王立夫，唐衡郴，尹德猛，趙麗玲，聶麗麗

（中車唐山機車車輛有限公司，河北唐山063035）

0 前言

高速動車組列車高速運行時，對列車的空氣動力學(xué)性能有更嚴(yán)格要求，司機室外輪廓弧度對列車運行中有效分散空氣阻力有重要的影響[1]。由于司機室為三維全鋁合金焊接結(jié)構(gòu)，制造工藝復(fù)雜，且檢測難度大、調(diào)修困難，對焊接工藝與操作技術(shù)要求非常高。司機室為CL1級部件，在列車高速運行中承受巨大的空氣阻力和動載力，對焊接質(zhì)量提出了較高要求。司機室獨特的三維空間結(jié)構(gòu)成為高速動車組焊接技術(shù)難點，控制焊接變形成為司機室焊接技術(shù)的關(guān)鍵。

1 司機室結(jié)構(gòu)簡介

高速動車組司機室采用鋁合金材料，以空間曲梁為骨架、以帶筋曲面壁板為蒙皮的流線型焊接結(jié)構(gòu)，總長8 540 mm。司機室為典型的流線型外形，以實現(xiàn)列車更高速運行時減阻的目標(biāo)，是典型的高技術(shù)產(chǎn)品，如圖1所示。

高速動車組司機室涉及250多種物料，其中二維部件型材50多種，三維彎曲部件200余類，組焊成三維空間結(jié)構(gòu)的前窗框、左右側(cè)墻、曲面車頂，以及二維前墻和環(huán)形框，各部件再組焊成三維空間結(jié)構(gòu)的鋁合金司機室。復(fù)雜的三維曲面、流線型外形以及高強度要求對司機室焊接技術(shù)要求非常高，流線型司機室的焊接工藝難度可與飛機機頭的焊接工藝難度相提并論。

圖1 司機室結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Picture of driver's cab structure

2 司機室焊接技術(shù)

2.1 焊接材料

高速動車組流線型司機室是鋁合金全焊接結(jié)構(gòu)，主要鋁合金材料有：EN-AW6005A（AlSiMgA），EN-AW6082（AlSi1MgMn），EN-AW5083（AlMg4.5 Mn0.7），EN-AW6008（AlSiMgV）。6005A-T6 用于側(cè)墻立柱、窗帶梁、前窗框、車頂彎梁等彎曲及擠壓型材；6082-T6用于司機室連接板、補板；5083-H111用于前墻、環(huán)形框補板、雨檐部位；6008-T6用于司機室曲面車頂、側(cè)墻蒙皮等曲面型材。

焊接填充材料為 ER5087（AlMg4.5MnZr）、直徑φ1.2 mm的盤狀焊絲，φ3.2 mm和φ2 mm的TIG焊絲。焊接保護氣體為三元氣[φ（Ar）70%+φ（He）30%+φ（N2）150×10-6]和純氬[φ（Ar）100%]。三元氣用于板厚8 mm以上的鋁合金材料MIG焊接，純氬用于司機室側(cè)墻骨架與側(cè)墻蒙皮和司機室組成過程中車頂彎梁與車頂蒙皮的TIG焊接。

2.2 焊接方法

高速動車組司機室采用的焊接方法為熔化極惰性氣體保護焊（131 MIG-t）和鎢極惰性氣體保護焊（141 TIG-m）。司機室側(cè)墻骨架與側(cè)墻蒙皮和司機室在組成過程中，車頂彎梁與車頂蒙皮采用TIG焊接，前墻、前窗框、環(huán)形框、側(cè)墻骨架及司機室組成等采用MIG焊接。

3 焊接技術(shù)難點與工藝措施

針對高速動車組司機室組成及部件的焊接難點，提出合理有效的焊接工藝措施，保證了司機室焊接質(zhì)量和三維外輪廓尺寸。

3.1 前墻中厚板焊接

司機室前墻是列車最前面的承載部件，承受空氣動力學(xué)載荷，前墻的焊接質(zhì)量對列車安全有著重要意義。前墻由15 mm鋁合金中厚板與碰撞梁組成的15V焊縫長度2 100 mm，焊縫質(zhì)量等級CP C1，焊縫檢測等級CT2，采用射線檢測（RT）。采用多層多道焊接，焊后變形大、調(diào)修困難，射線檢測時發(fā)現(xiàn)焊縫局部存在鏈狀氣孔或密集氣孔缺陷。前墻15V焊縫形式及焊接順序見圖2，其焊接工藝參數(shù)見表1。

圖2 前墻15V焊縫形式及焊接順序Fig.2 15V weld form and welding sequence of front wall

前墻為鋁合金中厚板多層多道焊接，熱輸入過大是導(dǎo)致焊接變形的原因。氣孔是鋁合金焊接中最容易產(chǎn)生的缺陷，焊前清理、預(yù)熱不合理及焊槍角度偏差等是產(chǎn)生氣孔的主要原因。

為了控制司機室前墻焊接變形，在焊縫背部預(yù)制10 mm反變形，每道焊縫均從中間往兩邊分段退焊使焊接應(yīng)力均勻釋放，如圖3所示。優(yōu)化焊接順序：采用先正裝打底、填充一道后，反面清根PT封底焊，再進行正面填充和蓋面焊接[2-3]。嚴(yán)格控制焊接熱輸入和焊縫層間溫度，根據(jù)EN1011-1標(biāo)準(zhǔn)，按表1中優(yōu)化前的焊接工藝參數(shù)計算焊接熱輸入Q（單位：kJ/mm）

表1 焊接工藝參數(shù)

圖3 前墻焊接工藝措施Fig.3 Process means of welding front wall

按表1中優(yōu)化后的焊接工藝參數(shù)計算焊接熱輸入Q1（單位：kJ/mm）

Q1比焊接工藝參數(shù)優(yōu)化前的Q減少ΔQ

式中 K為由于焊接熱損耗給定的焊接有效熱輸入因數(shù)，MIG焊接取0.8[4]。

采用優(yōu)化后的焊接工藝，焊接熱輸入減少了2.26 kJ/mm，有效控制了司機室前墻焊接變形。

前墻焊縫焊接工作試件優(yōu)化前后的焊接接頭顯微組織如圖4所示。對比可知，優(yōu)化前后微觀組織變化不大，優(yōu)化后的微觀組織晶粒度略小于優(yōu)化前的。

圖4 焊接接頭微觀組織Fig.4 Microstructure of weld joint

為了控制前墻焊接氣孔，焊前嚴(yán)格清理層道間的氧化膜及飛濺，預(yù)留4 mm焊接間隙保證焊縫根部完全處于氣體保護范圍內(nèi)。采用不銹鋼墊板，預(yù)熱時將墊板烤干且使碰撞梁均勻受熱。焊接時，調(diào)整焊槍角度略偏向碰撞梁側(cè)，保證焊接時焊縫金屬處于氣體保護范圍內(nèi)[2]。通過以上措施，有效解決了司機室前墻焊接變形和氣孔問題。

3.2 三維曲面車頂焊接

首個高速動車組司機室焊接后，曲面車頂焊接變形較大，局部出現(xiàn)波浪變形，調(diào)修工作量非常大。司機室曲面車頂蒙皮焊縫長度大于4 m，設(shè)計為4V焊縫，采用兩層兩道焊接，焊縫填充量大、熱輸入大是焊接變形產(chǎn)生的根本原因。該結(jié)構(gòu)無法改變，只能通過焊接工藝控制焊接變形。

為了控制司機室三維曲面車頂?shù)耐廨喞瘸叽纾瑑?yōu)化焊接工藝，調(diào)整焊接順序即采用斜三角矩陣順序，如圖5所示[5]。焊前坡口間隙小于等于3mm，段焊點固。以司機室中心為基準(zhǔn)將焊縫分成2組對稱長焊縫，每條長焊縫分為3小段，每組3條長焊縫按照圖中順序號1～9由兩名焊工同時按斜三角矩陣施焊，先打底焊接10、11號焊縫，段焊后預(yù)留到后道工序焊接。所有打底焊縫焊接后，在室溫下自然冷卻，再按照打底焊接順序和方法依次蓋面焊接。采用斜三角矩陣焊接順序，各焊縫交錯、分段焊接，減少了焊接熱輸入，使焊接熱量均勻地分散開，大大降低了蒙皮板之間的拘束力，將焊接變形控制在最小范圍內(nèi)。采用斜三角矩陣焊接順序，有效解決了司機室三維曲面車頂波浪變形的問題，保證了焊接質(zhì)量。

圖5 優(yōu)化后的司機室車頂焊接順序Fig.5 Optimized welding sequence of driver's cab roof

3.3 司機室前部焊接

在司機室前部，前墻與側(cè)墻蒙皮連接焊縫是司機室的重要焊縫，如圖6所示，在列車運行時受到巨大的空氣阻力，對焊接質(zhì)量要求非常高。前墻與側(cè)墻蒙皮連接處內(nèi)側(cè)為a3角焊縫，焊接位置從立焊（PF）到仰焊（PE），再變換成橫焊（PC），外側(cè)為 4V焊縫，焊接難度高。由于板厚差異較大（前墻15mm，側(cè)墻蒙皮板4 mm），且焊縫位置特殊，導(dǎo)致焊接時出現(xiàn)焊縫根部熔合不良、焊縫外觀成形不好等問題。

為保證焊接質(zhì)量，對前墻15mm板預(yù)熱約100℃；焊槍角度略偏向前墻側(cè)保證焊縫根部熔透；采用短弧焊接，依靠電弧吹力和表面張力使熔滴順利過渡到熔池中，保證焊縫根部熔合；克服立焊（PF）到仰焊（PE）位置轉(zhuǎn)換，調(diào)整合適的焊槍角度，保證焊縫熔合質(zhì)量；采用左右手對稱焊接，一次性焊完整道焊縫，盡量不留接頭，以減少焊接缺陷。采用此方法焊接，焊縫外側(cè)清根簡便，PT一次合格，既保證了焊接質(zhì)量又提高了生產(chǎn)效率，也減少蒙皮板的焊接變形。

圖6 前墻與側(cè)墻連接焊縫Fig.6 Seam of front wall and side wall

3.4 司機室內(nèi)側(cè)仰焊

司機室8mm車頂彎梁與蒙皮板內(nèi)側(cè)3mm加強筋構(gòu)成T型接頭a2焊縫，焊縫長25mm，TIG焊接，如圖7所示。由于板厚差異、焊槍角度不合理和焊縫長度較短等原因，在收弧處焊接熱量高度集中，很容易導(dǎo)致收弧處的背部形成焊瘤，甚至焊瘤會產(chǎn)生縮孔或裂紋缺陷。加強筋與蒙皮板間距離小，空間位置狹窄，打磨操作困難，容易打磨過量，如圖7b所示。

圖7 司機室內(nèi)側(cè)仰焊Fig.7 Over-head position welding in driver's cab

司機室側(cè)墻與前窗框的加強梁為8HV焊縫，由于車頂蒙皮板三維曲面特征，需將蒙皮板焊接后才能裝配焊接加強梁。列車運行時，空氣阻力通過前窗玻璃傳遞給前窗框，再通過加強梁向其他部位擴散，加強梁的焊接質(zhì)量對司機室結(jié)構(gòu)強度有重要影響。加強梁在司機室總成采用MIG仰焊，見圖7c、7d。由于HV焊縫坡口角度和MIG仰焊的特點，容易出現(xiàn)焊縫根部熔合不良等問題。

TIG仰焊時焊接熱輸入量大才能保證焊透，但在薄板加強筋上焊縫收弧端容易產(chǎn)生缺陷。焊接時，將焊槍略偏向車頂梁，減少加強筋上的焊接熱輸入，保證焊透時提高焊接速度，用收弧電流填滿弧坑，既可防止薄板背部產(chǎn)生焊瘤，又有效避免收弧處產(chǎn)生縮孔、裂紋缺陷。通過以上措施有效防止車頂蒙皮a2角焊縫TIG仰焊處背部焊瘤問題，同時避免了打磨過量缺陷，保證了TIG仰焊焊接質(zhì)量。

為了保證加強梁8HV焊縫MIG仰焊焊接質(zhì)量，提高裝配質(zhì)量，保證焊接坡口與墊板密貼無間隙，嚴(yán)格按工藝文件規(guī)定的參數(shù)焊接，打底時快速焊接。用起始電流引弧，將電弧迅速指向坡口將焊縫根部熔透，然后將鈍邊全部熔化，保證焊縫起始端充分焊透，整道焊縫保持在全熔透狀態(tài)，將電弧移至收弧板上，保證焊縫末端焊接質(zhì)量。

4 結(jié)論

分析了司機室三維空間結(jié)構(gòu)及焊接工藝，通過優(yōu)化焊接工藝參數(shù)、調(diào)整焊接順序、采用斜三角矩陣焊接、預(yù)制反變形、局部剛性固定及嚴(yán)格規(guī)范操作等方法有效解決了司機室焊接變形等焊接技術(shù)難題，保證了流線型司機室外輪廓尺寸。

參考文獻：

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[2]王立夫，唐衡郴，王金金，等.軌道車輛用鋁合金焊接缺陷分析[J].焊接技術(shù)，2012，10（41）：14-17.

[3]楊柏，許良紅，彭云，等.高強鋁合金的MIG焊焊接工藝[J].焊接技術(shù)，2008，37（4）：30-33.

[4]EN 1011-1：2009焊接—金屬材料焊接用推薦規(guī)程—第一部分：弧焊用一般指南[S].2009.

[5]王立夫，唐衡郴，王金金，等.板料焊接方法[P].2013.