A型铝合金地铁底架焊接工艺及质量控制

2015-04-23唐衡郴吴晓明张明伟

金属加工(热加工) 2015年16期

唐衡郴吴晓明张明伟

1. 概述

底架是A型铝合金地铁车体的重要组成部分，由于底架上面承载乘客重量下部悬挂各种设备，是列车各车箱之间牵引传动的重要部件，承受来自车钩、转向架等巨大的冲击载荷，所以底架及部件的焊接质量对车辆的安全运行和使用寿命起到至关重要的作用。铝合金在焊接过程中容易产生气孔、未熔合及裂纹等焊接缺陷，因此必须采取相应措施，确保焊接质量。

本文结合底架焊接难点问题进行分析研究，通过采取优化焊接工艺、调整操作手法、改进装配质量等措施，提高了底架的焊接质量，为地铁列车制造技术的发展提供借鉴。

2. 底架结构及焊接工艺

A型地铁底架为全焊接结构，分头车底架和中间车底架，中间车底架的两端结构与头车底架二位端的结构基本相同。头车底架由一位牵引、两个枕梁、二位牵引、左右边梁和地板及底架附件组合焊接组成，底架的认证等级为EN 15085—CL1级部件，焊缝质量等级为CP C2级，头车底架的结构如图1所示。

针对A型地铁底架设计结构和焊接工艺性，采用先分别焊接枕梁、牵引、地板等大部件的工艺顺序，然后在底架正装焊接工装上以边梁和枕梁中心线为基准装配枕梁和牵引，先将以上五个部件焊接到一起形成底架正装主体结构。装配地板，先焊接地板与边梁的连接焊缝，即完成了底架正装的主件焊接；然后在底架反装焊接工装上完成牵引、枕梁、边梁及地板间的连接焊缝；最后在底架附件焊接工装上焊接底架附件。

A型地铁底架采用单脉冲熔化极惰性气体保护焊（MIG—t），主要焊接填充材料为ER-5087，f1.2 mm的盘状焊丝。焊接保护气体为70%Ar+30%He，气体流量为15～22L/min。焊接电源采用直流反接。

3. 底架焊接技术难点及工艺措施

图1 A型地铁头车底架结构

（1）牵引焊接变形牵引由车钩面板、上下盖板、牵引梁及加强筋等组合焊接而成，且构件多为10mm及以上的铝合金中厚板。由于铝合金导热性好，热膨胀系数大，MIG焊接热输入大，所以焊后容易产生变形；操作时焊接顺序不合理使焊接变形累积，导致上盖板、车钩面板平面度超差；连接梁与上下盖板间有多块筋板，筋板与上盖板之间为双面角焊缝，与下盖板、牵引梁之间均为8HY+a8。由于焊接操作手法不合理，装配间隙大，使焊接填充量增加，从而增加了热输入量，导致上盖板焊接变形较大。车钩面板处的支撑板与面板之间为双面7.5mm深的HV形焊缝且清根PT，清根较深焊接填充量大，导致车钩面板焊后平面度超差，如图2a~图2b所示。

为了控制上盖板变形，连接梁与上下盖板间筋板点固后，先焊接筋板与下盖板处8mm深的HY坡口焊缝及其背部角焊缝，此时筋板处于自由收缩状态充分释放应力，再焊接上盖板与筋板间角焊缝降低应力叠加造成的变形，从而有效保证了上盖板的平面度。为了控制车钩面板垂直度，焊接外侧打底焊缝时电流略大并使电弧略偏向厚板减少清根量，从而降低填充量减小热输入和变形；焊接背部焊缝时采用中间向两边分段退焊法避免应力集中降低变形，同时采用刚性固定法在下盖板增加F型夹具，限制其自由收缩控制变形。优化工艺参数，调整电压、电流、电弧脉冲等焊接参数的匹配性，在保证焊缝熔合质量的前提下，尽量减少焊接热输入量，从而减少变形。同时提高装配质量，角焊缝及HY焊缝尽量装配严密无间隙，减少焊缝填充量和焊接收缩，最大限度的降低焊接变形。通过采取以上工艺方法，有效控制了牵引焊接变形，保证了焊接质量，大大提高了生产效率，如图2c~图2d所示。

（2）枕梁组成垫板焊瘤、焊穿问题枕梁上、下盖板与枕梁型材间主要焊缝设计为V形，焊缝长2 880mm，采用枕梁型材自带的永久性垫板，并且直通焊缝焊后要求100%射线（RT）检测。由于型材自带垫板沟槽深且壁厚较薄，焊前装配质量不好、焊工操作方法不合理、工艺参数匹配性低等原因，致使首个枕梁V形焊缝垫板焊瘤达10处之多，造成大量返修（见图3a）；RT检测发现焊缝根部有裂纹等缺陷，严重影响了焊接质量。

焊接缺陷产生的原因：由于A型地铁枕梁型材自带垫板沟槽深且壁厚薄（见图3b~图3c），打底焊接时熔化的金属大部分都填充在垫板的沟槽中，导致垫板因热输入过大而产生焊瘤、焊穿。另外，打底焊缝焊接前，由于焊接装配间隙过大，焊接填充量大，导致型材自带垫板上焊接热量集中，出现垫板焊瘤、焊穿现象；焊缝根部因热输入过大而产生焊接裂纹缺陷；焊接操作方法不规范导致焊缝热输入大、局部热量集中，同时焊接参数的匹配性差对焊接质量也有重要影响。

为了保证枕梁的焊接质量，首先提高装配质量，焊前装配间隙严格控制在3mm左右，坡口钝边1mm，增加定位断焊的长度，尽量保证焊缝间隙的一致性；其次优化工艺参数，打底焊缝焊接电流由230A降到190A～210A，并调整电压、电流、电弧脉冲等焊接参数的匹配性，在保证焊缝根部熔合良好的情况下提高焊接速度，避免焊缝根部热量集中,焊接参数如表1和表2所示。另外优化焊接顺序，先焊接正装两条10mm深V形焊缝打底焊接，再焊接反装两条15mm深V形焊缝的打底焊接，并且充分利用焊缝的余热正反装两面翻转焊接，控制层间温度并减少预热次数，减少焊接热输入。针对2 880mm长的焊缝，每一道焊缝都采用从中间向两边分段跳焊，且每段焊缝长度均控制在450mm左右，同时控制好焊接热输入，避免焊接热量集中。

图2 牵引组成焊接

图3 枕梁组成焊接

通过采取以上措施，有效提高了枕梁的焊接质量，避免了垫板焊瘤、裂纹引起的大量焊缝返修，直通的V形焊缝焊后RT合格率95%以上，大大提高了焊接质量。

（3）底架组成焊接变形控制首个A型地铁底架焊接完成后，发现底架两端上翘、两个枕梁中心线对角线的的公差接近设计公差极限，同时靠近两端的地板与边梁连接处焊缝附近局部存在断续的焊接变形。由于底架为扁平长型的空腔结构特征，故矫正变形的调修工作量非常大，严重影响了工件质量和底架焊接生产周期。底架组成焊接后产生变形是导致上述问题的主要原因，由于焊接本身是快速加热又迅速冷却且部件不均匀受热的过程，导致底架焊后容易产生变形。MIG焊接热输入大，焊前未设置焊接反变形且操作时的焊接顺序不合理，使焊接变形不断累积，导致底架两端上翘。在底架正装，牵引、枕梁与边梁装配焊接成底架正装主体结构时，装配方法不合理、焊接顺序不正确等导致焊后底架枕梁中心线发生偏斜，从而导致枕梁中心对角线出现尺寸偏差。底架地板与边梁连接大线焊缝的焊接顺序不合理，使焊接应力无法充分释放而汇集在底架两端，导致焊缝局部变形。

为了控制底架组成焊接变形，采取了以下工艺措施：①规范枕梁装配，枕梁装配以空气簧管孔为定位基准，确定枕梁的横向及纵向尺寸，以高度定位块为基准定位枕梁的高度尺寸；调整枕梁位置并测量两枕梁对角线之差≤3mm，然后装配边梁如图4a所示。②底架两端，采用图4b中的焊接顺序，即先焊接枕梁与边梁连接焊缝、然后焊接牵引梁与边梁连接焊缝，最后焊接枕梁与牵引连接的焊缝，保证了底架正装主体结构两端变形均匀，从而确保了枕梁中心对角线的尺寸公差满足设计要求。③在焊前装配时，预制反方向的变形量以抵消（补偿）焊接变形。底架反装时，先按图4b中的焊接顺序点固枕梁、牵引、边梁及地板，然后按图4c在底架两端部即枕梁往外整体向下设置50～60mm的焊接反变形量。④地板与边梁组成的底架大线焊缝，正反装均由两名焊工从底架中心往两端，采用斜对角线分段退焊的方法同时焊接，充分释放焊接应力，有效控制了焊后变形，减少车体调修工作量。⑤在装配时，底架大线角焊缝尽量严密无间隙，这样可以减少焊缝填充量和焊接收缩，最大限度的降低焊接变形，改善焊缝成形。