鋁合金地鐵牽引梁HV形坡口焊縫MIG焊工藝分析

王安平，蔣磊

中車成都機(jī)車車輛有限公司 四川成都 610000

1 序言

車體是地鐵車輛的一個(gè)重要組成部分，而牽引梁是車體中的重要組成件，車體在運(yùn)行過(guò)程中，牽引梁不但要把牽引力和制動(dòng)力傳遞給車鉤，而且還要承受各種設(shè)備載荷以及牽引中水平縱向和橫向沖擊載荷的作用力。因此，為滿足相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，牽引梁必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以保證列車運(yùn)行的安全性和平穩(wěn)性。

鋁合金焊接結(jié)構(gòu)牽引梁主要由EN AW6005A材質(zhì)的車鉤安裝座、筋板和上蓋板，以及EN AW6082材質(zhì)的腹板、筋板和下蓋板組成。其中常見(jiàn)的材料厚度為45mm、25mm、16mm、12mm、10mm等。牽引梁的設(shè)計(jì)圖樣中焊縫坡口形式以HV形較為常見(jiàn)，實(shí)際生產(chǎn)中這類焊縫因坡口不對(duì)稱、板厚差異等因素，導(dǎo)致焊接時(shí)坡口兩側(cè)磁場(chǎng)不均勻、溫度不均勻，從而出現(xiàn)偏吹、受熱熔化時(shí)間差異大等情況，使焊縫出現(xiàn)咬邊、成形差，未熔合等缺陷[1，2]。本文通過(guò)選取板厚差異較大的車鉤安裝座與牽引梁上蓋板連接焊縫制作模擬試件，研究坡口形式為HV形接頭的焊接工藝，有助于生產(chǎn)中提升HV形坡口焊接質(zhì)量。

2 結(jié)構(gòu)介紹

鋁合金地鐵牽引梁上蓋板與車鉤安裝座采用嵌入式連接結(jié)構(gòu)，接頭形式與焊縫信息如圖1所示。此焊縫在焊接時(shí)，由于結(jié)構(gòu)的特殊性及工裝的限制先焊接背面角焊縫，然后對(duì)正面HV形焊縫清根后再完成焊接。牽引梁上蓋板與車鉤安裝座組裝完成后，背面角焊縫區(qū)域會(huì)形成幾個(gè)位置受限的焊接區(qū)域。

圖1 接頭形式與焊縫信息

3 焊接試驗(yàn)

（1）試驗(yàn)設(shè)備與材料 焊接設(shè)備為熔化極惰性氣體保護(hù)焊機(jī)，型號(hào)為KEMPPI（450）焊機(jī)。

試驗(yàn)工具：直磨機(jī)配筆形銑刀和不銹鋼筆刷，角磨機(jī)配不銹鋼碗刷圓盤(pán)銑刀、烤槍、測(cè)溫儀、風(fēng)管、鋁合金清洗劑、氫氧化鈉、600#或更細(xì)砂紙、白色無(wú)毛抹布、直尺及記號(hào)筆等。

試驗(yàn)使用的母材為鋁合金EN AW6005A-T6，符合TB/T 3260—2011規(guī)定的要求，尺寸要求見(jiàn)表1。

表1 母材尺寸要求

焊接填充材料為焊絲ER5356，符合ISO 18273和AWS-A 5.10規(guī)定的要求。保護(hù)氣體為氬氣，符合ISO 14175規(guī)定要求，純度≥99.999%，氣體流量（20±3）L/min。

（2）焊接工藝 焊接方法采用熔化極惰性氣體保護(hù)焊（MIG）。

焊接場(chǎng)所環(huán)境要求溫度≥8℃，相對(duì)濕度要求在60%以下，風(fēng)速保證在1m/s以下。

焊前通過(guò)鋁合金清洗液擦拭、不銹鋼刷清理，保證待焊區(qū)域及其附近20mm范圍內(nèi)無(wú)氧化膜、油污等，且鋁合金表面需打磨出金屬光澤，打磨后必須在4h內(nèi)焊接；焊前需對(duì)母材進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱范圍為焊縫中心及兩側(cè)50mm，預(yù)熱溫度控制在100～110℃，預(yù)熱方式為火焰預(yù)熱，預(yù)熱完成后30min內(nèi)進(jìn)行焊接，待焊部位溫度在70℃以下。

焊接接頭坡口角度要求偏差≤±5°，裝配要求根部間隙≤2mm，錯(cuò)邊≤1mm。

焊接過(guò)程中的層間清理與清根必須完全將上一層焊縫的黑灰、飛濺、焊接缺陷等完全清除，必要時(shí)修整焊縫形狀，保證下一層焊接時(shí)順滑過(guò)渡。焊道間溫度需控制在70℃以下，再進(jìn)行下一道焊接。角焊縫焊接時(shí)焊槍與焊縫方向呈90°夾角，前傾5°～10°，與薄板平面呈25°～30°夾角，輕微擺動(dòng)焊槍，防止出現(xiàn)偏吹，影響焊縫成形。

焊后待焊縫冷卻至室溫后清除黑灰、飛濺等，然后對(duì)焊縫進(jìn)行檢查。焊接試驗(yàn)的具體工藝流程為材料準(zhǔn)備→焊前清理→裝配→焊接→焊縫檢測(cè)；焊接順序如圖2所示，焊接參數(shù)見(jiàn)表2。

圖2 焊接順序

表2 焊接參數(shù)

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）焊縫外觀檢測(cè) 根據(jù)ISO 17637《焊縫的無(wú)損檢測(cè)-熔化焊接頭的外觀檢驗(yàn)》對(duì)焊接試件焊縫及兩側(cè)20mm范圍內(nèi)進(jìn)行目視檢查，然后再通過(guò)PT檢測(cè)，結(jié)果顯示焊縫質(zhì)量滿足ISO 10042《焊接-鋁及鋁合金的弧焊接頭-缺欠質(zhì)量分級(jí)》中B級(jí)要求，如圖3所示。

圖3 焊縫外觀

（2）焊縫宏觀檢測(cè) 依據(jù)ISO 17639：2003《金屬材料焊縫的破壞性試驗(yàn)-焊縫宏觀和微觀檢驗(yàn)》制取2個(gè)試樣，試驗(yàn)用宏觀腐蝕劑由氫氧化鈉（NaOH）與水（H2O）按1∶10配制，腐蝕溫度為室溫，腐蝕時(shí)間是幾秒觀察一次，通過(guò)眼睛觀察確定，需在排煙柜中操作完成。對(duì)試樣宏觀檢測(cè)發(fā)現(xiàn)熔合情況良好，內(nèi)部無(wú)裂紋、夾渣、孔穴等缺陷，如圖4所示。

圖4 焊縫宏觀形貌

5 結(jié)束語(yǔ)

牽引梁上蓋板與車鉤安裝座連接焊縫是典型的板厚差異較大的HV形接頭，實(shí)際生產(chǎn)中常出現(xiàn)咬邊、成形差、未熔合等缺陷。本文通過(guò)試驗(yàn)制定焊前鋁合金清洗液、不銹鋼刷清理坡口；對(duì)待焊區(qū)域進(jìn)行預(yù)熱，嚴(yán)格控制預(yù)熱溫度，并保證預(yù)熱完成后30min內(nèi)，待焊部位溫度在70℃以下焊接；層間清理與反面清根；焊接操作的手法與焊槍角度的要求，焊后清理等工藝方法焊接試件，并通過(guò)外觀檢測(cè)、PT檢測(cè)、宏觀檢測(cè)等方法對(duì)試件進(jìn)行驗(yàn)證，檢測(cè)結(jié)果顯示試件焊縫外觀能滿足ISO 10042中B級(jí)要求，熔深情況能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。表明制定的工藝方法有助于提升鋁合金板厚差異較大的HV形坡口焊縫成形與熔合質(zhì)量。

其中預(yù)熱、層間清理和溫度控制對(duì)焊接鋁合金板厚差異較大的HV形坡口尤為重要，在焊接生產(chǎn)中應(yīng)作為重點(diǎn)項(xiàng)進(jìn)行監(jiān)督。