姚肖潔，朱寶利，劉志森，吳振華，尹德猛

（中車唐山機車車輛有限公司，河北唐山063035）

0 前言

鋁及鋁合金因其密度低、強度高、塑性好和導(dǎo)電、導(dǎo)熱性及耐蝕性良好等特點，逐漸成為近年來工業(yè)生產(chǎn)中使用最多的結(jié)構(gòu)材料之一，以各種強度等級的長大實心或者蜂窩狀空心扁寬鋁合金型材作為車體骨架的全鋁合金結(jié)構(gòu)車體已經(jīng)廣泛應(yīng)用于我國軌道車輛制造業(yè)中。其中，以牌號為6005AT6為代表的6XXX系列（Al-Mg-Si）鋁合金，其熱擠壓性能、焊接性能及強度介于7XXX系列鋁合金和5XXX系列鋁合金之間，焊接性能和機加工工藝良好，且強度和耐腐蝕性能較高，成為軌道車體首選的鋁合金型材的原材料[1]。

近年來，隨著科技的不斷進步，對焊接作業(yè)的生產(chǎn)效率和焊接成品件質(zhì)量的越來越重視，如何有效地避免生產(chǎn)過程中的質(zhì)量問題，降低返修概率，提高生產(chǎn)效率已經(jīng)成為焊接生產(chǎn)的主要研究方向。在軌道車輛的焊接過程中，由于鋁合金材料獨特的焊接特性，在裝配及焊接時容易出現(xiàn)錯邊、氣孔、裂紋、未焊透等缺陷，而鋁合金長大型材在裝配及焊接過程中，不可避免會產(chǎn)生錯邊缺陷，使得焊接部件的外形產(chǎn)生突變，形成結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性，甚至可能引起裂紋[2]，是鋁合金車體制造過程中需要嚴格控制的焊接缺陷之一。

在此以軌道車輛中的端部組成組焊過程為例，從測量變形、調(diào)整工藝、結(jié)構(gòu)對比與改進的角度分析長大鋁合金型材焊接時錯邊的主要影響因素及應(yīng)對措施，為將來有效解決長大型材錯邊問題提供了一定的參考。

1 焊縫結(jié)構(gòu)及現(xiàn)狀

端部組成部件是某軌道車輛前端組成的一個基礎(chǔ)部件，由長度約為3 000 mm的端梁型材（1號件）和前端滑臺型材（2號件）組焊而成，如圖1所示。型材材質(zhì)為6005A-T6，兩者之間焊縫形式為8V和6V，長度3 000 mm，工件焊接完成后整體的平面度要求在1.5 mm以下。焊接方法采用手工MIG焊（熔化極惰性氣體保護焊），焊絲采用ER5087，規(guī)格φ1.2 mm，焊縫打底時就發(fā)生了一側(cè)焊縫母材下榻現(xiàn)象，焊后發(fā)生焊縫錯邊，在最大處錯邊量達到2 mm，不滿足ISO 10042的標(biāo)準(zhǔn)要求[3]，需進行工藝或者結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

圖1 端部組成示意

2 錯邊缺陷及產(chǎn)生原因

2.1 錯邊缺陷

錯邊是指兩個工件在板厚方向錯開一定位移而產(chǎn)生的焊接缺陷，也是鋁合金長大型材裝配及焊接過程中最常見的缺陷之一，該缺陷的存在會減小焊縫的有效截面面積，造成形狀的不連續(xù)，并產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，影響焊縫在承載時的性能，錯邊引起的附加彎曲應(yīng)力還會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的脆性破壞，引起裂紋。

2.2 原因分析

產(chǎn)生錯邊的原因為：型材尺寸超差；焊前裝配不符合要求，焊前即存在錯邊；點固焊強度不足，導(dǎo)致在打底焊接過程中產(chǎn)生錯邊；焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理。

2.2.1 型材裝配及點固原因引起的錯邊

測量與跟蹤端梁型材和前端滑臺型材的來料尺寸和裝配過程，確認兩型材來料尺寸均符合要求，其配合尺寸公差為0.5 mm，滿足工件的裝配精度要求。通過將焊前錯邊量控制在0.5 mm以內(nèi)來避免焊后錯邊，未達到預(yù)期效果。此外，通過增加點固焊的焊縫密度，從最初的均布5段點固焊增加到8段，也未對控制端部組成的焊后錯邊起到明顯作用，焊接錯邊現(xiàn)象沒有得到控制，普遍錯邊量在1.5 mm，最大處為2 mm，測量錯邊情況如圖2所示。

圖2 端部組成焊后錯邊

2.2.2 焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理引起的錯邊

結(jié)合工件具體情況做進一步分析，發(fā)現(xiàn)焊接變形存在以下特點。

（1）焊縫的收縮產(chǎn)生向下的變形是焊縫收縮的必然規(guī)律。當(dāng)焊接結(jié)晶產(chǎn)生向下的作用力時，焊縫兩側(cè)的母材分別發(fā)生一定程度的下榻，但是由于型材本身立筋的位置不同，筋板起到的支撐作用不同。端部組成焊后下塌如圖3所示，距立筋較近一側(cè)的母材（②處），立筋支撐作用較大，焊接變形較?。痪嗔⒔钶^遠一側(cè)的母材（①處），立筋支撐作用小，焊接變形較大，從而產(chǎn)生錯邊。

（2）焊接墊板在全焊透對接焊縫中起到支撐焊縫熔池的作用，它受到焊縫向下的作用力，進而導(dǎo)致自帶焊接墊板一側(cè)的母材受到向下的作用力。如果自帶焊接墊板一側(cè)的型材立筋距離焊縫較近，則其在焊接過程中發(fā)生向下變形時，由于立筋的支撐作用，有墊板一側(cè)的變形量小于無墊板一側(cè)，能夠起到支撐無墊板側(cè)母材的作用。

（3）在端部組成的焊接過程中，自帶焊接墊板一側(cè)的型材立筋位置較遠（①處），立筋支撐作用小，導(dǎo)致自帶墊板一側(cè)的型材下榻變形量大于另一側(cè)，從而產(chǎn)生錯邊。

圖3 端部組成焊后下榻

3 錯邊缺陷的控制及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

結(jié)合以上分析，通過觀察焊縫的收縮變形情況，分析型材在焊接接頭部分的結(jié)構(gòu)特點，發(fā)現(xiàn)了焊縫產(chǎn)生錯邊的根本原因。在工裝上壓緊單件并點固段焊，然后按照焊接順序計劃進行打底焊接，6005AT6鋁合金作為（固溶熱處理+人工時效）固溶時效強化鋁合金，隨著焊接熱輸入量的增加，焊接接頭發(fā)生軟化[4]，母材機械性能下降，隨后產(chǎn)生焊縫收縮應(yīng)力，由于自帶墊板一側(cè)靠近焊縫的母材處缺少有效的支撐，致使焊縫母材產(chǎn)生下塌，最終造成焊后錯邊的發(fā)生。

3.1 錯邊缺陷控制

針對上述問題發(fā)生的原因，提出以下控制方法：

（1）考慮在型材中增加機械支撐，但是太繁瑣，不易實現(xiàn)，且因工件太長，可能存在焊接收縮后，機械支撐無法取出的問題。

（2）為方便操作，考慮在型腔中焊接筋板，支撐在焊接墊板處，如圖4所示。焊接試驗結(jié)果表明，增加墊板處的筋板支撐能夠很好地控制焊縫錯邊，解決錯邊問題。

圖4 端部組成型腔中焊接筋板

實際生產(chǎn)過程中，為避免增加通長筋板會增加工件質(zhì)量的問題，采用在焊接墊板處增加斷續(xù)支撐的方法，在全長范圍內(nèi)均布6段，每段長220 mm，雖然在沒有筋板支撐的部位局部還是會出現(xiàn)焊縫下塌，導(dǎo)致錯邊的現(xiàn)象，但仍能保證整體工件焊后錯邊量不超出ISO 10042中對錯邊的要求。同樣，由于工件調(diào)修采用焊縫的熱脹冷縮原理進行火焰調(diào)修[5]，增加筋板支撐也會給焊后調(diào)修帶來困難。

3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過以上分析，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計階段充分考慮工件的焊接工藝，會對工件實物質(zhì)量的控制起到事半功倍的效果。對比現(xiàn)有高速動車組項目中的成熟結(jié)構(gòu)，除去中端部組成采用的型材斷面結(jié)構(gòu)外，在設(shè)計焊接墊板和確定型材斷面時也常遇到如圖5所示的情況。

圖5a所示的型材斷面結(jié)構(gòu)最為成熟，焊縫附近有立筋支撐，且型材自帶墊板一側(cè)距離筋板較近，有助于控制錯邊量。

圖5b所示的型材斷面，取消了不自帶墊板側(cè)型材焊縫附近的立筋，保留自帶墊板側(cè)的立筋作為有效支撐，且經(jīng)過重新設(shè)計特殊的墊板結(jié)構(gòu)，既可以有效保證焊前不因裝配產(chǎn)生錯邊，也能起到一定的類似立筋支撐的效果，錯邊可控。

圖5c所示的型材斷面，取消了兩側(cè)母材的立筋結(jié)構(gòu)，只保留斜筋，對于下側(cè)焊縫，斜筋距離焊縫結(jié)構(gòu)較近，仍能夠起到一定的支撐作用，有助于控制錯邊的產(chǎn)生。焊接完成下側(cè)焊縫后焊接上側(cè)焊縫，上側(cè)焊縫結(jié)構(gòu)中特殊墊板的結(jié)構(gòu)設(shè)計也能防止上側(cè)焊縫錯邊的產(chǎn)生。

圖5d所示的型材斷面，對于下側(cè)焊縫，與其他結(jié)構(gòu)對比：①帶墊板一側(cè)的母材距離支撐較遠，在焊接受熱時候會發(fā)生變形，增大錯邊；②不帶墊板一側(cè)的母材，因為斜筋的支撐作用，焊接變形很小，使錯邊有進一步增大趨勢，應(yīng)盡量避免此類結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論

（1）嚴格把關(guān)原材料質(zhì)量，確保其尺寸滿足公差要求，相鄰兩型材配合后插口總間隙在1mm范圍內(nèi)。

（2）嚴格控制裝配質(zhì)量，焊接過程中及時觀察并調(diào)整、控制錯邊。

（3）在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計時，對鋁合金焊縫處的型材設(shè)計原則：①首先應(yīng)考慮近焊縫處有筋板支撐；②其次考慮筋板的支撐位置應(yīng)設(shè)計在型材自帶焊接墊板一側(cè)，以便在焊接過程中母材受熱變形時，焊接墊板能起到支撐作用；③對于結(jié)構(gòu)難以實現(xiàn)錯邊控制的，應(yīng)考慮特殊結(jié)構(gòu)的墊板類型。

圖5 型材斷面設(shè)計

參考文獻：

[1]王鵬，周民，孫正夏.鋁合金焊接缺陷的發(fā)現(xiàn)、分析研究[J].商品與質(zhì)量，2016（16）：103.

[2]尹群，趙其章.船舶十字焊接接頭在不同位錯精度下應(yīng)力集中系數(shù)的有限元計算[J].華東船舶工業(yè)學(xué)院學(xué)報，1995，9（2）：7-11.

[3]DIN EN ISO 10042：2006，鋁及鋁合金的弧焊接頭缺陷評定[S].

[4]劉春寧，王秀義，鈕旭晶，等.補焊對6082鋁合金焊接接頭組織和性能的影響[J].焊接技術(shù)，2012，41（1）：5-7.

[5]岳秀峰，鈕旭晶，許鴻吉，等.6082-T6鋁合金焊接接頭熱調(diào)修工藝[J].電焊機，2016，46（4）：71-74.