蘇州地鐵一號線車體總成門角焊接工藝

史曉東

1. 概述

蘇州地鐵一號線是我公司生產的第一個全焊接鋁合金B型車項目，車體主結構為整體承載的鋁合金型材輕量化焊接結構，各模塊之間都采用焊接形式連接，在車體制造過程中遇到很多焊接難題。門角是車體結構中的重要組成部件，焊縫設計性能等級要求高，但是門角結構復雜，焊縫集中，焊接應力大，容易出現焊接缺陷，而且焊接接頭形式又給焊接操作增加了很大困難，導致焊接質量很難保證。

通過試制車的生產，對門角焊接過程進行了一系列的跟蹤，采用不同的焊接方案進行探索，并采取有效的工藝措施，基本上解決了門角焊接過程中遇到的焊接難題。

2. 門角焊接過程中存在的問題

車體材料大量采用6000系列鋁合金，底架、車頂、側墻、端墻及司機室等重要焊接結構多采用擠壓中空型材或較厚板材。門角為復雜的中空型材結構，可以很好的滿足鋁合金車體輕量化和高強度的要求，如圖1所示。

整車共有32個門角，其中16個上門角和16個下門角。門角焊縫在車體結構中非常重要，焊接過程中會遇到以下焊接工藝難題。

第一，門角焊縫的設計性能等級高，但是其結構形式不僅使得門角焊縫處應力集中，而且存在交叉焊縫，焊接過程中由于過大的應力集中，容易出現焊接裂紋，嚴重降低焊縫質量。

第二，門角焊縫為HV坡口形式，55°的坡口，坡口清理工作困難，打底焊時如果清理不干凈，很容易產生未焊透和未熔合缺陷。上門角與車頂邊梁的焊縫為PD（仰角焊）焊接位置，焊工操作難度大，焊接質量難以保證；下門角與底架邊梁內側焊縫焊接時，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生。

第三，門角設計結構復雜，焊縫存在90°拐角，由于坡口深度較大，導致焊縫金屬在拐角處難以填滿，需要點焊添加焊縫金屬，使得焊縫表面成形不美觀，同時容易產生焊瘤、裂紋等缺陷。

圖1 門角結構

3. 門角焊接工藝制定

（1）門角焊接環境要求 鋁合金材料焊接過程中，要求環境溫度≥10℃，相對濕度≤60%，而且應在防風、防雨的室內進行焊接。門角是車體結構中的重要組成部分，它的焊接質量關系到整車的焊接性能，應盡量在滿足條件的環境中焊接。在門角焊接時，應特別注意濕度的影響，每次焊接前測量環境的相對濕度，如果濕度值超出焊接要求，應進行焊前的工作試件試驗，經過檢測合格，確定濕度對焊縫質量的影響在可以接受的范圍內時，再進行門角的焊接。

（2）門角焊縫坡口準備及清理 門角焊縫為（10+8）mm的HV坡口形式，10mm厚的板上開55°坡口，焊接間隙2~3mm，即墊板伸出長度2~3mm。裝配時保證焊縫間隙，可以提高焊槍的可達性，減少焊接裂紋和根部焊縫未熔合等缺陷。焊縫裝配好后，應使用丙酮清理焊縫坡口及其周邊20mm范圍內區域，去除鋁合金表面的油污、灰塵等雜質，避免焊接缺陷的產生。鋁合金表面有一層致密的氧化膜，它可以吸收水分，焊接時容易產生氫氣孔，需要去除。氧化膜去除時，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，嚴禁使用砂輪片打磨。因為使用砂輪片打磨不僅不能去除氧化膜，反而會將氧化膜帶進母材金屬，增加了焊接時氣孔、夾渣等缺陷產生的幾率。如果使用硬砂輪片打磨，還會讓其他雜質如硫元素進入焊縫，從而導致焊接熱裂紋。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，應立即進行焊接，防止打磨過的焊縫再次氧化。

（3）門角焊縫組裝要求 門角在總成焊接時，已經和側墻立柱焊在一起，與側墻模塊以整體的形式到總成臺位上進行焊接。門角焊縫為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，所以門角焊縫對組裝的要求很高，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。調整并測量好側墻模塊的組裝尺寸和門角焊接間隙后，使用總成工裝上的夾緊定位裝置對部件進行固定。側墻模塊與底架邊梁和車頂邊梁為插接形式，由于底架和車頂都會預置一定的撓度，來保證總成時的組裝要求，所以側墻模塊上還需使用下拉裝置，車頂上采用拉緊帶對側墻與底架和車頂邊梁組裝的間隙進行調整，保證門角焊縫的間隙在2~3mm。

門角的正確組裝，還關系到后面門封條與門角及邊梁的正確組裝精度，所以要嚴格要求，確保準確的組裝。車體各部件組裝工作全部完成后，要對各焊接部位進行定位焊固定，保證焊縫位置和焊縫間隙，門角定位焊形式如圖2所示。

圖2 門角定位焊形式

（4）門角焊接順序 合理的焊接順序能夠減少焊接變形，有效防止焊接裂紋。門角焊接時，先焊門角與底架邊梁外側的焊縫，再焊內側焊縫。由于焊前門角已經與側墻立柱焊接在一起，總成時立柱與底架邊梁也需要焊接，而且接頭形式與門角和底架邊梁的一樣，所以可以將兩條焊縫作為一條進行焊接，從而減少焊接缺陷和提高作業效率。

門角與底架邊梁的焊縫分為四層完成焊接，先進行打底焊，從中間向兩邊焊接，收弧點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，應嚴格控制焊縫層間溫度，做好層間焊縫清理，接頭處應進行修理，圓滑過渡，減小焊縫應力集中和焊接缺陷。外側焊縫完成后，進行內側焊縫的焊接。門角與車頂邊梁的焊接過程同與底架邊梁焊接，只是焊接位置為PD，焊接時注意控制焊槍角度和弧長，減少焊接缺陷。

（5）門角焊接預熱及層間溫度控制 鋁合金焊接時，當板厚達到8mm以上時，需要進行焊前預熱。預熱時間對鋁合金強度的影響很大，生產過程中，要嚴格控制預熱時間，一般采用快速集中的熱源進行預熱，如丙烷火焰預熱。由于鋁合金的熱導率較大，所以預熱溫度應控制在70~90℃之間，不要超過120℃，層間溫度控制在100℃以下。如果預熱溫度過高，除了焊工的作業環境惡劣以外，還有可能對鋁合金的合金性能造成影響，出現接頭軟化現象，形成不好的焊縫外觀。另外，層間溫度過高，也會使焊縫產生熱裂紋的幾率增加。

（6）選擇合適焊接參數 影響鋁合金焊接的主要參數是焊接熱輸入，因為鋁合金的導熱系數是鋼的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，會導致熔深不夠、未熔合及焊接裂紋等缺陷。焊接時采用左焊法，焊槍角度控制在80°～90°之間，焊槍角度過大時，保護氣體會不充分，造成氣孔和裂紋缺陷；過小時，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，由于液態鋁的表面張力很小，焊接熔池容易出現“下沉”現象，造成焊縫成形不好，如圖3所示。

為了避免這一現象，仰焊時盡量采用短弧焊接，壓低電弧，獲得窄而小的焊縫，同時要提高焊接速度，防止燒穿現象，正常的焊縫如圖4所示。合理的焊接參數如附表所示。

圖3 PD位置，焊縫金屬“下沉”現象

圖4 PD位置，采用短弧、快速焊接的焊縫

門角焊接參數

4. 結語

蘇州地鐵一號線車體總成門角焊縫由于設計性能等級高、焊接位置差等因素而成為總成焊接的一大難點，事實證明生產中通過合理控制焊接環境、焊前準備、組裝要求、焊接順序及焊接參數等關鍵因素，可以避免門角焊接過程中經常出現的各種缺陷，保證了焊接質量。在對門角工作試件的接頭宏觀金相觀察時，沒有發現焊接裂紋、氣孔、未焊透等缺陷，焊縫熔合良好，達到了要求的焊接質量。