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

0 序 言

動(dòng)車組鋁合金車體平頂作為列車上安裝受電弓的機(jī)組平臺(tái)，承受著來(lái)自機(jī)組和列車運(yùn)行過(guò)程中弓網(wǎng)動(dòng)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(dòng)車組受電弓及其機(jī)組的服役安全可靠性，關(guān)系到高速列車的運(yùn)營(yíng)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(guò)程中容易出現(xiàn)各種焊接質(zhì)量問(wèn)題[1-3]。文中針對(duì)某動(dòng)車組鋁合金車體平頂焊接試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的局部未熔合、焊接熱裂紋等問(wèn)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(dòng)車組焊接工藝發(fā)展提供技術(shù)借鑒。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)用動(dòng)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(jiàn)表1，其力學(xué)性能見(jiàn)表2。

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

表2 6005A母材力學(xué)性能

動(dòng)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(zhǎng)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(jī)器人自動(dòng)MIG焊，如圖1所示。

焊接前用機(jī)械打磨的方法對(duì)焊接坡口區(qū)域進(jìn)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(guò)程在恒溫、恒濕的環(huán)境下進(jìn)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(dòng)車組鋁合金車體平頂由三塊長(zhǎng)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(jī)器人自動(dòng)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(guò)程中出現(xiàn)了一些質(zhì)量問(wèn)題，通過(guò)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(guò)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(yàn)過(guò)程中，搭接焊縫下沿存在細(xì)小孔洞，進(jìn)行滲透檢測(cè)發(fā)現(xiàn)有線性顯示，如圖2a所示。用角磨機(jī)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(kāi)裂。

鋁和鋁合金導(dǎo)熱性強(qiáng)，焊接時(shí)熱輸入量過(guò)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(guò)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(huì)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(yàn)過(guò)程中，實(shí)時(shí)觀察焊縫熔池狀態(tài)且及時(shí)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(guò)程中根據(jù)電弧狀態(tài)及時(shí)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(guò)上述焊接工藝優(yōu)化，有效解決了搭接焊縫下沿未熔合問(wèn)題，焊縫滲透檢測(cè)無(wú)顯示如圖2b所示，優(yōu)化后的焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表3。

圖2 焊縫下沿滲透檢測(cè)

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(guò)大會(huì)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(guò)金相試驗(yàn)機(jī)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(kāi)裂的主要原因。焊接試驗(yàn)用母材化學(xué)成分符合歐洲標(biāo)準(zhǔn)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(xiàng)指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)度和韌性的重要因素，從而影響接頭強(qiáng)度、力學(xué)性能和抗裂紋能力，因此熱輸入過(guò)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(kuò)展延伸的主要原因。焊接應(yīng)力及分布情況對(duì)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(yàn)為鋁合金自動(dòng)焊搭接接頭角焊縫焊接，裝配間隙對(duì)結(jié)構(gòu)焊后應(yīng)力影響較大，尤其鋁合金焊接時(shí)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(kuò)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(duì)焊接裝配順序進(jìn)行了優(yōu)化，在后續(xù)平頂板與平邊頂焊接試驗(yàn)過(guò)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(jìn)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(guò)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(shí)的體積收縮率達(dá)6.6%左右，因此在焊接過(guò)程中容易產(chǎn)生焊接變形[2]。焊接變形對(duì)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(bào)廢，控制焊接變形在鋁合金車體生產(chǎn)中非常重要。動(dòng)車組鋁合金車體平頂上安裝受電弓的機(jī)組平臺(tái)，對(duì)平頂平面度尤其是受電弓安裝座的平面度要求很嚴(yán)格，各安裝座之間的相對(duì)平面度0.5 mm，因此控制平頂焊接變形在動(dòng)車組車體生產(chǎn)中非常重要。

2.3.1平頂板變形控制

動(dòng)車組鋁合金車體平頂板由三塊長(zhǎng)大型材組焊而成，平頂板長(zhǎng)6 585 mm、寬2 029 mm，設(shè)計(jì)為8V的全焊透焊縫形式，正反面焊縫均采用機(jī)器人自動(dòng)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(jì)為0 mm→2 mm→5 mm→2 mm→0 mm。

(2)焊接時(shí)平頂板兩側(cè)設(shè)置壓卡進(jìn)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?yàn)檎b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(dòng)焊

(4)所有焊縫均采用機(jī)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(dòng)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(jì)三十余個(gè)平頂附件，并且附件板厚都較厚，焊接時(shí)需要進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度80～120 ℃，平頂附件的焊接變形對(duì)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(zhǎng)度方向上做出8 mm的焊接反變形，同時(shí)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(yán)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(kuò)散避免應(yīng)力集中。通過(guò)以上工藝措施，平頂附件焊接后動(dòng)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(dòng)車組鋁合金車體平頂焊接試驗(yàn)對(duì)車體平頂生產(chǎn)工藝進(jìn)行優(yōu)化，有效地解決了動(dòng)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(wèn)題。

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

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

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

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

[4] 張傳臣，陳芙蓉，高云喜. 高強(qiáng)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.