鋁合金枕梁厚板長直焊縫自動焊接研究

王 強(qiáng)，張坤倫

（遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼陽 111003）

0 前言

隨著軌道交通車輛的快速發(fā)展，安全、可靠、快速、經(jīng)濟(jì)、適用的設(shè)計理念對產(chǎn)品的研發(fā)水平提出了更高的要求[1-2]。由于鋁合金具有密度小、耐腐蝕性好、比強(qiáng)度高、加工及塑性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，以及車輛輕量化的設(shè)計需求，使得鋁合金結(jié)構(gòu)車體在城軌、地鐵等城市軌道車輛上的應(yīng)用逐步推廣[3-5]。車體枕梁是列車與轉(zhuǎn)向架之間牽引傳動的紐帶，是車體上同時承受拉伸和壓力載荷的關(guān)鍵部件，其強(qiáng)度、剛度對車輛運(yùn)行的安全性和可靠性有重要影響[6-7]。枕梁的焊接主要是采用手工焊接，且因其板材較厚常采用多層多道焊。由于鋁合金材料的熱導(dǎo)率大，散熱快，導(dǎo)致焊接變形較大；同時手工焊焊縫接頭多，易產(chǎn)生缺陷，外觀也較差。

本文結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)對枕梁的自動化焊接進(jìn)行了研究和分析，進(jìn)而獲得效果理想的焊接工藝，以達(dá)到提高焊接質(zhì)量、降低勞動強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率的目的。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料為2塊6005A-T6地鐵枕梁型材，長度為2 700 mm，枕梁型材與枕梁下蓋板對接側(cè)的板厚為18 mm，另一側(cè)為13 mm；枕梁下蓋板材質(zhì)為6082-T6，尺寸為2 145 mm×240 mm×18 mm。焊絲為ER5087，規(guī)格為φ1.2 mm。型材及焊絲的化學(xué)成分為如表1所示。

表1 鋁合金型材及焊絲化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

此型號的車體枕梁圖如圖1（a）所示。該枕梁只有下蓋板，另一側(cè)為枕梁型材直接組對。形成13V焊縫，枕梁組裝焊縫圖如圖1（b）所示。焊接選擇自動焊和手工焊兩種方式焊接進(jìn)行對比，兩種焊縫坡口角度均為70°，鈍邊為1 mm，焊接層道數(shù)如圖2所示。其中，自動焊采用擺動焊接蓋面的方式，手工焊采用壓道焊接蓋面。因手工焊一次焊接長度最大為600 mm，所以整條焊縫上會有4處焊接接頭。

圖1 枕梁結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 枕梁坡口形式示意圖

分別采用自動焊和手工焊進(jìn)行焊接，工藝參數(shù)所如表2和表3所示。兩種焊接均采用熔化極惰性氣體保護(hù)焊，保護(hù)氣體為純度99.999%的高純氬氣。在枕梁的焊接過程中，要求先將枕梁型材之間的立板進(jìn)行點(diǎn)固焊接，然后再焊接型材之間的13V焊縫和型材與蓋板之間的18V焊縫。在焊接13V和18V焊縫之前應(yīng)先在工裝胎具上進(jìn)行預(yù)制反變形，同時在焊接時采用13V和18V焊縫交替焊接的方式，以減少由于熱量過于集中、板厚不對稱等原因引起的焊接變形。焊后以18V焊縫為例，對兩組試件分別進(jìn)行焊縫外觀、宏觀金相、微觀金相觀察以及滲透、X射線、力學(xué)性能檢測。

表2 18V焊縫自動焊焊接工藝參數(shù)

表3 18V焊縫手工焊焊接工藝參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 外觀檢測及滲透檢測

從圖3中焊縫外觀形貌可以明顯看出，自動焊的焊縫細(xì)小、均勻、整體外觀比手工焊更加美觀。自動焊蓋面采用的是擺動焊，為一道雙絲擺動蓋面，這樣可以減少焊接道數(shù)；同時擺動焊接速度明顯低于多道焊蓋面的速度，這樣熔池內(nèi)金屬凝固速度減慢，因此增加了氣孔溢出的時間，加長了組織凝固時間，從而減少了焊縫內(nèi)部缺陷。這樣，在蓋面時就不會產(chǎn)生多道焊蓋面的缺陷；且焊縫內(nèi)無焊接接頭，這樣就減少了產(chǎn)生缺陷的概率，同時生產(chǎn)效率也大大提升。按ISO 23277-2X要求對焊縫表面進(jìn)行滲透檢測，結(jié)果顯示合格。

圖3 合格焊縫外觀形貌

2.2 X射線檢測分析

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO 17636對焊縫進(jìn)行X射線檢測，結(jié)果顯示符合標(biāo)準(zhǔn)ISO 10042-B級要求，且手工焊和自動焊的焊縫均沒有未熔合、裂紋等焊接缺陷。

2.3 力學(xué)性能試驗(yàn)分析

按ISO 4136要求對18V焊縫手工焊和自動焊試樣進(jìn)行拉伸檢測，結(jié)果如表4所示。由數(shù)據(jù)可知，二者的斷裂位置均在熱影響區(qū)，試件的力學(xué)性能良好，彎曲性能也好，沒有裂紋產(chǎn)生。

表4 18V焊縫接頭力學(xué)性能試驗(yàn)

2.4 焊縫宏觀分析

從圖4的焊縫宏觀金相上可以看出，各層焊道熔合良好，根部完全熔透，沒有發(fā)現(xiàn)裂紋，也無層間未熔合及夾雜等缺陷，符合ISO 10042-B要求。

圖4 焊縫截面宏觀形貌

2.5 微觀金相分析

圖5為手工焊和自動焊焊縫微觀晶粒度圖片。從圖中可知，自動焊焊縫晶粒更加細(xì)小、均勻，手工焊則稀疏，晶粒粗大。自動焊由于焊接速度快，冷卻時間短，晶粒聚集長大的時間短，所以焊縫內(nèi)部組織細(xì)小均勻；但由于熔合區(qū)過冷度較大，晶粒向著過冷度較大的方向生長，最終在熔合區(qū)形成片狀的羽毛晶，而羽毛晶的力學(xué)性能不會比等軸晶組織的力學(xué)性能差[1]，故自動焊的力學(xué)性能良好。對于手工焊，由于其焊接速度慢，熱輸入量較大，冷卻速度慢，但熔合區(qū)過冷度較大，故在熔合區(qū)形成更大區(qū)域的向固相方向生長的片狀羽毛晶，加大了產(chǎn)生晶間液化裂紋的趨勢[2]。而且在片狀羽毛晶之間出現(xiàn)光亮晶粒，使焊縫力學(xué)性能下降，但因其存在于羽毛晶間隔之下，使得熔合區(qū)的力學(xué)性能下降不明顯。從圖5中的（c）、（d）對比也可以看出，手工焊的樹枝晶更為粗大、稀疏，自動焊樹枝晶細(xì)小，且組織更均勻。綜上所述，從微觀組織角度來看，雖然二者的綜合試驗(yàn)數(shù)據(jù)不相上下，但自動焊的焊縫組織結(jié)構(gòu)更致密，產(chǎn)生缺陷的傾向更小。

圖5 兩種焊接工藝焊縫的微觀金相

3 結(jié)論

（1）采用自動焊對地鐵枕梁的型材、蓋板之間的厚板長直焊縫進(jìn)行焊接，并對焊縫進(jìn)行了宏觀、微觀金相、力學(xué)性能試驗(yàn)及X射線檢測，結(jié)果表明焊縫質(zhì)量符合設(shè)計要求，其焊接工藝合理，可以作為地鐵厚板自動焊接工藝的參考，且可以應(yīng)用于城市軌道車體關(guān)鍵部件的焊接。

（2）自動焊的外觀明顯優(yōu)于手工焊，而且由于自動焊在整個焊道內(nèi)無焊接接頭，使其發(fā)生缺陷的概率要低于手工焊。同時自動焊的生產(chǎn)效率比手工焊的高。

（3）特別是在北方雨季或者南方城市的軌道車輛的生產(chǎn)，自動焊的擺動焊接可以很好地控制熔焊焊縫內(nèi)部氣孔的數(shù)量，從而達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

（4）此種工藝也可應(yīng)用于其它鋁合金車體部件產(chǎn)品的厚板長直焊縫得焊接中。