CN108817718A - 基于快速热启动的高速列车6005a-t6铝合金焊接方法 - Google Patents

Abstract

一种基于快速热启动的高速列车6005A‑T6铝合金焊接方法，其属于铝合金焊接技术领域。该焊接方法采用自动感应加热装置对6005A‑T6铝合金焊接区域进行预热：在快速热启动的条件下，焊接的预热温度为60‑80℃，预热的区域为焊接的起弧位置，6005A‑T6铝合金对接时采用两层两道焊接；高速列车铝合金接头焊接工艺路线：以焊趾为中心，以原始焊道右侧焊趾为中心线进行第一次焊接，以第一次焊接后的左侧焊趾为中心线进行第二次焊接。该焊接方法通过焊前的快速热启动，快速地提升铝合金焊接起弧处的局部温度，减少焊接过程中的热损伤，以达到改善铝合金焊接接头组织和性能的目的。

Description

基于快速热启动的高速列车6005A-T6铝合金焊接方法

技术领域

本发明涉及一种基于快速热启动的高速列车6005A-T6铝合金焊接方法，其属于铝合金焊接技术领域。

背景技术

在最近的十几年来，中国正在努力发展高速铁路行业，高速列车的生产制造及修复技术取得了突飞猛进的进步。为了获得更加快速的列车组，革新制造车体的材料就势在必行。由于我国已经在制造高速列车的技术上取得到显著性的进步，所以我国对速度在每小时250公里以上的高速列车提出了更高的要求。

在高速列车上所使用的铝合金材料通常都具有很强的导热性，而焊接高速列车铝合金材料的方法通常采用热量集中的熔化焊，因此在焊接接头上极易产生软化区，并且在铝合金材料中积攒很多残余应力，从而导致焊接接头力学性能的严重下降。并且铝合金材料的变形现象也十分严重。焊接接头软化现象会导致高速列车车体强度的降低，这对列车的行驶安全有着相当大的威胁。因此，通过研究铝合金材料焊接和焊接过程中的影响因素，可以提高铝合金焊接和焊接的技术水平和产品质量。

发明内容

为了克服现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于快速热启动的高速列车6005A-T6铝合金焊接方法。该方法与自感应加热设备结合，利用中频感应加热，对高速列车的铝合金接头进行局部的快速加热，提高焊接热启动区域的准确度与稳定性，并提出一种高速列车铝合金接头焊接工艺路线。

本发明采用的技术方案是：基于快速热启动的高速列车6005A-T6铝合金焊接方法，采用自动感应加热装置对6005A-T6铝合金焊接区域进行预热：

在快速热启动的条件下，焊接的预热温度为60-80℃，预热的区域为焊接的起弧位置，6005A-T6铝合金对接时采用两层两道焊接，对接间隙为0.8-1.5mm，焊接工艺参数：

焊接时采用机械加工剔除原有焊缝，开U形坡口,坡口角度为65-75°，坡口深度为3-5mm，焊接工艺参数：

快速预热的焊接工艺参数：

高速列车铝合金接头焊接工艺路线：以焊趾为中心，加工焊接坡口，两次焊接工艺路线如下：

(1)准备带有原始焊道的试验板；

(2)以原始焊道右侧焊趾为中心线进行第一次焊接，焊接深度为3-5mm；

(3)以第一次焊接后的左侧焊趾为中心线进行第二次焊接，焊接深度为3-5mm。

本发明的有益效果是：基于快速热启动的高速列车6005A-T6铝合金焊接方法，采用自动感应加热装置对6005A-T6铝合金焊接区域进行预热：在快速热启动的条件下，焊接的预热温度为60-80℃，预热的区域为焊接的起弧位置，6005A-T6铝合金对接时采用两层两道焊接；高速列车铝合金接头焊接工艺路线：以焊趾为中心，以原始焊道右侧焊趾为中心线进行第一次焊接，以第一次焊接后的左侧焊趾为中心线进行第二次焊接。该焊接方法通过焊前的快速热启动，快速地提升铝合金焊接起弧处的局部温度，减少焊接过程中的热损伤，以达到改善铝合金焊接接头组织和性能的目的。

附图说明

图1是自动感应加热装置的结构正视图。

图2是自动感应加热装置的结构侧视图。

图3是自动感应加热装置的结构俯视图。

图4是原始焊道示意图。

图5是第一次焊接示意图。

图6是第二次焊接示意图。

图7是焊接序列图。

图8是焊接接头设计图。

图中：1、车架，1a、车轮，1b、底板，2、气缸，3、第一平行杆机构，3a、上铰链，3b、下铰链，3c、上滑块，3d、下滑块，4、第二平行杆机构，5、升降平台，6、第一导轨，6a、第二导轨，7、工作台，7a、导轮，8、变压器，8a、感应线圈，9、步进电机，9a、变速箱，9b、螺杆，9c、螺母，10、控制面板，11、感应热源，12、铸铁平台，13、焊件。

具体实施方式

图1、2、3示出了自动感应加热装置的结构图。这种自动感应加热装置包括车架1、变压器8、感应线圈8a、控制面板10、焊件13、铸铁平台12、升降平台5及升降机构和工作台7及平移驱动机构。升降平台5设置在车架1的上放，在升降平台5与车架1之间采用包含一个气缸2、第一平行杆机构3和第二平行杆机构4的升降机构连接,第一平行杆机构3和第二平行杆机构4是采用多个相同长度的扁钢板互相铰链连接构成的伸缩结构。工作台7通过四个导轮7a在第一导轨6和第二导轨6a上移动，第一导轨6和第二导轨6a平行设置在升降平台5的两侧，平移驱动机构包含步进电机9、变速箱9a、螺杆9b和螺母9c，固定在升降平台5上的步进电机9、变速箱9a通过螺杆9b与固定在工作台7底部的螺母9c相配合。工作台7上固定有与感应线圈8a连接的变压器8。控制面板10与变压器8、步进电机9和感应热源11电连接；在感应加热装置工作时，感应线圈8a的移动轨迹与铸铁平台12上的焊件13的焊缝相配合。

实施例

对CRH3动车组车用6005A-T6铝合金进行脉冲MIG焊，并对典型铝合金接头进行一次、二次焊接，并提出快速热启动的方案进行一次焊接。通过以下的测试和分析判定焊接修复工艺对接头组织和性能的影响规律，为选择合理的6005A-T6铝合金焊接修复工艺提供实验数据和理论依据。

(1)通过数值模拟方法和热电偶布点法得到焊接接头的HAZ区焊接温度场的曲线，通过整理温度场的数据，配合origin软件得到测试区域温度场随时间变化的曲线，找到第二相粒子在HAZ区的析出规律，并找到铝合金HAZ区中性能最差的软化区。同时使用非接触式红外测温探头，测试焊接时熔池的温度。

(2)在焊接和焊接后的24小时后通过压痕法测残余应力，得到对接和焊接后焊缝熔合线区域的横向残余应力和纵向残余应力数据，并进行对比分析，找到熔合线区域残余应力的分布特点。

(3)通过分析不同焊接次数的铝合金焊接接头的宏观和微观组织，弯曲性能，静拉伸性能等特征找到焊接修复工艺对铝合金焊接接头性能的影响规律，为合理选择焊接修复工艺提供实验数据与理论依据。

6005A-T6铝合金焊接修复工艺实验：

1、实验材料

本试验选用CRH3动车组生产所用6005A-T6(板厚为6mm)铝合金作为母材，其热处理制度为：固溶处理(560℃/30min)+人工时效(180℃/10h)。试验板尺寸为1000mm×150mm×6mm。母材的化学成分和力学性能分别如表1、2所示。

表1铝合金板化学成分(wt.％)

表2铝合金板的力学性能

选用ER5356(safra)φ1.2mm规格的焊丝，进行6005A-T6铝合金的焊接和焊接。ER5356焊丝熔敷金属的化学成分见表3。用纯Ar气作为焊接和焊接时的保护气体，保护气体的纯度为99.999％，焊接时的气体流量为20L/min。

表3 ER5356焊丝熔敷金属的化学成分(wt％)

2、技术路线

使用WD-500焊机，是铝合金焊接的专用焊机，采用脉冲MIG焊接方法。

3、焊接的工艺路线

本试验分4个工况，分别为只进行对接的试验板即A0，进行一次焊接的试验板即A1，快速热启动后进行一次焊接试验板即AN1，和进行两次焊接的试验板即A2，如表4所示。

表4试样编号

其中，在RTS(快速热启动)的条件下焊接的预热温度为60到80℃，预热的区域为焊接的起弧位置。

以焊趾为中心，加工焊接坡口，模拟去除实际工况中主要出现的焊接缺陷(第二层盖面焊时熔合区侧壁未熔合)试验中的两次焊接工艺路线如下：

(1)准备带有原始焊道的试验板，见图4。

(2)以原始焊道右侧焊趾为中心线进行第一次焊接，焊接深度为4mm，见图5。

(3)以第一次焊接后的左侧焊趾为中心线进行第二次焊接，焊接深度为4mm，见图6。

4、焊接和焊接的工艺参数

6005A-T6铝合金对接时采用两层两道焊的焊接方法，对接间隙为1.2mm，焊接序列见图7。

6005A-T6铝合金焊接工艺参数如表5所示：

表5焊接工艺参数

焊接时采用机械加工的方法剔除原有焊缝，开U形坡口,坡口角度为70°，坡口深度为4mm，焊接序列见图8。

6005A-T6铝合金焊接接头的焊接工艺参数如表6所示：

表6焊接工艺参数

6005A-T6铝合金焊接接头快速预热的焊接工艺参数如表7所示：

表7快速热启动后的焊接工艺参数

5、焊接和焊接过程中测试区域的焊接温度场以及焊后的应力分布规律：

(1)通过数值模拟建立有限元模型方法所得到的焊接温度场曲线与实际测得的焊接温度场曲线很相近，说明模拟计算可以指导试验温度的测试，而通过试验得到的温度场数据可以证明数值模拟的准确性。

(2)盖面焊的熔池峰值温度要比打底焊的熔池峰值温度高。

(3)通过垂直于焊缝方向温度场的对比，可以找到热影响区中的固溶区和软化区。通过平行焊缝方向温度场的对比，可发现由于热积累的情况导致起弧位置区域的峰值温度是最低的，中间区域的峰值温度略高，而收弧区域的峰值温度最高。

(4)通过对比直接焊接和快速热启动后进行焊接两种焊接工艺的温度场曲线，发现预热后热影响区的冷却速度有所下降，可以适当减小晶粒粗化的现象。

(5)焊接接头的熔合线区域纵向残余应力要大于横向残余应力。横向残余应力的分布规律为起弧和收弧区域大而中间位置小，纵向残余应力为中间位置大而起弧和收弧区域小。

(6)在焊接后原始焊缝熔合线区域残余应力增大，并且不会因为二次焊接而继续增大。

(7)通过对比一次焊接和快速预热焊接后原始焊缝熔合线区域的横向和纵向残余应力，发现起弧区域，中间区域，收弧区域的焊接残余应力都会由于焊前预热有所下降，而预热区域(即起弧区域)的横向残余应力和纵向残余应力均要比直接焊接下降10％左右。

6、焊接工艺对铝合金焊接头宏观和微观组织及力学性能的影响：

多次的焊接热循环对焊缝金属有明显不良的影响。无论是一次焊接还是二次焊接，都会使原始焊缝中的基体晶粒变得粗大。但是无论是新焊缝还是原始焊缝，都没有产生新的第二相粒子，第二相为Mg2Si和Al0.7Fe3Si0.3粒子。

焊接工艺对原始焊缝熔合线区域及HAZ区的影响也很大。HAZ区紧邻熔合线的区域颜色在显微镜下成白色，随着焊接次数的增多，白色区域变宽，晶粒粗化。在新老焊缝的交界区域，可以看出焊接的新焊缝和原始焊缝有明显界限和区别，该区域的晶粒粗大并且具有各向异性。AN1在该区域的微观组织要优于A1和A2，沿晶界产生的沉淀现象不明显，气孔也少。

焊接接头的最低硬度值出现在软化区。A0试样最低硬度为57.29HV。A1试样最低硬度为54.99HV。AN1试样最低硬度值为56.44HV，A2试样最低硬度值为53.47HV。软化区的宽度为A2＞AN1和A1＞A0。硬度梯度变化最大的两个区域为熔合线附近的固溶区和软化区。并且焊接接头整体的硬度随着焊接次数的增加而降低。焊接后硬度梯度变大，规律性由于焊接热源的改变和多次的热输入变得不明显。

焊接工艺会影响铝合金焊接接头的拉伸性能，降低材料的抗拉强度。A0,A1,AN1和A2的焊接接头抗拉强度分别为182.441MPa，168.735MPa，173.434MPa，143.839MPa。其中A0，A1，AN1的抗拉强度都达到了母材的60％以上，而A2只有母材抗拉强度的53％，拉伸性能不合格。

(5)弯曲试验全部合格，无论正弯式样还是背弯式样表面均未发现明显的裂纹，说明了焊接接头具有良好的弯曲性能。

Claims (1)

1.基于快速热启动的高速列车6005A-T6铝合金焊接方法，采用自动感应加热装置对6005A-T6铝合金焊接区域进行预热，其特征是：

在快速热启动的条件下，焊接的预热温度为60-80℃，预热的区域为焊接的起弧位置，6005A-T6铝合金对接时采用两层两道焊接，对接间隙为0.8-1.5mm，焊接工艺参数：

焊接时采用机械加工剔除原有焊缝，开U形坡口,坡口角度为65-75°，坡口深度为3-5mm，焊接工艺参数：

快速预热的焊接工艺参数：

高速列车铝合金接头焊接工艺路线：以焊趾为中心，加工焊接坡口，两次焊接工艺路线如下：

(1)准备带有原始焊道的试验板；

(2)以原始焊道右侧焊趾为中心线进行第一次焊接，焊接深度为3-5mm；

(3)以第一次焊接后的左侧焊趾为中心线进行第二次焊接，焊接深度为3-5mm。