淺析某地鐵車頂邊梁焊接制造工藝

劉 學(xué)，于 欣，宋 寧

（遼寧忠旺集團有限公司，遼陽 111003）

0 前言

隨著交通運輸業(yè)的發(fā)展，對車體材料的性能要求越來越高。鋁合金由于具有耐腐蝕性和比強度高等優(yōu)點，在軌道車輛上得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。鋁合金在高速列車車體中的應(yīng)用已成為當(dāng)今世界各國研究的熱點。日本、西歐等國廣泛采用6005A鋁合金制造高速列車車體[3]，我國許多科研工作者也在該領(lǐng)域開展了大量的研究工作。雷莉等人分析了鋁合金B(yǎng)型地鐵車輛車頂自動焊工藝特點及鋁合金B(yǎng)型地鐵車輛車頂自動焊工裝的缺點，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計出了鋁合金B(yǎng)型地鐵車輛車頂自動焊柔性化工裝[4]；王躍海等人通過對車頂增加反變形量、工藝放量和進行剛性約束，有效地控制了車頂尺寸[5]。

某項目車頂邊梁總成是由兩塊車頂邊梁型材焊接成一體。車頂邊梁作為軌道車輛的重要部件，保證其焊接質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率成為生產(chǎn)過程中亟待研究的課題。

1 車頂邊梁焊接制造難點分析

（1）焊縫產(chǎn)生密集氣孔。焊接時，氫進入焊接熔池，氫在液態(tài)金屬熔池內(nèi)的溶解度大。但冷凝時氫在低溫液態(tài)金屬及固態(tài)金屬內(nèi)的溶解度小，鋁合金熔池冷凝過程中氫氣來不及溢出，導(dǎo)致焊道易產(chǎn)生氣孔[6]。由于車頂邊梁焊縫為5V坡口，相對自動焊填充量較大。當(dāng)填充量較大時，熔敷金屬中氫含量相應(yīng)提高，焊縫冷卻時需溢出的氫氣隨之增多；加之邊梁型材材質(zhì)為6005A-T6，焊縫處極易產(chǎn)生密集氣孔。

（2）焊后調(diào)修難度大。傳統(tǒng)的先焊接后機加工邊梁窗口的工序，由于焊接變形，邊梁不便于裝夾在機加工平臺夾具上；且機加工后焊接應(yīng)力釋放，窗口變形量極大，后續(xù)調(diào)修難度大大增加。

2 焊縫表面氣孔成因分析實驗

2.1 實驗方法及結(jié)果

根據(jù)以往自動雙絲焊接經(jīng)驗，自動雙絲焊接時5V坡口極易產(chǎn)生密集氣孔。對于采用6005A-T6材質(zhì)的車頂邊梁型材，通過改變后絲功率、焊接速度、組對間隙，觀察焊縫質(zhì)量，選定其最佳工藝參數(shù)。為保證焊道根部融合，前絲功率選定為70%不變，試驗結(jié)果見表1。

表1 自動焊雙絲焊接焊縫表面氣孔實驗數(shù)據(jù)

2.2 實驗結(jié)果分析

2.2.1 后絲功率對焊縫質(zhì)量的影響

當(dāng)前絲功率70%、后絲功率68%時焊縫無氣孔，質(zhì)量好，如圖1所示。當(dāng)后絲功率增大到76%以上，開始出現(xiàn)氣孔，82%以上氣孔嚴(yán)重，且用鋼絲刷難以去除。經(jīng)分析，當(dāng)后絲功率增大到76%以上時，由于熱輸入量過大，熔池高溫停留時間過長，周圍水蒸氣進入焊縫熔池金屬中，導(dǎo)致吸附氫量增多，形成大量氣孔[7]。

圖1 第3組工藝下焊縫表面質(zhì)量

2.2.2 焊接速度對焊縫質(zhì)量的影響

在前絲功率70%、后絲功率68%，焊接速度超出86～95 cm/min范圍時，無論速度加大或減小都會產(chǎn)生氣孔。

焊接速度低于86 cm/min時，焊縫金屬較高，焊縫成型系數(shù)小，焊縫與后絲焊接電弧距離較近，焊接電弧攤不開，鋁合金在凝固區(qū)由于殘留融化物流動時受到枝間晶體的阻礙，使得氣孔停滯在焊縫近表面，如圖2（a）所示。

而當(dāng)焊接速度太快時，經(jīng)過噴嘴時形成的近壁層流很薄，氣體噴出后，很快發(fā)生紊亂，而且容易把空氣卷入，對熔池的保護效果變差，使得空氣中的元素?fù)綂A到焊縫中。同時，因溫度場失去了氣體保護，熔敷金屬冷卻速度加快，氫來不及溢出，因而形成氣孔，如圖2（b）所示。

圖2 不同焊接速度下焊縫表面質(zhì)量

2.2.3 組對間隙對焊縫質(zhì)量的影響

焊縫填充量過大時（間隙超過0.8 mm），減小速度、增大前絲、后絲功率都會造成氣孔的出現(xiàn)。組對間隙超過0.8 mm時，焊絲填充量增大，摻入焊道中的氫含量增多，熔池冷卻過程中氫氣大量溢出，停滯在焊縫表面，形成氣孔，如圖3所示。

圖3 第11組工藝下焊縫表面質(zhì)量

故將焊接工藝參數(shù)定為：前絲功率70%，后絲功率68%，焊接速度90 cm/min。如果遇到焊縫凹陷、坡口填充量不足時，調(diào)整后絲功率并增加到72%后仍無法保證焊縫填充量時，應(yīng)及時停止，適當(dāng)降低焊接速度，確保焊縫質(zhì)量達到標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 新型車頂邊梁焊接工藝

3.1 前期理論分析

傳統(tǒng)的先焊接后機加工窗口工序存在如下缺點：

（1）產(chǎn)生焊接變形，導(dǎo)致車頂邊梁不便于裝夾在機加工平臺夾具上。焊接變形是產(chǎn)品焊接過程中不可避免的，由于鋁合金具有高導(dǎo)熱性，焊接變形尤其嚴(yán)重。故考慮先機加工窗口再進行焊接可以避免焊接變形后裝卡困難的問題。這需要嚴(yán)格控制焊接質(zhì)量，減少返修次數(shù)。因此在保證焊接質(zhì)量的基礎(chǔ)上，可采用先機加工后焊接的方法。

（2）機加工窗口后焊接應(yīng)力釋放致使調(diào)修難度大。金屬焊接后不僅產(chǎn)品外部產(chǎn)生變形，其內(nèi)部也會產(chǎn)生應(yīng)力。所以焊接完成后再機加工時，由于內(nèi)部應(yīng)力釋放，車頂邊梁即產(chǎn)生二次變形，二次變形十分不規(guī)律，調(diào)修難度非常大。若采用先機加工后焊接的方法則可以避免此二次變形的產(chǎn)生。

3.2 制作焊接工作試件

選用上文實驗得到的焊接參數(shù)編制焊接工藝規(guī)程并焊制工作試件，如圖4、圖5所示。焊接完成后對焊縫進行目視檢測、滲透檢測及宏觀低倍刨檢。目視檢測可以確保焊縫表面無夾渣、未熔合、氣孔等缺陷；滲透檢測可以檢驗?zāi)恳暀z測無法識別的焊縫表面開口缺陷，如微裂紋等，對目視檢測起到了補充作用；宏觀低倍刨檢可以有效查看焊縫內(nèi)部的熔合情況，以確保熔深滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求、查看焊道內(nèi)部氣孔及夾渣情況[8]。

圖4 自動焊工作試件

圖5 型材點固工作試件

3.3 焊前準(zhǔn)備

（1）設(shè)備及材料：車頂邊梁組成反裝工裝、車頂邊梁組成正裝工裝、自動焊焊接機器人、MIG焊機（福尼斯焊機TPS5000）。焊材：ISO18273 S AL5087φ1.2（ESAB）、旋轉(zhuǎn)銼、鋼絲輪、平板銼、千葉片、切割片、吹風(fēng)槍、氣體流量計。

（2）產(chǎn)品工裝。制作產(chǎn)品隨形工裝，其中反裝工裝預(yù)制6 mm焊接反變形，以抵消焊接過程中焊接應(yīng)力產(chǎn)生的變形量；確保工裝夾具夾緊型材后壓臂壓力均勻[9]。

3.4 新型車頂邊梁焊接工藝流程

機加工邊梁窗口（長度方向預(yù)留5 mm作為焊接收縮量）→焊前清理氧化膜及油污等→型材組對→正裝點固→反裝點固→正裝焊接→焊縫檢查→反裝焊接→焊縫檢查→去除引、收弧板，端頭打磨并PT檢驗→焊后調(diào)修→尺寸檢驗→打磨立筋、C形槽→貼合格標(biāo)識→包裝、發(fā)貨。

3.5 焊后尺寸檢驗

焊接完成后，待車頂邊梁冷卻至室溫，松開夾具，使車頂邊梁處于自由狀態(tài)，對車頂邊梁窗口、兩翼開口尺寸進行檢驗。發(fā)現(xiàn)車頂邊梁窗口及兩翼開口尺寸變形程度比先焊接后機加的工序有明顯的改善。

4 結(jié)論

（1）影響焊道產(chǎn)生氣孔的因素有焊接速度、焊接功率、熔敷金屬冷卻速度、氣體保護情況和焊縫填充量等。

（2）確定出既滿足焊接工藝評定又能保證焊縫質(zhì)量的最佳焊接參數(shù)為：前絲功率70%，后絲功率68%，焊接速度90 cm/min。該工藝可有效控制氣孔數(shù)量，減少焊道返修。對產(chǎn)品進行焊接時應(yīng)嚴(yán)格按照工藝規(guī)程給定的參數(shù)執(zhí)行。

（3）相比傳統(tǒng)的先焊接后機加工邊梁窗口的工序，本文采用先機加工后焊接的方法，大大提高了車頂邊梁的生產(chǎn)效率，且產(chǎn)品外形尺寸能極好地滿足圖紙及用戶要求。

此車頂邊梁焊接制造工藝不僅保證了焊道質(zhì)量、控制了焊接變形，還提高了生產(chǎn)效率。