高速列車鋁合金車體焊接缺陷分析及工藝探析

耿春明 呂明 侯思宇

摘 要：鋁合金作為當(dāng)前較為常見的金屬材料，具有很多優(yōu)點(diǎn)，如密度低、強(qiáng)度高、塑性好等，正是這些優(yōu)點(diǎn)的存在，使其被廣泛的應(yīng)用到生活、科技等諸多方面，其中包括高速列車的制作當(dāng)中，有效對(duì)鋁合金車體進(jìn)行焊接，可以提升高速列車的安全與穩(wěn)定性。基于此，本文通過對(duì)高速列車鋁合金車體焊接工藝的簡(jiǎn)單概述，進(jìn)而分析了高速列車鋁合金車體焊接缺陷，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)策略，以提升高速列車鋁合金車體的焊接質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：高速列車;鋁合金;焊接缺陷

引言：高速列車車身生產(chǎn)時(shí)，通常需要利用焊接的方式，將鋁合金拼接到一起，使其構(gòu)成一個(gè)車身整體。然而，在拼接的過程中，受到技術(shù)工藝、人員等多方面因素的影響，導(dǎo)致焊接當(dāng)中依然存在很多缺陷，影響高速列車車身的正常性能，增加列車的運(yùn)行隱患。因此，對(duì)高速列車鋁合金車體焊接缺陷分析及工藝進(jìn)行研究具有重要意義，為高速列車鋁合金車體更好的焊接奠定良好基礎(chǔ)。

一、高速列車鋁合金車體材料焊接工藝概述

高速列車鋁合金車身焊接時(shí)，主要采用的是三角補(bǔ)強(qiáng)焊接技術(shù)，該技術(shù)有以下幾個(gè)要點(diǎn)：（1）在焊接之前，利用特定溶液，對(duì)焊接處進(jìn)行清理，除掉油質(zhì)與灰塵。（2）利用處理后的鋼絲球，對(duì)焊道進(jìn)行打磨，除掉保護(hù)膜。（3）通過多焊道的方式，焊接鋁合金車身，焊接溫度為60℃;焊接原理為：沿著相同的順序，先焊接車身正面，然后焊接車身的背面，以圖1所示為例，焊接順序?yàn)椋篎1（正面）、F2（正面）、S1（背面）、S2（背面）。（4）不論是起始引弧，還是終止息弧，都要在車身上，并在焊完后，對(duì)其打磨，保持車身的平整。（5）對(duì)F1與S1焊接時(shí)，前后移動(dòng)焊接設(shè)備;對(duì)F2、S2焊接時(shí)，圓形移動(dòng)焊接設(shè)備。

二、高速列車鋁合金車體焊接缺陷

（一）裂縫缺陷

高速列車鋁合金車身焊接時(shí)，可能出現(xiàn)裂縫的缺陷，雖然該缺陷的發(fā)生率較低，但會(huì)對(duì)車體帶來嚴(yán)重危害。若車身出現(xiàn)裂縫，不僅影響車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，而且還列車在運(yùn)行時(shí)，頻率較高，所承受重量較大，很容易使裂縫缺陷不斷加劇，對(duì)整個(gè)車體造成嚴(yán)重?fù)p害，從而引發(fā)嚴(yán)重的安全事故。在車身焊接的過程中，下述原因可出現(xiàn)裂縫：（1）焊接時(shí)，并未針對(duì)車身得到具體情況，選擇合理的焊接材料，導(dǎo)致焊接處出現(xiàn)裂紋。（2）坡口分析較大的部位，或者是卷邊接頭處，由于對(duì)焊接技術(shù)要求較高，因而也很容易出現(xiàn)裂縫。（3）焊接操作時(shí)，未按照相關(guān)要求進(jìn)行焊接，使得車體內(nèi)的應(yīng)力大幅度增加，當(dāng)其提升至一定高度后，就會(huì)出現(xiàn)裂縫。

（二）氣孔缺陷

對(duì)鋁高速列車鋁合金車身進(jìn)行焊接時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)很多缺陷，其中，最為常見的為氣孔，受到一缺陷的影響，會(huì)減少焊縫的堆積比率，降低接頭的受力面積，影響接頭的各項(xiàng)物理性能，特別是冷彎能力影響更為顯著。導(dǎo)致這一缺陷出現(xiàn)的原因有很多，主要有：（1）開展焊接工作之前，未對(duì)鋁合金清理，或清理的不夠徹底，導(dǎo)致鋁合金上附著一些有機(jī)物或水分，這些物質(zhì)在高溫的作用下，會(huì)產(chǎn)生一些H2;（2）鋁合金焊接時(shí)，自身也會(huì)產(chǎn)生少量的H2;（3）在保護(hù)性氣氛內(nèi)，含有少量H2;（4）焊接過程中，氣流量不充足，氣流穩(wěn)定性較差，焊嘴存在雜質(zhì)等，均會(huì)產(chǎn)生H2。

（三）未熔合缺陷

高速列車鋁合金車體焊接時(shí)，容易出現(xiàn)未熔合的缺陷，即在部分區(qū)域內(nèi)，焊道與車體并未有效的連接到一起，依然存在一定間隙。若出現(xiàn)這一缺陷，會(huì)對(duì)接頭的物理性質(zhì)造成嚴(yán)重影響，降低力學(xué)性能，嚴(yán)重時(shí)，甚至?xí)蓴_焊接結(jié)構(gòu)的性能，降低車體的承載能力。對(duì)于這一缺陷來說，引發(fā)原因?yàn)椋涸阡X合金方面，具有較強(qiáng)的導(dǎo)熱性，能夠快速將熱量傳遞出去，加之鋁合金熔點(diǎn)不是很高，導(dǎo)致在焊接時(shí)，很容易出現(xiàn)未熔合的現(xiàn)象。如果焊接場(chǎng)所周邊溫度不是很高，則會(huì)增加該缺陷的發(fā)生率，擴(kuò)大該缺陷的危害程度。目前，在高速列車鋁合金焊接工藝當(dāng)中，這一缺陷依然是一個(gè)難點(diǎn)。

（四）夾渣缺陷

除上述三個(gè)缺陷之外，高速列車鋁合金車身焊接時(shí)，還會(huì)出現(xiàn)夾渣缺陷，一般來說，指的是在按照規(guī)定流程焊接時(shí)，在車身的表面，出現(xiàn)了一些氧化物，或者是鋁合金自身的雜質(zhì)等。若出現(xiàn)這一缺陷，則影響焊接處的抗腐蝕性，很容易在車體表面形成一些化學(xué)物質(zhì)，或者出現(xiàn)一些腐蝕孔，不僅影響車體的美觀性，而且還降低車體的性能。導(dǎo)致這一缺陷出現(xiàn)的原因有兩個(gè)，一是焊接前，并未將氧化膜完全清理，使其遺留在車體表面，焊接時(shí)，在高溫的作用下，氧化膜會(huì)隨著鋁合金的融化，形成熔池，當(dāng)熔池凝固后，即可生成夾渣。二是開展TIG焊接工序時(shí)，保護(hù)性氣氛較差，易引起鎢極燒損，滯留在焊縫中，從而出現(xiàn)夾鎢的問題。

三、高速列車鋁合金車體焊接的改進(jìn)

（一）裂縫缺陷的改進(jìn)

為了防止裂縫缺陷的出現(xiàn)，應(yīng)采取以下措施：（1）焊接時(shí)，對(duì)控制熔池內(nèi)部成分，即選擇合理的鋁合金與焊接材料。據(jù)大量實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐驗(yàn)證，采用Al-Zn-Mg-Cu鋁合金材料時(shí)，更容易出現(xiàn)裂縫缺陷，因而在焊接過程中，盡量不采用該材料，而選擇Al-Zn-Mg鋁合金材料。這樣不僅有效對(duì)裂縫進(jìn)行了預(yù)防，而且還會(huì)提升焊接質(zhì)量。而在焊接材料方面，則應(yīng)使用抗裂縫的焊絲。（2）焊接的過程中，若收弧不合理，則會(huì)產(chǎn)生弧坑裂縫。因而在實(shí)際當(dāng)中，焊接人員在收弧時(shí)，應(yīng)將弧坑填滿。（3）在接頭處，兩側(cè)鋁合金的厚度不能相差太大，避免由于散熱存在差異而引發(fā)裂縫。

（二）氣孔缺陷的改進(jìn)

為了避免氣孔缺陷的出現(xiàn)，高速列車鋁合金車體焊接時(shí)，應(yīng)采取以下措施。（1）在焊接之前，應(yīng)仔細(xì)對(duì)車體表面進(jìn)行清理，特別坡口等細(xì)節(jié)方面，更細(xì)的要更加徹底，以保證車體表面的潔凈程度，進(jìn)而防止氣孔的出現(xiàn)。（2）在焊接時(shí)，應(yīng)選擇良好的保護(hù)性氣氛，如采用高純度的Ar等，純度越高，對(duì)焊接工序的保護(hù)力度越好，正常情況下，純度應(yīng)大于99.99%。在焊接的同時(shí)，還要對(duì)保護(hù)性分為進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)其純度下降到一定程度后，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行更換。（3）控制焊接場(chǎng)所的濕度，若濕度較大，應(yīng)增加除濕器，若濕度較小，需添加濕度計(jì)，用來對(duì)室內(nèi)濕度進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)濕度超過70%，則停止焊接。（4）焊接時(shí)，盡量連續(xù)焊接，確定較強(qiáng)的參數(shù)，延長(zhǎng)熔池高溫時(shí)間，加快氣泡的逸出速度，防止形成孔洞。

（三）未熔合缺陷的改進(jìn)

首先，設(shè)定良好的焊接溫度，一般來說，最好超過15℃，必須情況下，還應(yīng)對(duì)鋁合金預(yù)熱，以降低其冷區(qū)速度，如鋁合金厚度超過7mm，應(yīng)經(jīng)期放置到150℃的環(huán)境中預(yù)熱。其次，采用調(diào)控焊接技術(shù)，控制熔池的溫度，若線能力較高，會(huì)提升變形程度，若線能量較低，則影響焊道與鋁合金的熔合，因而需要采用一些線能量偏高的技術(shù)。

（四）夾渣缺陷的改進(jìn)

對(duì)于夾渣缺陷來說，主要是在焊接之前，處理車體表面的氧化膜，通常來說，處理方法有兩種，一是機(jī)械處理法，即利用銼刀、砂紙等工具，對(duì)坡口進(jìn)行打磨，將該區(qū)域的氧化膜去除。二是化學(xué)處理法，即向車體表面涂抹相應(yīng)的化學(xué)試劑，待一段時(shí)間后，利用柔軟的布片將試劑擦掉。這種方法不但處理了氧化膜，而且還會(huì)去除油質(zhì)。將氧化膜處理后，應(yīng)盡快焊接，避免鋁合金裸露在空氣中再次形成氧化膜。

總結(jié)：綜上所述，高速列車鋁合金車體焊接時(shí)，受到諸多方面的影響，導(dǎo)致其中依然會(huì)出現(xiàn)裂縫、氣孔、未熔合、夾渣等缺陷，降低車體的性能。所以，在對(duì)車體進(jìn)行焊接時(shí)，應(yīng)針對(duì)這些缺陷的引發(fā)原因，制定出合理的預(yù)防方案，降低這些缺陷的發(fā)生率。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐野，韓曉輝，葉結(jié)和，等.高速列車鋁合金車體超聲波沖擊消除焊接殘余應(yīng)力方法研究[J].電焊機(jī)，2018，19（06）：52.

[2]王燕.鋁合金薄壁殼體焊接件缺陷分析與控制[J].金屬加工（熱加工），2017，18（10）：46.