動車組車體平頂焊接工藝及質(zhì)量控制

(中車唐山機車車輛有限公司制造技術(shù)中心，河北 唐山 063035)

0 序 言

動車組鋁合金車體平頂作為列車上安裝受電弓的機組平臺，承受著來自機組和列車運行過程中弓網(wǎng)動態(tài)接觸所傳遞的疲勞交變載荷，其焊接質(zhì)量直接影響動車組受電弓及其機組的服役安全可靠性，關(guān)系到高速列車的運營安全。鋁及鋁合金由于特殊的物理化學(xué)性質(zhì)，導(dǎo)致焊接過程中容易出現(xiàn)各種焊接質(zhì)量問題[1-3]。文中針對某動車組鋁合金車體平頂焊接試驗過程中出現(xiàn)的局部未熔合、焊接熱裂紋等問題，分析了原因并制定了有效的抑制措施，保證了焊接質(zhì)量，為動車組焊接工藝發(fā)展提供技術(shù)借鑒。

1 試驗材料及方法

試驗用動車組鋁合金車體平頂型材為EN AW-6005A鋁合金型材，化學(xué)成分見表1，其力學(xué)性能見表2。

表1 6005A母材的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

表2 6005A母材力學(xué)性能

動車組鋁合金車體平頂由平頂板與平頂邊焊接而成，其中，車體平頂由三塊長大型材組焊而成，平頂與平頂邊之間為搭接焊縫，正反面主焊縫均采用機器人自動MIG焊，如圖1所示。

焊接前用機械打磨的方法對焊接坡口區(qū)域進行清理，去除表面的氧化膜，而后將清理后的型材組裝并完成定位焊，焊接過程在恒溫、恒濕的環(huán)境下進行，經(jīng)清洗和組裝后的工件必需在4 h內(nèi)完成焊接。

圖1 鋁合金車體平頂焊接圖示

2 焊接工藝及質(zhì)量控制

動車組鋁合金車體平頂由三塊長大型材組焊的平頂板與平邊頂組成的搭接焊縫焊接而成，正反面主焊縫均采用機器人自動MIG焊。由于鋁合金的物理化學(xué)性質(zhì)、裝配、焊接參數(shù)等原因，平頂生產(chǎn)過程中出現(xiàn)了一些質(zhì)量問題，通過分析原因，提出了有效的解決措施，有效保證了產(chǎn)品焊接質(zhì)量。

2.1 搭接焊縫未熔合

鋁及鋁合金的熱導(dǎo)率、比熱容、熔化潛熱很大，焊接過程中需要比同等厚度鋼材焊接大的焊接熱輸入，且容易出現(xiàn)焊縫未焊透、未熔合等缺陷。平頂板與平邊頂焊接試驗過程中，搭接焊縫下沿存在細小孔洞，進行滲透檢測發(fā)現(xiàn)有線性顯示，如圖2a所示。用角磨機打磨修理顯示位置，發(fā)現(xiàn)搭接焊縫下沿存在局部未熔合的焊接缺陷。未熔合易在交變載荷的狀態(tài)下因應(yīng)力集中形成裂紋源引起焊縫開裂。

鋁和鋁合金導(dǎo)熱性強，焊接時熱輸入量過小容易產(chǎn)生未熔合，焊接參數(shù)不合理，尤其是焊接速度過快、焊槍角度不好、焊絲指向不好等均是造成焊縫未熔合的主要原因。如果焊接電弧偏向坡口一側(cè)，則坡口另一側(cè)可能會產(chǎn)生邊緣未熔合或熔合不良缺陷[4]。

有效控制焊接熱輸入量，提高焊接電流或電弧電壓，降低焊接速度等優(yōu)化的工藝參數(shù)匹配是防止未熔合的有效措施。后續(xù)平頂板與平邊頂焊接試驗過程中，實時觀察焊縫熔池狀態(tài)且及時調(diào)整工藝參數(shù)，使焊接速度與焊接熱輸入高度匹配，并在焊接過程中根據(jù)電弧狀態(tài)及時調(diào)整焊絲指向及焊槍角度，在保證焊縫上沿充分熔透的前提下使焊絲指向及焊槍角度略偏向于焊縫下沿。通過上述焊接工藝優(yōu)化，有效解決了搭接焊縫下沿未熔合問題，焊縫滲透檢測無顯示如圖2b所示，優(yōu)化后的焊接工藝參數(shù)見表3。

圖2 焊縫下沿滲透檢測

表3 優(yōu)化后的焊接工藝參數(shù)

2.2 焊縫根部裂紋

裂紋是在焊接應(yīng)力及其他因素共同作用下，焊接接頭中局部區(qū)域的金屬原子結(jié)合力遭到破壞形成新界面而產(chǎn)生的縫隙。鋁合金的高線膨脹系數(shù)、高收縮應(yīng)力、較寬的熔化溫度區(qū)間導(dǎo)致焊縫易形成熱裂紋；相同條件下，焊接速度過大會增加焊接接頭的應(yīng)變速度，從而增大熱裂傾向。焊接接頭取樣，經(jīng)過金相試驗機磨平、腐蝕后，發(fā)現(xiàn)斷面宏觀金相試件焊縫根部有裂紋如圖3a所示。

焊接裂紋產(chǎn)生的原因較多，母材成分、焊接熱輸入量、拘束條件等因素是導(dǎo)致焊縫開裂的主要原因。焊接試驗用母材化學(xué)成分符合歐洲標準EN573-3《鋁和鋁合金鍛制品的化學(xué)成分和形態(tài)第3部分：產(chǎn)品的化學(xué)成分和形態(tài)》 、力學(xué)性能和宏觀金相等各項指標均滿足標準要求，可排除母材自身的原因。焊接熱輸入是影響焊接接頭組織晶粒大小、強度和韌性的重要因素，從而影響接頭強度、力學(xué)性能和抗裂紋能力，因此熱輸入過大導(dǎo)致接頭熱影響區(qū)軟化、晶粒粗化是焊接裂紋產(chǎn)生和擴展延伸的主要原因。焊接應(yīng)力及分布情況對焊接質(zhì)量有重要影響，不同的結(jié)構(gòu)和接頭形式其應(yīng)力狀態(tài)存在差別。文中試驗為鋁合金自動焊搭接接頭角焊縫焊接，裝配間隙對結(jié)構(gòu)焊后應(yīng)力影響較大，尤其鋁合金焊接時接頭中存在薄膜態(tài)的低熔共晶組織和脆化相，因裝配間隙較大產(chǎn)生的拉應(yīng)力可能誘使裂紋發(fā)生并擴展，因此裝配間隙產(chǎn)生的焊接應(yīng)力成為裂紋形成的重要外在因素。為了減少因搭接間隙而產(chǎn)生的焊接拉應(yīng)力，對焊接裝配順序進行了優(yōu)化，在后續(xù)平頂板與平邊頂焊接試驗過程中，將平頂板擺放平整后再將平邊頂與其貼緊，采用從中間向兩邊依次壓卡的次序進行裝配，保證平頂板和平邊頂焊前裝配零間隙，從而避免焊接焊頭應(yīng)力高度集中導(dǎo)致焊接裂紋產(chǎn)生。通過以上措施，有效抑制了焊縫根部裂紋的產(chǎn)生，優(yōu)化后獲得的焊縫橫截面形貌如圖3b所示，從圖中可以看出焊縫根部熔合良好。

圖3 焊縫橫截面宏觀金相照片

2.3 平頂焊接變形措施

鋁合金的線膨脹系數(shù)約為鋼的兩倍，凝固時的體積收縮率達6.6%左右，因此在焊接過程中容易產(chǎn)生焊接變形[2]。焊接變形對產(chǎn)品質(zhì)量有重要影響，如果變形超出范圍就可能直接導(dǎo)致部件報廢，控制焊接變形在鋁合金車體生產(chǎn)中非常重要。動車組鋁合金車體平頂上安裝受電弓的機組平臺，對平頂平面度尤其是受電弓安裝座的平面度要求很嚴格，各安裝座之間的相對平面度0.5 mm，因此控制平頂焊接變形在動車組車體生產(chǎn)中非常重要。

2.3.1平頂板變形控制

動車組鋁合金車體平頂板由三塊長大型材組焊而成，平頂板長6 585 mm、寬2 029 mm，設(shè)計為8V的全焊透焊縫形式，正反面焊縫均采用機器人自動MIG焊，如圖4所示為焊接設(shè)備及焊接順序示意圖。為了控制平頂板焊接變形，具體工藝措施如下：

(1)在平頂組焊工裝正裝安裝面上預(yù)制反變形，寬度方向反變形量設(shè)計為0 mm→2 mm→5 mm→2 mm→0 mm。

(2)焊接時平頂板兩側(cè)設(shè)置壓卡進行剛性固定，使工件與工裝定位塊密貼。

(3)采用如圖4所示的焊接順序，正反面8V焊縫的焊接順序為正裝焊縫打底焊接、反裝焊縫打底焊接、反裝焊縫蓋面焊接、正裝焊縫蓋面焊接，減少工件中的焊接應(yīng)力。

圖4 平頂板自動焊

(4)所有焊縫均采用機器人從固定一端向另一端焊接，使焊接變形均勻分布。

2.3.2平頂附件焊接

動車組鋁合金車體平頂板上需裝配受電弓安裝座、絕緣子座等共計三十余個平頂附件，并且附件板厚都較厚，焊接時需要進行預(yù)熱，預(yù)熱溫度80～120 ℃，平頂附件的焊接變形對平頂?shù)钠矫娑扔兄鴺O其重要的影響。

為了控制平頂附件焊接后平頂板的焊接變形，保證平頂板焊后平面度滿足不大于3 mm的要求，焊接前需在平頂板長度方向上做出8 mm的焊接反變形，同時平頂板兩側(cè)采用壓卡剛性固定；焊接預(yù)熱溫度控制在100 ℃以內(nèi)，且嚴格控制焊縫層間焊接溫度；焊接附件完成定位焊后，盡量采用從平頂板中間向兩邊退焊的焊接順序，使焊接應(yīng)力從中間往外擴散避免應(yīng)力集中。通過以上工藝措施，平頂附件焊接后動車組鋁合金車體平頂整體平面度有效控制在3 mm以內(nèi)(圖5)，滿足使用要求。

圖5 平頂附件焊接

3 結(jié) 論

(1)根據(jù)動車組鋁合金車體平頂焊接試驗對車體平頂生產(chǎn)工藝進行優(yōu)化，有效地解決了動車組鋁合金車體平頂焊接易出現(xiàn)焊縫未熔合和焊縫根部裂紋的問題。

(2)通過對平頂板及平頂附件進行預(yù)制反變形、優(yōu)化焊接順序和預(yù)熱溫度，保證了動車組鋁合金車體平頂焊后整體平面度在3 mm以內(nèi)，達到了使用要求。

[1] 王炎金. 鋁合金車體焊接工藝[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社，2009.

[2] 周萬盛，姚君山. 鋁及鋁合金的焊接[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2011.

[3] 朱 浩，陳 強，陳劍虹. 熱影響區(qū)幾何尺寸對鋁合金焊接接頭變形及強度影響規(guī)律[J]. 焊接學(xué)報，2012，33(5): 77-81.

[4] 張傳臣，陳芙蓉，高云喜. 高強鋁合金7A52焊縫中焊接缺陷的產(chǎn)生及控制[J]. 熱加工工藝，2007，11(36): 18-20.