鋁合金枕梁厚板長直焊縫自動焊接研究

王 強，張坤倫

（遼寧忠旺集團有限公司，遼陽 111003）

0 前言

隨著軌道交通車輛的快速發展，安全、可靠、快速、經濟、適用的設計理念對產品的研發水平提出了更高的要求[1-2]。由于鋁合金具有密度小、耐腐蝕性好、比強度高、加工及塑性好等諸多優點，以及車輛輕量化的設計需求，使得鋁合金結構車體在城軌、地鐵等城市軌道車輛上的應用逐步推廣[3-5]。車體枕梁是列車與轉向架之間牽引傳動的紐帶，是車體上同時承受拉伸和壓力載荷的關鍵部件，其強度、剛度對車輛運行的安全性和可靠性有重要影響[6-7]。枕梁的焊接主要是采用手工焊接，且因其板材較厚常采用多層多道焊。由于鋁合金材料的熱導率大，散熱快，導致焊接變形較大；同時手工焊焊縫接頭多，易產生缺陷，外觀也較差。

本文結合實際經驗對枕梁的自動化焊接進行了研究和分析，進而獲得效果理想的焊接工藝，以達到提高焊接質量、降低勞動強度、提高生產效率的目的。

1 試驗材料及方法

試驗材料為2塊6005A-T6地鐵枕梁型材，長度為2 700 mm，枕梁型材與枕梁下蓋板對接側的板厚為18 mm，另一側為13 mm；枕梁下蓋板材質為6082-T6，尺寸為2 145 mm×240 mm×18 mm。焊絲為ER5087，規格為φ1.2 mm。型材及焊絲的化學成分為如表1所示。

表1 鋁合金型材及焊絲化學成分（質量分數/%）

此型號的車體枕梁圖如圖1（a）所示。該枕梁只有下蓋板，另一側為枕梁型材直接組對。形成13V焊縫，枕梁組裝焊縫圖如圖1（b）所示。焊接選擇自動焊和手工焊兩種方式焊接進行對比，兩種焊縫坡口角度均為70°，鈍邊為1 mm，焊接層道數如圖2所示。其中，自動焊采用擺動焊接蓋面的方式，手工焊采用壓道焊接蓋面。因手工焊一次焊接長度最大為600 mm，所以整條焊縫上會有4處焊接接頭。

圖1 枕梁結構示意圖

圖2 枕梁坡口形式示意圖

分別采用自動焊和手工焊進行焊接，工藝參數所如表2和表3所示。兩種焊接均采用熔化極惰性氣體保護焊，保護氣體為純度99.999%的高純氬氣。在枕梁的焊接過程中，要求先將枕梁型材之間的立板進行點固焊接，然后再焊接型材之間的13V焊縫和型材與蓋板之間的18V焊縫。在焊接13V和18V焊縫之前應先在工裝胎具上進行預制反變形，同時在焊接時采用13V和18V焊縫交替焊接的方式，以減少由于熱量過于集中、板厚不對稱等原因引起的焊接變形。焊后以18V焊縫為例，對兩組試件分別進行焊縫外觀、宏觀金相、微觀金相觀察以及滲透、X射線、力學性能檢測。

表2 18V焊縫自動焊焊接工藝參數

表3 18V焊縫手工焊焊接工藝參數

2 試驗結果及分析

2.1 外觀檢測及滲透檢測

從圖3中焊縫外觀形貌可以明顯看出，自動焊的焊縫細小、均勻、整體外觀比手工焊更加美觀。自動焊蓋面采用的是擺動焊，為一道雙絲擺動蓋面，這樣可以減少焊接道數；同時擺動焊接速度明顯低于多道焊蓋面的速度，這樣熔池內金屬凝固速度減慢，因此增加了氣孔溢出的時間，加長了組織凝固時間，從而減少了焊縫內部缺陷。這樣，在蓋面時就不會產生多道焊蓋面的缺陷；且焊縫內無焊接接頭，這樣就減少了產生缺陷的概率，同時生產效率也大大提升。按ISO 23277-2X要求對焊縫表面進行滲透檢測，結果顯示合格。

圖3 合格焊縫外觀形貌

2.2 X射線檢測分析

根據標準ISO 17636對焊縫進行X射線檢測，結果顯示符合標準ISO 10042-B級要求，且手工焊和自動焊的焊縫均沒有未熔合、裂紋等焊接缺陷。

2.3 力學性能試驗分析

按ISO 4136要求對18V焊縫手工焊和自動焊試樣進行拉伸檢測，結果如表4所示。由數據可知，二者的斷裂位置均在熱影響區，試件的力學性能良好，彎曲性能也好，沒有裂紋產生。

表4 18V焊縫接頭力學性能試驗

2.4 焊縫宏觀分析

從圖4的焊縫宏觀金相上可以看出，各層焊道熔合良好，根部完全熔透，沒有發現裂紋，也無層間未熔合及夾雜等缺陷，符合ISO 10042-B要求。

圖4 焊縫截面宏觀形貌

2.5 微觀金相分析

圖5為手工焊和自動焊焊縫微觀晶粒度圖片。從圖中可知，自動焊焊縫晶粒更加細小、均勻，手工焊則稀疏，晶粒粗大。自動焊由于焊接速度快，冷卻時間短，晶粒聚集長大的時間短，所以焊縫內部組織細小均勻；但由于熔合區過冷度較大，晶粒向著過冷度較大的方向生長，最終在熔合區形成片狀的羽毛晶，而羽毛晶的力學性能不會比等軸晶組織的力學性能差[1]，故自動焊的力學性能良好。對于手工焊，由于其焊接速度慢，熱輸入量較大，冷卻速度慢，但熔合區過冷度較大，故在熔合區形成更大區域的向固相方向生長的片狀羽毛晶，加大了產生晶間液化裂紋的趨勢[2]。而且在片狀羽毛晶之間出現光亮晶粒，使焊縫力學性能下降，但因其存在于羽毛晶間隔之下，使得熔合區的力學性能下降不明顯。從圖5中的（c）、（d）對比也可以看出，手工焊的樹枝晶更為粗大、稀疏，自動焊樹枝晶細小，且組織更均勻。綜上所述，從微觀組織角度來看，雖然二者的綜合試驗數據不相上下，但自動焊的焊縫組織結構更致密，產生缺陷的傾向更小。

圖5 兩種焊接工藝焊縫的微觀金相

3 結論

（1）采用自動焊對地鐵枕梁的型材、蓋板之間的厚板長直焊縫進行焊接，并對焊縫進行了宏觀、微觀金相、力學性能試驗及X射線檢測，結果表明焊縫質量符合設計要求，其焊接工藝合理，可以作為地鐵厚板自動焊接工藝的參考，且可以應用于城市軌道車體關鍵部件的焊接。

（2）自動焊的外觀明顯優于手工焊，而且由于自動焊在整個焊道內無焊接接頭，使其發生缺陷的概率要低于手工焊。同時自動焊的生產效率比手工焊的高。

（3）特別是在北方雨季或者南方城市的軌道車輛的生產，自動焊的擺動焊接可以很好地控制熔焊焊縫內部氣孔的數量，從而達到標準要求。

（4）此種工藝也可應用于其它鋁合金車體部件產品的厚板長直焊縫得焊接中。