胡代刚
东莞市永强汽车制造有限公司 广东东莞 523400
摘要：铝合金罐车（以下简称铝罐车）罐内隔仓板与筒体组焊结构常出现单边连续角焊缝开裂问题，经分析研究，提出了加填密封环条，采取双面连续角焊缝焊接的工艺方案，解决了这个技术难题。
关键词：焊接结构 疲劳失效 焊缝开裂 技术方案
前言
铝罐车罐内隔仓板采用带加强筋的碟形封头，并垂直于筒体纵向轴线与筒体组焊，二者装配后仅对贴合良好且便于施焊一侧的角焊缝进行连续焊接（见附图1和图5），罐车投入使用后（运输汽柴油），罐内隔仓板与筒体之间的连续角焊缝常出现开裂问题。综合罐车实际运输工况，发现致其开裂的主因有二，一是罐内液态物料因急刹车、转弯对隔仓板长期、反复的强烈冲击；另一方面是铝合金隔仓板与筒体只进行了单边角焊缝连续焊接，焊缝易因疲劳失效而开裂。
基于此，提出了在铝合金隔仓板背面与筒体的装配缝隙处加填密封环条，然后采取熔化极惰性气体保护焊（即MIG焊）焊接密封环两侧整圈环焊缝的解决方案（见附图2、图3和图6），按此方案我们修复了开裂的在用罐车，对后续罐车订单产品也明确要求按此工艺技术方案实施焊接。本文就这种组焊结构缺陷引起焊缝开裂，继而提出合理可行解决方案一事进行分析研究。
图1 隔仓板与筒体间未装密封环时结构 图2 隔仓板与筒体间加填密封环焊接节点图 图3 隔仓板与筒体间加填密封环结构
1 焊缝开裂原因分析
1.1 铝罐车罐体的结构形状及隔仓板、阻浪板的主要功能作用介绍
罐体为全铝合金结构，由筒体、前后封头、隔仓板和阻浪板等主要部件组成（见图4），材质通常选用退火状态的铝镁合金5083（注：Mg含量＞4%），罐体内每个仓室的仓容均严格按GB18564.1标准设计，用隔仓板彼此分隔。此外每一仓室内按设计需要焊装有数量不等的阻浪板，阻浪板和隔仓板的板厚均不小于筒体壁厚，其结构形状为碟形。相邻阻浪板上均开有位置错开的人孔，整个罐体铝合金主板材厚度多用5mm、6mm、7mm三种规格，封头、隔仓板、阻浪板上都焊有加强筋。它们各自的组装方式是：隔仓板、阻浪板均垂直于筒体纵向轴线与筒体组装并点固焊接，未改进组焊结构前仅对二者贴合良好便于施焊的一侧角焊缝进行连续焊接（见附图1和图5）。
隔仓板的主要功能作用：一是利用隔仓板对罐体分仓，可以极大减弱罐内液态介质物料运输中对罐体壁的冲击；二是通过分仓，罐体可以同时满足两种或两种以上液态介质物料的运输。
阻浪板的主要功能作用：减缓液态介质物料运输中对同一仓室内隔仓板、封头、罐壁的冲击。
1.2 隔仓板与筒体组焊角焊缝开裂原因分析
隔仓板与筒体焊接结构形式未改变前的组焊工艺方式：1）按图组装点固焊隔仓板与筒体；2）按附图5焊接一侧的连续角焊缝。焊后角焊缝质量、焊脚和焊喉尺寸等，经检验检测均符合设计与焊接规范要求，角焊缝表面也未见有裂纹、未熔合、气孔等焊接缺陷。罐车交付用户运输使用一段时间后（多为半年至一年之间）即发生隔仓板与筒体的角焊缝开裂问题，这些裂缝既有从焊缝熔合线位置开始的，也有直接从焊缝上开裂的。为此，我们从下述这些方面对焊缝开裂原因进行了分析、评价：
(1)选用的焊接材料（如ER5183焊丝和纯氩保护气）是否合适、是否存在质量上的问题；
(2)铝合金材料的力学性能是否符合标准GB/T3880轧制板材的要求；
(3)焊接结构设计的合理性；
(4)焊缝是否出现疲劳失效；
(5)是否严格按焊接工艺规范（如焊接工艺规程WPS）施焊；
(6)罐内物料（介质为汽油和柴油）对铝合金罐体材料的腐蚀情况；
(7)运输途中罐内物料对隔仓板的冲击烈度和损毁度。
经查阅相关检验记录、报告（包括焊接工艺评定报告PQR和材料复验报告）、质量证明书，上述1、2、5、6这四项均符合要求，首先排除他们是致裂主因；
其次，因罐内充装运输的是汽油、柴油物料，铝合金（即5083“0”）材料对这些介质的耐腐蚀性良好，腐蚀速率约0.05~0.5mm/年，罐体设计时已把腐蚀裕量引起的减薄量计入板厚中，这样第6条可能引致开裂的因素排除；
再次，从隔仓板与筒体的焊装结构形式（见图1）以及隔仓板未加填密封环焊接节点图（见图5）可知，罐内碟形隔仓板的凹面朝向设置虽合理，也符合液态介质对其的强烈冲击要求（在紧急制动时），但罐车在启动和行驶加速时，碟形隔仓板的凸面（相对凹面而言，下同）还是要承受相当大的液态介质推力（尽管对比凹面承受的冲击力小很多），这一前一后的推力和冲击力最终都传递到了单侧连续角焊缝上，当角焊缝上应力集中部位长期承受这些重复载荷，其所受的公称应力一旦低于弹性极限，焊缝就可能产生疲劳微裂纹，微裂纹不断扩展，最终导致焊缝开裂。
经此分析可知，上述3、4、7这三项密切关联，是导致隔仓板和筒体单侧组焊角焊缝开裂的主因。
图5 隔仓板未加填密封环焊接节点图 图6 隔仓板加填密封环焊接节点图
2 焊缝开裂问题的整体解决方案和技术措施
找出隔仓板与筒体组焊角焊缝开裂原因后，分析并提出行之有效的解决方案尤为关键。
为此，我们拟定了多套技术解决方案，通过对其分析对比、试验、评价，最终选定在隔仓板背面与筒体之间缝隙处加填整圈密封环并焊接的工艺技术方案。
2.1 隔仓板背面加填密封环的组焊结构解决方案
如图6所示在隔仓板凸面与筒体之间的组装缝隙处，加填一整圈的密封环条并点固焊接，然后按制定的焊接工艺规范（WPS）焊接密封环相邻两侧的连续角焊缝。
这套方案效果显著，优势明显，具体分述如下：
（1）增强了隔仓板与筒体之间组焊结构抗疲劳性能，疲劳寿命大大提高，疲劳失效及产生疲劳裂纹风险降低80%以上；
（2）原隔仓板与筒体之间缝隙残存渣料不易清洗，容易影响物料品质；
（3）避免了隔仓板与筒体之间缝隙积存渣料对原单侧角焊缝根部的快速腐蚀（焊缝根部抗腐蚀能力相对弱些），保证了承力角焊缝的强度；
（4）提升了铝罐车产品质量的可靠性、稳定性和认可度。
2.2组焊工艺技术措施
2.2.1密封环的组焊方式与要求
(1) 罐体包罐注a组焊时，隔仓板与筒体焊装点固后，即把如图6截面形状的专用铝合金密封环条分别装配、点焊于隔仓板和筒体上；
(2) 组装密封环条时，只要隔仓板、筒体分别与其对应接触面贴合良好即可，不得强力组装；
(3) 点固密封环条前，要求焊接处及其附近两侧各50mm宽区域使用丙酮去除油污及对焊接质量有害的物质，并用钢丝轮去除表面氧化膜；
(4) 要求按经过评定合格的焊接工艺进行点固定位焊，以确保其焊接质量稳定可靠，这样不致因其熔入连续角焊缝而影响整条焊缝质量。
注a---包罐是罐车制造行业对罐体焊装工序的一种通用习惯性叫法，这一工序包含把罐体前后封头、罐内隔仓板和阻浪板等主要附件与筒体按照设计图样和焊装工艺要求进行组装的全过程，俗称“包罐”。
2.2.2密封环与隔仓板、密封环与筒体的焊接工艺
二者施焊采取的焊接工艺规范相同，这是基于隔仓板与筒体同材质、同板厚，焊接位置又非常相似。密封环与隔仓板和筒体的焊接工艺见表1
结语
通过分析、试验、验证、评价，铝合金隔仓板背面与筒体的装配缝隙处加填密封环条，并对隔仓板左右两侧环缝采取连续角焊缝的解决方案是行之有效的，值得推广应用。 由此也进一步说明产品结构设计的合理性、焊接工艺技术措施的完善性与符合性是避免产品质量事故的可靠保证。
参考文献
[1]宗培言主编 《焊接结构制造技术手册》 上海科学技术出版社 2011.12
[2]李舜酩编著 《机械疲劳与可靠性设计》 科学出版社 2006.9
[3] DIN EN ISO 10042-2006 焊接 铝及其合金弧焊焊缝-缺陷评定
[4]GB18564.1《道路运输液体危险货物罐式车辆》第一部分：金属常压罐体技术要求
[5]JB/T 4734-2002 《铝制焊接容器》
论文作者:胡代刚
论文发表刊物:《防护工程》2018年第14期
论文发表时间:2018/10/10
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