摘要：某型号构架，其横梁与吊座间为板管连接结构，接头形式为全熔透双面焊接，由于焊接空间及变形原因，导致焊缝合格率低下。本文通过采用不同的熔滴过渡模式，不同的焊接接头准备及不同的焊道分布相结合，通过正交试验法，找出了最优的焊接工艺，并将最优工艺应用于生产，提高了产品焊缝的合格率，保障生产顺利进行。
关键词：构架；全熔透双面焊；熔滴过渡；接头准备；焊接工艺
某型号城际动车组构架，其横梁与吊座间为板管连接结构，且其连接焊缝为全熔透双面焊接，焊缝质量要求较高。在生产过程中，发现容易产生未熔合及未焊透现象。为解决此问题，笔者选取了未熔合及未焊透缺陷的几个关键影响因素，通过正交试验法进行研究试验，分析了每种缺陷的影响关键因素，并找出最优工艺，以保证焊接质量，提高产品合格率。
1. 横梁与吊座接头设计
某型号构架其横梁与吊座间连接焊缝接头设计如图1所示，其中图1中件1为圆管，材质为SMA490BW，厚度为13mm。件2为板材，材质为S355J2W，厚度为12mm。其中板的上平面与圆管的最高点平齐。整条焊缝长度约500mm，一个构架上共有此种设计接头焊缝4条。
图1 接头设计断面示意
焊缝接头形式为HV型全熔透焊缝，背面焊接角焊缝，其焊缝质量检查等级为CT1，质量需满足ISO5817-B级，焊后需要进行100%超声波探伤（UT）。超声波探伤时主要焊接缺陷为未熔合及未焊透缺陷，经分析及试验，发现焊接缺陷主要集中在打底焊层，因而焊接工艺方案的优化针对双面打底焊接进行。
2. 焊接工艺方案设计及试验过程
通过理论分析，找出了焊接质量缺陷的关键因素：坡口面及背面焊接顺序，焊接间隙，焊接熔滴过渡形式，清根。焊接顺序有两种：一种为先焊接坡口面，另一种为先焊接背面；焊接间隙从实际出发，分为1mm、2mm、3mm及4mm四种情况；熔滴过渡形式主要有三种：短弧过渡、射流过渡及脉冲过渡；清根主要分为背部清根，背部不清根两种情况。将以上因素进行编号后设计出正交表，再将正交表中根据焊接理论明显不合理的方案排除后，得出以下可能的焊接工艺方案。
焊接工艺方案一：先焊接坡口面，间隙1mm，坡口面采用射流过渡，焊接过程中不清根，背面也采用射流过渡。焊接层道实施示意如图2所示，焊接参数如表1所示。
图2 焊接准备及实施示意
注：1～2为焊接顺序。
焊接工艺方案二：先焊接背面，采用脉冲过渡，间隙2mm，在坡口面清根，然后采用脉冲过渡焊接坡口面。焊接准备如图3所示，焊接参数如表2所示。
焊接工艺方案三：先焊接背面，采用短弧过渡，间隙4mm，背部清根，然后焊接坡口面，坡口面采用脉冲过渡。焊接准备如图4所示，焊接参数如表3所示。
焊接工艺方案四：先焊接背面，采用脉冲过渡，间隙3mm，焊接时坡口面增加铜垫板，坡口面清根，然后采用脉冲过渡焊接坡口面。焊接准备如图5所示，焊接参数如表4所示。
焊接工艺方案五：先焊接坡口面，采用短弧过渡，间隙4mm，背部不清根，然后采用脉冲过渡焊接背部。焊接准备如图6所示，焊接参数如表5所示。
焊接工艺方案六：先焊接背面，采用射流过渡，间隙3mm，焊接时坡口面增加铜垫板，坡口面清根，然后采用脉冲过渡焊接坡口面。焊接准备如图7所示，焊接参数如表6所示。
按照确定的6个焊接工艺试验方案及参数表进行了多组试样焊接，选取每种方案中的典型试验作为焊接工艺试验方案的结果。
图3 焊接准备及实施示意
注：1～2为焊接顺序。
表1 焊接工艺方案一的焊接参数
图4 焊接准备及实施示意
注：1～2为焊接顺序。
图5 焊接准备及实施示意
注：1～2为焊接顺序。
表2 焊接工艺方案二的焊接参数
表3 焊接工艺方案三的焊接参数
图6 焊接准备及实施示意
注：1～2为焊接顺序。
图7 焊接准备及实施示意
注：1～2为焊接顺序。
表4 焊接工艺方案四的焊接参数
表5 焊接工艺方案五的焊接参数
表6 焊接工艺方案六的焊接参数
3. 试验结果及分析
采用各焊接工艺方案焊接完成后，对各焊接试件进行宏观金相检测，各试验方案的宏观金相结果照片如图8所示。
对焊接试件的宏观金相进行分析，并按照ISO5817-B级检验标准进行评定可知：图8a及图8e号宏观金相中存在标准不允许的根部未熔合缺陷，图8c宏观金相中存在标准不允许的侧壁未熔合缺陷，此三个试验方案结果为试件不合格，焊接工艺方案结论为不合理。分析其原因，方案一虽然采用射流过渡，但由于间隙小，且背部未清根，不能保证双面全熔透，所以产生了根部未熔合；方案五虽然间隙较大，但由于背部未清根，且背部采用脉冲过渡模式，因而也不能保证双面全熔透；而方案三先焊接背面，由于结构的原因，背面焊缝存在尖角，采用短弧过渡模式焊接时，不能保证有效熔深，即使在坡口侧清根，也很难将未焊透部分清除。
图8 焊接工艺试验试件宏观金相照片
采用二、四、六试验方案焊接，焊接试样满足ISO5817-B级要求。从宏观金相可以发现，由于结构受限，需要先焊接背部角焊缝，然后坡口面清根，清根后进行渗透检测，PT结果合格后焊接的工艺能够满足质量要求。二、四、六三个焊接工艺方案比较，由于二号方案角焊缝打底焊时坡口面无垫板，极易焊穿，对焊工操作技能要求很高。而四号与六号相比，六号方案生产效率要高于四号，因此三个方案选择时，选择顺序为优先选择六号，其次四号，最后为二号。最终六号焊接工艺方案应用于实际生产，既保证了焊接质量，又提高了生产效率。
4. 结语
对影响横梁与吊座焊接接头质量的各个关键因素进行分析，采用正交试验法，以试验的方式优化了横梁与吊座接头的焊接工艺，得出了其焊接最优工艺为：接头准备间隙3mm，采用射流过渡模式先焊接背部角焊缝，焊接时在坡口侧采用铜垫板，然后在坡口侧清根后用脉冲过渡模式焊接。此工艺在生产中进行了实际应用，既提高了焊缝焊后检测的合格率，又降低了操作者的操作难度，并保证了生产进度。
