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[焊接(连接)] 铝合金车厢侧墙焊接难点分析及焊接工艺优化

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发表于 2020-9-17 13:59:25 | 显示全部楼层 |阅读模式

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【汽车材料网】铝合金车厢侧墙焊接难点分析及焊接工艺优化

范永达
(福建省闽铝轻量化汽车制造有限公司,南平 354200)
摘要:对铝合金车厢的侧墙结构及焊接难点进行分析,并进行了多项焊接工艺评定试验,试验结果表明焊接参数不匹配是侧墙产生未熔合、烧穿等焊接缺陷的主要原因;根据评定试验结果制定了合理的焊接工艺参数,确保专机MIG焊接能够获得合格的焊缝,并通过焊接顺序优化、焊接过程监控等措施,最终保证侧墙的焊接质量、外形尺寸达到行业规范要求,同时也提高了侧墙日产量。
关键词:铝合金 侧墙 焊接工艺 生产效率
1 前言

如今,物流行业迅猛发展,运输车辆的制造竞争日益激烈,同时国家对车辆节能减排的政策法规也逐步出台,给交通运输车辆的设计制造提出了越来越高的要求。要做到轻量、高速、载货量大,减轻车体自重,大力发展铝合金车辆是一项行之有效的方案[1]。

某快递车厢主要选用铝合金进行制作,厢体长15 000 mm,宽2 900 mm,高3 550 mm,主要由侧墙总成、前墙总成、底板总成拼装焊接而成。其中的侧墙板设计为铝合金挤压空心型材拼装焊接而成,且多次进行了更新优化,在满足安全的前提下进行减薄,壁厚仅为1.2 mm,而上下横梁与侧墙板连接部分均为4 mm以上,侧墙板与上下横梁的接头形式为搭接接头和T形接头,这种不等厚的接头形式存在较大的焊接难度,厚板侧易出现未熔合缺陷,而薄板侧易出现烧穿缺陷,导致铝合金接头强度降低,限制了重要结构铝合金材料的应用。重点针对侧墙焊接常见缺陷并进行试验、分析,提出了相应的解决办法,对焊接工艺进行了优化,改善侧墙的焊接质量,同时使侧墙的焊接效率得到较大提高。

2 侧墙结构及制造难点分析2.1 侧墙设计结构分析
图1 左侧墙结构示意

侧墙总成主要由上横梁、侧墙板、下横梁等组成,全长15 000 mm,高3 500 mm,如图1所示。为便于装配,保证平面度,侧墙板与上横梁设计为T型接头和搭接接头,如图2(a)所示,侧墙板与下横梁设计为搭接接头,如图2(b)所示,内外均全部满焊,薄板侧焊脚尺寸为2 mm,厚板侧焊脚尺寸为3 mm,焊接完一面后,需翻转侧墙并焊接另一面。侧墙板之间的连接采用嵌入式的对接接头,只需焊接内表面(车厢内部),断续焊,由于焊缝处于插接位置上方,实际母材厚度变为3 mm,如图3所示。通过有限元分析,可知侧墙在满载状态下出现紧急转弯时,货物对箱式车身侧墙中部焊缝结构的冲击比较大,变形导致承受一定的拉应力,图3所示。为此,侧墙板设计要求焊缝熔深达到1.5 mm以上,如图2(c)所示。

图2 侧墙板与上下横梁、墙板间接头形式及焊缝要求

图3 满载急转工况下侧墙变形云

侧墙总成的主要焊缝均为不承受载荷的联系焊缝,焊缝验收标准按ISO 10042-2018《铝及铝合金的弧焊接头-缺欠质量等级》的D级。焊接后需保证侧墙整个平面度不大于3 mm,对角线误差不大于2 mm,无扭曲变形。

2.2 制造难点分析

侧墙板的主要制作工序流程为:装配、外墙板与边梁焊接、传送、翻转、传送、墙板间拼焊、传送、内墙板与边梁焊接、补焊和清理。从制作流程可知,侧墙板的焊接工艺是影响其质量的关键因素。侧墙生产线采用的焊接方法为专机MIG焊,如图4所示,由于产品结构更新频繁,材料厚度常发生变化,一直未能明确合理的焊接参数和焊接顺序。由此引发侧墙总成的产品尺寸数据稳定性较差,不能满足图纸对平面度、对角线差值等关键尺寸的要求。

图4 侧墙专机MIG焊接

此外,铝合金材料具有热导率大、线胀系数大的特点,焊接线能量过大会导致接头的应力、应变复杂[2]。且在实际生产过程中,电网波动,导致出现烧穿、未熔合、气孔、缩孔等焊接缺陷概率激增,如图5、图6所示。

图5 烧穿缺陷

图6 未熔合缺陷

由于焊接工艺不稳定,侧墙板的制作效率无法提升,大量时间花费在检验、补焊、整形、焊接参数调整等方面,日产量受限(左侧墙、右侧墙),远未达到侧墙生产线最初设计的水准。

3 焊接工艺试验

侧墙制作存在焊接缺陷多、尺寸不稳定、效率低下的问题,需要进行焊接工艺评定试验,进而编制合格的焊接作业指导书,指导焊接生产。形成标准化作业是确保焊接质量的唯一途径,如此才能够在保证焊接质量的前提下提高产量。

3.1 试件材料

焊接工艺评定标准依据为ISO 15613:2004《金属材料焊接工艺规程及评定-基于预生产焊接试验的评定》。焊接试件直接从侧墙原材料上截取,试件的形状尺寸能够模拟产品的实际焊接条件,且使用实际生产中的夹具和固定装置[3]。侧墙主要采用6082、6005铝合金,根据标准推荐采用ER5356焊丝[4]。焊接接头形式有T形接头、搭接接头、对接接头3种(如图2),进行3项焊接工艺评定试验。

3.2 试件焊接

根据焊接操作工以往的经验以及相关的铝合金焊接资料,拟定了预焊接工艺规程,焊前清理方式为:先采用丙酮擦拭的方式清除油污,再用不锈钢丝刷去除待焊处氧化膜。为验证不同焊接参数对焊缝质量的影响,每种接头形式分别进行了3种不同参数的焊接,具体见表1~3,其余焊接细节不变,均采用同型号的MIG焊接专机、直流反接、左焊法、焊枪倾角为70~80°、焊丝干伸长12~18 mm、氩气流量15~20 L/min。

表1 T形接头焊接参数

表2 搭接接头焊接参数

3.3 试验结果及不合格原因分析

焊接工艺评定试验结果参照ISO 15613:2004及其引用标准,对焊接试件进行外观检查、渗透探伤、宏观金相试验,具体结果如表4所示。试验编号3、编号6和编号9均不合格,需要说明的是,ISO 10042:2018标准中未对角焊缝焊接熔深做出规定,但角焊缝的熔深直接影响接头强度,货物碰撞有可能导致熔合不良的角焊缝开裂,因此参照企业标准,角焊缝焊接熔深应为板厚的20%~60%。

表3 对接接头焊接参数

a.试验编号3(T型接头类)不合格原因分析

试验编号3的宏观金相照片如图7所示,由于焊接速度过快(155 cm/min),电弧对母材的作用时间短,导致焊缝熔深不足,根据企业标准,薄板侧焊缝熔深应达到0.36 mm,厚板侧应达到0.8 mm,

图7中薄板侧没有熔深。

表4 焊接工艺评定试验结果
注:对外观检查合格的要求为无咬边、裂纹、焊脚尺寸过大、焊脚尺寸过小、焊脚不对称等缺陷;对渗透探伤的合格要求为无表面气孔、裂纹等缺陷;宏观金相的合格要求为无未熔合、未焊透、根部熔深不足等缺陷。

图7 薄板侧熔深不足(编号3)

b.试验编号6(搭接接头类)不合格原因分析

由于焊接速度过快,焊缝金属的熔敷量不足,导致厚板侧的焊脚尺寸过小,如图8所示,使用焊缝检验尺测量其焊脚尺寸为2.5 mm,而设计要求为3 mm(见图2)。同时熔池的凝固时间较短,气体来不及溢出[5],渗透探伤可发现焊缝表面局部存在小气孔。相比之下,试验编号5的焊接参数较合理,焊缝表面成型如图9所示。

图8 焊脚尺寸过小(编号6)

图9 焊脚尺寸合格(编号5)

c.试验编号9(对接接头类)不合格原因分析

试验编号9的焊接电流为165 A,焊接速度为175 cm/min,热输入过大,产生了烧穿缺陷,如图10所示。相比之下,试验编号7由于焊接速度偏慢,同时电流偏小,导致焊缝余高偏高(余高1.7 mm),而试验编号8适当的增加焊接电流与焊接速度,焊缝余高为1.3 mm,在标准的合格范围之内。

图10 烧穿缺陷(编号9)

4 侧墙焊接工艺优化4.1 制定焊接工艺规程

根据合格的焊接工艺评定报告,组织制定焊接工艺规程,其中焊接参数如表5所示。其余参数按3.2节中焊接试件要求编订。

表5 焊接工艺规程重要参数

4.2 现场焊接质量管控

针对已下发的焊接工艺规程,组织焊接操作工、焊接检验员进行培训,产品焊接操作应严格按照焊接工艺规程的规定执行,焊接检验员除负责检验完工焊缝质量外,还需要对产品焊接过程的焊接参数进行监督检查,防止工艺执行不到位、焊接质量失控的情况出现。

4.3 焊接顺序优化

以往焊接操作工每次的焊接顺序、焊接方向、焊接时机并不一致,经常导致侧墙对角线差值过大、平面度超差严重;按照焊接工艺规程中的焊接参数,经过多次产品焊接试验,最终制定的焊接顺序为上下横梁与侧墙板的焊缝同时焊接,焊接方向均与工件输送方向相反,侧墙焊接后的尺寸可达到图纸要求。另外,侧墙板拼接焊缝较多,之前采用2组焊接专机,从头到尾焊接,耗费较长时间,同时也造成产品平面度超差,现改为4组焊接专机,从中间往两边同时焊接,减少侧墙变形的同时也使效率提高了1倍。

4.4 提高自动化程度

侧墙板与上下横梁为规则的长直焊缝,采用焊接专机施焊可达到高效、稳定的状态,但侧墙生产线各个工序的节拍并不一致,比如翻转工序用时较长,会造成焊接2(侧墙板拼接焊缝)的工序人员等待;而补焊、清理工序用时较长,造成侧墙其余工位等待时间过多,传送效率低下。针对这类问题,对侧墙线进行升级改造,增加了自动翻转工位,以及增加侧墙传送过程中自动清理焊缝黑色粉末的设备,如图11所示。此外,还将各工序的工作要素进行分析后重新分配,以达到均衡化生产[6]。

图11 自动翻转

5 结束语

经过焊接工艺评定试验可得到合格的焊接参数,从而编写焊接作业指导书指导实际焊接作业,可保证侧墙焊接质量的稳定性,同时也减少了焊缝检验、返修的时间,提高侧墙制作效率;通过小批量产品生产验证,优化后的侧墙焊接工艺不仅使焊接缺陷大大减少,侧墙尺寸也完全符合产品图纸要求,方便了后续的铝合金车厢总拼工序;翻转、焊缝清理工序升级为自动完成后,再次缩短了节拍时间,最终实现了16套/天的目标。

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