劉 學(xué)，于 欣，宋 寧

（遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼陽(yáng) 111003）

0 前言

隨著交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，對(duì)車體材料的性能要求越來(lái)越高。鋁合金由于具有耐腐蝕性和比強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，在軌道車輛上得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。鋁合金在高速列車車體中的應(yīng)用已成為當(dāng)今世界各國(guó)研究的熱點(diǎn)。日本、西歐等國(guó)廣泛采用6005A鋁合金制造高速列車車體[3]，我國(guó)許多科研工作者也在該領(lǐng)域開(kāi)展了大量的研究工作。雷莉等人分析了鋁合金B(yǎng)型地鐵車輛車頂自動(dòng)焊工藝特點(diǎn)及鋁合金B(yǎng)型地鐵車輛車頂自動(dòng)焊工裝的缺點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出了鋁合金B(yǎng)型地鐵車輛車頂自動(dòng)焊柔性化工裝[4]；王躍海等人通過(guò)對(duì)車頂增加反變形量、工藝放量和進(jìn)行剛性約束，有效地控制了車頂尺寸[5]。

某項(xiàng)目車頂邊梁總成是由兩塊車頂邊梁型材焊接成一體。車頂邊梁作為軌道車輛的重要部件，保證其焊接質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率成為生產(chǎn)過(guò)程中亟待研究的課題。

1 車頂邊梁焊接制造難點(diǎn)分析

（1）焊縫產(chǎn)生密集氣孔。焊接時(shí)，氫進(jìn)入焊接熔池，氫在液態(tài)金屬熔池內(nèi)的溶解度大。但冷凝時(shí)氫在低溫液態(tài)金屬及固態(tài)金屬內(nèi)的溶解度小，鋁合金熔池冷凝過(guò)程中氫氣來(lái)不及溢出，導(dǎo)致焊道易產(chǎn)生氣孔[6]。由于車頂邊梁焊縫為5V坡口，相對(duì)自動(dòng)焊填充量較大。當(dāng)填充量較大時(shí)，熔敷金屬中氫含量相應(yīng)提高，焊縫冷卻時(shí)需溢出的氫氣隨之增多；加之邊梁型材材質(zhì)為6005A-T6，焊縫處極易產(chǎn)生密集氣孔。

（2）焊后調(diào)修難度大。傳統(tǒng)的先焊接后機(jī)加工邊梁窗口的工序，由于焊接變形，邊梁不便于裝夾在機(jī)加工平臺(tái)夾具上；且機(jī)加工后焊接應(yīng)力釋放，窗口變形量極大，后續(xù)調(diào)修難度大大增加。

2 焊縫表面氣孔成因分析實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)方法及結(jié)果

根據(jù)以往自動(dòng)雙絲焊接經(jīng)驗(yàn)，自動(dòng)雙絲焊接時(shí)5V坡口極易產(chǎn)生密集氣孔。對(duì)于采用6005A-T6材質(zhì)的車頂邊梁型材，通過(guò)改變后絲功率、焊接速度、組對(duì)間隙，觀察焊縫質(zhì)量，選定其最佳工藝參數(shù)。為保證焊道根部融合，前絲功率選定為70%不變，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 自動(dòng)焊雙絲焊接焊縫表面氣孔實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 后絲功率對(duì)焊縫質(zhì)量的影響

當(dāng)前絲功率70%、后絲功率68%時(shí)焊縫無(wú)氣孔，質(zhì)量好，如圖1所示。當(dāng)后絲功率增大到76%以上，開(kāi)始出現(xiàn)氣孔，82%以上氣孔嚴(yán)重，且用鋼絲刷難以去除。經(jīng)分析，當(dāng)后絲功率增大到76%以上時(shí)，由于熱輸入量過(guò)大，熔池高溫停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，周圍水蒸氣進(jìn)入焊縫熔池金屬中，導(dǎo)致吸附氫量增多，形成大量氣孔[7]。

圖1 第3組工藝下焊縫表面質(zhì)量

2.2.2 焊接速度對(duì)焊縫質(zhì)量的影響

在前絲功率70%、后絲功率68%，焊接速度超出86～95 cm/min范圍時(shí)，無(wú)論速度加大或減小都會(huì)產(chǎn)生氣孔。

焊接速度低于86 cm/min時(shí)，焊縫金屬較高，焊縫成型系數(shù)小，焊縫與后絲焊接電弧距離較近，焊接電弧攤不開(kāi)，鋁合金在凝固區(qū)由于殘留融化物流動(dòng)時(shí)受到枝間晶體的阻礙，使得氣孔停滯在焊縫近表面，如圖2（a）所示。

而當(dāng)焊接速度太快時(shí)，經(jīng)過(guò)噴嘴時(shí)形成的近壁層流很薄，氣體噴出后，很快發(fā)生紊亂，而且容易把空氣卷入，對(duì)熔池的保護(hù)效果變差，使得空氣中的元素?fù)綂A到焊縫中。同時(shí)，因溫度場(chǎng)失去了氣體保護(hù)，熔敷金屬冷卻速度加快，氫來(lái)不及溢出，因而形成氣孔，如圖2（b）所示。

圖2 不同焊接速度下焊縫表面質(zhì)量

2.2.3 組對(duì)間隙對(duì)焊縫質(zhì)量的影響

焊縫填充量過(guò)大時(shí)（間隙超過(guò)0.8 mm），減小速度、增大前絲、后絲功率都會(huì)造成氣孔的出現(xiàn)。組對(duì)間隙超過(guò)0.8 mm時(shí)，焊絲填充量增大，摻入焊道中的氫含量增多，熔池冷卻過(guò)程中氫氣大量溢出，停滯在焊縫表面，形成氣孔，如圖3所示。

圖3 第11組工藝下焊縫表面質(zhì)量

故將焊接工藝參數(shù)定為：前絲功率70%，后絲功率68%，焊接速度90 cm/min。如果遇到焊縫凹陷、坡口填充量不足時(shí)，調(diào)整后絲功率并增加到72%后仍無(wú)法保證焊縫填充量時(shí)，應(yīng)及時(shí)停止，適當(dāng)降低焊接速度，確保焊縫質(zhì)量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 新型車頂邊梁焊接工藝

3.1 前期理論分析

傳統(tǒng)的先焊接后機(jī)加工窗口工序存在如下缺點(diǎn)：

（1）產(chǎn)生焊接變形，導(dǎo)致車頂邊梁不便于裝夾在機(jī)加工平臺(tái)夾具上。焊接變形是產(chǎn)品焊接過(guò)程中不可避免的，由于鋁合金具有高導(dǎo)熱性，焊接變形尤其嚴(yán)重。故考慮先機(jī)加工窗口再進(jìn)行焊接可以避免焊接變形后裝卡困難的問(wèn)題。這需要嚴(yán)格控制焊接質(zhì)量，減少返修次數(shù)。因此在保證焊接質(zhì)量的基礎(chǔ)上，可采用先機(jī)加工后焊接的方法。

（2）機(jī)加工窗口后焊接應(yīng)力釋放致使調(diào)修難度大。金屬焊接后不僅產(chǎn)品外部產(chǎn)生變形，其內(nèi)部也會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力。所以焊接完成后再機(jī)加工時(shí)，由于內(nèi)部應(yīng)力釋放，車頂邊梁即產(chǎn)生二次變形，二次變形十分不規(guī)律，調(diào)修難度非常大。若采用先機(jī)加工后焊接的方法則可以避免此二次變形的產(chǎn)生。

3.2 制作焊接工作試件

選用上文實(shí)驗(yàn)得到的焊接參數(shù)編制焊接工藝規(guī)程并焊制工作試件，如圖4、圖5所示。焊接完成后對(duì)焊縫進(jìn)行目視檢測(cè)、滲透檢測(cè)及宏觀低倍刨檢。目視檢測(cè)可以確保焊縫表面無(wú)夾渣、未熔合、氣孔等缺陷；滲透檢測(cè)可以檢驗(yàn)?zāi)恳暀z測(cè)無(wú)法識(shí)別的焊縫表面開(kāi)口缺陷，如微裂紋等，對(duì)目視檢測(cè)起到了補(bǔ)充作用；宏觀低倍刨檢可以有效查看焊縫內(nèi)部的熔合情況，以確保熔深滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求、查看焊道內(nèi)部氣孔及夾渣情況[8]。

圖4 自動(dòng)焊工作試件

圖5 型材點(diǎn)固工作試件

3.3 焊前準(zhǔn)備

（1）設(shè)備及材料：車頂邊梁組成反裝工裝、車頂邊梁組成正裝工裝、自動(dòng)焊焊接機(jī)器人、MIG焊機(jī)（福尼斯焊機(jī)TPS5000）。焊材：ISO18273 S AL5087φ1.2（ESAB）、旋轉(zhuǎn)銼、鋼絲輪、平板銼、千葉片、切割片、吹風(fēng)槍、氣體流量計(jì)。

（2）產(chǎn)品工裝。制作產(chǎn)品隨形工裝，其中反裝工裝預(yù)制6 mm焊接反變形，以抵消焊接過(guò)程中焊接應(yīng)力產(chǎn)生的變形量；確保工裝夾具夾緊型材后壓臂壓力均勻[9]。

3.4 新型車頂邊梁焊接工藝流程

機(jī)加工邊梁窗口（長(zhǎng)度方向預(yù)留5 mm作為焊接收縮量）→焊前清理氧化膜及油污等→型材組對(duì)→正裝點(diǎn)固→反裝點(diǎn)固→正裝焊接→焊縫檢查→反裝焊接→焊縫檢查→去除引、收弧板，端頭打磨并PT檢驗(yàn)→焊后調(diào)修→尺寸檢驗(yàn)→打磨立筋、C形槽→貼合格標(biāo)識(shí)→包裝、發(fā)貨。

3.5 焊后尺寸檢驗(yàn)

焊接完成后，待車頂邊梁冷卻至室溫，松開(kāi)夾具，使車頂邊梁處于自由狀態(tài)，對(duì)車頂邊梁窗口、兩翼開(kāi)口尺寸進(jìn)行檢驗(yàn)。發(fā)現(xiàn)車頂邊梁窗口及兩翼開(kāi)口尺寸變形程度比先焊接后機(jī)加的工序有明顯的改善。

4 結(jié)論

（1）影響焊道產(chǎn)生氣孔的因素有焊接速度、焊接功率、熔敷金屬冷卻速度、氣體保護(hù)情況和焊縫填充量等。

（2）確定出既滿足焊接工藝評(píng)定又能保證焊縫質(zhì)量的最佳焊接參數(shù)為：前絲功率70%，后絲功率68%，焊接速度90 cm/min。該工藝可有效控制氣孔數(shù)量，減少焊道返修。對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行焊接時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照工藝規(guī)程給定的參數(shù)執(zhí)行。

（3）相比傳統(tǒng)的先焊接后機(jī)加工邊梁窗口的工序，本文采用先機(jī)加工后焊接的方法，大大提高了車頂邊梁的生產(chǎn)效率，且產(chǎn)品外形尺寸能極好地滿足圖紙及用戶要求。

此車頂邊梁焊接制造工藝不僅保證了焊道質(zhì)量、控制了焊接變形，還提高了生產(chǎn)效率。