轨道车辆用铝合金焊接裂纹的产生及防止措施

随着轨道车辆的高速化发展，对车体材料的要求越来越高。铝合金具有耐蚀性好、比强度高、拉伸性能好等特点，在轨道车辆车体上的应用得到世界各国的认可。目前，轨道车辆常用铝合金主要有6XXX系和7XXX系，采用的焊接方法主要为 MIG焊。由于铝合金的热导率大、热膨胀系数大等特点，焊接时极易产生焊接热裂纹，给轨道车辆生产带来了一定的困难。因此，研究铝合金焊接裂纹的产生与防止具有一定的生产意义。

1、铝合金焊接裂纹的类型及产生原因

焊接裂纹按照其产生的温度区间及产生机理可以分为热裂纹和冷裂纹。铝及铝合金中常见的焊接裂纹为热裂纹，包括2种特征形式：结晶裂纹和液化裂纹。结晶裂纹主要出现在焊缝中心或弧坑内，液化裂纹一般出现在热影响区内。

目前，国内很多学者、轨道车辆行业企业专家对铝合金焊接裂纹的产生做了大量的研究。唐山轨道客车有限责任公司的刘春宁等人对8 mm厚6005A 热处理强化铝合金进行纯氩单丝MIG焊接，接头采用角焊缝搭接接头3，焊接材料为似· 6 mm的 ER5087焊丝。试验结果显示在热影响区附近有明显的液化裂纹，采用sysweld软件对焊接热量分布情况进行数值分析发现，焊接热输人大及焊枪倾角不合理是导致铝合金自动焊搭接接头焊趾处产生裂纹的根本原因。采用sysweld软件对无间隙和[ mm装配间隙的焊接应力分布情况进行数值模拟发现，装配间隙产生的焊接应力是裂纹形成的外在因素。

周军年等人对轨道客车车体材料6005A热处理强化铝合金采用德国C100s焊接机器人进行脉冲MIG双丝焊接，焊丝型号为ER5087，焊丝直径为1.2 mm,保护气体为纯氩，试验结果表明，在热影响区发现明显液化裂纹。通过对材料组织状态、焊接热输人、型材结构和传热、机加工等方面进行综合分析认为，焊接过程中较大的热输人是焊接裂纹产4的根本原因，焊后过早切割取样是导致裂纹产生的直接原因，焊后传热快产生的焊接应力是产生裂纹的诱发因素龙口丛林中德车体系统工程有限公司的吕艳荣等人对高速列车车体材料A6N01铝合金采用德国Cloos 焊接机器人进行脉冲MIG双丝焊接，焊接使用1.2 mm的ER5087焊丝，保护气体为纯氩。试验结果表明，在焊缝及热影响区附近有明显的结晶裂纹。通过分析认为，凝固过程中焊接热循环带来的应力集中是裂纹产生原因。中国南车集团的韩晓辉在高速列车生产过程中发现，三角补强板在焊接过程中极易产生焊接裂纹。经分析发现，造成焊接裂纹的原因除母材因素外，主要有：熄弧不当产生弧坑裂纹；焊接顺序不当、结构不合理形成应丈集中造成开裂；焊接热输人过大、道间温度高造成开裂。由此可见，焊接热应力和外界拘束应力是产生裂纹的根本原因。

2、焊接裂纹的防止措施

根据铝合金焊接裂纹的产生原因，可以从冶金因素和工艺因素两个方面加以改进，以降低焊接热裂纹的产生几率。

在冶金因素方面，要严格控制母材合金元素含量，降低杂质含量。另外，可以通过调整焊缝合金系统或向填加金属中添加变质剂，选择更匹配的焊丝。除控制焊缝金属的成分外，还可以采取特殊工艺措施改善焊缝金属组织来控制裂纹。如使用交流低频脉冲TIG焊，或采取焊缝两侧加热中间极冷、磁控电弧震荡、高频电弧震荡等工艺方法来细化晶粒，阻碍裂纹的产生及扩展团。

在工艺因素方面，主要是在焊接工艺参数、约束条件、焊接操作等方面通过控制焊接应力来降低焊接裂纹的产生。

焊接工艺参数影响焊缝金属的组织状态和凝固过程中的应变增长速度，从而影响焊接结构的热裂倾向。采用小电流，慢焊速，防止熔池金属过热，可改善抗裂性。多层多道焊时，必须严格控制道间温度和后焊层的热输人量，保证层间融合，防止晶间局部熔化产生微裂纹。采取能量集中的焊接方法，可加快焊接过程，阻碍粗大柱状晶的生长，改善抗裂性。

对于厚件，通过焊前预热可减小脆性温度区间的应力，从而降低裂纹敏感性。

铝合金装配时尽量避免大的拘束度，降低焊接应力。正确设计焊接结构，尽量采用合适的坡口和小间隙焊接，提高装配质量，降低结构拘束度，防止裂纹的产生。可采取反变形法，以抵消焊接过程中由热收缩及外部应力造成的致裂拉伸应变。铝合金焊接时注意定位焊的位置、长度和厚度，合理选择焊接顺序，工艺上采取分段焊、适当降低焊接速度等措施，尽量允许工件部分自由收缩；焊接结束时，应及时减小熄弧电流，填满弧坑后再移去热源，避免弧坑裂纹的出现。也可使用引弧板和熄弧板防止弧坑裂纹的出现，但引弧板、熄弧板的切割工作必须在工件冷却后再进行，以防止焊缝金属晶界上的析出相开裂而扩展成晶界裂纹。对于高强度铝合金焊接接头，采用随焊锤击法可以改变焊接接头的应力分布。

焊工的不规范操作对裂纹的产生也有一定的促进作用。因此，必须提高焊工的焊接理论知识水平和操作技巧、质量意识等，可有效避免类似电弧擦伤导致的裂纹缺陷以及焊枪角度不合理产生的焊接裂纹等。另外，母材和焊丝表面的杂质及氧化膜将成为焊缝裂纹的源头，因此，焊前清理及层间清理也是避免裂纹出现的有效措施。

铝合金焊接裂纹是轨道车辆生产中较为严重的缺陷，本文对焊接裂纹的产生原因进行分析，并从冶金因素和工艺因素两个方面提出了一系列防止措施。可通过采取单项措施或多项综合措施，有效防止焊接裂纹的出现，从而提高接头质量，保证车辆的性能与安全。

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