基于轨道交通车辆车体缓冲支撑棒的焊接工艺研究

宋强

缓冲支撑棒装配后施焊位置呈H-L045形式，此焊接位置对焊工技能要求过高，且装配后在现车上施焊空间狭小，严重影响了产品合格率及生产计划的编排。为解决现有人员技能水平与产品生产率、合格率要求之间的矛盾，通过焊接工艺的可达性、可行性分析，并结合生产实际设计一套旋转件焊接专用工艺装备，使H-L045转换为PB位置，可有效控制旋转件缓冲支撑棒的质量。

1. 试验材料及方法

（1）缓冲支撑棒材料 试验中缓冲支撑棒按设计尺寸1:1制作，缓冲板按工装定位螺栓固定在专用工装两端，缓冲棒为Al-Zn-Mg合金，牌号为A7N01S（JIS H4100），热处理状态为T5，化学成分如表1所示，力学性能如表2所示，试验方法选用131。

（2） 试验焊材 焊材选用φ1.6 mm ER5356焊丝，化学成分如表3所示，保护气选用高纯氩（99.999%），气体流量为20~25L/min。

（3）脉冲MIG焊工艺 缓冲支撑棒的接头形式如图1所示，要求全焊透，焊接参数执行相应WPS文件。

表1 缓冲支撑棒主要化学成分（质量分数） （%）

表2 缓冲支撑棒材料的力学性能

表3 ER5356焊丝的主要化学成分（质量分数） （%）

图1 缓冲支撑棒接头形式

（4）焊前清理要求 铝合金焊接时对焊缝坡口表面清洁度要求很高，坡口处的氧化膜很容易吸收空气中的水分从而在焊接接头处形成气孔，表面的油污和水分更是气孔的直接来源；清理不彻底遗留下的杂质往往会在接头处形成夹渣，这些缺陷是影响焊接接头性能和焊缝质量的直接因素，因此焊前必须对焊缝坡口及附近进行严格清理。试验中采用的清理方法为：焊前坡口及两侧各30mm范围内，先用丙酮进行清洗除去脏污及油脂等有机物，然后用不锈钢刷清理表面氧化膜。

2. 工装的构造关系与作业要点

（1）旋转件工装构造 缓冲支撑棒焊接的装配状态及工装构造关系如图2所示。

图2 旋转件焊接专用工装

（2）焊接操作要点 第一，焊接前，相对空气湿度≤60%，工件、焊丝及环境温度≥10 ℃，必要时可对板材进行烘烤去除侵入铝合金母材中的水分。

第二，焊接时，需注意工艺参数匹配。与碳钢焊接工艺相比，铝合金焊接电流稍大，可保证焊缝根部充分熔透；焊丝的电弧电压稍高，保证焊缝表面成形。在一定的焊接速度下，可通过在线调节适当改变弧长调节电弧的穿透能力。

第三，为了保证焊接过程中的装配尺寸，焊前对工件进行定位焊，并且采用夹具刚性固定，防止焊接过程中因工件变形而影响后续焊缝的焊接质量。

第四，在焊接过程中停弧，最终结束时，要尽量填满弧坑，防止在弧坑处产生凝固裂纹。

（3）工装特性对比 在未采用旋转工装前，需手动旋转焊枪进行旋转平角位置施焊，焊接过程对技能人员要求高，作业过程不可复制，对焊接旋转件的人员有很大的挑战，此焊件的好坏直接影响车辆底架的制造周期。通过机电一体化控制旋转焊件在360°匀速旋转（旋转速度可调），焊件旋转周期固定这一优化，使得焊机焊接参数趋于稳定，降低了作业人员对焊接熔池控制的难度，提高了旋转类产品的合格率，同时因难度的降低，减低了对焊工技能的要求，大大提高了焊制该类焊件的效率。

第一，旋转类管件柔性调整。在旋转管类零部件长度上通过定位螺栓进行调整，扩宽该工装的使用范围，对于同类产品焊接均可用此工装进行装配施焊。

第二，焊接中实时微调。由于焊接为特殊作业过程，现阶段弧焊仍需人员在过程中对质量进行监控，因此过程中需要依据熔池及电弧状态进行微调，作为提高合格率的一项技术手段。

表4 焊接参数

图3 焊缝宏观组织10×

图4 焊缝微观组织 500×

3. 焊接过程与焊缝分析

（1）焊接工艺 支撑梁焊接采用6道焊缝焊接工艺，具体参数如表4所示。

（2）质量检测 对焊缝进行目视检测（VT），焊缝金属呈银白色，焊缝成形、宏观金相如图3所示。微观金相如图4所示，通过对焊缝表面进行100%渗透探伤（PT）检测，符合ISO 10042 B级质量标准。

（3）焊缝特征分析 按ISO 15614-2对焊缝取样，通过稀NaOH溶液腐蚀焊缝接头组织，并分别在10倍及500倍下观察组织，由图3可知焊缝熔合情况良好，未发现内部气孔、夹渣及裂纹等缺陷，符合ISO 10042B级焊缝质量要求。另外，由于热处理强化铝合金焊接接头是否开裂主要取决于热影响区时效析出的Mg2Si晶粒程度，所以当热输入大时接头热影响区的冷却速度低，有利于脆化相Mg2Si颗粒聚集长大。由图4可知，焊缝金属内未发现微裂纹，第二相弥散分布，未发现偏析现象，从而有效控制了裂纹产生的内因。

4. 结语

由原焊接位置H-L045或PB（旋转+平角焊位）转换成容易施焊的焊接位置PB（平角焊位），大大降低了焊接难度。

对焊工的技能要求降低，简化了考证项点，只需具备PB焊接位置，不需单独考取H-L045焊接位置的资质证书。

引收弧位置共两处，有效降低起弧、收弧位置的缺陷发生；原全手工焊焊件返修率约35%~50%，工艺改进后返修率降低到8%以下，且焊缝成形美观，提高了产品的合格率。

通过机电一体化控制旋转焊件在360°匀速旋转（旋转速度可调），焊件旋转周期固定这一优化，使手工焊接作业转化为半机械化焊接，很大程度上提高了焊接旋转类产品的生产效率。

[1] 彭云，许良红．焊接热输入对高强铝合金接头组织和性能的影响[J]．焊接学报，2008，29：17-21.