高速动车铝合金车体双层中空薄壁型材表面损伤挖补修复工艺

王鹏 仲积峰 丁见

1. 概述

目前铝合金车体大量使用挤压型材作为结构材料，其牌号为A6N01S—T5，属于6000系列，为热处理强化铝合金，在车体的端墙、侧墙、顶棚、边梁等部件达到了广泛的应用。由于A6N01S—T5有优良的挤压性能，通过制作成双层中空型材，内部设计横向或是斜向的加强筋，板厚在2～3.5mm之间，既有效的提高了结构的强度，又大大减轻了车体的自身的重量。

在车体生产过程和车体运营过程中，双层铝型材单侧偶尔会受到较大外力的冲击导致局部损伤，如划痕、凹陷、母材撕裂，图1为侧墙型材表面损伤。

一般情况下，当出现双层型材表面出现损伤时，按照如下原则进行处理：

（1）型材表面因打磨或碰撞等产生的深度＜0.5mm的平缓凹陷可不处理。表面线状划伤，深度在板厚1 0%以内且不超过0.5mm的，打磨消除。凹陷和划伤在0.5~1mm之间的采用堆焊磨平处理。

（2）型材表面因碰撞产生的凹陷，若有开裂、破损，需对其进行焊接修复。外观检查和渗透探伤确认无裂纹的情况下，采用焊接工艺拉杆向外拉紧的方法将其调平。若开裂甚至穿孔较大的，采用挖补焊接修复方法。

对于型材损伤需要进行挖补的，是施工过程中的难点，我们通过分析型材的特点，制定了切实可行的工艺措施。这样既保证了结构的强度，最大限度的恢复原部件的形貌，又可以降低施工难度，提高修复成功率。

2. 双层型材挖补焊接修复结构

铝合金动车车体双层型材的截面形状和结构原理大致相当，图2为型材部位截面。型材表面开裂、破损情况具有以下特点：

（1）在型材内部为中空的区域在受到较大外力作业时，易发生型材表面开裂或破损。原因是该区域母材内部无加强筋作为支撑，而且在该区域的中间位置为抗弯能力最差的区域，也往往是损伤最为严重的区域。

（2）型材部分空腔内表面贴有减震材料，如果损伤部位产生在该区域，焊接修复时接头区域背部减震材料必须彻底清除，否则受到焊接热影响会产生对焊缝有害的物质，导致大量的焊接缺陷。

图1 侧墙型材表面损伤

图2 型材截面

（3）为了保证修复完成后其表面与周围区域齐平，必须采用同样厚度、同样材质的材料为补板，因此，最合适的焊接接头形式为对接接头。由于型材的厚度大部分在2～3mm之间，板厚较薄，所以为了降低操作难度，提高修复成功率，宜采用背部带永久性衬垫的对接接头形式进行焊接。

（4）从型材表面可以明显看出挤压纤维方向和外形弧度形状的，在预制补板时必须考虑补板的纤维方向和弧度与型材相吻合。

3. 双层型材挖补焊接修复工艺

（1）焊接方法 铝合金焊接方法主要有两种，分别是熔化极惰性气体保护焊和钨极氩弧焊，这两种焊接方法都可以作为焊接修复的最佳选择。在铝合金生产过程中应用最为广泛的是MIG焊接方法，持有该焊接资质的人员比较普遍，故选用MI G焊接方法更为适合。

（2）焊接设备与材料 MIG焊接设备需具有脉冲功能和 “4T”功能（即提前送气→起弧→收弧→滞后停气），这样可以得到稳定的电弧和良好的气体保护效果；焊丝采用ER5356铝合金焊丝，φ 1.2mm，该种焊丝有优良的铝合金焊接性能，小直径焊丝可以有效的降低热输入量，特别适用于薄板焊接。

（3）焊接位置 焊接时的最佳位置为平焊位置（PA）, 如果受到空间位置限制也可以选择横焊（PC）和立向上焊（PF），尽量不采用仰焊位置(PE)，同时铝合金焊接时不允许采用立下向焊接（PG）。

（4）施工环境 现场的温度≥8℃，湿度≤80%，否则需对接头附近区域进行预热处理，环境风速≤1m/s。

（5）焊接参数 为了得到可靠的焊接参数，需要在现车正式施工前制作焊接试件，确认最终的焊接参数。焊接试件需严格按照现车的尺寸制作。

4. 双层型材挖补焊接修复过程

（1）修复前准备 将焊缝周围1 000mm范围内的内装件、防寒材等低熔点和易燃物拆除。彻底清除破损部位表面胶体等附着物，焊接时对车内电线使用防火布及隔热材防护。仔细清除侧墙型材待修复部位内腔表面，确保焊接位置50mm范围内有机物等杂质残留。破损孔洞及破损型材加强筋打磨修整，保证孔洞及加强筋边缘修整平整并圆滑过渡后维持现状；将带修复部位型材外表面打磨平整。使用吸尘装置仔细清理破损位置型材内部杂物（铝屑、减震材、异质物等）。对裂纹周围至少50mm范围区域进行PT探伤，明确裂纹长度、起始位置以及有无其他裂纹。根据PT探伤确定的裂纹状态后，划定侧墙板需覆盖位置，要求划线尽量采用直角划线方式，划线位置距离裂纹末端至少10mm间距。裂纹末端需用钻头打止裂孔，防止裂纹扩展。根据探伤情况，对型材表面适当打磨修整。

（2）割除缺陷 根据PT探伤的区域对缺陷进行割除，切割时需注意切割区域边缘形状规则且圆滑，不准许存在尖角及直角，节点位置要保证＞R10mm的圆角过渡（见图3）。

（3）衬垫安装与焊接 根据缺陷清除的形状预制永久性衬垫，衬垫的外形与割除尺寸相同，要求其尺寸比修补尺寸＞5~20mm，厚度在3~6mm之间，材质为A5083P—O（见图4）。

在安装垫板时先去除衬垫表面的氧化膜和油污，然后置于型腔内焊接固定，注意必须与型材贴合紧密，不能有间隙。焊接固定时应该避开端部应力集中区。

图3 割除区域

图4 垫板尺寸与安装示意

首先焊接衬垫与母材的搭接焊缝，分两段进行焊接，如图5所示。首先焊接F1焊缝，起弧点与收弧点分别位于上下焊道的中间部部位；然后清理黑灰，修整起弧收弧点，要求修整成斜面圆弧过渡，修整长度在5mm左右，如图6所示。最后进行F2焊缝焊接，起弧点与收弧点与第1到焊缝重合。两条焊缝的焊接参数如表1所示。

焊接完成后需对整条焊缝进行修整，要求修整为HV坡口，坡口角度为30°~35°之间，底部焊缝宽度保留3mm左右。图7为焊缝修整示意。

（4）补板安装与焊接 根据缺陷清除的形状预制补板，衬垫的外形与修补尺寸相同，要求其尺寸比修补尺寸小5mm，材质和厚度与被割除型材相同，如图8所示。安装时注意补板与型材的挤压纤维方向一致。在安装垫板时先去除衬垫表面的氧化膜和油污，然后根据放置在衬垫上，这里特别注意四周与母材的间隙要均匀，然后进行焊接固定。

补板完成后先对其修整坡口，要求修整完成后焊接接头坡口角度在60°～70°之间，不留钝边。坡口修整如图9所示。

然后焊接衬垫与母材的对接焊缝，分两段进行焊接，焊接时要求在起弧和收弧处设置引弧板和收弧板，焊接完成后再将其去除。如图10所示，首先焊接S1焊缝，起弧点与收弧点分别位于上下焊道的中间部部位。然后清理黑灰，修整起弧收弧点，要求修整成斜面圆弧过渡，修整长度在5mm左右。最后进行S2焊缝焊接，起弧点与收弧点与S1焊缝重合。两条焊缝的焊接参数如表2所示。图11为焊接完成后焊缝示意。

（5）焊后处理及检验 待焊缝温度冷却到室温后用砂轮机将焊缝余高磨平，注意打磨的切削方向与焊缝垂直，打磨的进给方向与焊接方向相反，同时不要损伤焊缝两侧的母材；然后用千叶磨片抛光处理。磨平后对焊缝进行渗透探伤，检验等级按照ISO10042 C级执行。

图5 垫板焊接示意

表1 主要焊接参数

图6 起弧收弧点修整示意

图7 焊缝修整示意

图8 补板尺寸与安装示意

图9 补板坡口修整示意

表2 主要焊接参数

图10 焊接示意

图11 焊接完成后焊缝示意

5. 结语

通过实践证明，该焊接修复的重点和难点在焊接准备工作上，如在焊接修复前需要制作模拟试件以确定合适的焊接参数，结合渗透探伤的结果来确认缺陷割除的范围，彻底清除焊缝周围对焊接有害的污物；为了提高焊缝质量，降低焊接难度，必须仔细安装衬垫和补板，修整坡口形状等。故在整个焊接修复过程中，只有重视每一步的细节，才能得到优质的焊缝。

[1] 胡黄辉.铝合金MI G焊时气孔的预防[J]. 株洲：电力机车与城轨车辆，2003.

[2] 陈祝年.焊接工程师手册[M].北京：机械工业出版社，2002．