基于軌道交通車輛車體緩沖支撐棒的焊接工藝研究

宋強

緩沖支撐棒裝配后施焊位置呈H-L045形式，此焊接位置對焊工技能要求過高，且裝配后在現車上施焊空間狹小，嚴重影響了產品合格率及生產計劃的編排。為解決現有人員技能水平與產品生產率、合格率要求之間的矛盾，通過焊接工藝的可達性、可行性分析，并結合生產實際設計一套旋轉件焊接專用工藝裝備，使H-L045轉換為PB位置，可有效控制旋轉件緩沖支撐棒的質量。

1. 試驗材料及方法

（1）緩沖支撐棒材料 試驗中緩沖支撐棒按設計尺寸1:1制作，緩沖板按工裝定位螺栓固定在專用工裝兩端，緩沖棒為Al-Zn-Mg合金，牌號為A7N01S（JIS H4100），熱處理狀態為T5，化學成分如表1所示，力學性能如表2所示，試驗方法選用131。

（2） 試驗焊材 焊材選用φ1.6 mm ER5356焊絲，化學成分如表3所示，保護氣選用高純氬（99.999%），氣體流量為20~25L/min。

（3）脈沖MIG焊工藝 緩沖支撐棒的接頭形式如圖1所示，要求全焊透，焊接參數執行相應WPS文件。

表1 緩沖支撐棒主要化學成分（質量分數） （%）

表2 緩沖支撐棒材料的力學性能

表3 ER5356焊絲的主要化學成分（質量分數） （%）

圖1 緩沖支撐棒接頭形式

（4）焊前清理要求 鋁合金焊接時對焊縫坡口表面清潔度要求很高，坡口處的氧化膜很容易吸收空氣中的水分從而在焊接接頭處形成氣孔，表面的油污和水分更是氣孔的直接來源；清理不徹底遺留下的雜質往往會在接頭處形成夾渣，這些缺陷是影響焊接接頭性能和焊縫質量的直接因素，因此焊前必須對焊縫坡口及附近進行嚴格清理。試驗中采用的清理方法為：焊前坡口及兩側各30mm范圍內，先用丙酮進行清洗除去臟污及油脂等有機物，然后用不銹鋼刷清理表面氧化膜。

2. 工裝的構造關系與作業要點

（1）旋轉件工裝構造 緩沖支撐棒焊接的裝配狀態及工裝構造關系如圖2所示。

圖2 旋轉件焊接專用工裝

（2）焊接操作要點 第一，焊接前，相對空氣濕度≤60%，工件、焊絲及環境溫度≥10 ℃，必要時可對板材進行烘烤去除侵入鋁合金母材中的水分。

第二，焊接時，需注意工藝參數匹配。與碳鋼焊接工藝相比，鋁合金焊接電流稍大，可保證焊縫根部充分熔透；焊絲的電弧電壓稍高，保證焊縫表面成形。在一定的焊接速度下，可通過在線調節適當改變弧長調節電弧的穿透能力。

第三，為了保證焊接過程中的裝配尺寸，焊前對工件進行定位焊，并且采用夾具剛性固定，防止焊接過程中因工件變形而影響后續焊縫的焊接質量。

第四，在焊接過程中停弧，最終結束時，要盡量填滿弧坑，防止在弧坑處產生凝固裂紋。

（3）工裝特性對比 在未采用旋轉工裝前，需手動旋轉焊槍進行旋轉平角位置施焊，焊接過程對技能人員要求高，作業過程不可復制，對焊接旋轉件的人員有很大的挑戰，此焊件的好壞直接影響車輛底架的制造周期。通過機電一體化控制旋轉焊件在360°勻速旋轉（旋轉速度可調），焊件旋轉周期固定這一優化，使得焊機焊接參數趨于穩定，降低了作業人員對焊接熔池控制的難度，提高了旋轉類產品的合格率，同時因難度的降低，減低了對焊工技能的要求，大大提高了焊制該類焊件的效率。

第一，旋轉類管件柔性調整。在旋轉管類零部件長度上通過定位螺栓進行調整，擴寬該工裝的使用范圍，對于同類產品焊接均可用此工裝進行裝配施焊。

第二，焊接中實時微調。由于焊接為特殊作業過程，現階段弧焊仍需人員在過程中對質量進行監控，因此過程中需要依據熔池及電弧狀態進行微調，作為提高合格率的一項技術手段。

表4 焊接參數

圖3 焊縫宏觀組織10×

圖4 焊縫微觀組織 500×

3. 焊接過程與焊縫分析

（1）焊接工藝 支撐梁焊接采用6道焊縫焊接工藝，具體參數如表4所示。

（2）質量檢測 對焊縫進行目視檢測（VT），焊縫金屬呈銀白色，焊縫成形、宏觀金相如圖3所示。微觀金相如圖4所示，通過對焊縫表面進行100%滲透探傷（PT）檢測，符合ISO 10042 B級質量標準。

（3）焊縫特征分析 按ISO 15614-2對焊縫取樣，通過稀NaOH溶液腐蝕焊縫接頭組織，并分別在10倍及500倍下觀察組織，由圖3可知焊縫熔合情況良好，未發現內部氣孔、夾渣及裂紋等缺陷，符合ISO 10042B級焊縫質量要求。另外，由于熱處理強化鋁合金焊接接頭是否開裂主要取決于熱影響區時效析出的Mg2Si晶粒程度，所以當熱輸入大時接頭熱影響區的冷卻速度低，有利于脆化相Mg2Si顆粒聚集長大。由圖4可知，焊縫金屬內未發現微裂紋，第二相彌散分布，未發現偏析現象，從而有效控制了裂紋產生的內因。

4. 結語

由原焊接位置H-L045或PB（旋轉+平角焊位）轉換成容易施焊的焊接位置PB（平角焊位），大大降低了焊接難度。

對焊工的技能要求降低，簡化了考證項點，只需具備PB焊接位置，不需單獨考取H-L045焊接位置的資質證書。

引收弧位置共兩處，有效降低起弧、收弧位置的缺陷發生；原全手工焊焊件返修率約35%~50%，工藝改進后返修率降低到8%以下，且焊縫成形美觀，提高了產品的合格率。

通過機電一體化控制旋轉焊件在360°勻速旋轉（旋轉速度可調），焊件旋轉周期固定這一優化，使手工焊接作業轉化為半機械化焊接，很大程度上提高了焊接旋轉類產品的生產效率。

[1] 彭云，許良紅．焊接熱輸入對高強鋁合金接頭組織和性能的影響[J]．焊接學報，2008，29：17-21.