時速250km動車組薄側(cè)墻自動焊技術(shù)研究

景鋒 王陸釗 田忠利

1.概述

CRH3G項(xiàng)目是我公司自主研發(fā)的時速200～250km動車組，該動車組上首次采用了內(nèi)藏門結(jié)構(gòu)，這種車門打開后沿軌道向內(nèi)滑動與薄側(cè)墻重疊，不僅節(jié)省了空間，而且比常規(guī)動車組使用的塞拉門故障率大大降低。薄側(cè)墻是內(nèi)藏門的重要結(jié)構(gòu)，本文針對薄側(cè)墻焊接過程中變形較大的問題，分析變形產(chǎn)生原因，采取相應(yīng)措施，使焊接變形得到有效地控制，有效保證了產(chǎn)品質(zhì)量。

2.焊接工藝及結(jié)果分析

（1）焊接材料 本試驗(yàn)采用的薄側(cè)墻材質(zhì)為6005A—T6，由5塊型材組成（見圖1），型材長度748mm，厚度7mm。焊接填充材料為E R—5087（AlMg4.5MnZr），φ1.2mm的MIG盤狀焊絲，保護(hù)氣體為純氬（99.99%Ar），母材及焊材成分如表1所示。焊前用D40清洗劑對待焊接區(qū)域進(jìn)行擦洗，然后用風(fēng)動打磨工具去除氧化膜，保證型材焊前清潔無氧化膜及污物。

（2）手工焊工藝 薄側(cè)墻焊縫形式為7mm深V形坡口，共8道焊縫，采用多層多道MIG手工焊接，保護(hù)氣體流量18L/min。為保證打底焊的熔透性，用手工MIG焊對薄側(cè)墻反面各焊縫進(jìn)行定位焊，將焊前組對間隙控制在2～3mm之間。焊接參數(shù)如表2所示，焊接層道如圖2所示。焊接時采取的順序?yàn)楸?cè)墻反面打底后翻轉(zhuǎn)工件焊接正面打底、正面填充，然后再次翻轉(zhuǎn)工件焊接反面填充和反面蓋面，最后翻轉(zhuǎn)工件焊接正面蓋面，使焊縫正反面變形互相抵消，有利于控制焊接變形，同時焊接每側(cè)的4條焊縫時采用從內(nèi)向外的焊接順序，使應(yīng)力逐漸向外釋放，降低焊接結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力。

（3）結(jié)果及分析 采用手工MIG焊接后，經(jīng)過樣板測量，薄側(cè)墻局部輪廓度尺寸超差嚴(yán)重，最大變形處達(dá)7mm（見圖3），很難通過火焰矯形將薄側(cè)墻調(diào)整到合格尺寸。焊后局部變形量大的主要原因：一是手工MIG焊接速度慢，熱輸入較大，且薄側(cè)墻結(jié)構(gòu)由于型腔窄，型材厚度僅為35mm，剛性較大，焊接時焊縫受到工裝約束及型材本身剛性拘束，因此使焊接結(jié)構(gòu)中存在較多的殘余應(yīng)力，冷卻后由于部分殘余應(yīng)力釋放導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形。

二是手工焊焊接層道數(shù)多，且焊接時工件需要翻轉(zhuǎn)3次，工作效率較低。由于不同焊工操作技能、手法等原因?qū)е潞负蠼?jīng)常出現(xiàn)咬邊、打底焊焊穿（見圖4）等缺陷，需要進(jìn)行焊接返修，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)效率。

表1 母材及焊絲的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 手工MIG焊焊接參數(shù)

圖1 薄側(cè)墻結(jié)構(gòu)

圖2 手工MIG焊焊接層道數(shù)

（4）自動焊焊接工藝 采用MIG自動焊設(shè)備進(jìn)行焊接，自動焊焊接速度快，焊縫均一穩(wěn)定，返修率低，焊接熱輸入量小，變形易控制。

本試驗(yàn)采用igm懸臂MIG自動焊機(jī)械手進(jìn)行焊接，焊縫為兩層兩道，焊前用手工MIG焊對坡口進(jìn)行定位焊，每道焊縫定位焊3段，定位焊長度為40～60mm，間距300mm。焊后保證焊前裝配間隙0.5～1mm，既避免了間隙過小造成打底未焊透缺陷的產(chǎn)生，又可避免間隙過大造成焊穿。焊接時先正面打底焊，然后翻轉(zhuǎn)工件反裝打底、蓋面焊接，再次翻轉(zhuǎn)工件正裝蓋面焊接，同時焊接每側(cè)的4條焊縫時，由內(nèi)向外依次焊接，有利于應(yīng)力釋放。焊接參數(shù)如表3所示。

機(jī)械手校槍時應(yīng)注意焊槍角度。由于薄側(cè)墻型材坡口處其中一邊自帶墊板，相對于不帶墊板一側(cè)厚度大，熔化時需吸收的熱量更多，所以應(yīng)合理設(shè)置焊槍的橫向偏置角度，使焊槍略指向焊槍過于垂直焊道，電弧的穿透力增強(qiáng)，為防止焊穿，將焊槍傾斜9°左右（見圖5）。

（5）自動焊試驗(yàn)結(jié)果及分析 使用表3中參數(shù)進(jìn)行自動焊焊接后的薄側(cè)墻經(jīng)過樣板測量，局部變形量最大為3mm，幾乎不需要火焰矯形就能滿足圖樣要求，生產(chǎn)效率得到顯著提高。焊縫表面成形美觀（見圖6）。焊后在每道焊縫距起弧、收弧50mm處及中間位置各截取80mm長試樣，用wHF1%+wHCl1.5%+wHNO32.5%的Keller溶液對表面進(jìn)行進(jìn)行腐蝕，制備宏觀金相。腐蝕后得到宏觀金相（見圖7），通過金相觀察發(fā)現(xiàn)自動焊焊接側(cè)壁熔合良好，未出現(xiàn)裂紋、未焊透等焊接缺陷。

分析如下：

首先，焊接熱輸入：對比表2、表3中手工焊和自動焊的焊接參數(shù)，經(jīng)計算，手工焊打底及蓋面熱輸入分別是Q1=0.598kJ/mm和Q2=0.593kJ/mm；自動焊打底蓋面焊熱輸入Q3=0.379kJ/mm和Q4=0.445kJ/mm。因此，自動焊打底及蓋面熱輸入量Q3及Q4分別比手工焊熱輸入降低了36%和25%，有效降低了焊接熱輸入，熱量利用率高。通過對比分析可知，薄側(cè)墻的自動焊焊接工藝更能有效地通過降低熱輸入量來控制變形。

圖3 薄側(cè)墻焊后變形嚴(yán)重

圖4 手工焊打底焊穿

表3 自動MIG焊焊接參數(shù)

圖5 機(jī)械手焊接薄側(cè)墻

圖6 薄側(cè)墻焊后整體

圖7 薄側(cè)墻宏觀金相

其次，焊接效率：對比表3和表2的焊接速度可看出，采用MIG自動焊焊接工藝，焊接速度比手工焊提高了近1倍。焊接道數(shù)由3層3道改變?yōu)?層2道，焊接時工件翻轉(zhuǎn)次數(shù)也由手工焊的翻轉(zhuǎn)3次優(yōu)化為翻轉(zhuǎn)2次，使焊接工藝流程得到了簡化，大量節(jié)約了焊接準(zhǔn)備時間，工作效率顯著提高。經(jīng)驗(yàn)證，薄側(cè)墻的自動焊焊接工藝適用于側(cè)墻的批量生產(chǎn)。

3.結(jié)語

通過對CRH3G項(xiàng)目車體薄側(cè)墻分別進(jìn)行手工焊和自動焊的焊接工藝試驗(yàn)，并在焊后進(jìn)行輪廓度測量、制備宏觀金相等檢測手段，從結(jié)果可知：薄側(cè)墻的自動焊工藝焊接時翻轉(zhuǎn)工件次數(shù)少，工作效率高；自動焊焊接質(zhì)量高，缺陷少；焊后變形小，適用于薄側(cè)墻的批量生產(chǎn)。20140506