两种焊接衬垫在铝合金T形接头全熔透焊缝中的应用研究

杨丽，曾庆略

青岛四方庞巴迪铁路运输设备有限公司 山东青岛 266111

1 序言

目前，我国高速铁路和地铁建设项目发展迅猛，铝合金车体在高铁和地铁项目中也得到了广泛应用。作为焊接质量控制项点之一的铝合金T形接头全熔透焊缝，也是铝合金车体项目中重点控制的内容之一。

T形焊接接头能承受各种方向的力和力矩，是各种箱形结构中最常见的接头形式。由于T形接头焊缝向母材过渡急剧，接头在外力作用下扭曲很大，应力分布极不均匀，且情况比较复杂，在焊缝根部和脚部都有很大的应力集中[1]。为降低T形接头焊缝根部和脚部的应力集中，通常焊缝需要全熔透。在此情况下，焊缝反面余高的成形质量决定了该条焊缝的质量，最终决定了该条焊缝的实际承载能力。

焊接衬垫在全熔透焊缝的焊接过程中对焊缝反面起到衬托作用，使焊缝反面余高具有良好的成形，从而降低焊缝根部和脚部的应力集中等缺陷。不同结构的焊接衬垫使得焊缝反面余高的成形不同，若焊接衬垫的结构选择不当，则不仅不会起到增强焊缝质量的作用，反而会导致焊缝反面余高成形不良，影响焊缝质量。

本文针对T形接头全熔透焊缝，从实际操作角度出发，采用相同的母材，在焊缝背部分别添加两种不同结构的焊接衬垫——平焊接衬垫、带凹槽焊接衬垫。在焊材、焊接电流、电弧电压等焊接参数相同的情况下进行焊接，得到两种不同的接头试样。通过对两种接头试样的焊接质量分析，验证焊接接头形式较为适合的焊接衬垫。

2 焊接工艺试验

（1）母材及焊材介绍 为了研究不同的焊接衬垫对铝合金T形接头全熔透焊缝质量的影响，本文采用5083-H111铝合金材料试板进行试验，板厚采用8mm，其化学成分见表1，满足EN 573-3：2009要求。采用进口SAF-FRO/ER5356焊丝，φ1.2mm，其化学成分见表2，满足ISO 18273要求。

（2）接头形式 焊接试验T形接头如图1所示，将母材2加工出55°坡口，根部保留1mm钝边。

表1 5083-H111铝合金化学成分（质量分数） （%）

表2 ER5356焊丝化学成分（质量分数） （%）

图1 焊接接头坡口形式

（3）焊接衬垫结构 两种结构的焊接衬垫分别如图2所示。

图2 焊接衬垫结构

（4）组焊工艺 为获得良好熔深，在组装时，两母材之间需保留3mm组装间隙。分别在焊缝反面，贴紧两母材定位焊衬垫。采用PA（平焊）位置进行焊接，如图3所示。

图3 阻焊工艺

（5）焊接参数 两种接头采用三层三道进行焊接，打底层焊前进行100℃预热，填充及盖面焊保持层间温度80～100℃，具体焊接参数见表3。保护气体为99.999%Ar。

表3 试样焊接参数

3 试验结果分析

两种接头在焊后的宏观腐蚀金相试样如图4所示。

图4 试样金相

分别将两种接头的宏观金相试样放大10倍，可以看出：

对于平焊接衬垫试样，由于焊缝背部与衬垫间未有预留空间，使得打底焊时填充金属无法穿透焊缝背部，从而导致焊缝根部的背面几乎没有余高，即焊缝根部几乎没有熔深。因此，使得母材1与母材2没有形成真正的熔合，焊缝根部成为了应力集中点，当母材2承受向上的力时，由焊缝根部的应力集中点延展至整个焊缝长度，发生断裂的趋势大大增加，若载荷大到一定程度，则会导致焊缝沿断裂线开裂，如图5所示。

对于带凹槽焊接衬垫试样，由于焊接衬垫带有凹槽，在焊缝背部与衬垫间预留有一定的空间，并且在衬垫的衬托作用下，在焊接的整个热过程中，在焊缝的背部形成完整的熔池，从而在焊缝背部形成完整的熔深（见图6中熔深h=2mm）；且本文中讨论的衬垫凹槽形式为弧形，因此焊缝根部的熔池在冷却过程中受衬垫的衬托作用，使得背部余高与母材背面之间的夹角α＞90°，从而大大减小焊缝根部的应力集中，降低焊缝断裂的几率。

图5 平焊接衬垫接头（10×）

图6 带凹槽焊接衬垫接头（10×）

4 结束语

通过对铝合金T形接头全熔透焊缝背部两种不同垫板的接头焊接试验，可以得到以下结论：

1）在相同的焊接参数情况下，背部添加带凹槽焊接衬垫的接头，其焊缝背部的成形质量、熔深情况明显好于平衬垫接头。

2）背部添加带凹槽衬垫的接头焊缝强度明显高于背部添加平衬垫接头焊缝强度。因此，在车辆运行过程中，受疲劳载荷的作用，带凹槽衬垫的接头焊缝开裂风险明显低于平衬垫接头焊缝。

3）在实际生产应用中，优先选择带弧形凹槽的焊接衬垫，以确保焊缝背面成形的余高与母材反面之间的夹角α＞90°，从而更大程度上减小应力集中。