高速列车铝合金车体焊接缺陷分析及工艺研究.pdf

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1、Welding Technology Vol38 No3Mar 2009工艺与新技术高 速 列 车 铝 合 金 车 体 焊 接 缺 陷 分 析 及 工 艺 研 究韩晓辉（中国南车集团 四方机车车辆股份有限公司 技术工程部，山东 青岛266031）摘要：随着我国高速铁路的发展，研究开发高速列车铝合金车体制造工艺势在必行。三角补强板是高速列车铝合金车体上最重要的焊接零件之一，其焊缝强度严重影响着行车安全，焊缝质量要求极高然而其工艺性较差。对现行生产的数据统计发现：三角补强板在焊接过程中产生了4种焊接缺陷：气孔、裂纹、夹渣、熔合不良。本文结合实际生产分析了导致4种缺陷产生的原因，并制定了相应的工艺措

2、施，有效地减少了焊缝缺陷的再次产生，提高了焊缝射线探伤（RT）的一次合格率，减少了三角补强板焊缝的补修次数。关键词：三角补强板；焊接缺陷；高速列车车体；铝合金中图分类号：TG457.2文献标志码：B收稿日期：2008-08-28文章编号：1002025X(2009)03-0031-04高速列车的铝合金车体中牵引梁与枕梁、牵引梁与端梁以及枕梁与边梁的连接部位都是极为重要的承力部位，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，而应力集中是造成疲劳强度损失的重要因素之一。为保证结构强度，避免应力集中，在这些重要部位连接了高强度铝合金的三角补强板，如图1中有6处。基

3、于三角补强板的重要作用，保证该处的焊接质量十分重要。该处为厚的7XXX系列高强铝合金板材与型材的对接、角接结构形式，焊缝短、接头多、焊接层数多、施焊空间窄，焊接工艺性差；再加上因为采用国产板，焊接性不稳定，造成该部位成为高速列车铝合金车体上焊接缺陷的易发、多发区。因此研究该部位的焊接工艺、保证稳定的焊接质量显得尤为重要。1工艺要点为保证三角补强板的焊接质量，要制定严格的工艺措施。以图1中编号的三角补强板焊接为例，采取的具体工艺措施如下。1.1焊缝形式三角补强板材质为A7N01P-T4高强度铝合金板，与枕梁、牵引梁（材质为A7N01S-T5）形成平焊对接结构，为确保良好的焊接工艺性，设计焊缝坡口

4、形式见图2。1.2工艺资源配置三角补强板接头焊接方法采用半自动脉冲MIG焊，焊接电源选用KEMPPI 4200水冷焊机；保护气体纯度为（Ar）99.999%，采用管道集中供气；焊丝采用进口SAF焊丝，具有DB认证，焊丝牌号ER5356WY，规格准1.6 mm。1.3工艺要点（1）焊前采用有机溶剂对待焊区域进行清洗，清图2焊缝坡口形式示意图55A7N01P-T4三角补强板A7N01S-T52牵引梁（枕梁）551610514图1三角补强板焊缝分布示意图枕梁边梁牵引梁31焊接技术第38卷第3期2009年3月工艺与新技术除母材表面的杂质和油污。（2）采用干净的不锈钢丝轮打磨焊道，彻底清除母材表面的氧化

5、膜。（3）采用多道焊进行焊接，焊接顺序见图3。先正面焊F1层打底焊，再正面焊F2层盖面层，然后背面清根进行S1层、S2层的焊接，焊接顺序依次为焊缝1-F1、焊缝2-F1、焊缝1-F2、焊缝2-F2、焊缝1-S1、焊缝2-S1、焊缝1-S2、焊缝2-S2。焊接过程中均应控制道间温度为60，焊接施工示意图如图4所示。（4）为平衡焊接应力分布，减少应力集中，图1中6块三角补强板的焊接顺序为。（5）焊接起始引弧和终止熄弧位置均设在母材，详见图4，焊接完成后进行打磨处理。（6）打底焊F1层、清根焊S1层因焊道窄、焊接厚度深，焊枪采取前后运动的方式；盖面焊F2层、封底焊S2层因焊道宽、焊接厚度浅，焊枪采取

6、划圆运动的方式。（7）焊接工艺参数的选取依据焊接工艺试验结果（表1），电流类型均为直流反接。根据表1中数据可发现如下规律：焊接电流与送丝速度呈线性关系，F2层焊接电流较大，送丝速度较快；F2，S2焊道宽，电弧电压较高；清根焊S1层因每次清根深度不同焊接条件变化较大；4层焊道的焊接速度由慢变快，再由快变慢；4层焊道的焊接热输入相差不大，其大小与4层焊道焊后的焊缝截面积大小呈线性关系。2缺陷统计通过对本公司现行生产的所有铝合金车体三角补强板焊缝RT探伤记录统计分析发现：铝合金三角补强板出现的焊缝缺陷中，气孔占77%、裂纹占7.7%、夹渣占6.6%、熔合不良占8.8%。针对以上4种焊接缺陷，结合生产

7、实际情况，分析产生缺陷的原因并制定相应的预防或解决措施，提高焊接质量。3气孔产生原因及防止措施3.1气孔的危害在三角补强板焊缝中，气孔是出现最多的一种缺陷。气孔的存在不但会降低焊缝的致密性，减小接头的承载面积，而且使接头的强度、塑性降低，特别是冷弯和冲击韧性，因此必须防止气孔的产生。3.2产生原因经统计分析发现：导致气孔产生的因素很多，不同阶段、不同焊接条件导致气孔产生的原因各不相同。归类总结有以下几种情况：（1）保护气体因混入杂质导致不纯。（2）焊接过程中厂房大门开启，空气流通加快导致气体保护效果不良。（3）待焊区焊前清理不彻底，或打磨清理时因操作不当重新混入杂质。（4）国产铝合金板材中结晶

8、水含量偏高，焊缝中产生气体过多，来不及逸出，残留在焊缝中。（5）焊丝受潮。（6）空气中的相对湿度过大，导致焊缝形成气孔。（7）送丝不畅、不均导致保护气体流动产生紊流，气体保护效果不良。表1三角补强板的焊接工艺参数焊层焊接电流/A电弧电压/V送丝速度/（mmin-1）焊接速度/（mmmin-1）热输入/（Jcm-1）气体流量/（Lmin-1）F126026.48.54808 58024F227528.29.65208 95024S126026.28.45108 00024S226527.58.65008 74524图3焊缝焊层示意图三角补强板牵引梁（枕梁）F2F1S2S1图4焊接施工示意图枕梁熄

9、弧点焊接方向牵引梁引弧点引弧点焊后切除部分尖角过渡处三角补强板焊后切除部分焊缝2焊缝132Welding Technology Vol38 No3Mar 2009工艺与新技术3.3防止措施要彻底清除焊缝中的气孔很难，目前所采用的工艺手段只能是最大限度地减少气孔。针对导致气孔产生的因素，制定工艺措施如下：（1）保证保护气体的纯度，要加强对保护气体质量的监控，按照GB/T 10624定期对保护气体纯度进行监测，同时要保证气体传输管道的清洁，定期对管路进行清洗。（2）在三角补强板焊接区域设挡风板，并且在厂房大门打开时停止焊接。（3）加强职工的职业道德教育，严格执行铝合金焊前处理规程，为避免定位焊的杂

10、质因焊前处理重新混入焊道，应在三角补强板背面进行定位焊，在正面焊后进行背面清根时一并清除定位焊点，用于焊前清理焊道的不锈钢碗状钢丝刷禁止采用风动形式。（4）与厂家沟通，控制铝合金中结晶水的含量，增加焊前预热工艺措施，预热温度为150，道间温度为60，预热位置距离焊道50 mm。（5）焊丝领取时保持密封，焊前应烘干，烘干温度为120，保温2 h后使用；未用完的焊丝重新放回烘干箱。（6）有条件的南方企业应配备大型除湿装置，但费用较高；北方湿度小，配置大型除湿装置没有必要，可在厂房内设湿度计进行湿度检测，相对湿度超过70%时应立即停止焊接。（7）检查送丝系统及送丝轮压力大小设置是否合理，送丝软管是否

11、通畅，导电嘴是否被堵，若是，需及时进行调整更换。4裂纹产生原因及防止措施4.1裂纹的危害三角补强板焊缝中，焊接裂纹出现的概率并不高，但裂纹对高速铝合金车体的危害是最严重的。裂纹不仅使车体结构强度降低，而且高速列车的高频动载容易造成裂纹扩展，从而引起整个结构的疲劳破坏，后果不堪设想。JIS Z 3105中规定：焊缝一旦出现裂纹，无论裂纹多么微小，都被评定为级，因为裂纹是完全不允许的。4.2裂纹产生原因对三角补强板焊缝以往几次产生裂纹事故的情况分析发现，造成裂纹缺陷的产生主要有以下几方面因素：（1）国产铝合金材料裂纹倾向严重，晶粒度不均，材料中的S，P杂质元素以及低熔共晶化合物含量偏高，造成焊缝区

12、金属产生结晶裂纹，热影响区母材金属产生晶间液化裂纹。（2）焊缝末端未填满、焊缝冷却快，产生弧坑裂纹。（3）焊接顺序不当，内应力过大导致产生裂纹。（4）三角补强板结构不合理，或焊后圆角打磨处理不良，形成应力集中造成开裂。（5）道间温度过高、热输入过大导致晶粒粗大，形成晶间裂纹。（6）补焊次数过多，反复修补导致产生热裂纹。4.3防止措施基于裂纹的严重危害性，针对裂纹形成的原因，制定的具体工艺措施如下：（1）制定高于标准JIS H4000，JIS H4100规定的内控标准，敦促原材料厂家改进冶炼、挤压工艺，加强对国产化铝合金材料的化学成分、力学性能以及焊接性能的控制。（2）熄弧时要填满弧坑，降低冷却

13、速度，针对焊缝端部容易产生缺陷的特点，将引弧、熄弧点设在焊道之外，详见图4。（3）制定合理的焊接顺序，包含两方面：一是车体上所有三角补强板的焊接顺序，二是单块三角补强板焊缝的焊接顺序。（4）改进三角补强板的设计结构，三角补强板的尖角过渡处可适当作圆弧处理。（5）控制道间温度为60，严格执行焊接工艺规程（WPS），避免焊接热输入过大。（6）根据铝合金补焊技术条件规定：铝合金允许补修2次；若需第3次补修，则将原先三角补强板铣掉，重新处理焊缝，焊入新的三角补强板。5夹渣产生原因及防止措施在焊接操作正确的前提下，夹渣的产生主要来自焊件表面未清除干净的氧化物以及国产铝合金原材料中的杂质，减少夹渣缺陷的形

14、成可从以下三方面着手：（下转第52页）33焊接技术第38卷第3期2009年3月!（上接第33页）（1）国产铝合金材料厂家改进工艺，降低原材料的杂质含量。（2）加强焊前清理的力度。（3）在JIS Z3604规定的范围内，适当增大坡口尺寸，降低熔合比，减少母材金属对焊缝的影响。6熔合不良产生原因及防止措施对铝合金三角补强板焊缝中产生的未熔合缺陷进行统计分析，产生熔合不良缺陷有两方面因素：一是焊缝中夹渣量达到一定程度导致熔合不良，二是焊接热输入不足导致未熔合。因此，减少夹渣的工艺措施可用来减少熔合不良缺陷的产生，此外还应严格执行焊接工艺规程，严格控制热输入。7结论（1）三角补强板焊缝是高速列车铝合金

15、车体上的重要的焊缝，针对其产生的4种焊接缺陷，分析其原因并采取相应的工艺措施，有效地减少了缺陷的再次产生，提高了射线探伤（RT）的一次合格率，减少了三角补强板的修补次数。（2）国产铝合金的质量尚待提高，要实现铝合金车体材料的完全国产化，还需加强材料的基础性研究，使国产材料能够满足铝合金车体的焊接使用要求。从图4可知，对于方钢与面板的焊接具体做法为：把工件置于船形位置焊接，先将一面坡口封底焊一道，工件翻面后焊完另一面坡口，再翻回来焊接剩余焊道。6焊接工艺参数在生产中有的操作者往往片面地追求生产率，采用较大的焊接工艺参数施焊，较大的焊接热输入导致焊接变形增大。因此，在对生产效率影响不大的前提下，应

16、尽量采用小热输入，以减小焊接变形，并在对称焊接时力求焊接工艺参数一样。同时也要控制焊缝尺寸不可超过图样要求尺寸。为保证选用合理的焊接工艺参数以控制焊接变形，在施焊之前的技术交底时将此项内容作为重点，让施工人员充分掌握能够保证焊缝尺寸、且热输入小的焊接工艺参数。施工中必须严格按表2中的焊接工艺参数施焊。7严格执行工艺纪律良好的工艺纪律是有效执行工艺措施的保障。在施工之前，首先由技术部门编制焊接工艺指导书，并由专门的技术人员对产品制作进行详细的技术交底，分析讲解产生焊接变形的原因及预防措施，明确任务指定合格的焊工进行施焊。在施工过程中质检员、技术员必须督促焊工严格执行工艺纪律，严格按照焊接作业指导

17、书的要求进行施焊，并认真观察和检测焊接变形情况，视实际情况做合理的工艺调整。8结论通过采取上述行之有效的措施，对龙滩电站尾水管检修门槽主轨焊接变形的控制起到了显著效果。按照DL/T 50182004水电水利工程钢闸门制造安装及验收规范 要求，对工件焊后进行检验，其门槽扭曲、正弯、侧弯的变形量在3 mm之内，完全符合规范要求，单根门槽不需进行矫正。因此，提高了生产效率，降低了生产成本，给企业带来了一定的经济效益。参考文献：1 陈祝年焊接工程师手册M北京：机械工业出版社，20022 徐初雄焊接工艺500问M北京：机械工业出版社，19973DLT 50182004，水电水利工程钢闸门制造安装及验收规

18、范S焊接质量控制与管理表2焊接工艺参数焊丝直经/mm焊接位置焊接电流/A电弧电压/V气体流量/（Lmin-1）1.2立焊981101822710平焊20025025301015作者简介：韩晓辉（1977），男，山东莱阳人，工程师，工学硕士，从事搅拌摩擦焊及铝合金、不锈钢车体焊接工艺研发工作，已在国家级刊物上发表论文10篇52焊接技术第38卷第3期2009年3月英文标题、摘要及关键词Analysis of process factors of AC FZ-TIG welding for aluminum alloyHUANG Yong，SHAO Feng and FAN Ding（Key Lab

19、oratory of Non-ferrous Metal Alloys and Processing，The Ministry of Education，Lanzhou University of Technology，Lanzhou730050，Gansu pro，China）P28-30Abstract：For aluminum alloys，a new type of activating welding process called Flux Zoned activating TIG welding（FZ-TIG welding）was brought forward This wel

20、ding process could not only increase weld penetration，but also get perfect weld surface appearance AC FZ-TIG welding for aluminum alloy was studied the factors affecting the weld penetration It had important practical significance to introduceactivating TIG welding into the welding for aluminum allo

21、ys and generalize FZ-TIG welding The experimental results indicated that weldingcurrent，welding speed，central flux coating width，central flux coating content and flux solvent all had relatively large influence on weldpenetration of AC FZ-TIG welding for aluminum alloy，except argon flow rateKey words

22、：activating welding process，flux zoned TIG welding，weld penetration，process factorAnalysis of weld defects and research of welding procedure for triangle reinforced plate of aluminum car body on high-speed trainHAN Xiao-hui（Sifang Locomotive Rolling Stock Ltd，CSR，Qingdao 266031，Shandong pro，China）P3

23、1-33，52Abstract：With the development of CRH，it is necessary to research and develop the manufacturing process of aluminum alloy car body ofhigh-speed train Triangle reinforced plate is one of the most important welding part on aluminum alloy car bodies and its weld strengthseriously affect the runni

24、ng safety of trains It is required for the highest welding quality while it is difficult to weld Something can be foundout from statistic data on site manufacturing Four welding defects such as porosity，weld crack，slag inclusion and incomplete fusion arefound during welding In the paper，causes of fo

25、ur welding defects are analyzed and process method are confirmed according to themanufacturing process It has resulted in less welding defects，higher once-off pass rate for radiographic inspection and less repair work inthe triangle reinforced plate weldingKey words：triangle reinforced plate，welding

26、 defects，car body of high-speed train，aluminum alloyStudy on the digital PWM approach based on ARM controller for inverter welding machineLI Zhi-gang，CHEN Yu-xi，SHI Hong-xin，et al（School of Materials Science and Engineering，Henan University of Science and Technology，Luoyang 471003，Henan pro，China）P3

27、7-40Abstract：The different digital PWM approaches made important impact on the performance of waveform controlled welding machine Inthe study，single channel pulse was produced by the PWM module of the ARM control core LPC2131，and then converted into twin-channel PWM pulses through peripheral GAL cir

28、cuit Its duty cycle could also be regulated easily in accordance with the load stateExperiment and simulation results proved the consistency of the measured waveform and simulated waveform It showed that this approachhad significant advantages such as high reliability，controllability and easy implem

29、entationKey words：digitized control，inverter welding machine，PWM pulses，ARM，GALSynchronous sampling system for welding temperature field using industrial personal computerBU Wen-de，LIU Jin-he and TANG Jian-yu（School of Materials Science and Engineering，Northwestern Polytechnical University，Xian 7100

30、72，Shaanxi pro，China）P43-47Abstract：In the paper，a synchronous sampling system for welding temperature field was established to measure the temperatureexcursion of the welding joint in the welding process The hardware system of measuring temperature field was made up of thermocoupleand an industrial

31、 personal computer，etc The data acquisition and processing software of the system was written according to C programThe experiment of testing the temperature field of inertia friction weld was carried out by this synchronous sampling system The testingresults showed that the system could do well in multiplex real-time sampling for welding temperature fieldKey words：welding temperature field，industrial personal computer，synchronous sampling，measurement system