轨道车辆用铝合金焊接性能的国内外标准研究

轨道车辆用铝合金焊接性能的国内外标准研究

丁颍，李欢，袁辉，刘鹏飞，张玉萍

摘要：轨道车辆运行安全很大程度上与车体的稳定性有关，而车体稳定性主要取决于各零部件间的焊接性能。焊接材料、焊接工艺以及焊接方式的选择对焊接接头质量影响较大。通过对比现行各主要焊接标准体系，发现在焊接材料、焊接工艺评定、焊接工艺规程、焊接检验、焊接修复等方面存在不同程度的差异，从而提出我国焊接标准完善方向。

关键词：轨道车辆 焊接性能 焊接标准

1 前言

随着轨道交通装备制造业的迅速发展，速度不断提高的轨道车辆在制造方面对材料及其焊接技术的要求亦越来越高。相应地，对这些铝合金材料的焊接性能提出了更高的技术要求。目前高速动车组、城际动车组车体使用的材料主要有5083等Al-Mg系和6A01、6005、6082等Al-Mg-Si系铝合金板材和型材。

轨道车辆焊接包括多种不同的焊接方法，其中主要的焊接方法为熔化极气体保护焊（MIG/MAG）、非熔化极气体保护焊（TIG）、电阻点焊及螺柱焊等。近些年来，激光焊、等离子焊、搅拌摩擦焊等新型焊接工艺方法也在车体结构焊接中得到实际应用。目前，对轨道车辆用各类焊接材料、焊前准备、焊接工艺评定、焊接生产、焊接质量检验及其焊后修复等，欧洲、日本等国已建立了完善的焊接技术标准体系，我国在轨道车辆焊接技术标准的研究与制定方面也已做了大量工作，但仍需进一步地加强技术标准的系统化和体系化建设。

为此，结合铝合金焊接标准的分布状况以及我国相关轨道车辆制造行业生产现状，铝合金焊接材料与辅助材料、焊接工艺评定、焊接工艺规程、焊接检验、焊接修复等几个方面对标准体系进行分析对比研究，促进我国轨道车辆焊接标准的进一步完善。

2 铝合金及其焊接缺陷

2.1 铝合金分类

铝合金材料按时效方式可分为时效硬化铝合金、非时效硬化铝合金、铸造铝合金三类。时效硬化铝合金指的是含有镁、硅、锌或铜的铝合金通过退火、淬火和时效可以获得较高的抗拉强度的铝合金。这些材料可在室温状态下通过数天的时间自然时效，也可在80 oC和160oC之间的温度下加快时效。人工时效还取决于焊件的大小，越大的焊件，时效时间越长。

在轨道车辆中大部分使用时效硬化型铝合金，由于焊接接头强度的降低，在设计结构上，在接头区要加强，以保证结构等强要求。焊接时产生的热量导致时效硬化铝合金在热影响区损失了部分强度，但采用适当的焊后热处理可使其返回到原来的强度值。

2.2焊接缺陷

铝合金的焊接方法很多，但目前车体结构中最主要的焊接方法还是熔化焊。铝合金熔焊时主要存在氧化、气孔、热裂缝、接头软化及接头抗腐蚀性能下降等五种主要问题。

氧化：铝与氧的亲和力很大，极易生成AL2O3。在大气及浓硝酸中，铝表面生成一层牢固致密的氧化膜，对基体起保护作用，使铝具有很好的抗腐蚀性能，但在焊接时，氧化膜的存在却会给焊接过程带来困难和危害。因此，在焊接前必须严格清理工件坡口及焊丝表面的氧化膜，在焊接过程中也应加强保护并随时清除在焊接过程中新产生的氧化物。

气孔：气孔是铝及铝合金焊接时经常出现的缺陷之一，熔化焊时焊缝中的气孔几乎不可避免，宏观气孔及微观气孔均有出现。气孔的出现，不仅削弱了接头的有效承载截面，同时还使焊接接头的致密性和抗腐蚀性降低。防止气孔的主要措施是减少氢的来源并促使气泡上浮逸出。

裂纹：铝合金焊接时的裂纹主要是热裂纹。大部分是产生在焊缝中的结晶裂纹，有时在热影响区也出现液化裂纹。

接头软化：接头的力学性能下降比较明显，特别是熔焊硬铝和超硬铝时，接头的抗拉强度一般只达到母材的40%～60%，防锈铝高些，可达75%以上。

接头抗腐蚀性能降低：接头的抗腐蚀性能一般都低于母材，硬铝表现较为明显，包晶铝合金的接头要好些。

3、铝合金焊接标准概述

铝合金焊接标准主要包括中国铁道行业技术标准、欧洲标准、UIC国际联盟标准以及国外标准。目前，国内轨道车辆行业铝合金焊接通常以MIG、TIG惰性气体保护焊为主，尤其是焊接生产效率较高的MIG焊（通长焊缝结合机械手自动焊）方法。在标准的应用方面，我国当前的轨道车辆铝合金焊接生产主要参照美标AWS D1.2、AWS D15.1，同时铝合金焊接细则参考欧标EN 1011-4，焊接结构设计多依照欧标EN 15085，工艺评定参考ISO 15614-2以及焊工考试依照ISO 9606-2等内容。

4、标准对比分析

4.1 铝合金焊接材料与辅助材料

在铝合金焊接填充金属匹配方面，欧标EN 1011-4与铁标TB/T 3259类似，均按照铝合金主要合金元素给予了推荐的焊材匹配，如表1所示。欧标EN 1011-4给出了更详尽的焊丝选择表。在AWSD1.2标准中，按合金牌号规定了推荐的焊材匹配，但列出的铝合金牌号有限，且没有按用途推荐焊材。

表1 EN1011.4-2000与TB3259中铝合金焊丝分类表

4.2 填充金属的储存

焊丝应密封在原包装内并置于干燥处，在使用过程中直接取放焊丝时应避免污染焊丝表面。

TB/T 3259规定，焊丝应密封在原包装内并置于干燥处，储存间温度不低于18℃，湿度不大于60%。在使用过程中直接取放焊丝时应避免污染焊丝表面。

欧标EN 1011-4及美标AWSD 1.2中未具体明确填充金属的储存要求。

4.3 保护气体

欧标EN 1011-4、美标AWSD 1.2以及铁标TB/T 3259中均规定了焊接铝合金时可选用氩气、氦气或氩氦联合保护。

EN 1011-4进一步规定，纯氦保护气体不能用于直流TIG焊，且除了自动焊，高氦混合气并不推荐用于焊接3mm以下的薄板。

4.2 焊接工艺

4.2.1工艺评定

铁标TB/T 3259中规定，铝合金电弧焊应按照ISO 15614-2进行焊接工艺评定试验，并根据焊接工艺评定报告（WPQS）制订生产实施的焊接工艺规程（WPS）。

欧标EN 1011-4中关于质量要求、焊缝矫正和验收等方面的工艺评定与ISO 15614-2中关于验收标准的依据都是EN 30042。

美国标准AWSD 1.2中亦有焊接工艺评定之规定，与ISO 15614相比较有一定的区别：

a)在ISO 15614中详细给出了平板对接、管材对接、板材角接以及管材角接4种接头形式试样的确定尺寸，而在美标AWSD 1.2中并无试样尺寸之规定；

b)美标AWSD 1.2对于平板对接、管材对接、平板角接头形式均规定了4种焊接位置，而对于管材角接头规定了5种焊接位置；

c)相比较ISO15614而言，美标AWS D1.2给出了评定试验允许准则；

d)标准中均规定了WPS评定需进行机械性能与目视检查试验；

e)对于试件取样部位的规定，美标AWSD 1.2的规定要比ISO 15614详细。

4.2.2焊接装配

铁标TB/T 3259中规定工件装配间隙应按照GB/T 985.3-2008中表1～表3推荐尺寸控制，宜平焊位置进行，充分利用焊接转胎实现最佳位置焊接。

欧标EN 1011-4中规定焊件的装配应按照EN ISO 6974进行，焊接位置可采用PA、PB、PC以及PF位置焊接。待焊接部件应通过固定或点焊固定就位，直到焊接完成。在可行的情况下建议使用固定装置。固定件和点焊应具有足够的强度以抵御部件中温度变化所引起的应力。

美标AWSD 1.2中对焊件装配中的坡口焊缝、塞焊、管状结构、定位等有比较详细的规定。

日本工业标准JIS E4050-1992中，按适用板厚详细规定了各种坡口形式下坡口角度、根部间隙、钝边等的推荐尺寸，较其它标准规定的最为详细。

4.2.3衬垫

对于焊缝根部间隙大的接头，铁标TB/T 3259与欧标EN 1011-4均规定应采用焊接衬垫进行熔池保护，衬垫应与母材尽量密贴。永久性衬垫满足ISO 15608规定，其材料应与母材金属相同或属同一组别。对于非永久性衬垫可采用不锈钢、铜或陶瓷等非磁性材料。当衬垫为铜或不锈钢时，应开合适的沟槽，避免电弧直接加热衬垫。EN 1011-4还规定了作为衬垫的不锈钢仅可为奥氏体不锈钢。

美标AWS D1.2中进一步规定了如下内容：

a)衬垫的移除

在静态负载结构中，不需移除衬垫。但在循环加载的结构中，垂直于计算应力方向的衬垫应被去除，并保证接头平滑。而平行于计算应力或不经受计算应力的衬垫可以不去除。

b)对于永久性衬垫

永久性衬垫应为与所连接的焊件具有相同的M号的铝合金，除非不考试腐蚀，方可以使用断续焊连接衬垫，否则应沿着衬垫的两边缘以连续焊缝连接，焊缝全长内的衬垫应是连续不间断的。采用一个以上衬垫组合而成连续衬垫时，焊缝应为CJP全熔透坡口焊缝，且应去除余高。

c)对于非永久性衬垫

临时性衬垫应为陶瓷、玻璃带、奥氏体不锈钢、阳极氧化铝合金或铜。如接头具有大于等于1/32 in. [1mm]间隙时，则不应使用铜衬垫。

4.2.4引弧板与收弧板

铁标TB/T 3259中规定，对于重要焊缝应在其始端和终端采用引弧板和收弧板，并在焊接完成后可采用机械或等离子切割方式去除，不得敲击以免接头破损。引弧板和收弧板去除后应进行纵向打磨。

美标AWS D1.2中规定，在动态加载结构中，应在焊接完成并冷却后移除引弧板与收弧板。

4.2.5 定位焊及延续焊

铁标TB/T 3259-2011中有关于定位焊及延续焊的较为详细规定：

定位焊位置应均布、合理，避免焊接时出现接口错位。端部和拐角20mm范围内以及应力集中或其他重要部位应避免定位焊。

TIG焊时定位焊道长度宜在10mm～40mm，MIG焊时定位焊道长度宜在30mm～60mm。定位焊时焊道长度和焊缝厚度过小易产生裂纹，此时应将有裂纹的焊道除去，再进行定位焊接。定位焊应视同正式焊，由有资质的焊工按规定的焊接工艺进行施焊。

定位焊原则上应在焊道内进行，焊接时产生的黑粉、氧化膜等附着物以及焊缝缺陷在正式焊之前应除去。采用正面定位焊时，应在正式焊接开始前将定位焊道余高加以修整，重要部件的定位焊应在正式焊接之前完全除去，不应留有定位焊缝且在其上进行正式焊接。

筋板端部拐角焊缝应连续，距端焊缝长度不应小于2倍的板厚，且至少10mm。斜角交接的加强筋板端部焊接时，焊缝应顺着加强筋板端部方向延续，其焊脚长度不应小于高度的2倍～3倍。

此部分规定并未出现在欧标EN 1011-4以及美标AWS D1.2中。

4.2.6 预热与层间温度

铁标TB/T 3259规定，在板厚大于等于8mm时宜进行预热，预热温度限值与欧标EN 1011-4一致。

在美标AWS D1.2中，关于预热与层间温度的规定较为宽松，仅规定：当焊接可热处理铝合金或含有大于3%镁的5000系列铝-镁合金时，预热和层间温度不应超过120oC。

4.2.7 起弧收弧处理

铁标TB/T 3259强调不使用引弧板与收弧板时，应特别注意焊道终始两端及接口处的焊接质量，收弧时应待弧坑填满后再断弧，并将弧坑加以修整，尤其是对焊道接口要先清理弧坑而后进行接续焊。

美标AWSD 1.2中也有对弧坑的规定，焊口弧坑应满足表5.3之检验要求，或进行返修处理。特别地，AWSD 1.2中还规定了对于环焊缝，在管周长小于等于18 in. [460mm]情况下应覆盖焊缝始端至少1/2in.[12mm];对于管周长大于118in.[460mm]时则至少为1in.[25mm]。

4.2.8 返修焊和焊缝整形

铁标TB/T 3259规定，裂纹等缺陷经削磨消除后，板厚不小于设计厚度的95%时，可不做补焊，并打磨使其成为正规的焊接坡口再进行焊接；或使用垫板再进行焊接。同一部位焊缝返修不宜超过两次。对返修超过两次的焊缝若需再进行返修时，应进行评审确认。

欧标EN 15085-4中规定，对于批量损伤或者和图纸存在偏差时必须征得客户的同意。在进行焊接维修时必须确认损伤原因。不允许在裂纹上进行焊接。在对裂纹进行焊接技术排除前，必须确定精确的裂纹走向。在需要时，对裂纹末端进行钻孔，接着对裂纹进行处理并重新进行焊接，焊接前后均需进行表面裂纹检测。

4.2.9焊接检验

铁标TB/T 3259并未有具体的焊接检验相关规定，而在欧标及美标中，对检验资格、检验程序、目视检测以及无损检测RT、UT均有详细的规定，详见EN 15085-5部分以及AWSD 1.2 第5部分检测。

5 结语

综上通过对我国行业标准和美标AWS D1.2、AWS D15.1、欧标EN 1011-4等铝合金焊接技术标准的对比分析，提升对国际焊接标准的认知，更好地完善我国的国家和行业标准在工艺评定和焊接检验等方面的规定，达到我国铁道车辆的产品国际化和标准国际化目标。

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