兩種焊接襯墊在鋁合金T形接頭全熔透焊縫中的應(yīng)用研究

楊麗，曾慶略

青島四方龐巴迪鐵路運(yùn)輸設(shè)備有限公司 山東青島 266111

1 序言

目前，我國高速鐵路和地鐵建設(shè)項(xiàng)目發(fā)展迅猛，鋁合金車體在高鐵和地鐵項(xiàng)目中也得到了廣泛應(yīng)用。作為焊接質(zhì)量控制項(xiàng)點(diǎn)之一的鋁合金T形接頭全熔透焊縫，也是鋁合金車體項(xiàng)目中重點(diǎn)控制的內(nèi)容之一。

T形焊接接頭能承受各種方向的力和力矩，是各種箱形結(jié)構(gòu)中最常見的接頭形式。由于T形接頭焊縫向母材過渡急劇，接頭在外力作用下扭曲很大，應(yīng)力分布極不均勻，且情況比較復(fù)雜，在焊縫根部和腳部都有很大的應(yīng)力集中[1]。為降低T形接頭焊縫根部和腳部的應(yīng)力集中，通常焊縫需要全熔透。在此情況下，焊縫反面余高的成形質(zhì)量決定了該條焊縫的質(zhì)量，最終決定了該條焊縫的實(shí)際承載能力。

焊接襯墊在全熔透焊縫的焊接過程中對(duì)焊縫反面起到襯托作用，使焊縫反面余高具有良好的成形，從而降低焊縫根部和腳部的應(yīng)力集中等缺陷。不同結(jié)構(gòu)的焊接襯墊使得焊縫反面余高的成形不同，若焊接襯墊的結(jié)構(gòu)選擇不當(dāng)，則不僅不會(huì)起到增強(qiáng)焊縫質(zhì)量的作用，反而會(huì)導(dǎo)致焊縫反面余高成形不良，影響焊縫質(zhì)量。

本文針對(duì)T形接頭全熔透焊縫，從實(shí)際操作角度出發(fā)，采用相同的母材，在焊縫背部分別添加兩種不同結(jié)構(gòu)的焊接襯墊——平焊接襯墊、帶凹槽焊接襯墊。在焊材、焊接電流、電弧電壓等焊接參數(shù)相同的情況下進(jìn)行焊接，得到兩種不同的接頭試樣。通過對(duì)兩種接頭試樣的焊接質(zhì)量分析，驗(yàn)證焊接接頭形式較為適合的焊接襯墊。

2 焊接工藝試驗(yàn)

（1）母材及焊材介紹 為了研究不同的焊接襯墊對(duì)鋁合金T形接頭全熔透焊縫質(zhì)量的影響，本文采用5083-H111鋁合金材料試板進(jìn)行試驗(yàn)，板厚采用8mm，其化學(xué)成分見表1，滿足EN 573-3：2009要求。采用進(jìn)口SAF-FRO/ER5356焊絲，φ1.2mm，其化學(xué)成分見表2，滿足ISO 18273要求。

（2）接頭形式 焊接試驗(yàn)T形接頭如圖1所示，將母材2加工出55°坡口，根部保留1mm鈍邊。

表1 5083-H111鋁合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 ER5356焊絲化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

圖1 焊接接頭坡口形式

（3）焊接襯墊結(jié)構(gòu) 兩種結(jié)構(gòu)的焊接襯墊分別如圖2所示。

圖2 焊接襯墊結(jié)構(gòu)

（4）組焊工藝 為獲得良好熔深，在組裝時(shí)，兩母材之間需保留3mm組裝間隙。分別在焊縫反面，貼緊兩母材定位焊襯墊。采用PA（平焊）位置進(jìn)行焊接，如圖3所示。

圖3 阻焊工藝

（5）焊接參數(shù) 兩種接頭采用三層三道進(jìn)行焊接，打底層焊前進(jìn)行100℃預(yù)熱，填充及蓋面焊保持層間溫度80～100℃，具體焊接參數(shù)見表3。保護(hù)氣體為99.999%Ar。

表3 試樣焊接參數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

兩種接頭在焊后的宏觀腐蝕金相試樣如圖4所示。

圖4 試樣金相

分別將兩種接頭的宏觀金相試樣放大10倍，可以看出：

對(duì)于平焊接襯墊試樣，由于焊縫背部與襯墊間未有預(yù)留空間，使得打底焊時(shí)填充金屬無法穿透焊縫背部，從而導(dǎo)致焊縫根部的背面幾乎沒有余高，即焊縫根部幾乎沒有熔深。因此，使得母材1與母材2沒有形成真正的熔合，焊縫根部成為了應(yīng)力集中點(diǎn)，當(dāng)母材2承受向上的力時(shí)，由焊縫根部的應(yīng)力集中點(diǎn)延展至整個(gè)焊縫長(zhǎng)度，發(fā)生斷裂的趨勢(shì)大大增加，若載荷大到一定程度，則會(huì)導(dǎo)致焊縫沿?cái)嗔丫€開裂，如圖5所示。

對(duì)于帶凹槽焊接襯墊試樣，由于焊接襯墊帶有凹槽，在焊縫背部與襯墊間預(yù)留有一定的空間，并且在襯墊的襯托作用下，在焊接的整個(gè)熱過程中，在焊縫的背部形成完整的熔池，從而在焊縫背部形成完整的熔深（見圖6中熔深h=2mm）；且本文中討論的襯墊凹槽形式為弧形，因此焊縫根部的熔池在冷卻過程中受襯墊的襯托作用，使得背部余高與母材背面之間的夾角α＞90°，從而大大減小焊縫根部的應(yīng)力集中，降低焊縫斷裂的幾率。

圖5 平焊接襯墊接頭（10×）

圖6 帶凹槽焊接襯墊接頭（10×）

4 結(jié)束語

通過對(duì)鋁合金T形接頭全熔透焊縫背部?jī)煞N不同墊板的接頭焊接試驗(yàn)，可以得到以下結(jié)論：

1）在相同的焊接參數(shù)情況下，背部添加帶凹槽焊接襯墊的接頭，其焊縫背部的成形質(zhì)量、熔深情況明顯好于平襯墊接頭。

2）背部添加帶凹槽襯墊的接頭焊縫強(qiáng)度明顯高于背部添加平襯墊接頭焊縫強(qiáng)度。因此，在車輛運(yùn)行過程中，受疲勞載荷的作用，帶凹槽襯墊的接頭焊縫開裂風(fēng)險(xiǎn)明顯低于平襯墊接頭焊縫。

3）在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，優(yōu)先選擇帶弧形凹槽的焊接襯墊，以確保焊縫背面成形的余高與母材反面之間的夾角α＞90°，從而更大程度上減小應(yīng)力集中。