鋁合金城際動車底架枕梁墊板焊接裂紋控制

李金龍，焦銳，胡偉

中車株洲電力機車有限公司 湖南株洲 412001

1 序言

鋁合金車輛因具有良好的耐蝕性、撞擊吸能特性、防火安全性，以及輕量化和維護成本低等特點，所以現已廣泛應用于軌道交通裝備制造中。鋁合金城際動車采用全鋁合金車體制作，由于在前期的設計與制作時缺乏相應的驗證，故在圖樣設計上與工藝準備上還不夠成熟，其中在鋁合金城際動車鋁合金底架組焊時，在枕梁墊板處出現了焊接裂紋，直接影響了產品質量與生產進度，因此需要及時解決底架枕梁墊板焊接裂紋的問題。

2 現狀

由于底架的主要作用是承重，并且在底架兩側與動車車輪相連接，因此動車運行中其不僅承受整車質量，還存在較大的動載荷，是鋁合金動車上的重要部件。在鋁合車體設計時，對底架組焊的焊縫質量等級不僅要求比較高（鋁合金車體組焊中大部分CPB焊縫都在底架上），而且在底架組焊時，焊接缺陷也控制的比較嚴格，不允許任何焊縫出現未熔合、裂紋等焊接缺陷，特別是焊接裂紋。由于動車在動載作用下，容易產生疲勞斷裂及脆性斷裂的風險，因此是鋁合金車體組焊中質量控制的重點。

在首列4個底架組焊試制中, 底架都完成了相關交車與檢驗，但在底架多次轉運后，有2個底架在枕梁墊板處出現裂紋，分別是T-1、M-1車共有3處焊接裂紋（T-1車2處，M-1車1處），特別在T-1車有一處長約2103mm的裂紋（見圖1），幾乎整道焊縫都裂開了，直接影響動車的運行安全。

圖1 T-1車長約2103mm的裂紋

3 原因分析

（1）過程分析 由于大地板與枕梁墊板焊接時產生較大變形，所以在端部件與枕梁墊板裝配中出現6mm左右間隙。為保證裝配間隙，正面裝配時采用4個1t的重塊壓緊點，如果不能保證間隙，翻面后用千斤頂頂緊，強制將大地板與端部件上枕梁墊板的間隙控制好，然后進行段焊，因此在裝配后，大地板與枕梁墊板存在較大的內應力。

（2）檢驗分析 首先，在對裂紋處焊縫進行斷面PT檢測及斷口熔深進行檢測時（見圖2、圖3），均未發現氣孔、未熔合、熔深不足等超標焊接缺陷。

圖2 PT檢測

圖3 斷口熔深檢測

其次，對裂紋處切下來的一小塊試樣進行微觀組織觀察，發現在熔合線上沿晶界處出現多處層狀撕裂的微觀裂紋（見圖4、圖5），

圖4 取樣位置

圖5 微觀組織（200×）

通過以上檢測分析，初步判斷為焊接應力引起的焊后延遲裂紋。

4 預計改進措施

（1）減少焊接應力以防止裂紋的產生 首先，墊板的裂紋主要是由枕梁與墊板的5HY焊縫焊接時產生的應力引起的（見圖6），焊接時在保證焊縫熔深的前提下盡量采用較小的焊接參數，減少熱輸入來減小應力的產生。

圖65HY焊縫位置

其次，采用合理的裝配與焊接順序，使焊接變形得到一定控制，以減小大地板與枕梁墊板強制裝配而產生的內應力。

（2）增加墊板的強度以防止裂紋的產生 枕梁墊板寬度較大，而地板只有1排塞焊孔。為保證墊板強度，建議將塞焊孔由1排增至2～3排，以提高墊板的強度。

（3）增加墊板的厚度以防止裂紋的產生 試制的4臺車只是T-1、M-1車共有3處焊接裂紋，證明此處正是產生裂紋的臨界點，因此通過增加墊板的厚度（1mm左右）來提高母材的強度，達到防止裂紋產生的目的。

5 過程實施

（1）工藝改進（以T-2車為例） 為減小底架大地板變形引起的裝配間隙過大的問題，在大地板與枕梁墊板組焊時，只進行塞焊孔焊縫的焊接。在與端部件組焊后，先進行枕梁墊板與端部件的打底焊，讓枕梁墊板與大地板焊縫自由收縮后再進行所有焊縫的焊接，如圖7所示。

在采用改進焊接工藝后，底架組焊（T-2車）在班組交驗時未出現裂紋。但在對底架多次吊運與加工后，在焊縫端頭處，由于應力集中造成段焊處出現局部裂紋（見圖8），因此改進焊接工藝雖然對控制焊縫裂紋有一定作用，但還不能完全避免裂紋的產生。

圖7 大地板裝配焊接前的準備

圖8 枕梁墊板段焊處的裂紋

（2）設計改進 經多次與相關設計人員溝通后，同意將后期底架部件的單排開孔改為3排塞焊孔枕梁墊板（見圖9）。在對3排塞焊孔枕梁墊板進行工藝驗證后，未出現裂紋，因此從T-3車開始應用于生產中。

（3）焊后檢測（以T-3車為例） 焊后對枕梁墊板焊縫進行PT檢測，未發現裂紋（見圖10）。在對后續鋁合金底架組焊的3臺車的跟蹤檢測，均未發現裂紋，目前相關設計已完成更改。

圖9 枕梁墊板塞焊孔改進

圖10 T-3車枕梁墊板的PT檢驗數據庫的采集

6 結束語

通過上述工藝改善方案，使鋁合金城際動車底架枕梁墊板焊縫合格率達到了100%，有效地提升了鋁合金城際動車底架枕梁墊板的焊接質量；同時也減少了生產班組因返工造成的工時及物料浪費，并為相關工藝、設計等部門提供合理的參考依據。