【摘 要】研究了地铁铝合金车体牵缓的焊接工艺，介绍了牵缓的结构，并对底架牵缓用7020铝合金进行了焊接工艺试验，研究了焊接接头的组织及接头的综合力学性能，分析了牵缓组成焊接变形的产生原因，并提出了有效的控制措施，充分保证了地铁铝合金车体底架牵缓的焊接质量。
【关键词】牵缓；焊接工艺；焊接变形；质量
前言
随着我国城市化进程的加快，“十二五”期间我国城市轨道交通仍将保持快速发展。截至到目前，已经有31个城市轨道交通规划获得批准，规划总里程达到2700km，投资将过万亿元。城市轨道交通建设的规模不断扩大，为城轨、地铁车辆等交通装备制造业提供了广阔的市场空间。铝合金具有密度小、比强度高、耐腐蚀、外观平整度好、可再生利用及环保、易于热加工成形而制造长大型材等诸多优点，使得铝合金结构车体在城轨、地铁等城市轨道车辆上的应用逐步推广。
1 铝合金车体牵缓的组成
牵缓是地铁列车各车厢之间牵引传力的纽带，通过车钩实现列车的动力传递，是车体上同时承受拉伸和压缩载荷的关键部件，其结构如图1所示。牵缓与枕梁、牵引梁与车钩之间的焊缝都是极为重要的受力部位，承受着来自车钩、转向架等巨大的冲击载荷，因此，该部位对强度尤其是疲劳强度要求很高，其焊接质量对车辆运行安全性和使用寿命均有重要影响。本文研究了地铁铝合金车体牵缓的焊接工艺，分析了牵缓组成焊接变形的原因并提出了有效的控制措施，为城轨、地铁列车等交通装备制造技术提供借鉴。
2 焊接工艺试验
针对牵缓的结构特点和使用性能要求，设计采用7020－T6高强铝合金。牵缓中牵引梁与钩缓间的18V焊缝（图2），设计要求采用100％的射线探伤（RT）以严格检验焊接质量。该处为18mm厚的铝合金板材与型材的对接焊缝，焊缝的焊层及焊道多、焊接操作空间小、焊接工艺性差，再加上采用国产铝合金，焊接性不稳定，造成该部位可能成为地铁列车铝合金车体焊接缺陷的易发、多发区。因此，模拟该部位的焊接工作试件进行工艺试验，验证该部位及材料的焊接工艺性，以保证产品焊接质量稳定。图1地铁铝合金车体牵缓的组成上盖板下盖板肋板牵引梁钩缓·工艺与新技术·35DOI:10.13846/j.cnki.cn12-1070/tg.2014.03.013焊接技术第43卷第3期2014年3月地铁车体牵缓采用18mm厚的7020－T6铝合金，为热处理＋人工时效的强化状态下供货，其设计为全焊透焊缝的结构形式。试验选用规格为准1.2mm的ER5087铝合金焊丝，采用半自动惰性气体保护焊（MIG）焊接，保护气体为φ（He）30％＋φ（Ar）70％二元混合气体。
2.1焊接接头组织
焊缝冷却后垂直于焊件表面并沿焊缝中心方向将焊接接头剖开，割取金相试样，经打磨、抛光、腐蚀、清洗之后，采用ZeissMxiovert40MAT型金相显微镜观察组织形貌。焊缝及热影响区组织如图3所示。图3a为7020－T6铝合金焊缝区域的显微组织，从图中明显看到铸态组织，焊缝中心为晶粒粗大的等轴晶，熔合线附近沿散热方向的焊缝组织为柱状晶组织，主要由α－Al固溶体和η－MgZn2＋T－Al2Mg3Zn3强化相组成，该组织具有良好的强度和韧性，使焊接接头具有较好的力学性能。图3b为焊接热影响区的显微组织，热影响区内分布着树枝晶，且在熔合线处有粗大的柱状晶，主要是由粗大的Mg2Si颗粒组成，该组织的产生主要是由于铝的热导率大、散热能力强、在焊接过程中热影响区晶粒生长过程中产生较大的过冷度，导致树枝晶组织出现。从熔合线向母材的方向生长，树枝晶生长越粗大，该组织硬度高，韧性较差，导致焊接热影响区力学性能就越差，成为焊接接头最薄弱的区域。
2.2焊接接头力学性能
采用WDW3300型微控电子万能试验机，通过拉伸和弯曲试验测定母材及焊接接头的力学性能。按ISO4136—2012进行拉伸试验，观察试样的断裂位置，测定抗拉强度分析接头的拉伸性能。参照ISO5173—2000进行弯曲试验，选用2组弯曲试样（背弯、面弯），弯曲角度180°。其力学性能试验结果见表1。由表1中数据可知，焊接接头的抗拉强度为276MPa，约为母材抗拉强度的75.62％，这与接头组织晶粒具有较好的强韧性有关。焊接接头的断后伸长率5.8％约为母材的48.33％，接头韧性低于母材韧性。
焊接接头拉伸断裂部位为焊接热影响区，宏观断面没有发现影响接头力学性能的缺陷。由于多层多道焊的焊接热输入大以及铝合金焊后较快的冷却速度，迫使熔合线晶粒产生极大过冷度而形成树枝晶，造成焊接热影响区软化，强度降低，从而影响焊接接头强度。在弯曲试验过程中，试件弯曲角度达到180°，在焊缝弯曲表面及附近进行渗透检测，未发现任何开口性缺陷，说明焊接接头的抗弯曲性能良好。综上所述，牵缓用7020－T6铝合金焊接接头抗拉强度高于母材抗拉强度的60％，抗拉强度及伸长率符合标准要求，抗弯曲性能良好，该焊接接头的综合力学性能满足设计使用要求。
3 焊接变形分析
地铁牵缓由钩缓、上下盖板、牵引梁、肋板及图2牵缓工装内焊接图RT焊缝图3焊缝及热影响区微观组织（a）焊缝（b）焊接热影响区表1母材及焊接接头的力学性能Rm/MPaRp0.2/MPaA（%）断裂部位弯曲角度/（°）母材36530512—180焊接接头2762465.8热影响区18036·工艺与新技术·WeldingTechnologyVol.43No.3Mar.2014附件组合焊接而成，由于焊缝数量多、焊缝长、焊材填充量大，底架牵缓焊接后变形较大，导致钩缓平面度超差、上盖板凹凸不平、牵引梁扭曲变形。由于牵缓为扁平且长大的空腔结构，矫正时调修难度大，工作量非常大，严重影响了工件质量和生产进度，浪费大量的人力、物力，并且还影响和制约底架组成等后道工序的装配质量。
3.1焊接变形原因
图4为牵缓焊接变形对比。由于铝合金导热性好，铝合金的热膨胀系数大，凝固收缩率约为6.5％，MIG焊焊接热输入大，焊后容易产生变形；操作时的焊接顺序不合理使焊接变形累积，导致钩缓的平面度超差；连接梁与上盖板连接处外侧为HY焊缝，内侧为角焊缝，工装上没有专门的压卡装置，加上焊接操作手法不合理导致牵引梁产生扭曲变形；牵引梁带动上盖板的平面度变化，然后焊接肋板使得上盖板进一步变形，导致上盖板凹凸不平；装配间隙大使焊材填充量增加，从而增大了工件的热输入，使工件最终焊接变形较大，如图4a所示。
3.2焊接工艺措施
为了有效控制牵缓的焊后变形，提高生产效率，结合焊接变形的原因研究了相应的工艺措施，并对焊接工艺进行优化改进，提高牵缓焊接质量。（1）钩缓与下盖板为双面HV焊缝，要求背面焊透，先在外侧焊接4道，并在打底焊接时焊接电流略大并使电弧偏向厚板，然后内侧清根、PT检测后，再焊接内侧的填充和盖面焊缝，前后变形互相抵消，从而有效保证了钩缓的平面度。（2）在两侧牵引梁之间设置支撑并且外侧用F形卡进行定位，焊接时采用分段跳焊法并需两侧焊缝交替焊接，这样焊接应力均匀扩散，使焊接变形相互抵消，有效控制了牵引梁的扭曲变形。（3）在内侧用F卡将上盖板与工装刚性固定，并在焊接下盖板时在上下盖板之间放置支撑，同时优化焊接顺序，先焊接18V焊缝后再焊接牵引梁与上盖板件的连接焊缝，从而避免了18V焊缝焊后收缩产生较大的拉应力，导致上盖板变形。（4）同时优化工艺参数，调整电弧电压、焊接电流、电弧脉冲等焊接参数的匹配性，在保证焊缝焊接质量的前提下，尽量减小工件的焊接热输入，以减小变形。（5）提高装配质量：在装配时，角焊缝尽量严密无间隙，这样可减少焊缝填充量和焊接收缩，最大限度地减小焊接变形，改善焊缝成形。图4b是通过对焊接工艺进行优化，牵缓的焊接变形得到了有效控制，牵缓下盖板的平面度焊后达到1.5mm/m。
4 结束语
（1）采用合理的焊接工艺，可以制造出高质量的地铁铝合金车体牵缓。（2）7020铝合金焊接接头中，焊缝区为柱状晶和等轴晶的铸态组织，热影响区内分布着树枝晶，且在熔合线处有粗大的柱状晶。（3）焊接接头抗拉强度276MPa，伸长率5.8％，焊接接头综合力学性能满足设计使用要求。（4）通过优化焊接工艺，牵缓的焊接变形得到了有效控制。
参考文献
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论文作者:李建南
论文发表刊物:《低碳地产》2016年7月第14期
论文发表时间:2016/11/2
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