高速列車鋁合金車體焊接工藝淺析

陳東方

（南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111)

高速列車鋁合金車體焊接工藝淺析

陳東方

（南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111)

結(jié)合高速列車車體的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程，從焊前準(zhǔn)備、焊接位置、變形控制及焊接缺陷等方面探討了提高鋁合金焊接品質(zhì)的方法和措施。

高速列車；鋁合金；焊接變形；焊接缺陷

大型鋁合金擠壓型材以其在減重性[1]、耐蝕性、加工性等方面具有其它材料無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn),在高速列車車體上得到廣泛應(yīng)用[2]。由于我國(guó)早期普通列車車體制造不采用此種材料，國(guó)內(nèi)對(duì)高速列車用鋁合金材料焊接性和工藝缺乏相應(yīng)的研究。隨著近年來(lái)高速鐵路行業(yè)的快速發(fā)展，軌道車輛用鋁合金的焊接成為新的研究熱點(diǎn)[3～5]。鋁合金的熱導(dǎo)率大和線膨脹系數(shù)較大的特點(diǎn)決定了焊接時(shí)易產(chǎn)生焊接變形，同時(shí)，鋁合金焊接也極易產(chǎn)生氣孔、裂紋等焊接缺陷。高速動(dòng)車組制造的關(guān)鍵材料，鋁合金焊接品質(zhì)是決定高速列車長(zhǎng)期安全運(yùn)行的基礎(chǔ)，對(duì)于提高高速列車的運(yùn)行壽命具有重要意義[6]。

1 焊前清理

鋁合金工件及焊絲表面的水分和油污等，在焊接過(guò)程中向焊縫金屬提供溶解氫，是焊縫產(chǎn)生氣孔的重要原因之一。氧化膜的存在很容易在焊縫進(jìn)行中形成夾渣。因此，焊前須用丙酮對(duì)工件表面、坡口及其附近20～30mm范圍進(jìn)行嚴(yán)格的清理，去除油污和水分等雜質(zhì)，用鋼絲輪打磨以去除表面氧化膜、露出金屬光澤。

2 焊接位置

在鋁合金焊接時(shí)，金屬液體粘度較大，熔池中的氣體不易逸出而易形成氣孔。因此，鋁合金焊接時(shí)應(yīng)盡量采取使氣體能夠較容易逸出的平焊位置。另外，平焊位置易于操作，對(duì)焊工技能的要求較低。非平焊位置應(yīng)通過(guò)焊接工裝轉(zhuǎn)化為平焊位置。

在高速列車制造過(guò)程中，設(shè)計(jì)的具有旋轉(zhuǎn)功能的工裝可以實(shí)現(xiàn)這一目的。這種可以實(shí)現(xiàn)焊接變位的工裝應(yīng)用非常廣泛，例如牽引梁旋轉(zhuǎn)焊接工裝可以使側(cè)翼補(bǔ)強(qiáng)板的橫焊位置轉(zhuǎn)化為平焊位置，折彎處焊縫可以轉(zhuǎn)化為方便焊接的橫焊位置。枕梁回轉(zhuǎn)內(nèi)部焊縫焊接工裝可以非常方便地將其它焊接位置轉(zhuǎn)化為平焊位置。另外在端中梁焊接工裝、減震器座焊接工裝也具有此作用。

3 焊接變形的控制

在鋁合金焊接中，必須采用大的熱輸入量，焊接結(jié)構(gòu)很容易發(fā)生變形，必須采取必要措施對(duì)焊接變形加以控制，這是列車車體制造過(guò)程中非常重要的一個(gè)方面。在車體制造過(guò)程中，對(duì)焊接變形的控制方法主要有以下幾個(gè)方面：

3.1 工藝撐控制焊接變形

此方法使用非常普遍，車體許多部件的生產(chǎn)中都采用的此方法。在進(jìn)行牽引梁的內(nèi)側(cè)補(bǔ)強(qiáng)板焊接時(shí)需用工藝撐支撐牽引梁的兩翼面之間以防止焊接變形。在牽引梁組對(duì)時(shí)，兩片牽引梁間的工藝撐可以保證牽引梁內(nèi)寬。在焊接頭車端部邊梁時(shí)需要在邊梁上焊接工藝梁，增加變量的剛性，防止邊梁變形。中部橫梁焊接時(shí)要用工藝撐支撐兩側(cè)邊梁以控制焊接變形，保證整個(gè)車體底架的寬度。

3.2 優(yōu)化焊接順序

由于高速列車車體焊縫數(shù)量多且分布復(fù)雜，合理的焊接順序是產(chǎn)品質(zhì)量的必要保證。在進(jìn)行底架框架焊接時(shí)，應(yīng)先進(jìn)行剛性較大的枕梁和邊梁的焊接，再焊牽引梁和枕梁的連接焊縫，然后再焊中部橫梁與梁的焊縫以及緩沖梁與邊梁的焊縫，而且在焊接中部橫梁時(shí)遵循先中間后兩邊的原則，從中間向兩邊焊接，以控制焊接結(jié)構(gòu)的變形。在車頂和側(cè)墻的自動(dòng)焊時(shí)也考慮了焊接順序?qū)ψ冃蔚挠绊懀ㄟ^(guò)優(yōu)化焊接順序可以控制焊接變形。

3.3 對(duì)稱焊接控制變形

減震器座焊接時(shí)將兩個(gè)減震器座焊接在一起，利用兩個(gè)減震器座變形的相互制約來(lái)控制焊接變形。

3.4 預(yù)制反變形

焊縫的橫向收縮會(huì)使焊接結(jié)構(gòu)發(fā)生角變形。在焊接之前就對(duì)焊接結(jié)構(gòu)預(yù)制反變形，預(yù)制的反變形角度恰當(dāng)?shù)那闆r下可以很好地消除焊接變形。在生產(chǎn)中采用此方法控制焊接變形的地方很多。牽引梁回轉(zhuǎn)焊接時(shí)，將牽引梁固定在工裝上時(shí)，折彎的角度實(shí)際上被拉小，折彎處焊縫的橫向收縮會(huì)抵消預(yù)制的反變形，從而控制焊接變形。枕梁長(zhǎng)直焊縫焊接、端中梁焊接、邊梁自動(dòng)焊以及雙層地板的自動(dòng)焊通過(guò)預(yù)制反變形對(duì)焊接變形進(jìn)行控制。

3.5 焊后校正消除焊接變形

在生產(chǎn)中通過(guò)火焰調(diào)修和壓力調(diào)修的方法消除焊接變形。火焰調(diào)修適用于變形小、薄板的變形。此方法在緩沖梁、側(cè)墻和端墻等的調(diào)修中都有應(yīng)用。壓力調(diào)修適用于變形大、厚板的情況，在牽引梁、枕梁、緩沖梁的調(diào)修中應(yīng)用較多。

4 焊接缺陷的預(yù)防和消除

焊接缺陷的產(chǎn)生過(guò)程十分復(fù)雜,與碳鋼相比鋁合金焊接更容易產(chǎn)生各種缺陷。缺陷對(duì)焊接結(jié)構(gòu)承載能力有非常顯著的影響。由于缺陷減小了結(jié)構(gòu)承載橫截面的有效面積,并且在缺陷周圍產(chǎn)生了應(yīng)力集中，因此會(huì)降低焊接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。焊接缺陷容易出現(xiàn)在焊縫及其附近區(qū)域,而這些區(qū)域正是結(jié)構(gòu)中殘余拉應(yīng)力最大的地方。焊接缺陷一般包括有未焊透、未熔合、裂紋、夾渣、氣孔、咬邊、焊穿和焊縫成型不良等。

在車體生產(chǎn)中，只要現(xiàn)場(chǎng)操作人員嚴(yán)格按照焊接工藝規(guī)程的要求進(jìn)行操作一般不會(huì)出現(xiàn)裂紋。實(shí)際生產(chǎn)中最常出現(xiàn)的焊接缺陷是氣孔。原因一方面是由鋁合金本身特性決定的，另一方面是沿海地區(qū)的空氣濕度比較大的造成的。為了預(yù)防焊接氣孔必須采取以下必要措施：嚴(yán)格進(jìn)行焊前表面的去油和去氧化膜，清除母材的水分；焊絲要現(xiàn)拆現(xiàn)用，沒(méi)用完的要放到烘干箱內(nèi)保存；保護(hù)氣中的含水量要嚴(yán)格控制。

為發(fā)現(xiàn)和控制焊接缺陷，對(duì)焊縫進(jìn)行各種檢驗(yàn)是必須的，根據(jù)焊縫的等級(jí)對(duì)焊縫采取不同的檢驗(yàn)手段。不同的焊縫可采取目視檢驗(yàn)，焊縫等級(jí)較高的可采取PT探傷，以控制焊縫的表面缺陷。對(duì)于車體中的關(guān)鍵部位，此部位對(duì)于焊縫的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度都要求很高，車體制造中采用X射線對(duì)焊縫進(jìn)行探傷，以控制焊縫內(nèi)部的缺陷。如焊縫中含有的裂紋、融合不良、氣孔等缺陷超出規(guī)定的要求，應(yīng)定為不合格品。對(duì)于不合格品應(yīng)根據(jù)不合格品處理措施進(jìn)行處理，允許進(jìn)行修補(bǔ)的可進(jìn)行修復(fù)以清除焊接缺陷，合格后流入下工序。對(duì)于不允許修補(bǔ)的部件應(yīng)采取報(bào)廢處理。

5 結(jié)束語(yǔ)

作為高速列車車體制造的關(guān)鍵工藝，鋁合金的焊接有著非常重要的地位。如何提高鋁合金的焊接品質(zhì)成為鋁合金車體制造中的關(guān)鍵，因此，本文結(jié)合車體生產(chǎn)的實(shí)際過(guò)程，分別從焊前準(zhǔn)備、變形控制及焊接缺陷預(yù)防等方面探討了提高鋁合金焊接品質(zhì)方法，期望提高鋁合金車體制造的水平。

[1]王元良，周友龍，胡久富.鋁合金運(yùn)載工具輕量化及其焊接新技術(shù)的發(fā)展[J].電焊機(jī)，2005，35(9):14-18.

[2]陳文賓，丁叁叁.國(guó)產(chǎn)化CRH2型200 km/h動(dòng)車組鋁合金車體及技術(shù)創(chuàng)新[J].機(jī)車電傳動(dòng)，2008，(2):1-4.

[3]路 浩，馬子奇，劉雪松，等.300 km/h高速列車車體殘余應(yīng)力超聲波法無(wú)損測(cè)量[J].焊接學(xué)報(bào)，2010，31(8):29-32.

[4]路 浩，劉雪松，孟立春.高速列車車體服役狀態(tài)殘余應(yīng)力超聲波法無(wú)損測(cè)量及驗(yàn)證[J].焊接學(xué)報(bào)，2009，30(4):81-83.[5]張 健，雷 振，王旭友.高速列車6005A鋁合金型材焊接熱裂紋分析[J].焊接學(xué)報(bào)，2012，(4)：11-12.

[6]楊尚磊，孟立春，呂任遠(yuǎn)，等.高速車輛用A6N01鋁合金的脈沖 MIG焊[J].焊接，2008，(9):33-35.

Welding Procedure of Aluminium Alloy on High-Speed Train Car Body

CHENDong-fang
（CSR Qingdao Sifang Co.，Ltd.，Qingdao Shandong 26611，China)

Combined with the actual production of high-speed train car body,techniques improving welding quality of aluminum alloy are discussed from welding preparation,welding position,welding deformation and welding defect.

high-speed train；aluminum alloy；welding deformation；welding defect

TG457.1

B

1672-545X（2013）01-0069-02

2012-10-13

陳東方（1986—），男，山東鄆城人，助理工程師，碩士，現(xiàn)主要從事高速動(dòng)車組鋁合金車體工藝設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。