鋁合金城際動(dòng)車底架枕梁墊板焊接裂紋控制

李金龍，焦銳，胡偉

中車株洲電力機(jī)車有限公司 湖南株洲 412001

1 序言

鋁合金車輛因具有良好的耐蝕性、撞擊吸能特性、防火安全性，以及輕量化和維護(hù)成本低等特點(diǎn)，所以現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于軌道交通裝備制造中。鋁合金城際動(dòng)車采用全鋁合金車體制作，由于在前期的設(shè)計(jì)與制作時(shí)缺乏相應(yīng)的驗(yàn)證，故在圖樣設(shè)計(jì)上與工藝準(zhǔn)備上還不夠成熟，其中在鋁合金城際動(dòng)車鋁合金底架組焊時(shí)，在枕梁墊板處出現(xiàn)了焊接裂紋，直接影響了產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)進(jìn)度，因此需要及時(shí)解決底架枕梁墊板焊接裂紋的問(wèn)題。

2 現(xiàn)狀

由于底架的主要作用是承重，并且在底架兩側(cè)與動(dòng)車車輪相連接，因此動(dòng)車運(yùn)行中其不僅承受整車質(zhì)量，還存在較大的動(dòng)載荷，是鋁合金動(dòng)車上的重要部件。在鋁合車體設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)底架組焊的焊縫質(zhì)量等級(jí)不僅要求比較高（鋁合金車體組焊中大部分CPB焊縫都在底架上），而且在底架組焊時(shí)，焊接缺陷也控制的比較嚴(yán)格，不允許任何焊縫出現(xiàn)未熔合、裂紋等焊接缺陷，特別是焊接裂紋。由于動(dòng)車在動(dòng)載作用下，容易產(chǎn)生疲勞斷裂及脆性斷裂的風(fēng)險(xiǎn)，因此是鋁合金車體組焊中質(zhì)量控制的重點(diǎn)。

在首列4個(gè)底架組焊試制中, 底架都完成了相關(guān)交車與檢驗(yàn)，但在底架多次轉(zhuǎn)運(yùn)后，有2個(gè)底架在枕梁墊板處出現(xiàn)裂紋，分別是T-1、M-1車共有3處焊接裂紋（T-1車2處，M-1車1處），特別在T-1車有一處長(zhǎng)約2103mm的裂紋（見(jiàn)圖1），幾乎整道焊縫都裂開(kāi)了，直接影響動(dòng)車的運(yùn)行安全。

圖1 T-1車長(zhǎng)約2103mm的裂紋

3 原因分析

（1）過(guò)程分析 由于大地板與枕梁墊板焊接時(shí)產(chǎn)生較大變形，所以在端部件與枕梁墊板裝配中出現(xiàn)6mm左右間隙。為保證裝配間隙，正面裝配時(shí)采用4個(gè)1t的重塊壓緊點(diǎn)，如果不能保證間隙，翻面后用千斤頂頂緊，強(qiáng)制將大地板與端部件上枕梁墊板的間隙控制好，然后進(jìn)行段焊，因此在裝配后，大地板與枕梁墊板存在較大的內(nèi)應(yīng)力。

（2）檢驗(yàn)分析 首先，在對(duì)裂紋處焊縫進(jìn)行斷面PT檢測(cè)及斷口熔深進(jìn)行檢測(cè)時(shí)（見(jiàn)圖2、圖3），均未發(fā)現(xiàn)氣孔、未熔合、熔深不足等超標(biāo)焊接缺陷。

圖2 PT檢測(cè)

圖3 斷口熔深檢測(cè)

其次，對(duì)裂紋處切下來(lái)的一小塊試樣進(jìn)行微觀組織觀察，發(fā)現(xiàn)在熔合線上沿晶界處出現(xiàn)多處層狀撕裂的微觀裂紋（見(jiàn)圖4、圖5），

圖4 取樣位置

圖5 微觀組織（200×）

通過(guò)以上檢測(cè)分析，初步判斷為焊接應(yīng)力引起的焊后延遲裂紋。

4 預(yù)計(jì)改進(jìn)措施

（1）減少焊接應(yīng)力以防止裂紋的產(chǎn)生 首先，墊板的裂紋主要是由枕梁與墊板的5HY焊縫焊接時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力引起的（見(jiàn)圖6），焊接時(shí)在保證焊縫熔深的前提下盡量采用較小的焊接參數(shù)，減少熱輸入來(lái)減小應(yīng)力的產(chǎn)生。

圖65HY焊縫位置

其次，采用合理的裝配與焊接順序，使焊接變形得到一定控制，以減小大地板與枕梁墊板強(qiáng)制裝配而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。

（2）增加墊板的強(qiáng)度以防止裂紋的產(chǎn)生 枕梁墊板寬度較大，而地板只有1排塞焊孔。為保證墊板強(qiáng)度，建議將塞焊孔由1排增至2～3排，以提高墊板的強(qiáng)度。

（3）增加墊板的厚度以防止裂紋的產(chǎn)生 試制的4臺(tái)車只是T-1、M-1車共有3處焊接裂紋，證明此處正是產(chǎn)生裂紋的臨界點(diǎn)，因此通過(guò)增加墊板的厚度（1mm左右）來(lái)提高母材的強(qiáng)度，達(dá)到防止裂紋產(chǎn)生的目的。

5 過(guò)程實(shí)施

（1）工藝改進(jìn)（以T-2車為例） 為減小底架大地板變形引起的裝配間隙過(guò)大的問(wèn)題，在大地板與枕梁墊板組焊時(shí)，只進(jìn)行塞焊孔焊縫的焊接。在與端部件組焊后，先進(jìn)行枕梁墊板與端部件的打底焊，讓枕梁墊板與大地板焊縫自由收縮后再進(jìn)行所有焊縫的焊接，如圖7所示。

在采用改進(jìn)焊接工藝后，底架組焊（T-2車）在班組交驗(yàn)時(shí)未出現(xiàn)裂紋。但在對(duì)底架多次吊運(yùn)與加工后，在焊縫端頭處，由于應(yīng)力集中造成段焊處出現(xiàn)局部裂紋（見(jiàn)圖8），因此改進(jìn)焊接工藝雖然對(duì)控制焊縫裂紋有一定作用，但還不能完全避免裂紋的產(chǎn)生。

圖7 大地板裝配焊接前的準(zhǔn)備

圖8 枕梁墊板段焊處的裂紋

（2）設(shè)計(jì)改進(jìn) 經(jīng)多次與相關(guān)設(shè)計(jì)人員溝通后，同意將后期底架部件的單排開(kāi)孔改為3排塞焊孔枕梁墊板（見(jiàn)圖9）。在對(duì)3排塞焊孔枕梁墊板進(jìn)行工藝驗(yàn)證后，未出現(xiàn)裂紋，因此從T-3車開(kāi)始應(yīng)用于生產(chǎn)中。

（3）焊后檢測(cè)（以T-3車為例） 焊后對(duì)枕梁墊板焊縫進(jìn)行PT檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)裂紋（見(jiàn)圖10）。在對(duì)后續(xù)鋁合金底架組焊的3臺(tái)車的跟蹤檢測(cè)，均未發(fā)現(xiàn)裂紋，目前相關(guān)設(shè)計(jì)已完成更改。

圖9 枕梁墊板塞焊孔改進(jìn)

圖10 T-3車枕梁墊板的PT檢驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的采集

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上述工藝改善方案，使鋁合金城際動(dòng)車底架枕梁墊板焊縫合格率達(dá)到了100%，有效地提升了鋁合金城際動(dòng)車底架枕梁墊板的焊接質(zhì)量；同時(shí)也減少了生產(chǎn)班組因返工造成的工時(shí)及物料浪費(fèi)，并為相關(guān)工藝、設(shè)計(jì)等部門提供合理的參考依據(jù)。