A型鋁合金地鐵底架焊接工藝及質(zhì)量控制

唐衡郴 吳曉明 張明偉

1. 概述

底架是A型鋁合金地鐵車(chē)體的重要組成部分，由于底架上面承載乘客重量下部懸掛各種設(shè)備，是列車(chē)各車(chē)箱之間牽引傳動(dòng)的重要部件，承受來(lái)自車(chē)鉤、轉(zhuǎn)向架等巨大的沖擊載荷，所以底架及部件的焊接質(zhì)量對(duì)車(chē)輛的安全運(yùn)行和使用壽命起到至關(guān)重要的作用。鋁合金在焊接過(guò)程中容易產(chǎn)生氣孔、未熔合及裂紋等焊接缺陷，因此必須采取相應(yīng)措施，確保焊接質(zhì)量。

本文結(jié)合底架焊接難點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行分析研究，通過(guò)采取優(yōu)化焊接工藝、調(diào)整操作手法、改進(jìn)裝配質(zhì)量等措施，提高了底架的焊接質(zhì)量，為地鐵列車(chē)制造技術(shù)的發(fā)展提供借鑒。

2. 底架結(jié)構(gòu)及焊接工藝

A型地鐵底架為全焊接結(jié)構(gòu)，分頭車(chē)底架和中間車(chē)底架，中間車(chē)底架的兩端結(jié)構(gòu)與頭車(chē)底架二位端的結(jié)構(gòu)基本相同。頭車(chē)底架由一位牽引、兩個(gè)枕梁、二位牽引、左右邊梁和地板及底架附件組合焊接組成，底架的認(rèn)證等級(jí)為EN 15085—CL1級(jí)部件，焊縫質(zhì)量等級(jí)為CP C2級(jí)，頭車(chē)底架的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

針對(duì)A型地鐵底架設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和焊接工藝性，采用先分別焊接枕梁、牽引、地板等大部件的工藝順序，然后在底架正裝焊接工裝上以邊梁和枕梁中心線為基準(zhǔn)裝配枕梁和牽引，先將以上五個(gè)部件焊接到一起形成底架正裝主體結(jié)構(gòu)。裝配地板，先焊接地板與邊梁的連接焊縫，即完成了底架正裝的主件焊接；然后在底架反裝焊接工裝上完成牽引、枕梁、邊梁及地板間的連接焊縫；最后在底架附件焊接工裝上焊接底架附件。

A型地鐵底架采用單脈沖熔化極惰性氣體保護(hù)焊（MIG—t），主要焊接填充材料為ER-5087，f1.2 mm的盤(pán)狀焊絲。焊接保護(hù)氣體為70%Ar+30%He，氣體流量為15～22L/min。焊接電源采用直流反接。

3. 底架焊接技術(shù)難點(diǎn)及工藝措施

圖1 A型地鐵頭車(chē)底架結(jié)構(gòu)

（1）牽引焊接變形 牽引由車(chē)鉤面板、上下蓋板、牽引梁及加強(qiáng)筋等組合焊接而成，且構(gòu)件多為10mm及以上的鋁合金中厚板。由于鋁合金導(dǎo)熱性好，熱膨脹系數(shù)大，MIG焊接熱輸入大，所以焊后容易產(chǎn)生變形；操作時(shí)焊接順序不合理使焊接變形累積，導(dǎo)致上蓋板、車(chē)鉤面板平面度超差；連接梁與上下蓋板間有多塊筋板，筋板與上蓋板之間為雙面角焊縫，與下蓋板、牽引梁之間均為8HY+a8。由于焊接操作手法不合理，裝配間隙大，使焊接填充量增加，從而增加了熱輸入量，導(dǎo)致上蓋板焊接變形較大。車(chē)鉤面板處的支撐板與面板之間為雙面7.5mm深的HV形焊縫且清根PT，清根較深焊接填充量大，導(dǎo)致車(chē)鉤面板焊后平面度超差，如圖2a~圖2b所示。

為了控制上蓋板變形，連接梁與上下蓋板間筋板點(diǎn)固后，先焊接筋板與下蓋板處8mm深的HY坡口焊縫及其背部角焊縫，此時(shí)筋板處于自由收縮狀態(tài)充分釋放應(yīng)力，再焊接上蓋板與筋板間角焊縫降低應(yīng)力疊加造成的變形，從而有效保證了上蓋板的平面度。為了控制車(chē)鉤面板垂直度，焊接外側(cè)打底焊縫時(shí)電流略大并使電弧略偏向厚板減少清根量，從而降低填充量減小熱輸入和變形；焊接背部焊縫時(shí)采用中間向兩邊分段退焊法避免應(yīng)力集中降低變形，同時(shí)采用剛性固定法在下蓋板增加F型夾具，限制其自由收縮控制變形。優(yōu)化工藝參數(shù)，調(diào)整電壓、電流、電弧脈沖等焊接參數(shù)的匹配性，在保證焊縫熔合質(zhì)量的前提下，盡量減少焊接熱輸入量，從而減少變形。同時(shí)提高裝配質(zhì)量，角焊縫及HY焊縫盡量裝配嚴(yán)密無(wú)間隙，減少焊縫填充量和焊接收縮，最大限度的降低焊接變形。通過(guò)采取以上工藝方法，有效控制了牽引焊接變形，保證了焊接質(zhì)量，大大提高了生產(chǎn)效率，如圖2c~圖2d所示。

（2）枕梁組成墊板焊瘤、焊穿問(wèn)題 枕梁上、下蓋板與枕梁型材間主要焊縫設(shè)計(jì)為V形，焊縫長(zhǎng)2 880mm，采用枕梁型材自帶的永久性墊板，并且直通焊縫焊后要求100%射線（RT）檢測(cè)。由于型材自帶墊板溝槽深且壁厚較薄，焊前裝配質(zhì)量不好、焊工操作方法不合理、工藝參數(shù)匹配性低等原因，致使首個(gè)枕梁V形焊縫墊板焊瘤達(dá)10處之多，造成大量返修（見(jiàn)圖3a）；RT檢測(cè)發(fā)現(xiàn)焊縫根部有裂紋等缺陷，嚴(yán)重影響了焊接質(zhì)量。

焊接缺陷產(chǎn)生的原因：由于A型地鐵枕梁型材自帶墊板溝槽深且壁厚?。ㄒ?jiàn)圖3b~圖3c），打底焊接時(shí)熔化的金屬大部分都填充在墊板的溝槽中，導(dǎo)致墊板因熱輸入過(guò)大而產(chǎn)生焊瘤、焊穿。另外，打底焊縫焊接前，由于焊接裝配間隙過(guò)大，焊接填充量大，導(dǎo)致型材自帶墊板上焊接熱量集中，出現(xiàn)墊板焊瘤、焊穿現(xiàn)象；焊縫根部因熱輸入過(guò)大而產(chǎn)生焊接裂紋缺陷；焊接操作方法不規(guī)范導(dǎo)致焊縫熱輸入大、局部熱量集中，同時(shí)焊接參數(shù)的匹配性差對(duì)焊接質(zhì)量也有重要影響。

為了保證枕梁的焊接質(zhì)量，首先提高裝配質(zhì)量，焊前裝配間隙嚴(yán)格控制在3mm左右，坡口鈍邊1mm，增加定位斷焊的長(zhǎng)度，盡量保證焊縫間隙的一致性；其次優(yōu)化工藝參數(shù)，打底焊縫焊接電流由230A降到190A～210A，并調(diào)整電壓、電流、電弧脈沖等焊接參數(shù)的匹配性，在保證焊縫根部熔合良好的情況下提高焊接速度，避免焊縫根部熱量集中,焊接參數(shù)如表1和表2所示。另外優(yōu)化焊接順序，先焊接正裝兩條10mm深V形焊縫打底焊接，再焊接反裝兩條15mm深V形焊縫的打底焊接，并且充分利用焊縫的余熱正反裝兩面翻轉(zhuǎn)焊接，控制層間溫度并減少預(yù)熱次數(shù)，減少焊接熱輸入。針對(duì)2 880mm長(zhǎng)的焊縫，每一道焊縫都采用從中間向兩邊分段跳焊，且每段焊縫長(zhǎng)度均控制在450mm左右，同時(shí)控制好焊接熱輸入，避免焊接熱量集中。

圖2 牽引組成焊接

圖3 枕梁組成焊接

通過(guò)采取以上措施，有效提高了枕梁的焊接質(zhì)量，避免了墊板焊瘤、裂紋引起的大量焊縫返修，直通的V形焊縫焊后RT合格率95%以上，大大提高了焊接質(zhì)量。

（3）底架組成焊接變形控制 首個(gè)A型地鐵底架焊接完成后，發(fā)現(xiàn)底架兩端上翹、兩個(gè)枕梁中心線對(duì)角線的的公差接近設(shè)計(jì)公差極限，同時(shí)靠近兩端的地板與邊梁連接處焊縫附近局部存在斷續(xù)的焊接變形。由于底架為扁平長(zhǎng)型的空腔結(jié)構(gòu)特征，故矯正變形的調(diào)修工作量非常大，嚴(yán)重影響了工件質(zhì)量和底架焊接生產(chǎn)周期。底架組成焊接后產(chǎn)生變形是導(dǎo)致上述問(wèn)題的主要原因，由于焊接本身是快速加熱又迅速冷卻且部件不均勻受熱的過(guò)程，導(dǎo)致底架焊后容易產(chǎn)生變形。MIG焊接熱輸入大，焊前未設(shè)置焊接反變形且操作時(shí)的焊接順序不合理，使焊接變形不斷累積，導(dǎo)致底架兩端上翹。在底架正裝，牽引、枕梁與邊梁裝配焊接成底架正裝主體結(jié)構(gòu)時(shí)，裝配方法不合理、焊接順序不正確等導(dǎo)致焊后底架枕梁中心線發(fā)生偏斜，從而導(dǎo)致枕梁中心對(duì)角線出現(xiàn)尺寸偏差。底架地板與邊梁連接大線焊縫的焊接順序不合理，使焊接應(yīng)力無(wú)法充分釋放而匯集在底架兩端，導(dǎo)致焊縫局部變形。

為了控制底架組成焊接變形，采取了以下工藝措施：①規(guī)范枕梁裝配，枕梁裝配以空氣簧管孔為定位基準(zhǔn)，確定枕梁的橫向及縱向尺寸，以高度定位塊為基準(zhǔn)定位枕梁的高度尺寸；調(diào)整枕梁位置并測(cè)量?jī)烧砹簩?duì)角線之差≤3mm，然后裝配邊梁如圖4a所示。②底架兩端，采用圖4b中的焊接順序，即先焊接枕梁與邊梁連接焊縫、然后焊接牽引梁與邊梁連接焊縫，最后焊接枕梁與牽引連接的焊縫，保證了底架正裝主體結(jié)構(gòu)兩端變形均勻，從而確保了枕梁中心對(duì)角線的尺寸公差滿足設(shè)計(jì)要求。③在焊前裝配時(shí)，預(yù)制反方向的變形量以抵消（補(bǔ)償）焊接變形。底架反裝時(shí)，先按圖4b中的焊接順序點(diǎn)固枕梁、牽引、邊梁及地板，然后按圖4c在底架兩端部即枕梁往外整體向下設(shè)置50～60mm的焊接反變形量。④地板與邊梁組成的底架大線焊縫，正反裝均由兩名焊工從底架中心往兩端，采用斜對(duì)角線分段退焊的方法同時(shí)焊接，充分釋放焊接應(yīng)力，有效控制了焊后變形，減少車(chē)體調(diào)修工作量。⑤在裝配時(shí)，底架大線角焊縫盡量嚴(yán)密無(wú)間隙，這樣可以減少焊縫填充量和焊接收縮，最大限度的降低焊接變形，改善焊縫成形。

表1 10mm深V形焊縫焊接參數(shù)

表2 15mm深V形焊縫焊接參數(shù)

圖4 底架組成焊接

通過(guò)采取以上工藝措施，有效控制了底架組成的焊接變形，大大提高了生產(chǎn)效率。

4. 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)研究A型鋁合金地鐵底架的焊接工藝，分析了底架主要結(jié)構(gòu)及焊接技術(shù)，通過(guò)優(yōu)化焊接參數(shù)、調(diào)整焊接順序、提高裝配質(zhì)量、預(yù)制反變形、局部剛性固定、斜對(duì)角線分段退焊法及嚴(yán)格規(guī)范操作等方法，有效解決了底架焊接變形等焊接技術(shù)難題，保證了A型鋁合金地鐵底架及部件的焊接質(zhì)量。參考文獻(xiàn)：

[1]聶麗麗，高婧，周立金. 地鐵牽枕緩焊接工藝及質(zhì)量控制[J].金屬加工，2013（6）∶52-54.