鋁合金地鐵牽引梁HV形坡口焊縫MIG焊工藝分析

王安平，蔣磊

中車成都機車車輛有限公司 四川成都 610000

1 序言

車體是地鐵車輛的一個重要組成部分，而牽引梁是車體中的重要組成件，車體在運行過程中，牽引梁不但要把牽引力和制動力傳遞給車鉤，而且還要承受各種設備載荷以及牽引中水平縱向和橫向沖擊載荷的作用力。因此，為滿足相關技術標準，牽引梁必須具有足夠的強度和剛度，以保證列車運行的安全性和平穩性。

鋁合金焊接結構牽引梁主要由EN AW6005A材質的車鉤安裝座、筋板和上蓋板，以及EN AW6082材質的腹板、筋板和下蓋板組成。其中常見的材料厚度為45mm、25mm、16mm、12mm、10mm等。牽引梁的設計圖樣中焊縫坡口形式以HV形較為常見，實際生產中這類焊縫因坡口不對稱、板厚差異等因素，導致焊接時坡口兩側磁場不均勻、溫度不均勻，從而出現偏吹、受熱熔化時間差異大等情況，使焊縫出現咬邊、成形差，未熔合等缺陷[1，2]。本文通過選取板厚差異較大的車鉤安裝座與牽引梁上蓋板連接焊縫制作模擬試件，研究坡口形式為HV形接頭的焊接工藝，有助于生產中提升HV形坡口焊接質量。

2 結構介紹

鋁合金地鐵牽引梁上蓋板與車鉤安裝座采用嵌入式連接結構，接頭形式與焊縫信息如圖1所示。此焊縫在焊接時，由于結構的特殊性及工裝的限制先焊接背面角焊縫，然后對正面HV形焊縫清根后再完成焊接。牽引梁上蓋板與車鉤安裝座組裝完成后，背面角焊縫區域會形成幾個位置受限的焊接區域。

圖1 接頭形式與焊縫信息

3 焊接試驗

（1）試驗設備與材料 焊接設備為熔化極惰性氣體保護焊機，型號為KEMPPI（450）焊機。

試驗工具：直磨機配筆形銑刀和不銹鋼筆刷，角磨機配不銹鋼碗刷圓盤銑刀、烤槍、測溫儀、風管、鋁合金清洗劑、氫氧化鈉、600#或更細砂紙、白色無毛抹布、直尺及記號筆等。

試驗使用的母材為鋁合金EN AW6005A-T6，符合TB/T 3260—2011規定的要求，尺寸要求見表1。

表1 母材尺寸要求

焊接填充材料為焊絲ER5356，符合ISO 18273和AWS-A 5.10規定的要求。保護氣體為氬氣，符合ISO 14175規定要求，純度≥99.999%，氣體流量（20±3）L/min。

（2）焊接工藝 焊接方法采用熔化極惰性氣體保護焊（MIG）。

焊接場所環境要求溫度≥8℃，相對濕度要求在60%以下，風速保證在1m/s以下。

焊前通過鋁合金清洗液擦拭、不銹鋼刷清理，保證待焊區域及其附近20mm范圍內無氧化膜、油污等，且鋁合金表面需打磨出金屬光澤，打磨后必須在4h內焊接；焊前需對母材進行預熱，預熱范圍為焊縫中心及兩側50mm，預熱溫度控制在100～110℃，預熱方式為火焰預熱，預熱完成后30min內進行焊接，待焊部位溫度在70℃以下。

焊接接頭坡口角度要求偏差≤±5°，裝配要求根部間隙≤2mm，錯邊≤1mm。

焊接過程中的層間清理與清根必須完全將上一層焊縫的黑灰、飛濺、焊接缺陷等完全清除，必要時修整焊縫形狀，保證下一層焊接時順滑過渡。焊道間溫度需控制在70℃以下，再進行下一道焊接。角焊縫焊接時焊槍與焊縫方向呈90°夾角，前傾5°～10°，與薄板平面呈25°～30°夾角，輕微擺動焊槍，防止出現偏吹，影響焊縫成形。

焊后待焊縫冷卻至室溫后清除黑灰、飛濺等，然后對焊縫進行檢查。焊接試驗的具體工藝流程為材料準備→焊前清理→裝配→焊接→焊縫檢測；焊接順序如圖2所示，焊接參數見表2。

圖2 焊接順序

表2 焊接參數

4 試驗結果分析

（1）焊縫外觀檢測 根據ISO 17637《焊縫的無損檢測-熔化焊接頭的外觀檢驗》對焊接試件焊縫及兩側20mm范圍內進行目視檢查，然后再通過PT檢測，結果顯示焊縫質量滿足ISO 10042《焊接-鋁及鋁合金的弧焊接頭-缺欠質量分級》中B級要求，如圖3所示。

圖3 焊縫外觀

（2）焊縫宏觀檢測 依據ISO 17639：2003《金屬材料焊縫的破壞性試驗-焊縫宏觀和微觀檢驗》制取2個試樣，試驗用宏觀腐蝕劑由氫氧化鈉（NaOH）與水（H2O）按1∶10配制，腐蝕溫度為室溫，腐蝕時間是幾秒觀察一次，通過眼睛觀察確定，需在排煙柜中操作完成。對試樣宏觀檢測發現熔合情況良好，內部無裂紋、夾渣、孔穴等缺陷，如圖4所示。

圖4 焊縫宏觀形貌

5 結束語

牽引梁上蓋板與車鉤安裝座連接焊縫是典型的板厚差異較大的HV形接頭，實際生產中常出現咬邊、成形差、未熔合等缺陷。本文通過試驗制定焊前鋁合金清洗液、不銹鋼刷清理坡口；對待焊區域進行預熱，嚴格控制預熱溫度，并保證預熱完成后30min內，待焊部位溫度在70℃以下焊接；層間清理與反面清根；焊接操作的手法與焊槍角度的要求，焊后清理等工藝方法焊接試件，并通過外觀檢測、PT檢測、宏觀檢測等方法對試件進行驗證，檢測結果顯示試件焊縫外觀能滿足ISO 10042中B級要求，熔深情況能達到設計要求。表明制定的工藝方法有助于提升鋁合金板厚差異較大的HV形坡口焊縫成形與熔合質量。

其中預熱、層間清理和溫度控制對焊接鋁合金板厚差異較大的HV形坡口尤為重要，在焊接生產中應作為重點項進行監督。