马丰燕 王磊（15948）? 姜月 陶新宇 王晓龙 石守清
中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东省青岛市，266000
摘要：随着经济的迅猛发展，人们的出行方式也在发生改变，轨道交通车辆已经成为人们的首选交通工具。现阶段我国轨道交通车辆车体多为铝合金材料制成，其车身焊接过程存在许多缺陷，车身部分区域焊接难度大，为提高焊接质量，本文从轨道交通车体用铝合金及焊接材料入手，总结了轨道交通车体用铝合金焊接技术优化方法。
关键词：轨道交通车体；铝合金材料；焊接技术
1 轨道交通车体用铝合金及焊接材料
1.1 铝合金材料
轨道交通车体目前常用的材料有碳素钢、不锈钢和铝合金三种，无论是从使用量，还是从应用产品的范围来看，使用最广的还是铝合金材料。轨道交通车体应用的铝合金材料主要有五系、六系和七系。相对而言，铝型材使用最多的是6系铝合金，且多为6005A和6082铝合金。板材使用较多的为5083和6082铝合金。铝合金优良的挤压性能为铝型材的大量使用打下了良好的基础，国内成熟稳定的挤压制造能力又助推了铝型材的应用。
1.2 焊接材料
焊材的质量对铝合金焊接质量至关重要，目前，轨道交通铝合金焊接材料多为进口产品，特别是在高速度等级的动车组上，焊丝全部采用进口。国内轨道交通行业应用的主要铝合金焊丝进口品牌有SAFRA、ESAB、MTL、MIG等品牌。近年来，随着国产化焊丝制造技术的提高，国产铝合金焊丝也表现出良好的力学性能和使用性能，并在地铁车辆上开始成功应用。国内轨道交通车辆制造企业为促进国家焊接材料制造的发展，同时降低生产成本及进口供货风险，正在大力推进国产化铝焊丝的工程化应用。焊丝的选择可依据ISO17671-4—2002标准进行，焊丝的成分及交货条件按照ISO18273—2015标准执行。目前，常用的铝焊丝为ER-5087、ER-5356，这两种焊丝适用于5系、6系、7系铝合金焊接。在进行6系铝合金焊接修补过程中，为了防止产生热裂纹，在对强度要求不高时可以选用ER-4043A进行焊接。由于采用ER-4043焊丝焊接接头强度较低，故不适用于新造产品。焊接保护气体也是保证铝合金焊接质量的重要影响因素之一。一种是熔化极气体保护焊（MIG焊），另一种是非熔化极惰性气体保护焊（TIG焊）。铝合金车体极易产生焊接缺陷，如气孔、裂纹、夹渣、未熔合、未焊透等，产生焊接缺陷的原因主要有原材料问题、焊前处理、焊接手法、工艺参数匹配性等。根据车体结构的不同，其产生的焊接缺陷也不一样，这些缺陷会导致车体存在安全隐患，因此对铝合金车体焊接方式的研究十分必要。本文针对铝合金车体部分焊接区域进行焊接手法优化，提高焊接质量。
2 轨道交通车体用铝合金焊接技术优化
2.1 铝合金帽型梁起弧收弧处焊接技术优化
铝合金热导率高，焊缝金属凝固，在起弧收弧处易形成“疙瘩”状焊瘤。且帽型梁都带有直角边，在此处起弧收弧，极易形成熔合不良，外观疑似裂纹，多次引起质检及监造的质疑。为解决这个问题，改变起弧收弧位置，在帽型梁的直角边处增加热输入量，使其充分熔合。增加热输入量的方式有两种：一种是提前预热，另一种是提高焊接参数。因帽型梁在铝合金车体的各个大部件中分布较多，可谓点多面广，若一一预热，严重降低生产效率，且易引起中薄板的变形，影响装配质量。若提高焊接参数，如加大电流电压，可能会违反焊接工艺规程，还有各种板厚组合，可能会造成局部板材的焊穿，并未起到提高焊接打磨质量的目的，因此在实际操作中，这两种方法均不可取。
综上所述，为了较好的解决上述问题，改变起弧收弧位置，利用焊接运丝手法，增加热输入量，使帽型梁的直角边充分熔合，且起弧收弧处不在焊缝的端部，而是在距端部35mm左右起弧，利用这段焊缝的热量充分熔合帽型梁的直角边，在焊道端部时，采用平转立的手法，焊枪上挑，将直角边处充分熔合，在焊到端部时，焊枪上挑的动作完成后转为左焊法，当焊枪运行至帽型梁的另一端时，焊枪继续上挑，使直角边处充分熔合，然后回焊30mm左右，完成收弧动作。这样完成整条焊缝的焊接，且收弧处不在端部，易于打磨，降低了打磨伤母材焊缝的几率。该种焊接手法的改善，使铝合金车体帽型梁（C型）焊接合格率从91.3%提高到99.6%以上，解决了实际生产问题。
2.2 顶棚中立柱补强焊缝焊接技术优化
某车型顶棚中立柱补强焊缝空间相对狭小，焊缝集中，焊接结束后，发现在焊缝起弧收弧位置出现大面积点状缺陷，很难清理补焊，且补焊后打磨易伤及母材，严重制约生产进度。中立柱补强板与顶棚弯梁连接，此处焊缝均为薄板焊接，弯梁厚度为3mm，三角补强板与侧面补板均为4mm，假设三角补强板与弯梁为1号焊缝，圆管与弯梁为2号焊缝，侧面补板与弯梁为3号焊缝，整体焊缝形状类似于U形。焊接时，1号焊缝与2号焊缝连为一体，成为一条焊缝，一次焊接完后类似于L形，3号单独焊接，这3条焊缝起弧与收弧位置重合，极易产生焊接缺陷。通过大量实验分析发现以下3种解决措施：
2.2.1优化定位焊
避免在U型焊缝位置进行定位焊，控制因定位焊及清理不良产生缺欠的可能，将定位焊改在其它方便清理打磨的位置。
2.2.2优化焊接工艺规程，制作工具试件
优化后的WPS电流可以选择100-120A，电压可以选择20-21V，这样就可以将三条焊缝整合成一条焊缝，无需考虑是否超出焊接工艺规程，也无需在较小的焊接区域内多次起弧收弧操作，减少了焊接缺陷的产生。
2.2.3优化焊接操作手法
在整个焊接区域内焊缝类似于U型，可以看出，该焊缝可以一次焊接完成，只需手法熟练，焊接效果就可以满足要求。此种焊接手法，在起弧收弧位置均预留了打磨余量，起收弧位置的焊接缺陷均可以打磨去除，保证了一次探伤通过率。
2.3 车顶边梁组成焊接质量提升
车顶边梁组成由车顶边梁、各种补板、挡板、加强板、小弯梁、车顶连接板等小件组成，板厚从3-12mm不等，20余条焊缝组成一个整体焊件。焊缝多为单V坡口的多层焊，焊缝集中，操作空间较小，焊枪调整角度受限。热量集中时易造成焊缝成型不良，操作不当时易产生弯曲变形，由于焊接间隙超差，严重影响总装门立柱工序。轮廓度不满足工艺要求，调修困难，且目视化效果较差。针对该种特殊结构的焊缝成型不良问题，实验结果表明可从如下几个方面进行解决。
2.3.1调整焊枪角度
通过大量练习提高手腕灵活度来保证焊接质量。
2.3.2优化焊接工艺规程
通过模拟现车，强化训练，截取宏观样件来验证优化的焊接工艺规程，能保证焊接质量。
2.3.3调整焊接方式
由较好操作的平焊、平角焊，通过车体翻转机改为仰角焊、仰焊、立向上，虽然操作方式的变更增大了焊接难度，但是焊接空间加大，操作不受空间限制，技能熟练的员工能够保证焊接质量。
2.3.4改变装配焊接顺序，将空间受限的操作降到最小
因板材等结构原因无法预知反变形也无法增加刚性支撑。只能通过改变装配焊接顺序来控制焊接变形，此时还需综合考虑焊接操作的空间受限问题，由之前的先焊接补板改为先焊接立板，再焊接补板，利用立板起到刚性固定的作用，避免先焊接补板带来较大弯曲变形及焊后收缩。为了避免一次热输入量过大，应严格控制层间温度，同时应提高焊接质量，避免多次返修。
3 结束语
随着焊接技术及轨道交通技术的发展，越来越多的轻量化新兴复合材料将会被应用，高速高效、低焊接变形的焊接工艺将会有进一步的市场需求，轨道车辆的焊接技术必将向智能化、数字化、高效绿色环保方向发展。
参考文献：
[1]吴志明,李金龙,彭章祝.轨道交通车体用铝合金材料及其焊接技术[J].金属加工（热加工）,2021,(2):5-10.
[2]王守凯.焊接技术在轨道交通车体中应用现状及发展趋势[J].中国战略新兴产业,2019,(36):247.