焊縫為HV形式的角接接頭，由于采用這種接頭形式，電弧不易穿透焊縫根部，常常將氧化膜留在焊縫中，造成未焊透、夾渣等焊接缺陷，所以門(mén)角焊縫對(duì)組裝的要求很高，必須按照焊接工藝卡片中的要求，保證合理的焊接間隙，使根部焊道焊透。調(diào)整并測(cè)量好側(cè)墻模塊的組裝尺寸和門(mén)角焊接間隙后，使用總成工裝上的夾緊定位裝置對(duì)部件進(jìn)行固定。側(cè)墻模塊與底架邊梁和車(chē)頂邊梁為插接形式，由于底架和車(chē)頂都會(huì)預(yù)置一定的撓度，來(lái)保證總成時(shí)的組裝要求，所以側(cè)墻模塊上還需使用下拉裝置，車(chē)頂上采用拉緊帶對(duì)側(cè)墻與底架和車(chē)頂邊梁組裝的間隙進(jìn)行調(diào)整，保證門(mén)角焊縫的間隙在2~3mm。

門(mén)角的正確組裝，還關(guān)系到后面門(mén)封條與門(mén)角及邊梁的正確組裝精度，所以要嚴(yán)格要求，確保準(zhǔn)確的組裝。車(chē)體各部件組裝工作全部完成后，要對(duì)各焊接部位進(jìn)行定位焊固定，保證焊縫位置和焊縫間隙，門(mén)角定位焊形式如圖2所示。

圖2 門(mén)角定位焊形式

（4）門(mén)角焊接順序 合理的焊接順序能夠減少焊接變形，有效防止焊接裂紋。門(mén)角焊接時(shí)，先焊門(mén)角與底架邊梁外側(cè)的焊縫，再焊內(nèi)側(cè)焊縫。由于焊前門(mén)角已經(jīng)與側(cè)墻立柱焊接在一起，總成時(shí)立柱與底架邊梁也需要焊接，而且接頭形式與門(mén)角和底架邊梁的一樣，所以可以將兩條焊縫作為一條進(jìn)行焊接，從而減少焊接缺陷和提高作業(yè)效率。

門(mén)角與底架邊梁的焊縫分為四層完成焊接，先進(jìn)行打底焊，從中間向兩邊焊接，收弧點(diǎn)不要停在交叉焊縫上，接著完成填充層和蓋面層的焊接。需要注意的是，填充層和蓋面層焊接時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制焊縫層間溫度，做好層間焊縫清理，接頭處應(yīng)進(jìn)行修理，圓滑過(guò)渡，減小焊縫應(yīng)力集中和焊接缺陷。外側(cè)焊縫完成后，進(jìn)行內(nèi)側(cè)焊縫的焊接。門(mén)角與車(chē)頂邊梁的焊接過(guò)程同與底架邊梁焊接，只是焊接位置為PD，焊接時(shí)注意控制焊槍角度和弧長(zhǎng)，減少焊接缺陷。

（5）門(mén)角焊接預(yù)熱及層間溫度控制 鋁合金焊接時(shí)，當(dāng)板厚達(dá)到8mm以上時(shí)，需要進(jìn)行焊前預(yù)熱。預(yù)熱時(shí)間對(duì)鋁合金強(qiáng)度的影響很大，生產(chǎn)過(guò)程中，要嚴(yán)格控制預(yù)熱時(shí)間，一般采用快速集中的熱源進(jìn)行預(yù)熱，如丙烷火焰預(yù)熱。由于鋁合金的熱導(dǎo)率較大，所以預(yù)熱溫度應(yīng)控制在70~90℃之間，不要超過(guò)120℃，層間溫度控制在100℃以下。如果預(yù)熱溫度過(guò)高，除了焊工的作業(yè)環(huán)境惡劣以外，還有可能對(duì)鋁合金的合金性能造成影響，出現(xiàn)接頭軟化現(xiàn)象，形成不好的焊縫外觀。另外，層間溫度過(guò)高，也會(huì)使焊縫產(chǎn)生熱裂紋的幾率增加。

（6）選擇合適焊接參數(shù) 影響鋁合金焊接的主要參數(shù)是焊接熱輸入，因?yàn)殇X合金的導(dǎo)熱系數(shù)是鋼的3倍多，散熱很快，在相同的焊接速度下，需要比焊接鋼材更大的焊接熱輸入量。如果熱輸入量不足，會(huì)導(dǎo)致熔深不夠、未熔合及焊接裂紋等缺陷。焊接時(shí)采用左焊法，焊槍角度控制在80°～90°之間，焊槍角度過(guò)大時(shí)，保護(hù)氣體會(huì)不充分，造成氣孔和裂紋缺陷；過(guò)小時(shí)，電弧推力將鋁液吹到熔池前端，使得電弧不能直接作用于母材金屬，有可能造成未熔合缺陷。另外，在仰焊（PD）時(shí)，由于液態(tài)鋁的表面張力很小，焊接熔池容易出現(xiàn)“下沉”現(xiàn)象，造成焊縫成形不好，如圖3所示。

為了避免這一現(xiàn)象，仰焊時(shí)盡量采用短弧焊接，壓低電弧，獲得窄而小的焊縫，同時(shí)要提高焊接速度，防止燒穿現(xiàn)象，正常的焊縫如圖4所示。合理的焊接參數(shù)如附表所示。

圖3 PD位置，焊縫金屬“下沉”現(xiàn)象

圖4 PD位置，采用短弧、快速焊接的焊縫

門(mén)角焊接參數(shù)

4. 結(jié)語(yǔ)

蘇州地鐵一號(hào)線車(chē)體總成門(mén)角焊縫由于設(shè)計(jì)性能等級(jí)高、焊接位置差等因素而成為總成焊接的一大難點(diǎn)，事實(shí)證明生產(chǎn)中通過(guò)合理控制焊接環(huán)境、焊前準(zhǔn)備、組裝要求、焊接順序及焊接參數(shù)等關(guān)鍵因素，可以避免門(mén)角焊接過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)的各種缺陷，保證了焊接質(zhì)量。在對(duì)門(mén)角工作試件的接頭宏觀金相觀察時(shí)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)焊接裂紋、氣孔、未焊透等缺陷，焊縫熔合良好，達(dá)到了要求的焊接質(zhì)量。