A型鋁合金地鐵底架焊接工藝及質量控制

唐衡郴 吳曉明 張明偉

1. 概述

底架是A型鋁合金地鐵車體的重要組成部分，由于底架上面承載乘客重量下部懸掛各種設備，是列車各車箱之間牽引傳動的重要部件，承受來自車鉤、轉向架等巨大的沖擊載荷，所以底架及部件的焊接質量對車輛的安全運行和使用壽命起到至關重要的作用。鋁合金在焊接過程中容易產生氣孔、未熔合及裂紋等焊接缺陷，因此必須采取相應措施，確保焊接質量。

本文結合底架焊接難點問題進行分析研究，通過采取優化焊接工藝、調整操作手法、改進裝配質量等措施，提高了底架的焊接質量，為地鐵列車制造技術的發展提供借鑒。

2. 底架結構及焊接工藝

A型地鐵底架為全焊接結構，分頭車底架和中間車底架，中間車底架的兩端結構與頭車底架二位端的結構基本相同。頭車底架由一位牽引、兩個枕梁、二位牽引、左右邊梁和地板及底架附件組合焊接組成，底架的認證等級為EN 15085—CL1級部件，焊縫質量等級為CP C2級，頭車底架的結構如圖1所示。

針對A型地鐵底架設計結構和焊接工藝性，采用先分別焊接枕梁、牽引、地板等大部件的工藝順序，然后在底架正裝焊接工裝上以邊梁和枕梁中心線為基準裝配枕梁和牽引，先將以上五個部件焊接到一起形成底架正裝主體結構。裝配地板，先焊接地板與邊梁的連接焊縫，即完成了底架正裝的主件焊接；然后在底架反裝焊接工裝上完成牽引、枕梁、邊梁及地板間的連接焊縫；最后在底架附件焊接工裝上焊接底架附件。

A型地鐵底架采用單脈沖熔化極惰性氣體保護焊（MIG—t），主要焊接填充材料為ER-5087，f1.2 mm的盤狀焊絲。焊接保護氣體為70%Ar+30%He，氣體流量為15～22L/min。焊接電源采用直流反接。

3. 底架焊接技術難點及工藝措施

圖1 A型地鐵頭車底架結構

（1）牽引焊接變形 牽引由車鉤面板、上下蓋板、牽引梁及加強筋等組合焊接而成，且構件多為10mm及以上的鋁合金中厚板。由于鋁合金導熱性好，熱膨脹系數大，MIG焊接熱輸入大，所以焊后容易產生變形；操作時焊接順序不合理使焊接變形累積，導致上蓋板、車鉤面板平面度超差；連接梁與上下蓋板間有多塊筋板，筋板與上蓋板之間為雙面角焊縫，與下蓋板、牽引梁之間均為8HY+a8。由于焊接操作手法不合理，裝配間隙大，使焊接填充量增加，從而增加了熱輸入量，導致上蓋板焊接變形較大。車鉤面板處的支撐板與面板之間為雙面7.5mm深的HV形焊縫且清根PT，清根較深焊接填充量大，導致車鉤面板焊后平面度超差，如圖2a~圖2b所示。

為了控制上蓋板變形，連接梁與上下蓋板間筋板點固后，先焊接筋板與下蓋板處8mm深的HY坡口焊縫及其背部角焊縫，此時筋板處于自由收縮狀態充分釋放應力，再焊接上蓋板與筋板間角焊縫降低應力疊加造成的變形，從而有效保證了上蓋板的平面度。為了控制車鉤面板垂直度，焊接外側打底焊縫時電流略大并使電弧略偏向厚板減少清根量，從而降低填充量減小熱輸入和變形；焊接背部焊縫時采用中間向兩邊分段退焊法避免應力集中降低變形，同時采用剛性固定法在下蓋板增加F型夾具，限制其自由收縮控制變形。優化工藝參數，調整電壓、電流、電弧脈沖等焊接參數的匹配性，在保證焊縫熔合質量的前提下，盡量減少焊接熱輸入量，從而減少變形。同時提高裝配質量，角焊縫及HY焊縫盡量裝配嚴密無間隙，減少焊縫填充量和焊接收縮，最大限度的降低焊接變形。通過采取以上工藝方法，有效控制了牽引焊接變形，保證了焊接質量，大大提高了生產效率，如圖2c~圖2d所示。

（2）枕梁組成墊板焊瘤、焊穿問題 枕梁上、下蓋板與枕梁型材間主要焊縫設計為V形，焊縫長2 880mm，采用枕梁型材自帶的永久性墊板，并且直通焊縫焊后要求100%射線（RT）檢測。由于型材自帶墊板溝槽深且壁厚較薄，焊前裝配質量不好、焊工操作方法不合理、工藝參數匹配性低等原因，致使首個枕梁V形焊縫墊板焊瘤達10處之多，造成大量返修（見圖3a）；RT檢測發現焊縫根部有裂紋等缺陷，嚴重影響了焊接質量。

焊接缺陷產生的原因：由于A型地鐵枕梁型材自帶墊板溝槽深且壁厚薄（見圖3b~圖3c），打底焊接時熔化的金屬大部分都填充在墊板的溝槽中，導致墊板因熱輸入過大而產生焊瘤、焊穿。另外，打底焊縫焊接前，由于焊接裝配間隙過大，焊接填充量大，導致型材自帶墊板上焊接熱量集中，出現墊板焊瘤、焊穿現象；焊縫根部因熱輸入過大而產生焊接裂紋缺陷；焊接操作方法不規范導致焊縫熱輸入大、局部熱量集中，同時焊接參數的匹配性差對焊接質量也有重要影響。

為了保證枕梁的焊接質量，首先提高裝配質量，焊前裝配間隙嚴格控制在3mm左右，坡口鈍邊1mm，增加定位斷焊的長度，盡量保證焊縫間隙的一致性；其次優化工藝參數，打底焊縫焊接電流由230A降到190A～210A，并調整電壓、電流、電弧脈沖等焊接參數的匹配性，在保證焊縫根部熔合良好的情況下提高焊接速度，避免焊縫根部熱量集中,焊接參數如表1和表2所示。另外優化焊接順序，先焊接正裝兩條10mm深V形焊縫打底焊接，再焊接反裝兩條15mm深V形焊縫的打底焊接，并且充分利用焊縫的余熱正反裝兩面翻轉焊接，控制層間溫度并減少預熱次數，減少焊接熱輸入。針對2 880mm長的焊縫，每一道焊縫都采用從中間向兩邊分段跳焊，且每段焊縫長度均控制在450mm左右，同時控制好焊接熱輸入，避免焊接熱量集中。

圖2 牽引組成焊接

圖3 枕梁組成焊接

通過采取以上措施，有效提高了枕梁的焊接質量，避免了墊板焊瘤、裂紋引起的大量焊縫返修，直通的V形焊縫焊后RT合格率95%以上，大大提高了焊接質量。

（3）底架組成焊接變形控制 首個A型地鐵底架焊接完成后，發現底架兩端上翹、兩個枕梁中心線對角線的的公差接近設計公差極限，同時靠近兩端的地板與邊梁連接處焊縫附近局部存在斷續的焊接變形。由于底架為扁平長型的空腔結構特征，故矯正變形的調修工作量非常大，嚴重影響了工件質量和底架焊接生產周期。底架組成焊接后產生變形是導致上述問題的主要原因，由于焊接本身是快速加熱又迅速冷卻且部件不均勻受熱的過程，導致底架焊后容易產生變形。MIG焊接熱輸入大，焊前未設置焊接反變形且操作時的焊接順序不合理，使焊接變形不斷累積，導致底架兩端上翹。在底架正裝，牽引、枕梁與邊梁裝配焊接成底架正裝主體結構時，裝配方法不合理、焊接順序不正確等導致焊后底架枕梁中心線發生偏斜，從而導致枕梁中心對角線出現尺寸偏差。底架地板與邊梁連接大線焊縫的焊接順序不合理，使焊接應力無法充分釋放而匯集在底架兩端，導致焊縫局部變形。

為了控制底架組成焊接變形，采取了以下工藝措施：①規范枕梁裝配，枕梁裝配以空氣簧管孔為定位基準，確定枕梁的橫向及縱向尺寸，以高度定位塊為基準定位枕梁的高度尺寸；調整枕梁位置并測量兩枕梁對角線之差≤3mm，然后裝配邊梁如圖4a所示。②底架兩端，采用圖4b中的焊接順序，即先焊接枕梁與邊梁連接焊縫、然后焊接牽引梁與邊梁連接焊縫，最后焊接枕梁與牽引連接的焊縫，保證了底架正裝主體結構兩端變形均勻，從而確保了枕梁中心對角線的尺寸公差滿足設計要求。③在焊前裝配時，預制反方向的變形量以抵消（補償）焊接變形。底架反裝時，先按圖4b中的焊接順序點固枕梁、牽引、邊梁及地板，然后按圖4c在底架兩端部即枕梁往外整體向下設置50～60mm的焊接反變形量。④地板與邊梁組成的底架大線焊縫，正反裝均由兩名焊工從底架中心往兩端，采用斜對角線分段退焊的方法同時焊接，充分釋放焊接應力，有效控制了焊后變形，減少車體調修工作量。⑤在裝配時，底架大線角焊縫盡量嚴密無間隙，這樣可以減少焊縫填充量和焊接收縮，最大限度的降低焊接變形，改善焊縫成形。

表1 10mm深V形焊縫焊接參數

表2 15mm深V形焊縫焊接參數

圖4 底架組成焊接

通過采取以上工藝措施，有效控制了底架組成的焊接變形，大大提高了生產效率。

4. 結語

通過研究A型鋁合金地鐵底架的焊接工藝，分析了底架主要結構及焊接技術，通過優化焊接參數、調整焊接順序、提高裝配質量、預制反變形、局部剛性固定、斜對角線分段退焊法及嚴格規范操作等方法，有效解決了底架焊接變形等焊接技術難題，保證了A型鋁合金地鐵底架及部件的焊接質量。參考文獻：

[1]聶麗麗，高婧，周立金. 地鐵牽枕緩焊接工藝及質量控制[J].金屬加工，2013（6）∶52-54.