高速動車鋁合金車體雙層中空薄壁型材表面損傷挖補修復工藝

王鵬 仲積峰 丁見

1. 概述

目前鋁合金車體大量使用擠壓型材作為結構材料，其牌號為A6N01S—T5，屬于6000系列，為熱處理強化鋁合金，在車體的端墻、側墻、頂棚、邊梁等部件達到了廣泛的應用。由于A6N01S—T5有優良的擠壓性能，通過制作成雙層中空型材，內部設計橫向或是斜向的加強筋，板厚在2～3.5mm之間，既有效的提高了結構的強度，又大大減輕了車體的自身的重量。

在車體生產過程和車體運營過程中，雙層鋁型材單側偶爾會受到較大外力的沖擊導致局部損傷，如劃痕、凹陷、母材撕裂，圖1為側墻型材表面損傷。

一般情況下，當出現雙層型材表面出現損傷時，按照如下原則進行處理：

（1）型材表面因打磨或碰撞等產生的深度＜0.5mm的平緩凹陷可不處理。表面線狀劃傷，深度在板厚1 0%以內且不超過0.5mm的，打磨消除。凹陷和劃傷在0.5~1mm之間的采用堆焊磨平處理。

（2）型材表面因碰撞產生的凹陷，若有開裂、破損，需對其進行焊接修復。外觀檢查和滲透探傷確認無裂紋的情況下，采用焊接工藝拉桿向外拉緊的方法將其調平。若開裂甚至穿孔較大的，采用挖補焊接修復方法。

對于型材損傷需要進行挖補的，是施工過程中的難點，我們通過分析型材的特點，制定了切實可行的工藝措施。這樣既保證了結構的強度，最大限度的恢復原部件的形貌，又可以降低施工難度，提高修復成功率。

2. 雙層型材挖補焊接修復結構

鋁合金動車車體雙層型材的截面形狀和結構原理大致相當，圖2為型材部位截面。型材表面開裂、破損情況具有以下特點：

（1）在型材內部為中空的區域在受到較大外力作業時，易發生型材表面開裂或破損。原因是該區域母材內部無加強筋作為支撐，而且在該區域的中間位置為抗彎能力最差的區域，也往往是損傷最為嚴重的區域。

（2）型材部分空腔內表面貼有減震材料，如果損傷部位產生在該區域，焊接修復時接頭區域背部減震材料必須徹底清除，否則受到焊接熱影響會產生對焊縫有害的物質，導致大量的焊接缺陷。

圖1 側墻型材表面損傷

圖2 型材截面

（3）為了保證修復完成后其表面與周圍區域齊平，必須采用同樣厚度、同樣材質的材料為補板，因此，最合適的焊接接頭形式為對接接頭。由于型材的厚度大部分在2～3mm之間，板厚較薄，所以為了降低操作難度，提高修復成功率，宜采用背部帶永久性襯墊的對接接頭形式進行焊接。

（4）從型材表面可以明顯看出擠壓纖維方向和外形弧度形狀的，在預制補板時必須考慮補板的纖維方向和弧度與型材相吻合。

3. 雙層型材挖補焊接修復工藝

（1）焊接方法 鋁合金焊接方法主要有兩種，分別是熔化極惰性氣體保護焊和鎢極氬弧焊，這兩種焊接方法都可以作為焊接修復的最佳選擇。在鋁合金生產過程中應用最為廣泛的是MIG焊接方法，持有該焊接資質的人員比較普遍，故選用MI G焊接方法更為適合。

（2）焊接設備與材料 MIG焊接設備需具有脈沖功能和 “4T”功能（即提前送氣→起弧→收弧→滯后停氣），這樣可以得到穩定的電弧和良好的氣體保護效果；焊絲采用ER5356鋁合金焊絲，φ 1.2mm，該種焊絲有優良的鋁合金焊接性能，小直徑焊絲可以有效的降低熱輸入量，特別適用于薄板焊接。

（3）焊接位置 焊接時的最佳位置為平焊位置（PA）, 如果受到空間位置限制也可以選擇橫焊（PC）和立向上焊（PF），盡量不采用仰焊位置(PE)，同時鋁合金焊接時不允許采用立下向焊接（PG）。

（4）施工環境 現場的溫度≥8℃，濕度≤80%，否則需對接頭附近區域進行預熱處理，環境風速≤1m/s。

（5）焊接參數 為了得到可靠的焊接參數，需要在現車正式施工前制作焊接試件，確認最終的焊接參數。焊接試件需嚴格按照現車的尺寸制作。

4. 雙層型材挖補焊接修復過程

（1）修復前準備 將焊縫周圍1 000mm范圍內的內裝件、防寒材等低熔點和易燃物拆除。徹底清除破損部位表面膠體等附著物，焊接時對車內電線使用防火布及隔熱材防護。仔細清除側墻型材待修復部位內腔表面，確保焊接位置50mm范圍內有機物等雜質殘留。破損孔洞及破損型材加強筋打磨修整，保證孔洞及加強筋邊緣修整平整并圓滑過渡后維持現狀；將帶修復部位型材外表面打磨平整。使用吸塵裝置仔細清理破損位置型材內部雜物（鋁屑、減震材、異質物等）。對裂紋周圍至少50mm范圍區域進行PT探傷，明確裂紋長度、起始位置以及有無其他裂紋。根據PT探傷確定的裂紋狀態后，劃定側墻板需覆蓋位置，要求劃線盡量采用直角劃線方式，劃線位置距離裂紋末端至少10mm間距。裂紋末端需用鉆頭打止裂孔，防止裂紋擴展。根據探傷情況，對型材表面適當打磨修整。

（2）割除缺陷 根據PT探傷的區域對缺陷進行割除，切割時需注意切割區域邊緣形狀規則且圓滑，不準許存在尖角及直角，節點位置要保證＞R10mm的圓角過渡（見圖3）。

（3）襯墊安裝與焊接 根據缺陷清除的形狀預制永久性襯墊，襯墊的外形與割除尺寸相同，要求其尺寸比修補尺寸＞5~20mm，厚度在3~6mm之間，材質為A5083P—O（見圖4）。

在安裝墊板時先去除襯墊表面的氧化膜和油污，然后置于型腔內焊接固定，注意必須與型材貼合緊密，不能有間隙。焊接固定時應該避開端部應力集中區。

圖3 割除區域

圖4 墊板尺寸與安裝示意

首先焊接襯墊與母材的搭接焊縫，分兩段進行焊接，如圖5所示。首先焊接F1焊縫，起弧點與收弧點分別位于上下焊道的中間部部位；然后清理黑灰，修整起弧收弧點，要求修整成斜面圓弧過渡，修整長度在5mm左右，如圖6所示。最后進行F2焊縫焊接，起弧點與收弧點與第1到焊縫重合。兩條焊縫的焊接參數如表1所示。

焊接完成后需對整條焊縫進行修整，要求修整為HV坡口，坡口角度為30°~35°之間，底部焊縫寬度保留3mm左右。圖7為焊縫修整示意。

（4）補板安裝與焊接 根據缺陷清除的形狀預制補板，襯墊的外形與修補尺寸相同，要求其尺寸比修補尺寸小5mm，材質和厚度與被割除型材相同，如圖8所示。安裝時注意補板與型材的擠壓纖維方向一致。在安裝墊板時先去除襯墊表面的氧化膜和油污，然后根據放置在襯墊上，這里特別注意四周與母材的間隙要均勻，然后進行焊接固定。

補板完成后先對其修整坡口，要求修整完成后焊接接頭坡口角度在60°～70°之間，不留鈍邊。坡口修整如圖9所示。

然后焊接襯墊與母材的對接焊縫，分兩段進行焊接，焊接時要求在起弧和收弧處設置引弧板和收弧板，焊接完成后再將其去除。如圖10所示，首先焊接S1焊縫，起弧點與收弧點分別位于上下焊道的中間部部位。然后清理黑灰，修整起弧收弧點，要求修整成斜面圓弧過渡，修整長度在5mm左右。最后進行S2焊縫焊接，起弧點與收弧點與S1焊縫重合。兩條焊縫的焊接參數如表2所示。圖11為焊接完成后焊縫示意。

（5）焊后處理及檢驗 待焊縫溫度冷卻到室溫后用砂輪機將焊縫余高磨平，注意打磨的切削方向與焊縫垂直，打磨的進給方向與焊接方向相反，同時不要損傷焊縫兩側的母材；然后用千葉磨片拋光處理。磨平后對焊縫進行滲透探傷，檢驗等級按照ISO10042 C級執行。

圖5 墊板焊接示意

表1 主要焊接參數

圖6 起弧收弧點修整示意

圖7 焊縫修整示意

圖8 補板尺寸與安裝示意

圖9 補板坡口修整示意

表2 主要焊接參數

圖10 焊接示意

圖11 焊接完成后焊縫示意

5. 結語

通過實踐證明，該焊接修復的重點和難點在焊接準備工作上，如在焊接修復前需要制作模擬試件以確定合適的焊接參數，結合滲透探傷的結果來確認缺陷割除的范圍，徹底清除焊縫周圍對焊接有害的污物；為了提高焊縫質量，降低焊接難度，必須仔細安裝襯墊和補板，修整坡口形狀等。故在整個焊接修復過程中，只有重視每一步的細節，才能得到優質的焊縫。

[1] 胡黃輝.鋁合金MI G焊時氣孔的預防[J]. 株洲：電力機車與城軌車輛，2003.

[2] 陳祝年.焊接工程師手冊[M].北京：機械工業出版社，2002．