淺議鋁合金車體型腔內(nèi)焊縫背部缺陷避免及修復

呂曉蘭，王釗，張龍，費鵬飛

（青島四方龐巴迪鐵路運輸設(shè)備有限公司，山東青島266111）

淺議鋁合金車體型腔內(nèi)焊縫背部缺陷避免及修復

呂曉蘭，王釗，張龍，費鵬飛

（青島四方龐巴迪鐵路運輸設(shè)備有限公司，山東青島266111）

以生產(chǎn)中的實際問題為例說明鋁合金車體生產(chǎn)中型腔內(nèi)焊縫背部缺陷的修復措施，及為避免發(fā)生此類缺陷，在設(shè)計、工藝、生產(chǎn)方面必須注意的具體問題。

鋁合金；型腔；背部缺陷；缺陷修復

目前鐵路上廣泛運營的動車組和高鐵絕大部分都是由鋁鎂合金的中空擠壓鋁型材組焊而成。利用了鋁型材比重低，擠壓型材剛性好、外觀質(zhì)量容易保證等特點。而中空鋁型材兩面焊接后，兩塊型材對接焊縫的背部被封閉在空腔中。相對于單板單面焊接雙面成形的焊縫，背部焊后缺陷修復存在一定難度，因為封閉腔內(nèi)不好觀察缺陷，而且有了缺陷也不好修復。下面以BST的C30項目車體生產(chǎn)為例，說明封閉腔內(nèi)缺陷修復方法。

1問題描述

C30地鐵項目車體生產(chǎn)中前幾輛車體組焊完成后，焊縫外觀檢查、PT檢驗都沒有問題，但是在焊縫內(nèi)部抽檢時卻發(fā)現(xiàn)部分焊縫背部有塌陷發(fā)生。發(fā)生問題的位置為車內(nèi)端墻與側(cè)墻搭接焊縫。抽檢時從側(cè)墻窗口位置敞開空腔用手電照射檢查發(fā)現(xiàn)背部成形不好，進一步用內(nèi)窺鏡對正檢查發(fā)現(xiàn)有焊接塌陷發(fā)生的位置還有燒穿現(xiàn)象，因此立即停止生產(chǎn)，詳細分析缺陷位置。檢查發(fā)現(xiàn)背部燒穿或塌陷位置都發(fā)生在側(cè)墻板厚為3 mm區(qū)域，而其它板厚區(qū)域沒有問題。如圖1所示。

圖1 內(nèi)窺鏡檢查

2原因分析

分別對各輛車體發(fā)生問題位置進行分析后確定缺陷主要原因為：

（1）C30車體的端墻與側(cè)墻連接采用車內(nèi)車外皆為搭接，車外為z3搭接角焊縫，車內(nèi)為z4搭接角焊縫。其中，車內(nèi)搭接焊縫處端墻壁厚為4 mm、側(cè)墻壁厚為3~7 mm不等。也就是存在4 mm端墻板搭接在3 mm側(cè)墻板上焊接z4的焊縫，屬于厚板搭薄板情況，見圖2.但設(shè)計上因強度分布原因必須在側(cè)墻型材上保留3 mm厚度的吸收應力區(qū)，見圖3.

圖2 缺陷焊縫

圖3 側(cè)墻厚度分布

（2）側(cè)墻3 mm板厚區(qū)域與4～5 mm板厚共用一個WPS（焊接工藝規(guī)范）；

（3）側(cè)墻3 mm位置C型槽影響焊接；

（4）安裝時側(cè)墻與端墻貼合不夠緊密；

3修復方案

因缺陷處于封閉腔內(nèi)，無法直接從背部去除補焊。唯一的修復方案是從前面挖掉去除缺陷，后重新補焊。經(jīng)強度計算進行確認合格后，預先由施焊工人按照工藝修改單要求WPS準備工作試樣，試樣合格后開始進行修復工作。

具體修復方案如下：

（1）參照模型，用內(nèi)窺鏡確定背部塌陷或燒穿準確位置并在車內(nèi)側(cè)墻上標注缺陷位置，見圖4.

圖4 缺陷位置標注

（2）在已標注缺陷位置按照圖示劃線62×50方口，方口應把缺陷全部包括在內(nèi)，見圖5.

圖5 劃線

（3）預先在劃線的方框四角用Φ12鉆頭鉆孔，后用切割片切割掉其余部分并打磨周圈坡口如圖6所示（1 mm鈍邊，35°坡口）。

圖6 切口及打磨

（4）把背板安裝到內(nèi)側(cè)并從外側(cè)點固焊接背板，后打磨去除點固焊點至留出背板凹槽部分，見圖7.

圖7 背板點固

（5）安裝方形封板，方形封板與側(cè)墻外表面齊平，使用正確的WPS焊接，焊后用不銹鋼絲輪對焊縫黑灰進行清理，并對焊縫接頭進行打磨，見圖8.

圖8 封板焊接

封板焊接完成后見圖9.

圖9 封板完成圖

（6）對封板周圈焊縫進行PT（滲透探傷檢查）檢驗至確認合格；

對繼續(xù)生產(chǎn)車體組裝及焊接做如下改進方案：

（1）預先在側(cè)墻上標識出3 mm厚與端墻搭接位置；

（2）在端墻與側(cè)墻組裝時，從下向上依次用橫向拉桿拉緊側(cè)墻至與端墻貼緊后點固；

（3）點固完成后直接焊接3 mm板厚側(cè)墻與端墻搭接位置，其它端墻與側(cè)墻搭接位置待到車體焊接時統(tǒng)一完成；

（4）3 mm側(cè)墻板厚處使用單獨只用于4 mm +3 mm的WPS；

經(jīng)過上述工藝修改后，問題區(qū)域用內(nèi)窺鏡跟蹤檢驗后再沒有發(fā)生過塌陷和燒穿的問題。

4改進建議

從上述問題發(fā)生可以看出，焊縫背部成形在封閉空腔內(nèi)發(fā)生問題時，如果沒有可以利用的敞開空間進行修復，必須采用切割去除后重新補焊的方式進行修復。因此應從設(shè)計、工藝、生產(chǎn)等多方面引起重視，保證型腔內(nèi)對接焊縫焊透而不穿透、搭接焊縫熔而不透。下面以C30地鐵車體設(shè)計、工藝、生產(chǎn)等為例進行說明。

4.1 設(shè)計——結(jié)構(gòu)上預先考慮

（1）對接焊縫自帶背板厚度合適。鋁合金車體上的主要長大自帶背板對接接頭焊縫有：底架地板型材間焊縫、側(cè)墻型材間焊縫、端墻型材間焊縫、車頂型材間焊縫以及底架與側(cè)墻間對接焊縫。C30車體對接焊縫最大7V，最小4V，統(tǒng)一設(shè)計背板厚度4 mm，兩型材凹凸插接寬度公差不大于0.5 mm，背板凹槽長度自帶背板一側(cè)凹槽長度小，而插接另一側(cè)凹槽尺寸長，利于熔化熔池填滿凹槽和氣體排出，且能保證插接后背板托襯緊密。見圖10.

圖10 底架地板型材插接尺寸

（2）對于車體上端墻與側(cè)墻、端墻與車頂?shù)拇罱咏呛缚p：設(shè)計上考慮了將來生產(chǎn)中的安裝誤差及設(shè)計要求的最小搭接量，二者合并后作為設(shè)計最小搭接尺寸。同時，設(shè)計時還要對實際組裝順序中焊縫的焊接空間是否足夠預先考慮，如車內(nèi)底架地板與邊梁自動焊時，自動焊的焊槍是否會與底架邊梁相抗而影響地板與邊梁角焊縫的焊接；再如車內(nèi)端墻與底架端橫梁的焊縫需要驗證焊縫距底架地板面的高度以確定焊接空間是否足夠等。

4.2 工藝——制定合理工藝操作規(guī)范

（1）對車體上各條主要長大對接焊縫，每條焊縫焊接位置進行具體分析，盡可能讓這些焊縫都在PA（平焊）位置焊接，并盡可能采用自動焊接，保證焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性。

（2）按照EN15085-4標準，對主要焊縫及標準要求的焊縫由實際生產(chǎn)施焊焊工準備焊接工作試樣。工作試樣的準備完全等同于實際操作，工作試樣的焊接位置、焊接空間等相關(guān)內(nèi)容必須與生產(chǎn)完全一致。例如車內(nèi)車頂與端墻、車頂與側(cè)墻連接的位置，通常受焊接順序及空間影響為PE/PF（仰焊/立焊）位置焊接。

（3）針對每條焊縫，按照焊接位置、材料、板厚等條件選擇正確的WPS.

（4）制定合適的組裝工藝順序，按照工藝順序準備正確合適的工裝、輔具等設(shè)備，使工裝能對尺寸及焊接收縮進行有效控制。

（5）制定正確的焊接順序，即能減小變形量同時又能保證變形量的均勻。如側(cè)墻與底架和車頂?shù)倪B接焊縫的焊接采用左右同時對稱焊接（可以采用左右手退焊代替左右手焊接）。

4.3 生產(chǎn)——嚴格執(zhí)行工藝操作要求

（1）控制環(huán)境溫度≥10℃，濕度≦65%；

（2）組裝時嚴格按照工藝要求檢查組裝尺寸，檢查焊縫間隙；

（3）焊接前嚴格認真準備焊前清理及打磨。用干凈抹布對噴有異丙醇的帶焊接區(qū)域進行清理，清理區(qū)域為待焊接區(qū)域兩側(cè)各50 mm范圍至無灰塵、無油污，打磨去除氧化膜區(qū)域為待焊接區(qū)域兩側(cè)各20 mm范圍，打磨區(qū)域不能超過清理區(qū)域，打磨完成后6小時內(nèi)必須焊接，否則應重新打磨。焊接背板不需打磨但須用異丙醇清理。清理和打磨必須沿同一方向且不能來回清理及打磨。對于自動焊接的焊縫，焊前采用不銹鋼絲刷沿焊縫長度方向進行再次清理，清理紋路平行于焊縫長度方向。

（4）焊接過程中完全按照WPS要求參數(shù)、條件進行焊接。焊接中層間清理采用不銹鋼絲輪或刷去除焊縫表面的黑灰及飛濺等。用錐形銑刀去除夾溝、未熔合等不規(guī)則焊縫使得層道間焊縫過渡平滑。

（5）其它焊接完全按照標準工藝文件操作。

4.4 檢驗

焊縫完成后，除按照焊縫質(zhì)量等級進行相應的外部檢查外，對型腔內(nèi)的對接背板情況及角焊縫背部成形情況必須注意檢查，否則如果存在背部缺陷將是焊縫長期的疲勞破壞情況的主要影響因素。

方法1：用肉眼通過手電照射觀察型腔內(nèi)焊縫背部情況。

方法2：如果用肉眼觀察到問題但因距離遠不能確定，可以使用內(nèi)窺鏡通過可用開口插進型腔內(nèi)觀察詳細情況。如果是長大型材內(nèi)腔內(nèi)窺鏡也不能達到的，需要在合適位置鉆孔插入內(nèi)窺鏡探頭觀察，但開孔位置及大小須經(jīng)設(shè)計確認。

5結(jié)束語

鋁合金車體的使用壽命目前一般按照25~30年設(shè)計，而影響設(shè)計壽命的主要因素是疲勞應力，因此應避免任何潛在的疲勞應力產(chǎn)生。而鋁合金型腔內(nèi)焊縫背部成形存在缺陷，最直接的結(jié)果就是疲勞應力的產(chǎn)生。因此，必須對型腔內(nèi)焊縫背部成形情況，從各方面加以考慮，嚴格控制生產(chǎn)，嚴格質(zhì)量檢驗，嚴格缺陷修復。

Discussion on Defect Prevention and Repair of Alum inum Alloy Car Body Cavity Weld Back Defect

LV Xiao-lan，WANG Chao，ZHANG Long，F(xiàn)EIPeng-fei
（Qingdao Bombardier Sifang Transportation Equipment Co.，Ltd.，Qingdao Shandong 266111，China）

Based on the actual problems occurred in the production as an example to illustrate the repairmeasures aluminum alloy body cavity back weld production of medium defects and to avoid specific problems need to pay attention to such defects in design，technology，production.

aluminum alloy；cavity；back defect；defect repair

TG441.7

A

1672-545X（2016）12-0213-03

2016-09-02

呂曉蘭（1966-），女，山東人，本科，工程師，研究方向：鋁合金車體設(shè)計及制造工藝。