铝合金城际动车底架枕梁垫板焊接裂纹控制

李金龙，焦锐，胡伟

中车株洲电力机车有限公司 湖南株洲 412001

1 序言

铝合金车辆因具有良好的耐蚀性、撞击吸能特性、防火安全性，以及轻量化和维护成本低等特点，所以现已广泛应用于轨道交通装备制造中。铝合金城际动车采用全铝合金车体制作，由于在前期的设计与制作时缺乏相应的验证，故在图样设计上与工艺准备上还不够成熟，其中在铝合金城际动车铝合金底架组焊时，在枕梁垫板处出现了焊接裂纹，直接影响了产品质量与生产进度，因此需要及时解决底架枕梁垫板焊接裂纹的问题。

2 现状

由于底架的主要作用是承重，并且在底架两侧与动车车轮相连接，因此动车运行中其不仅承受整车质量，还存在较大的动载荷，是铝合金动车上的重要部件。在铝合车体设计时，对底架组焊的焊缝质量等级不仅要求比较高（铝合金车体组焊中大部分CPB焊缝都在底架上），而且在底架组焊时，焊接缺陷也控制的比较严格，不允许任何焊缝出现未熔合、裂纹等焊接缺陷，特别是焊接裂纹。由于动车在动载作用下，容易产生疲劳断裂及脆性断裂的风险，因此是铝合金车体组焊中质量控制的重点。

在首列4个底架组焊试制中, 底架都完成了相关交车与检验，但在底架多次转运后，有2个底架在枕梁垫板处出现裂纹，分别是T-1、M-1车共有3处焊接裂纹（T-1车2处，M-1车1处），特别在T-1车有一处长约2103mm的裂纹（见图1），几乎整道焊缝都裂开了，直接影响动车的运行安全。

图1 T-1车长约2103mm的裂纹

3 原因分析

（1）过程分析 由于大地板与枕梁垫板焊接时产生较大变形，所以在端部件与枕梁垫板装配中出现6mm左右间隙。为保证装配间隙，正面装配时采用4个1t的重块压紧点，如果不能保证间隙，翻面后用千斤顶顶紧，强制将大地板与端部件上枕梁垫板的间隙控制好，然后进行段焊，因此在装配后，大地板与枕梁垫板存在较大的内应力。

（2）检验分析 首先，在对裂纹处焊缝进行断面PT检测及断口熔深进行检测时（见图2、图3），均未发现气孔、未熔合、熔深不足等超标焊接缺陷。

图2 PT检测

图3 断口熔深检测

其次，对裂纹处切下来的一小块试样进行微观组织观察，发现在熔合线上沿晶界处出现多处层状撕裂的微观裂纹（见图4、图5），

图4 取样位置

图5 微观组织（200×）

通过以上检测分析，初步判断为焊接应力引起的焊后延迟裂纹。

4 预计改进措施

（1）减少焊接应力以防止裂纹的产生 首先，垫板的裂纹主要是由枕梁与垫板的5HY焊缝焊接时产生的应力引起的（见图6），焊接时在保证焊缝熔深的前提下尽量采用较小的焊接参数，减少热输入来减小应力的产生。

图65HY焊缝位置

其次，采用合理的装配与焊接顺序，使焊接变形得到一定控制，以减小大地板与枕梁垫板强制装配而产生的内应力。

（2）增加垫板的强度以防止裂纹的产生 枕梁垫板宽度较大，而地板只有1排塞焊孔。为保证垫板强度，建议将塞焊孔由1排增至2～3排，以提高垫板的强度。

（3）增加垫板的厚度以防止裂纹的产生 试制的4台车只是T-1、M-1车共有3处焊接裂纹，证明此处正是产生裂纹的临界点，因此通过增加垫板的厚度（1mm左右）来提高母材的强度，达到防止裂纹产生的目的。

5 过程实施

（1）工艺改进（以T-2车为例） 为减小底架大地板变形引起的装配间隙过大的问题，在大地板与枕梁垫板组焊时，只进行塞焊孔焊缝的焊接。在与端部件组焊后，先进行枕梁垫板与端部件的打底焊，让枕梁垫板与大地板焊缝自由收缩后再进行所有焊缝的焊接，如图7所示。

在采用改进焊接工艺后，底架组焊（T-2车）在班组交验时未出现裂纹。但在对底架多次吊运与加工后，在焊缝端头处，由于应力集中造成段焊处出现局部裂纹（见图8），因此改进焊接工艺虽然对控制焊缝裂纹有一定作用，但还不能完全避免裂纹的产生。

图7 大地板装配焊接前的准备

图8 枕梁垫板段焊处的裂纹

（2）设计改进 经多次与相关设计人员沟通后，同意将后期底架部件的单排开孔改为3排塞焊孔枕梁垫板（见图9）。在对3排塞焊孔枕梁垫板进行工艺验证后，未出现裂纹，因此从T-3车开始应用于生产中。

（3）焊后检测（以T-3车为例） 焊后对枕梁垫板焊缝进行PT检测，未发现裂纹（见图10）。在对后续铝合金底架组焊的3台车的跟踪检测，均未发现裂纹，目前相关设计已完成更改。

图9 枕梁垫板塞焊孔改进

图10 T-3车枕梁垫板的PT检验数据库的采集

6 结束语

通过上述工艺改善方案，使铝合金城际动车底架枕梁垫板焊缝合格率达到了100%，有效地提升了铝合金城际动车底架枕梁垫板的焊接质量；同时也减少了生产班组因返工造成的工时及物料浪费，并为相关工艺、设计等部门提供合理的参考依据。