双丝MIG焊焊接工艺在改善高速列车车体焊接质量中的应用

1、焊接技师专业论文题目：双丝MIG焊焊接工艺在改善高速列车车体焊接质量中的应用姓    名：     职     业：     身份证号：鉴定等级：技师 年 月 日双丝MIG焊焊接工艺在改善高速列车车体焊接质量中的应用摘要：高速列车行业的飞速发展使铝合金型材得到了很好的应用，但老的铝合金车体的焊接质量及效率已满足不了其现有要求。本文讲述了铝合金车体双丝焊焊接工艺，并分别对双丝焊和单丝焊的焊接接头进行了X射线无损检测、显微组织分析、性能变化检测和拉伸断口形貌分

2、析。研究了双丝MIG焊焊接工艺方法在高速动车组车体用6005A-T6铝合金的焊接成型可行性。结果表明，双丝焊焊接速度高、焊缝成形好，接头组织致密、晶粒细小，接头力学性能优良，适合高速列车的大批量自动焊生产。关键词：6005A铝合金；双丝MIG焊；显微组织；力学性能；高速列车0 引言轨道客车轻量化车体结构是铁路实现列车高速运行的关键技术之一，大型中空挤压型材6005A-T6铝合金是一种中等强度铝合金，主要用于城铁客车、铁路客车，尤其是高速动车组的车体制造，车体制造过程中大量采用焊接机器人进行自动焊接。传统机器人焊接主要采用单丝焊，但是单丝焊焊接速度较慢，生产效率较低，如提高焊接速度，易产生焊缝余

3、高大、未焊透、咬边，甚至不成形等缺陷，很难满足当今大批量高效生产优质高速列车车体的需要。近年奥地利Fronius公司开发出了“TIME Twin”双丝MIG焊焊接技术，应用两台相互独立的焊机各控制一根焊丝，使用同一个喷嘴，形成不同的熔池。两焊机参数可单独设定，焊丝材质、直径、送丝速度可不同，焊接电弧稳定，熔滴过渡可控，焊接热输入量、焊接变形、飞溅相对单丝焊小，可大大提高焊接熔覆率和焊接速度，做到高效生产。研究证明，双丝焊的后丝电弧对熔池具有搅拌作用，焊接时一脉一滴的熔滴过渡方式焊缝成形稳定，焊接飞溅和气孔率低。本文研究双丝焊在该领域应用的可行性，为提高焊接生产效率提供参考数据，对上述材质的双丝

4、焊焊接工艺、接头组织及性能进行了深入研究。1 实验材料及其焊接性1.1实验材料材料取自高速动车组车体墙板用大型中空铝合金挤压型材，牌号为6005A，热处理状态为T6态，其化学成分见表1。型材壁厚4 mm，型材对接前已分别预开了35°坡口，留1 mm钝边，钝边接触处不留间隙。焊接填充材料采用意大利MTL公司生产的ER5087焊丝，焊丝直径为1.2 mm，其化学成分见表2。 保护气体选用Ar纯度99.99%的氩气。1.2 实验材料的焊接性1）由于铝与氧的化学亲和力很强，材料表面易生成薄薄的一层致密的氧化膜Al2O3，这层氧化膜给焊接造成困难，一是Al2O3不导电从而影响电弧燃烧，当氧化膜

5、较厚时严重阻碍铝的熔合。其次因为氧化膜的熔点远高于铝的熔点，而密度又远高于铝，焊接时易形成未熔合和夹杂。此外氧化膜中含有一定数量的结晶水和吸附水，往往又是产生气孔的根源。所以施焊前和施焊中清除氧化膜是焊接铝合金必要的工艺程序。2）铝合金的比热容、电导率、热导率比钢的大，焊接时的热输入将向母材迅速流失，因此需采用高度集中的热源，焊接的热输入也比钢要大，有时还需预热。3）铝的热膨胀系数是碳钢的2倍，而弹性系数又比钢小很多，因此铝合金的焊接变形比碳钢要大得多，焊接铝合金要求采用热量集中的焊接方法，即热量集中的热源。4）铝合金熔点低，在加温到熔化之前无明显的颜色变化，给焊接操作带来一定困难。2 焊接工

6、艺方法及操作要点2.1 焊接设备双丝焊采用IGM Robot RTI330-S大型双丝焊机器人系统，配以两台互相独立的FroniusTPS5000型MIG焊机，各自通过两套送丝机、两根送丝软管、两个独立的导电嘴分别将焊丝同时送进共用的一个焊枪中，这样焊接过程送丝互不干扰，且焊丝在双电弧中被熔化，形成一个熔池。单丝焊采用IGM公司的单丝焊机器人系统，也配以同型号MIG焊机。2.2 焊接方法及工艺参数环境温度为22.5，空气相对湿度为17.4%。双丝焊的两台焊接电源设定为主从模式，即行走在前面的前导焊丝对应主机（master）；行走在后面的跟踪焊丝对应从机（slave）。两台焊机各自的电弧参数可任

7、意调节，可用不同脉冲频率组合进行焊接。焊接工艺参数见表3。2.3 操作要点1）焊前试件清理 焊前用机械方法去除工件表面氧化层，用压缩空气吹除表面粉尘，并用酒精擦拭表面，然后执行焊接。清理后4h内未焊接，需重新清理。2）焊丝及保护气体的要求 焊丝在运输及存放时，必须保证环境的干燥，防止焊丝表面吸收水分而使焊缝产生气孔。保护气体采用纯度为99.99%的氩气，要求瓶内最低压力不低于3MPa。3）组对拼装 将试件放置专用的工装上进行组对，钝边接触处不留间隙。然后用夹具压紧，中间无法使用夹具除可用实心长方体压铁将试件压实。将试件两端点焊上引弧板与熄弧板，试件每隔500mm焊接50mm长的定位焊缝，以防止

8、试件的横向变形。将定位焊缝磨平，并刨出与焊缝坡口相同大小的V形槽，重新清理定位焊缝及引弧板、熄弧板。4）两焊丝与焊接方向的相对位置 双丝焊是，通过调节两焊丝与焊接方向的相对位置，可获得不同的焊缝宽度与熔深，如图1所示图1 两焊丝与焊缝的相对位置两焊丝所在的直线与焊接方向相同时，焊缝窄而深，且可允许的焊接速度较快；两焊丝所在的直线与焊接方向相垂直时，焊缝宽而浅，可允许的焊接速度较慢。3 检验设备及方法3.1 检验设备1）无损检测设备用ERESO42MF2型X射线探伤仪。2）显微组织观察用EIPHOTO NI-KON300光学显微镜。3）硬度检测用HXD-1000显微硬度计。4）拉伸实验用SHT4

9、605电液伺服万能试验机。5）拉伸断口形貌观察用JSM-5600型扫描电子显微镜。3.2 检验方法焊接结束后，将实验型材在空气中冷却，并用五轴加工中心将其沿焊缝横向加工成拉伸样品的轮廓，加工后断面如图2所示。图2铝型材实验材料焊接并加工后断面图将型材样品中间的加强筋切断，然后由X射线探伤仪对加工后的样品沿接头纵向进行无损探伤，磨平焊缝余高并磨掉毛刺，用光学显微镜对焊后各区微观组织进行观察；从焊缝中心开始向两侧母材逐点测量焊接接头各区显微硬度；对包含焊接接头的拉伸试样进行拉伸实验；对焊接接头拉伸断口形貌用扫描电子显微镜观察。为研究双丝焊的特点，将上述实验与单丝焊作对比分析。4实验结果及分析4.1

10、焊接接头外观及X射线无损探伤结果为比较单、双丝焊焊接接头表面及内部质量缺欠程度，分别对其进行了外观及X射线无损探伤，并参照了列车制造常用的国际标准：焊接-铝及铝合金的弧焊接头-缺欠质量分级（ISO10042），检测结果见表4。探伤后对比图像如图3 所示图3 X射线无损探伤对照表图3中，探伤结果图片中上部白亮及逐渐变暗的过渡部分为焊缝及型材自带垫板探伤后的图像，下部白亮为型材中间的加强筋探伤后图像。由图（a）可以看出，单丝焊对接焊缝中可见焊缝中离散分布几个气孔，数量多于表面气孔数量，说明焊缝内部也存在气孔。图（b）表明，双丝焊对接焊缝中焊缝熔合良好，无裂纹、未焊透、夹杂和气孔等缺陷，这是由于采用

11、双丝自动焊方法，焊接过程中后丝产生的电弧对熔池的搅拌作用延长了熔池凝固时间和熔池中气体排出时间，使得熔池在凝固过程中气体得以充分溢出，从而降了产生气孔的倾向。4.2显微组织分析高速动车组车体用6005A-T6铝合金是可热处理强化铝合金，经过T6热处理状态挤压成的大型中空型材，其组织为完全再结晶组织，主要强化相为Mg2Si相，在焊接电弧热的作用下，焊缝区温度很高，热影响区靠近焊缝的区域强化相元素Mg，Si等具有较大的活性，固溶到（A1）基体中；冷却时，体积很小的熔池周围被较冷的大范围母材金属包围，所以，熔池的冷却速度大，熔池中心和熔池的边缘之间有很大的温度梯度，致使焊缝中的柱状晶得到很大的发展。

12、单、双丝焊焊缝显微组织200倍照片如图4所示。图4 焊接接头显微组织照片由图4可知，焊缝组织是焊丝急冷结晶后的柱状晶组织，而且双丝焊焊缝组织较单丝焊焊缝组织致密、晶粒细小，这是由于双丝焊焊接速度快，热输入量相对小的原因所致。4.36005A-T6铝合金双丝焊焊接接头硬度分布在维氏硬度计上从焊缝中心向两侧熔合线、热影响区及母材侧逐点测试硬度，每2 mm测一点，两侧各测11个点。以焊缝中心为零点，靠近两侧母材各为正负值的硬度曲线如图5所示。图5 焊接接头硬化对比由图中可见，双丝焊焊缝区、软化区硬度略高于单丝焊焊缝，其原因为双丝焊焊缝晶粒较单丝焊焊缝晶粒细小，组织更均匀。从热影响区的硬度值区域比较发

13、现，双丝焊熔宽较单丝焊略宽，这是由于双丝焊后丝电压比前丝电压高、电弧变长后起到了调节焊缝外观成型的作用，增加了熔宽。两种焊接方式均在距离焊缝中心1215 mm左右硬度达到了最低值，形成近似“软化区”，与单丝焊比较，最低硬度值双丝焊更高，这是由于双丝焊热输入量较少，焊缝散热速度快，使得双丝焊热影响区的晶粒相对单丝焊细小，硬度损失小的缘故，接头被软化程度较轻。在距离焊缝中心两侧大于18 mm后，硬度逐渐恢复至母材硬度。4.4焊接接头拉伸实验结果分析6005A-T6铝合金型材母材及单、双丝焊接接头拉伸力学性能检测结果见表5。由表5可见，单、双丝焊接接头抗拉强度分别为186 MPa和195 MPa，分

14、别为母材的63%和67%；单、双丝焊接接头的断后伸长率分别为11%和12%。说明铝合金采用双丝焊较单丝焊拉伸性能优良，这是因为双丝焊焊后焊缝组织致密、晶粒相对细小。4.5焊接接头拉伸断口分析6005A-T6铝合金单、双丝焊焊接接头拉伸断口形貌如图6所示。图6 单、双丝焊拉伸断口SEM形貌从图中可知，单、双丝焊焊接头的拉伸断口上分布着许多大小不同的韧窝，证明断口处发生了塑性变形，且双丝焊断口韧窝较单丝焊韧窝大而且深度深，这与双丝焊抗拉强度大、延伸率大的实验结果相吻合，进一步说明了双丝焊焊接接头力学性能优于单丝焊。结合实际工况，列车在高速转弯及左右摇摆时车体侧墙与底架边梁之间横焊缝内、外侧各承受很

15、高的拉、压应力，焊缝易导致拉伸破坏，所以，抗拉性能好的双丝焊更有利于提高列车车体的使用寿命。5结语通过对双丝焊与单丝焊焊接工艺及接头组织性能对比分析可得出以下结论：1）双丝焊作为一种新型自动化焊接工艺方法，具有焊接速度高、焊缝成型易控制、焊接接头组织致密、力学性能好等优点。2）双丝焊焊接接头力学性能好的主要原因为接头组织晶粒细小、缺陷少。3）双丝焊解决了单丝焊的焊缝成形差、缺陷较多、焊接速度低等诸多问题，能够满足高速列车车体用6005A-T6铝合金高效优质焊接的要求，适合于高速列车制造行业大批量自动化焊接生产的推广应用。参考文献：1曹梅青，邹增大，张顺善，等.双丝电弧焊研究现状及进展J.山东科技大学学报：自然科学版，2008，27(2)：88-92·2明珠，马新沛，王克鸿，等.厚板铝合金双丝气体保护焊工艺J.焊接，2004(10)：25-28·3谭兵，张海玲，陈东高，等.30CrNi3MoV钢单/双丝焊缝组织与性能研究J.兵器材料科学与工程，2009，32(3)：65-68·4杨春利，刚铁，林三宝，等.高强铝合金厚板