史曉東
蘇州地鐵一號(hào)線是我公司生產(chǎn)的第一個(gè)全焊接鋁合金B(yǎng)型車(chē)項(xiàng)目,車(chē)體主結(jié)構(gòu)為整體承載的鋁合金型材輕量化焊接結(jié)構(gòu),各模塊之間都采用焊接形式連接,在車(chē)體制造過(guò)程中遇到很多焊接難題。門(mén)角是車(chē)體結(jié)構(gòu)中的重要組成部件,焊縫設(shè)計(jì)性能等級(jí)要求高,但是門(mén)角結(jié)構(gòu)復(fù)雜,焊縫集中,焊接應(yīng)力大,容易出現(xiàn)焊接缺陷,而且焊接接頭形式又給焊接操作增加了很大困難,導(dǎo)致焊接質(zhì)量很難保證。
通過(guò)試制車(chē)的生產(chǎn),對(duì)門(mén)角焊接過(guò)程進(jìn)行了一系列的跟蹤,采用不同的焊接方案進(jìn)行探索,并采取有效的工藝措施,基本上解決了門(mén)角焊接過(guò)程中遇到的焊接難題。
車(chē)體材料大量采用6000系列鋁合金,底架、車(chē)頂、側(cè)墻、端墻及司機(jī)室等重要焊接結(jié)構(gòu)多采用擠壓中空型材或較厚板材。門(mén)角為復(fù)雜的中空型材結(jié)構(gòu),可以很好的滿(mǎn)足鋁合金車(chē)體輕量化和高強(qiáng)度的要求,如圖1所示。
整車(chē)共有32個(gè)門(mén)角,其中16個(gè)上門(mén)角和16個(gè)下門(mén)角。門(mén)角焊縫在車(chē)體結(jié)構(gòu)中非常重要,焊接過(guò)程中會(huì)遇到以下焊接工藝難題。
第一,門(mén)角焊縫的設(shè)計(jì)性能等級(jí)高,但是其結(jié)構(gòu)形式不僅使得門(mén)角焊縫處應(yīng)力集中,而且存在交叉焊縫,焊接過(guò)程中由于過(guò)大的應(yīng)力集中,容易出現(xiàn)焊接裂紋,嚴(yán)重降低焊縫質(zhì)量。
第二,門(mén)角焊縫為HV坡口形式,55°的坡口,坡口清理工作困難,打底焊時(shí)如果清理不干凈,很容易產(chǎn)生未焊透和未熔合缺陷。上門(mén)角與車(chē)頂邊梁的焊縫為PD(仰角焊)焊接位置,焊工操作難度大,焊接質(zhì)量難以保證;下門(mén)角與底架邊梁內(nèi)側(cè)焊縫焊接時(shí),焊縫在地板平面上,焊工蹲在地板上焊接,難以觀察焊接熔池,這些因素都增加了焊縫缺陷的產(chǎn)生。
第三,門(mén)角設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,焊縫存在90°拐角,由于坡口深度較大,導(dǎo)致焊縫金屬在拐角處難以填滿(mǎn),需要點(diǎn)焊添加焊縫金屬,使得焊縫表面成形不美觀,同時(shí)容易產(chǎn)生焊瘤、裂紋等缺陷。
圖1 門(mén)角結(jié)構(gòu)
(1)門(mén)角焊接環(huán)境要求 鋁合金材料焊接過(guò)程中,要求環(huán)境溫度≥10℃,相對(duì)濕度≤60%,而且應(yīng)在防風(fēng)、防雨的室內(nèi)進(jìn)行焊接。門(mén)角是車(chē)體結(jié)構(gòu)中的重要組成部分,它的焊接質(zhì)量關(guān)系到整車(chē)的焊接性能,應(yīng)盡量在滿(mǎn)足條件的環(huán)境中焊接。在門(mén)角焊接時(shí),應(yīng)特別注意濕度的影響,每次焊接前測(cè)量環(huán)境的相對(duì)濕度,如果濕度值超出焊接要求,應(yīng)進(jìn)行焊前的工作試件試驗(yàn),經(jīng)過(guò)檢測(cè)合格,確定濕度對(duì)焊縫質(zhì)量的影響在可以接受的范圍內(nèi)時(shí),再進(jìn)行門(mén)角的焊接。
(2)門(mén)角焊縫坡口準(zhǔn)備及清理 門(mén)角焊縫為(10+8)mm的HV坡口形式,10mm厚的板上開(kāi)55°坡口,焊接間隙2~3mm,即墊板伸出長(zhǎng)度2~3mm。裝配時(shí)保證焊縫間隙,可以提高焊槍的可達(dá)性,減少焊接裂紋和根部焊縫未熔合等缺陷。焊縫裝配好后,應(yīng)使用丙酮清理焊縫坡口及其周邊20mm范圍內(nèi)區(qū)域,去除鋁合金表面的油污、灰塵等雜質(zhì),避免焊接缺陷的產(chǎn)生。鋁合金表面有一層致密的氧化膜,它可以吸收水分,焊接時(shí)容易產(chǎn)生氫氣孔,需要去除。氧化膜去除時(shí),為避免工具被油污污染,先使用丙酮擦拭鋁合金表面,然后用鋼絲刷打磨,嚴(yán)禁使用砂輪片打磨。因?yàn)槭褂蒙拜喥蚰ゲ粌H不能去除氧化膜,反而會(huì)將氧化膜帶進(jìn)母材金屬,增加了焊接時(shí)氣孔、夾渣等缺陷產(chǎn)生的幾率。如果使用硬砂輪片打磨,還會(huì)讓其他雜質(zhì)如硫元素進(jìn)入焊縫,從而導(dǎo)致焊接熱裂紋。另外,鋁合金表面氧化膜形成的速度很快,焊縫坡口清理完成后,應(yīng)立即進(jìn)行焊接,防止打磨過(guò)的焊縫再次氧化。
(3)門(mén)角焊縫組裝要求 門(mén)角在總成焊接時(shí),已經(jīng)和側(cè)墻立柱焊在一起,與側(cè)墻模塊以整體的形式到總成臺(tái)位上進(jìn)行焊接。門(mén)角焊縫為HV形式的角接接頭,由于采用這種接頭形式,電弧不易穿透焊縫根部,常常將氧化膜留在焊縫中,造成未焊透、夾渣等焊接缺陷,所以門(mén)角焊縫對(duì)組裝的要求很高,必須按照焊接工藝卡片中的要求,保證合理的焊接間隙,使根部焊道焊透。調(diào)整并測(cè)量好側(cè)墻模塊的組裝尺寸和門(mén)角焊接間隙后,使用總成工裝上的夾緊定位裝置對(duì)部件進(jìn)行固定。側(cè)墻模塊與底架邊梁和車(chē)頂邊梁為插接形式,由于底架和車(chē)頂都會(huì)預(yù)置一定的撓度,來(lái)保證總成時(shí)的組裝要求,所以側(cè)墻模塊上還需使用下拉裝置,車(chē)頂上采用拉緊帶對(duì)側(cè)墻與底架和車(chē)頂邊梁組裝的間隙進(jìn)行調(diào)整,保證門(mén)角焊縫的間隙在2~3mm。
門(mén)角的正確組裝,還關(guān)系到后面門(mén)封條與門(mén)角及邊梁的正確組裝精度,所以要嚴(yán)格要求,確保準(zhǔn)確的組裝。車(chē)體各部件組裝工作全部完成后,要對(duì)各焊接部位進(jìn)行定位焊固定,保證焊縫位置和焊縫間隙,門(mén)角定位焊形式如圖2所示。
圖2 門(mén)角定位焊形式
(4)門(mén)角焊接順序 合理的焊接順序能夠減少焊接變形,有效防止焊接裂紋。門(mén)角焊接時(shí),先焊門(mén)角與底架邊梁外側(cè)的焊縫,再焊內(nèi)側(cè)焊縫。由于焊前門(mén)角已經(jīng)與側(cè)墻立柱焊接在一起,總成時(shí)立柱與底架邊梁也需要焊接,而且接頭形式與門(mén)角和底架邊梁的一樣,所以可以將兩條焊縫作為一條進(jìn)行焊接,從而減少焊接缺陷和提高作業(yè)效率。
門(mén)角與底架邊梁的焊縫分為四層完成焊接,先進(jìn)行打底焊,從中間向兩邊焊接,收弧點(diǎn)不要停在交叉焊縫上,接著完成填充層和蓋面層的焊接。需要注意的是,填充層和蓋面層焊接時(shí),應(yīng)嚴(yán)格控制焊縫層間溫度,做好層間焊縫清理,接頭處應(yīng)進(jìn)行修理,圓滑過(guò)渡,減小焊縫應(yīng)力集中和焊接缺陷。外側(cè)焊縫完成后,進(jìn)行內(nèi)側(cè)焊縫的焊接。門(mén)角與車(chē)頂邊梁的焊接過(guò)程同與底架邊梁焊接,只是焊接位置為PD,焊接時(shí)注意控制焊槍角度和弧長(zhǎng),減少焊接缺陷。
(5)門(mén)角焊接預(yù)熱及層間溫度控制 鋁合金焊接時(shí),當(dāng)板厚達(dá)到8mm以上時(shí),需要進(jìn)行焊前預(yù)熱。預(yù)熱時(shí)間對(duì)鋁合金強(qiáng)度的影響很大,生產(chǎn)過(guò)程中,要嚴(yán)格控制預(yù)熱時(shí)間,一般采用快速集中的熱源進(jìn)行預(yù)熱,如丙烷火焰預(yù)熱。由于鋁合金的熱導(dǎo)率較大,所以預(yù)熱溫度應(yīng)控制在70~90℃之間,不要超過(guò)120℃,層間溫度控制在100℃以下。如果預(yù)熱溫度過(guò)高,除了焊工的作業(yè)環(huán)境惡劣以外,還有可能對(duì)鋁合金的合金性能造成影響,出現(xiàn)接頭軟化現(xiàn)象,形成不好的焊縫外觀。另外,層間溫度過(guò)高,也會(huì)使焊縫產(chǎn)生熱裂紋的幾率增加。
(6)選擇合適焊接參數(shù) 影響鋁合金焊接的主要參數(shù)是焊接熱輸入,因?yàn)殇X合金的導(dǎo)熱系數(shù)是鋼的3倍多,散熱很快,在相同的焊接速度下,需要比焊接鋼材更大的焊接熱輸入量。如果熱輸入量不足,會(huì)導(dǎo)致熔深不夠、未熔合及焊接裂紋等缺陷。焊接時(shí)采用左焊法,焊槍角度控制在80°~90°之間,焊槍角度過(guò)大時(shí),保護(hù)氣體會(huì)不充分,造成氣孔和裂紋缺陷;過(guò)小時(shí),電弧推力將鋁液吹到熔池前端,使得電弧不能直接作用于母材金屬,有可能造成未熔合缺陷。另外,在仰焊(PD)時(shí),由于液態(tài)鋁的表面張力很小,焊接熔池容易出現(xiàn)“下沉”現(xiàn)象,造成焊縫成形不好,如圖3所示。
為了避免這一現(xiàn)象,仰焊時(shí)盡量采用短弧焊接,壓低電弧,獲得窄而小的焊縫,同時(shí)要提高焊接速度,防止燒穿現(xiàn)象,正常的焊縫如圖4所示。合理的焊接參數(shù)如附表所示。
圖3 PD位置,焊縫金屬“下沉”現(xiàn)象
圖4 PD位置,采用短弧、快速焊接的焊縫
門(mén)角焊接參數(shù)
蘇州地鐵一號(hào)線車(chē)體總成門(mén)角焊縫由于設(shè)計(jì)性能等級(jí)高、焊接位置差等因素而成為總成焊接的一大難點(diǎn),事實(shí)證明生產(chǎn)中通過(guò)合理控制焊接環(huán)境、焊前準(zhǔn)備、組裝要求、焊接順序及焊接參數(shù)等關(guān)鍵因素,可以避免門(mén)角焊接過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)的各種缺陷,保證了焊接質(zhì)量。在對(duì)門(mén)角工作試件的接頭宏觀金相觀察時(shí),沒(méi)有發(fā)現(xiàn)焊接裂紋、氣孔、未焊透等缺陷,焊縫熔合良好,達(dá)到了要求的焊接質(zhì)量。