标准动车组司机室薄板焊接方式改善

徐鹏涛,李明,徐浩翔,刘淙元

摘要：介绍高速动车组司机室全铝合金三维空间焊接结构，详细阐述标准动车组司机室问题现状、薄板焊接技术、司机室组成及部件焊接技术难点。针对司机室前墙中厚板焊接时容易产生气孔、焊缝成形不良，导致司机室前墙焊后变形，司机室独特的三维空间结构焊接后容易导致三维曲面车顶局部产生波浪变形，司机室整体外轮廓尺寸超差及司机室内侧仰焊焊缝质量不好等问题，深入研究司机室的焊接工艺，分析焊接问题产生原因，制定合理的工艺措施，有效保证了司机室焊接质量满足设计使用要求。

关键词：动车组；司机室；薄板焊接；改善方式

前言

高速动车组列车高速运行时，对列车的空气动力学性能有更严格要求，司机室外轮廓弧度对列车运行中有效分散空气阻力有重要的影响。由于司机室为三维全铝合金焊接结构，制造工艺复杂，且检测难度大、调修困难，对焊接工艺与操作技术要求非常高。司机室为CL1级部件，在列车高速运行中承受巨大的空气阻力和动载力，对焊接质量提出了较高要求。司机室独特的三维空间结构成为高速动车组焊接技术难点，控制焊接变形成为司机室焊接技术的关键。

一、现状及问题描述

高速动车组司机室采用铝合金材料，以空间曲梁为骨架、以带筋曲面壁板为蒙皮的流线型焊接结构。司机室为典型的流线型外形，以实现列车更高速运行时减阻的目标。铝合金司机室外板由4-6mm板材组成，由于司机室的美工特点，受曲率、模具大小等因素限制，司机室外板大小大多在1.3m×1.3m以下，标动司机室外板分块84块，单个司机室的薄板焊接长度总和在130m左右，目前每个标动司机室薄板缺陷共计约140个。现场使用时存在如下三个问题：

1、司机室外板组成是由多块外板根据弧度、零部件区域、司机室棱线度进行分布。组成后接头较多，且接头焊接位置不一，错综交杂到一起，随着外板焊缝的施工，焊缝的对接状态发生细微的变化，由于外板铺装顺序不合理，导致外板对接的间隙往往大小不一，错边量将随焊接不断变化。

2、司机室外板多处接头由三块外板组成的T型接头形式，外板组装间隙要求0—4mm。由于手工研割，为保证板缝的直线度，组装间隙多为0—2mm。焊接时，开坡口间隙4mm。在T型接头位置，打磨工具易伤到相邻外板，如果根部间隙达不到2mm以上，无法焊接到背部衬垫或打底焊缝，焊接熔深不足，详见图1：

图1 T型接头改善前

3、接头起弧、收弧处理不到位，起收弧易重叠到交汇焊缝当中，造成交汇焊缝根部未融，余高过高，打磨时间增长，且焊后起收弧处的内部气孔很难发现，焊接交汇焊缝时缺陷被覆盖，后续打磨将暴露内部缺陷，探伤时焊接缺陷将显现。

上述缺陷可以和焊缝具有不同的质量等效。焊接缺陷会导致应力向局部集中，特别是在焊根或焊趾的高应力区出现缺陷时，这些疲劳危险部位的应力将进一步集中，从而根焊接接头的疲劳强度造成严重的影响。通常，焊趾是焊接件的疲劳裂缝最初形成的地方，进而导致穿透件壁厚的扩展，致使焊接件失效。

二、司机室焊接技术

2.1焊接材料

高速动车组流线型司机室是铝合金全焊接结构，主要铝合金材料有：EN-AW6005A（AlSiMgA），EN-A W6082（AlSi1MgMn），EN-AW5083（AlMg4.5Mn0.7），EN-AW6008（AlSiMgV）。6005A-T6用于侧墙立柱、窗带梁、前窗框、车顶弯梁等弯曲及挤压型材；6082-T6用于司机室连接板、补板；5083-H111用于前墙、环形框补板、雨檐部位；6008-T6用于司机室曲面车顶、侧墙蒙皮等曲面型材。焊接填充材料为ER.5087(AlMg4.5MnZr)、直径φ1.2mm的盘状焊丝，中3.2mm和φ2mm的TIG焊丝。焊接保护气体为三元气气[p(Ar)70%+p(He)30%+p(N2)150×10]和纯氩[p(Ar)100%]。三元气用于板厚8mm以上的铝合金材料MIG焊接，纯氩用于司机室侧墙骨架与侧墙蒙皮和司机室组成过程中车顶弯梁与车顶蒙皮的TIG焊接。

2.2焊接方法

高速动车组司机室采用的焊接方法为熔化极惰性气体保护焊（131 MIG-t）和钨极惰性气体保护焊（141TIG-m）。司机室侧墙骨架与侧墙蒙皮和司机室在组成过程中，车顶弯梁与车顶蒙皮采用TIG焊接，前墙、前窗框、环形框、侧墙骨架及司机室组成等采用MIG焊接。

三、焊接方式改善方案

针对高速动车组司机室组成及部件的焊接难点，提出合理有效的焊接工艺措施，保证了司机室焊接质量和三维外轮廓尺寸。

3.1优化司机室外板焊接顺序

司机室外板是列车的承载部件，承受空气动力学载荷，焊接质量对列车安全有着重要意义。其由15mm铝合金中厚板与碰撞梁组成的15V焊缝长度2100mm，焊缝质量等级CPC1，焊缝检测等级CT2，采用射线检测（RT）。若采用多层多道焊接，焊后变形大、调修困难，射线检测时发现焊缝局部存在链状气孔或密集气孔缺陷。同时室外板为铝合金板，热输入过大是导致焊接变形的原因。气孔是铝合金焊接中最容易产生的缺陷，焊前清理、热不合理及焊枪角度偏差等是产生气孔的主要原因。

为了控制司机室前墙焊接变形，在焊缝背部预制10mm反变形，每道焊缝均从中间往两边分段退焊使焊接应力均匀释放。应该优化焊接顺序，根据标动司机室焊接时的收缩变形规律，骨架焊后整体前倾，外板焊后司机室高度增加，宽度减小，经多次试验，采用以下焊接顺序。

1）外板和骨架之间的角焊缝焊接顺序为，在一位端、二位端向中间同时焊接的基础上，最后焊接前窗骨架周圈区域，注意焊接过程中两侧应对称同时施焊。

2）先焊前窗骨架周围与外皮的连接焊缝，再焊侧窗与外板的连接焊缝，最后从中间向两端同时施焊，注意焊接过程中两侧应对称同时施焊。

3.2 T型接头结构优化

在司机室前部，前墙与侧墙蒙皮连接焊缝是司机室的重要焊缝，在列车运行时受到巨大的空气阻力，对焊接质量要求非常高。前墙与侧墙蒙皮连接处内侧为a3角焊缝，焊接位置从立焊（PF）到仰焊（PE），再变换成横焊（PC），外侧为4V焊缝，焊接难度高。由于板厚差异较大（前墙15mm，侧墙蒙皮板4mm），且焊缝位置特殊，导致焊接时出现焊缝根部熔合不良、焊缝外观成形不好等问题。
   为保证焊接质量，尽量构成T型接头a2焊缝。由于板厚差异、焊枪角度不合理和焊缝长度较短等原因，在收弧处焊接热量高度集中，很容易导致收弧处的背部形成焊瘤，甚至焊瘤会产生缩孔或裂纹缺陷。应对T型接头区域进行专项研装，在每块外板角部50mm范围的板宽方向切割去除1mm。组装时保证T型接头位置根部间隙4mm，提升外板母材与背部垫板的熔合，如图2所示。

图2 T型接头焊接顺序

3.3 T型接头焊接手法优化

为了保证加强焊接质量，提高装配质量，保证焊接坡口与垫板密贴无间隙，严格按工艺文件规定的参数焊接，打底时快速焊接。应该优化T型接头焊接手法

 1）保证起弧在焊道内侧，优先焊接T型接头的“-”部分，起弧完成第1步后在焊道内回转，完成第2步，焊缝不间断完成第3步“|”部分的焊接；

 2）在完成上述焊接后，将“-”区域的焊缝刨削成V型坡口，完全清除起弧区域后焊接。

通过T型接头焊接手法的优化保证焊缝起始端充分焊透，整道焊缝保持在全熔透状态，将电弧移至收弧板上，保证焊缝末端焊接质量。

总结

分析了司机室三维空间结构及焊接工艺，通过优化司机室外板焊接顺序、T型接头结构优化、T型接头焊接手法优化严格规范操作等方法有效解决了司机室焊接变形等焊接技术难题，保证流线型司机室外轮廓尺寸。总的来说，通过以上技术方案的实施，质量得到极大改善，司机室外板缺陷已经由140个左右降低到50个，T型接头缺陷数量已经由60-80个降低到10个以下，对接焊缝的缺陷数量也降低到原本的60%,缺陷种类也多为气孔，熔合不良与裂纹已得到控制。

参考文献

[1] 尹德猛, 王立夫, 唐衡郴,等. 动车组铝合金厚板薄板搭接MIG焊接工艺研究[J]. 焊接技术, 2013(2):3.

[2] 谢素明, 齐硕, 程亚军,等. 考虑气动载荷的动车组铝合金司机室焊接接头应力因子分析[J]. 大连交通大学学报, 2021, 42(5):7.

[3] 于红, 宋兴华. CRH380BL型高速动车组司机室模块化组焊工艺[J].  2022(2).

[4] 韩寒, 崔鹏翔, 杨博实. 动车组司机室风道结构:, CN210971068U[P]. 2020.

[5] 钮旭晶, 侯振国, 董鹏,等. CR400BF型高速动车组双轴肩搅拌摩擦焊部件质量提升[J]. 电焊机, 2021, 51(10):8.