轨道车辆铝合金分段焊接长度研究

■ 李会，靳军，郭继祥，王广英，孙壮波

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1. 概述

随着我国铁路事业的快速发展，轨道车辆部件设计结构的合理性、产品质量、成本控制、生产效率等成为制造商关注的重点。焊接作为轨道车辆中普遍采用的一种连接方式——焊接结构，其焊缝形式设计的合理性直接影响产品质量、生产制造难度、生产效率及生产成本，因此产品的焊缝形式设计已提升到一个新的高度，且其整体结构设计在生产过程中也在逐渐得到完善。

某轨道车辆车体的端墙部件上需焊接一种附件（托板），其材质为EN AW-5083-H111，150mm×50mm×20mm；端墙板型材的材质为EN AW-6005A，厚度为8mm。托板与端墙板之间采用长度为50mm的两段a3角焊缝连接（分段焊接），焊接方法采用熔化极惰性气体保护焊（131MIG-t），如图1所示。

根据EN 15085分段焊接长度标准，tmax≤10mm时，Lmin＞5tmax，但至少为30mm，tmax＞10mm时，Lmin＞3tmax，但至少为50mm，e≤3L，V≤0.5L，如图2所示。

托板板厚t=20mm，故其分段焊接长度最少为50mm。端墙设计图样给出的托板分段焊接长度为50mm，与EN 15085分段焊接长度要求相符。

图1 托板与端墙板之间焊缝形式

图2 分段焊接长度

生产过程中，焊缝焊接后对焊缝起弧及收弧处进行打磨（如果起弧处无焊接缺陷，可不打磨），焊接接头的打磨长度一般约为10mm（见图3）；打磨接头后对未焊接部分进行打胶（见图4）。

2. 问题分析

图3 打磨后

图4 打胶后

一个端墙上焊接4个托板（两侧），一列车30个端墙，分段焊接之间的间距e太短，焊接与打胶两道工序并存影响生产效率和增加成本，因此下文将对比分析分段焊接与满焊对产品质量、生产效率及生产成本的影响。

（1）成本分析 根据经验可估算出一列车中的托板全部采用满焊时，需消耗的焊丝和气体：焊丝约为4800g，成本约为462元；消耗的保护气体约为66L，成本约为858元，两者总成本约为1320元。

一列车中托板全部采用分段焊接时，按实际焊接长度计算需消耗的焊丝和气体：焊丝约为4160g，成本约为400元；消耗的保护气体约为53.6L，成本约为743.6元；需要消耗的密封胶约为4294mL，成本约为798元；故分段焊接时两者总成本约为1941.6元。

由此可见，采用满焊比采用分段焊接消耗的成本略低。

（2）生产效率分析 采用分段焊接时，在只打磨收弧端的情况下，一列车（16辆）需多打磨480个接头，浪费的时间至少8h；起弧端和收弧端都打磨的情况下，需多打磨960个接头，浪费的时间至少为12h（起弧端一般打磨量少）。

打胶有6个工序，①表面处理：首先用棉布清除浮土、铝屑等。②用205清洗剂清洁打胶位置的表面，晾10min。③粘贴美纹胶带。④涂底漆，底漆晾干最少30min。⑤打胶，等待胶干大概40min。⑥最后去除美纹胶带，最后对打胶部位进行平滑处理和表面后处理。按照工艺流程，打胶过程结束最少1.5h，这对于一列车增加的240个打胶位置来说，时间浪费的非常严重，生产效率受到很大影响。

由此可见，采用满焊比采用分段焊接的生产效率得到极大提高。

3. 焊接质量分析

结合焊接变形的模拟分析，可以得出采用满焊和采用分段焊接的焊接变形基本一致。图5～图8分别为采用分段焊接和满焊时的焊接变形和应力模拟分析结果。

由图5可知，采用分段焊接时，焊接最大变形量为0.458mm，后焊的一侧变形相对于首先焊接的一侧变形大，具有上翘的变形趋势。

由图6可知，采用满焊时，焊接最大变形量为0.719mm，后焊的一侧变形相对于首先焊接的一侧变形大，具有上翘的变形趋势。

由图7可知，采用分段焊接时，分段焊接之间的未焊接部分应力非常大，最大值达到217.8MPa。

由图8可知，满焊的应力集中最大值182.2MPa出现在板材边缘的压卡固定处，此处的应力集中是由于工具压卡造成的，可以不予考虑，整段焊缝的最大应力值为118MPa，比分段焊接产生的应力集中降低近一半。

以上两种焊接方法的焊接变形量相近，且总体变形量较小，不会影响工件使用性能；而分段焊接的焊缝间距之间产生的应力集中是满焊时产生的应力集中的近一倍；因此从焊接变形，应力集中方面综合考虑，采用满焊比采用分段焊接要更合理。

通过整体分析以及操作验证，得出满焊相对于分段焊接具有以下优点：满焊时无需停顿，一个托板减少四个焊接接头，焊缝质量更好（焊缝起弧端和收弧端容易产生缺陷）；减少了焊工打磨焊接接头的工时；减少一道打胶工序，使生产工序得到优化；采用满焊和采用分段焊接的焊接变形都很小，但满焊时应力集中显著降低，极大程度上提高了生产效率，整个生产过程中的成本略有降低，因此与设计结合后图样改为图9的满焊形式。

图5 分段焊接时工件焊接变形

图6 满焊时工件焊接变形

图7 分段焊接时工件焊接应力分布

图8 满焊时工件焊接应力分布

4. 结语

图9 托板采用满焊

轨道车辆车体上焊接附件众多，且很多存在上述类似问题，故针对存在的分段焊接长度不合理问题，对铝合金轨道车辆车体焊接设计过程中，提出以下建议。

当工件厚度tmax≤10mm，焊接长度L≤150mm时，不适合采用分段焊接。

当工件厚度tmax＞10mm，焊接长度L≤200mm时，不适合采用分段焊接。

以上建议既可简化生产工序，提高生产效率，节约成本，又优化了设计方案。